Серводвигатели или шаговые двигатели. Что лучше для ЧПУ станка?

Станки с ЧПУ в основном используют шаговые или серводвигатели для своих осей.

Хотя оба двигателя могут управлять движением режущих инструментов и осей, в чем разница между ними?

Вместо того, чтобы углубляться в их теоретические различия, я расскажу вам о каждом важном отличии, имеющем практическое значение с точки зрения применения ЧПУ.

1. Размер фрезерного станка с ЧПУ

Размер фрезерных станков с ЧПУ играет жизненно важную роль при выборе двигателя.

Если вы хотите настроить фрезерный станок с ЧПУ с небольшой площадью основания и небольшой рабочей зоной, шаговый двигатель может быть лучше, чем сервопривод.

Как правило, шаговые двигатели используются для привода компонентов линейного перемещения, таких как ременный привод, ходовой винт и шариковый винт фрезерных станков с ЧПУ с максимальной площадью резания 4 х 4 фута.

Некоторые промышленные фрезерные станки с ЧПУ начального уровня с площадью резания 4 x 8 футов и 5 футов x 10 футов также используют шаговые двигатели, что помогает снизить стоимость.

В больших фрезерных станках с ЧПУ размер порталов велик и склонен к изгибу, для предотвращения изгиба используется более тяжелая конструкция.

В таких случаях серводвигатель является более подходящим выбором.

Еще одним фактором является размер самого двигателя. Из-за сложной конструкции серводвигатели крупнее и тяжелее шаговых двигателей.

Это означает, что для небольших приложений с ЧПУ степперы являются лучшим выбором.

2. Управление двигателем

Шаговые двигатели перемещаются на заданное количество шагов с каждым импульсом, и контроллер не может узнать, двигался ли двигатель.

Принимая во внимание, что серводвигатель имеет замкнутый контур управления, что означает, что двигатель отправляет информацию о своем положении и направлении обратно в контроллер.

Таким образом, контроллер может проверить, не произошла ли какая-либо ошибка. Это может иметь решающее значение при работе с дорогостоящими заготовками.

Например, предположим, что вы делаете 2-дюймовый пропил на дорогостоящей заготовке, и что-то заклинило ваши линейные приводы или портал.

Если вы используете шаговые двигатели, двигатель пропустит несколько шагов и продолжит резку, а поскольку он пропустил шаги, он остановится и не будет резать до 2 дюймов.

Вам придется выбросить заготовку (или перепрофилировать ее) и начать с новой.

Принимая во внимание, что если вы используете сервоприводы, контроллер знает, как далеко на самом деле переместилась ось, и будет продолжать движение, пока не завершит весь разрез.

Что ж, это также означает, что контроллер для серводвигателя сложнее и дороже, чем контроллер для шагового двигателя.

Другой вариант достижения хороших результатов при низких затратах — использование шаговых двигателей с обратной связью.

Эти двигатели не такие дорогие, как серводвигатели, и обладают всеми характеристиками шагового двигателя с дополнительным преимуществом предотвращения ошибок.

Например, ToAUTO имеет шаговый двигатель NEMA 23 с обратной связью. Он имеет датчики положения, которые обеспечивают обратную связь для коррекции положения.

Так что, если вы хотите делать точные разрезы на заготовках для приложений, где любая ошибка может иметь катастрофические последствия, серводвигатели идеальны.

Однако программирование сервопривода сложнее, чем программирование шагового двигателя, что делает шаговые двигатели лучшим выбором для начинающих.

3. Скорость и крутящий момент

Шаговые двигатели эффективно работают при 1200 об/мин или ниже и могут создавать высокий крутящий момент на низких скоростях.

Вы можете найти шаговые двигатели с удерживающим моментом, как правило, от 30 до 1500 унций на дюйм.

Но этот крутящий момент уменьшается по мере увеличения скорости двигателя, иногда до 80% при очень высоких оборотах.

Серводвигатели работают со скоростью более 2000 об/мин и доступны с гораздо более высоким номинальным крутящим моментом, чем шаговые двигатели, что делает их быстрее, чем шаговые двигатели.

Самое замечательное в серводвигателях то, что они способны обеспечивать постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей.

Понятно, что сервоприводы имеют лучшие характеристики крутящего момента по сравнению с шаговыми двигателями, поэтому, если вы хотите использовать действительно тяжелые шпиндели, вам могут понадобиться сервоприводы.

Кроме того, если вы используете тяжелые порталы вместе с тяжелым шпинделем, вам следует рассмотреть возможность использования сервоприводов для увеличения скорости.

Кроме того, сервоприводы лучше работают при динамических нагрузках.

Это означает, что сервоприводы стабильно работают с разными материалами и настройками резки, поскольку они падают под разными нагрузками.

Но это не означает, что шаговые двигатели всегда являются плохим выбором для больших ЧПУ.

Шаговый двигатель NEMA 34 может работать со шпинделем мощностью 7 л.с. на фрезерном станке с ЧПУ из алюминия и стали и при этом достигать высокой скорости около 1000 дюймов в минуту.

