PFT, Shenzhen
Objectif : Fournir un cadre de décision reproductible pour la sélection de moteurs servo ou pas à pas dans les constructions CNC de bureau d'un volume de travail inférieur à 1 m³.
Méthode : Un banc d'essai a émulé un portique à 3-axes (X-crémaillère Y-et-pignon, Z-bille-vis). Quarante-huit paires ont comparé les moteurs pas à pas NEMA 23 (2,8 A, 1,8 degrés) et les servos sans balais de 200 W (3 000 tr/min, encodeur 17 bits). La rigidité dynamique, l'erreur de positionnement, la consommation d'énergie réelle et l'élévation thermique de 8 heures ont été enregistrées à des vitesses de déplacement de 100 mm/s et 600 mm/s.
Résultats : à une vitesse inférieure ou égale à 200 mm/s, les moteurs pas à pas offrent une répétabilité de ±0,05 mm avec un coût des pièces inférieur de 25 %. Au-dessus de 400 mm/s, les servos maintenaient ±0,01 mm tout en réduisant la puissance de 18 % et en limitant l'élévation de la température de surface à 8 degrés contre 22 degrés pour les moteurs pas à pas.
Conclusion : Les Steppers conviennent aux premiers builds à faible-vitesse et budget- ; les servos deviennent économiques au-dessus de 400 mm/s ou lorsque la stabilité thermique et la précision au niveau du micron- dominent.
1 Introduction
Choisissez le mauvais moteur et votre CNC de bureau cale sur l'aluminium ou brûle le budget sur du matériel excessif. Ce guide présente les mesures exactes, les-tableaux de compromis et le modèle de coûts que nous avons utilisés dans le laboratoire de PFT afin que vous puissiez reproduire le test sur votre propre banc et insérer les chiffres directement dans une nomenclature.
2 méthodes de recherche
2.1 Banc d'essai
Cadre : extrusion 6060-T5, course de 800 mm × 600 mm × 150 mm.
Rails : guides linéaires MGN15, classe C.
Entraînements : pignon 16 dents, rayon de pas de 20 mm → 62,8 mm/tr.
2.2 Paires de moteurs
| Axe | Pas à pas | Servomoteur |
|---|---|---|
| X/Y | Biphasé, couple de maintien de 3 N·m, 1,8 degrés | 60 W en continu, 0,64 N·m nominal, 2,5 N·m en crête |
| Z | Moteur pas à pas 1,2 N·m | Même servo via planétaire 4:1 |
2.3 Instruments
- Position : codeur à échelle de verre-de 0,1 μm, indépendant du retour du moteur.
- Puissance : Yokogawa WT310, résolution 0,1 W.
- Thermique : thermocouple de type K-sur le carter du moteur.
- Contrôle : LinuxCNC 2.9, servo thread 1 kHz pour les deux systèmes.
2.4 Procédure (reproductible)
Étape 1 : Jogez chaque axe de 100 mm à 100 mm/s → enregistrez l'erreur de suivi.
Étape 2 : Répétez à 200, 400, 600 mm/s.
Étape 3 : Fixez une broche factice de 5 kg, exécutez un modèle de code G de 30 - minutes à 50 % de service.
Étape 4 : Enregistrez la température toutes les 60 s.
Étape 5 : échangez les types de moteurs, gardez la mécanique identique, réexécutez.
3 Résultats et analyse
3.1 Précision du positionnement
La figure 1 représente l'erreur de poursuite absolue moyenne en fonction de la vitesse de déplacement. Les steppers restent en dessous de 0,05 mm jusqu'à 200 mm/s, puis montent fortement jusqu'à 0,18 mm à 600 mm/s. Les servos restent plats à 0,01 mm sur toute la plage.
3.2 Électricité et chaleur
Le tableau 1 résume la puissance réelle moyenne et ΔT après 30 min.
表格
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| Vitesse (mm/s) | Puissance pas à pas (W) | Puissance des servos (W) | ΔT Stepper (degré) | ΔT Servo (degré) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Couple à vitesse
La figure 2 superpose les courbes couple-vitesse. Le couple pas à pas chute de 60 % de 0 tr/min à 1 200 tr/min. Le couple du servo est maintenu à ±5 % jusqu'à 3 000 tr/min.
3.4 Modèle de coût
- Coût de la liste de pièces par axe (USD, devis du deuxième trimestre 2025) :
- Kit pas à pas (moteur + driver + partage PSU) : 42$
- Kit servo (moteur + driver + câble encodeur) : 115$
Le seuil de rentabilité-se produit lorsque les économies de temps de cycle-des servos dépassent la prime de 73 $. Pour une machine de 10-heures/semaine coupant à 600 mm/s, le seuil de rentabilité est atteint à 14 semaines (Figure 3).
4 Discussion
4.1 Pourquoi les steppers perdent en précision à grande vitesse
L'ondulation du couple de détente et le temps de montée du courant d'enroulement limitent la -FEM inverse. Aucun retour signifie que les étapes manquées ne sont pas corrigées.
4.2 Compromis sur les servos-
L'encodeur ajoute 32 mm à la longueur du moteur mais élimine le risque de décrochage. Le réglage PID prenait 15 minutes par axe ; les gains par défaut étaient stables pour nos charges inertielles (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Limites
- Tests effectués sur bus 24 V ; une tension plus élevée (48 V) prolongerait le plafond de vitesse pas à pas.
- Les tests thermiques se sont déroulés sans enceinte ; une enceinte chauffée pourrait réduire l’écart de 14 degrés.
4.4 Points pratiques à retenir
Si vos travaux restent inférieurs à 200 mm/s et que la finition au micron n'est pas critique, les steppers permettent d'économiser de l'argent et du câblage. Dépassez les 400 mm/s, gravez des métaux ou avez besoin de 24-heures de fonctionnement sans surveillance : les servos sont rentabilisés en termes de fiabilité et de qualité de surface.
5 Conclusion
Les moteurs pas à pas gagnent en simplicité et en coût initial pour les CNC de bureau légères. Les servos dominent lorsque la vitesse, la précision ou l’endurance thermique comptent. Utilisez le-tableau de rentabilité (Figure 3) pour décider-puis réexécutez le test de 30 minutes sur votre propre banc pour confirmer avant de vous engager dans une nomenclature.