Еще одно существенное различие между ними — время, затрачиваемое на нарезку. Двигатели не могут мгновенно достичь полной скорости, им требуется время, чтобы разогнаться до полной скорости и остановиться.

Когда дело доходит до ускорения и торможения, сервоприводы быстрее на несколько миллисекунд по сравнению с шаговыми двигателями.

Несколько миллисекунд не будут иметь значения, если вы изготавливаете детали с быстрым циклом и с минимальным количеством изменений направления резки.

Но когда вы изготавливаете детали, для которых шпиндель должен часто менять направление, двигатели должны останавливаться, а затем ускоряться в новом направлении.

В таких случаях эти миллисекунды складываются, и существует значительная разница во времени выполнения проекта между сервоприводами и шаговыми двигателями.

Вывод таков: если вы работаете в производственной среде, где скорость производства имеет большое значение, вам следует использовать сервоприводы.

4. Удержание крутящего момента

Удерживающий момент определяет способность вала двигателя оставаться на месте, когда катушки находятся под напряжением.

Шаговый двигатель не будет вращаться без входного сигнала, пока крутящий момент на валу двигателя меньше удерживающего момента двигателя.

Принимая во внимание, что в серводвигателе удерживающий момент практически отсутствует. Так как же серводвигатель удерживает нагрузку на месте?

Механизм обратной связи в серводвигателе обнаруживает любое изменение положения вала и мгновенно корректирует положение вала. Он в основном колеблется в удерживаемом положении, но колебания незначительны.

Но когда сервоприводы настроены неправильно, они производят вибрации и шум при удержании груза в стационарном положении.

Удерживающий момент является основным фактором, когда вам нужно удерживать груз в вертикальном направлении, например, в случае шпинделя на оси Z.

Это особенно важно, когда вы используете шарико-винтовые пары для линейного перемещения.

Внутреннее трение в шарико-винтовых передачах низкое, и они могут иметь обратный привод.

Это означает, что если вы используете шариковый винт на оси Z и поднимаете шпиндель вверх, вес шпинделя может опустить шариковый винт вниз.

Чтобы предотвратить это, двигатель, соединенный с компонентом линейного перемещения, должен иметь достаточный удерживающий момент, чтобы предотвратить обратное движение нагрузки компонентов линейного перемещения.

Использование шагового двигателя с достаточным удерживающим моментом — простой и легкий способ добиться этого.

Сервоприводы могут выполнять такую ​​же хорошую работу, но вам потребуется тщательно настроить контроллер, чтобы предотвратить ненужные вибрации и шум, которые могут повредить другие компоненты вашей сборки.

5. Входная мощность и эффективность

Шаговые двигатели работают от постоянного тока и обычно работают на полную мощность независимо от нагрузки. Шаговые двигатели имеют КПД около 70%.

С другой стороны, вы можете найти сервоприводы, которые работают от источника переменного или постоянного тока, и они потребляют мощность, пропорциональную нагрузке, которую они несут, поэтому сервоприводы могут давать 80-90% эффективности.

Энергопотребление — это фактор, который следует учитывать, когда вы работаете в производственной среде, и дополнительные деньги, которые вы тратите на сервоприводы, могут сэкономить вам деньги на счетах за электроэнергию.

Однако, если объемы вашего производства невелики, а нагрузки меньше, инвестиции в сервопривод не имеют реальной экономической выгоды, что делает шаговые двигатели лучшим выбором.

6. Точность и воспроизводимость

Разрешение двигателей с ЧПУ является фактором, влияющим на точность и повторяемость фрезерных станков с ЧПУ.

Как правило, разрешение шаговых двигателей зависит от количества шагов.

Типичный шаговый двигатель имеет 200 шагов, что означает, что он поворачивается на 1,8 градуса за каждый полученный импульс.

Если вы используете микрошаг, вы можете улучшить это разрешение. Например, если вы используете микрошаг 1/8, разрешение станет 0,225 градуса на 200-шаговом двигателе.

Кроме того, шаговые двигатели часто предпочитают из-за их простой конструкции и системы с разомкнутым контуром, которые практически не требуют настройки. Следовательно, они обеспечивают хорошую точность без особой настройки.

С другой стороны, сервоприводы используют энкодер для определения положения вала двигателя, а разрешение двигателя зависит от энкодера и способности контроллера точно регулировать напряжение и ток.

Например, если серводвигатель имеет разрешение 1000 импульсов/об, это показывает, что контроллер сможет определять каждые 0,36 градуса поворота вала двигателя.

Теоретически сервоприводы имеют бесконечное разрешение, но вам необходимо правильно настроить их и поддерживать энкодер и контроллер в хорошем состоянии для достижения очень высокой точности.

Для любительских приложений, где вам не требуется высокая точность и прецизионность, степперы являются вполне разумным выбором.

Однако шаговые двигатели могут пропускать шаги и вызывать ошибочные сокращения, когда они нагреваются из-за непрерывной работы.

Серводвигатели имеют лучшую точность позиционирования, чем шаговые двигатели.

Это связано с тем, что серводвигатели имеют замкнутый контур управления, что позволяет им корректировать свои движения.

Вы также можете получить хорошую повторяемость от серводвигателей, если они повернуты правильно. Их повторяемость также зависит от качества используемого энкодера.

7. Шум

Шум может быть проблемой при работе с ЧПУ.

Шаговые двигатели могут быть немного шумными по сравнению с серводвигателями.

Чтобы преодолеть это, вы можете использовать драйверы шаговых двигателей с поддержкой микрошагов, что помогает снизить уровень шума.

Вы можете найти шаговые драйверы, которые могут управлять микрошагом до 1/128, чтобы значительно снизить уровень шума и обеспечить плавное движение вала на низких скоростях.

Кроме того, микрошаг устраняет влияние резонансной частоты, которая вызывает вибрации в шаговых двигателях.

Однако микрошаг может создавать меньший крутящий момент, который может составлять около 70% крутящего момента, создаваемого при полношаговом управлении.

Вы можете использовать серводвигатели для устранения шума и вибраций двигателя, но вам все равно придется беспокоиться о шуме фрезерного станка/шпинделя.

Как правило, шум фрезера/шпинделя перевешивает все остальное, и это делает шум двигателя незначительным.

8. Срок службы и техническое обслуживание

Шаговые двигатели состоят из меньшего количества компонентов, и подшипник — единственная быстроизнашивающаяся деталь, которую можно заменить.

Серводвигатели используют энкодеры и редукторы в качестве основных компонентов, что делает их механически сложными.

Следовательно, шаговые двигатели требуют меньше обслуживания по сравнению с серводвигателями.

Однако шаговые двигатели более подвержены повреждениям из-за механических ошибок, таких как перегрузка и заедание, чем серводвигатели.

9. Стоимость

Стоимость часто является основной причиной выбора шаговых двигателей, а не сервоприводов.

Типичный сервопривод как минимум в три раза дороже шагового двигателя того же размера и мощности.

Это связано со сложностью его конструкции.

Шаговые двигатели используют систему без обратной связи и имеют простую конструкцию, исключающую сложность и дополнительную стоимость.

Кроме того, контроллеры серводвигателей используют сложные схемы для достижения высокой производительности.

Драйверы шаговых двигателей недороги по сравнению с сервоприводами из-за их простой конструкции и доступности.

В целом дополнительные компоненты и сложная система делают систему серводвигателя дорогостоящей.

Однако в условиях промышленного производства дополнительные затраты оправдываются более высокой эффективностью системы серводвигателя.

Кроме того, сервоприводы производят детали, которые имеют меньше брака и сокращают потери сырья.

10. Заключение

Рассмотренные выше функции должны помочь вам решить, какой двигатель выбрать для настройки вашего фрезерного станка с ЧПУ.

В первую очередь, какой двигатель вы выберете, зависит от вашего бюджета и типа работы, которую вы будете выполнять.

На мой взгляд, для приложений, не требующих сверхвысокой точности, например, в деревообработке, шаговые двигатели — хороший выбор.

Для сравнения: в большинстве фрезерных станков с ЧПУ стоимостью менее 25 000 долларов используются шаговые двигатели, а не серводвигатели.

Шаговые двигатели обычно могут обеспечивать скорость подачи от 50 до 1000 дюймов в минуту, в то время как сервоприводы могут работать со скоростью более 2500 дюймов в минуту.

Если вам нужна очень высокая точность и высокая скорость производства, лучшим выбором будет сервопривод.

Вы также можете рассмотреть шаговый двигатель с обратной связью, который хорошо предотвращает ошибки из-за пропущенных шагов и может быть хорошим вариантом, когда вам нужно недорогое решение для работы с дорогими заготовками.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему в большинстве фрезерных станков с ЧПУ вместо серводвигателей используются шаговые двигатели?

Шаговые двигатели имеют небольшую площадь и простую конструкцию, идеально подходящую для небольших приложений, таких как фрезерные станки с ЧПУ. Они также дешевле, чем серводвигатели.

Почему серводвигатели дороже шаговых двигателей?

В серводвигателях используются редкоземельные магниты, которые дороже, чем обычные магниты, используемые в шаговых двигателях. Серводвигатели также имеют энкодер или резольвер и редуктор. Следовательно, общая компоновка делает серводвигатели механически более сложными и более дорогими, чем шаговые двигатели.

Могу ли я самостоятельно заменить энкодер моего серводвигателя?

Самостоятельно заменить энкодер в серводвигателе очень сложно. Для этого требуется найти смещение между энкодером и положением ротора, и лучше всего это может сделать обученный обслуживающий персонал.

Могу ли я добавить внешний энкодер к своим шаговым двигателям?

Вы можете добавить внешние энкодеры к своим шаговым двигателям. Энкодер позволяет отслеживать положение и скорость вала двигателя. Добавление энкодера к шаговому двигателю оказывает значительное влияние на производительность двигателя.

Могу ли я модернизировать свой фрезерный станок с ЧПУ с помощью шагового двигателя с обратной связью?

Да. Но если вы используете драйвер шагового двигателя без обратной связи с шаговым двигателем с обратной связью, вы не сможете подключить энкодер двигателя к драйверу. Следовательно, вам также необходимо обновить драйвер шагового двигателя.