PFT, Shenzhen
Propósito: Ofrecer un marco de decisión repetible para seleccionar servomotores o motores paso a paso en construcciones CNC de escritorio con un volumen de trabajo de 1 m³.
Método: un banco de pruebas emuló un pórtico de 3-ejes (cremallera X-Y-y piñón-, tornillo de bola-Z-). Cuarenta y ocho ejecuciones emparejadas compararon motores paso a paso NEMA 23 (2,8 A, 1,8 grados) y servos sin escobillas de 200 W (3000 rpm, codificador de 17 bits). La rigidez dinámica, el error de posicionamiento, el consumo de potencia real y el aumento térmico de 8 horas se registraron a velocidades transversales de 100 mm/s y 600 mm/s.
Resultados: A velocidades inferiores o iguales a 200 mm/s, los motores paso a paso ofrecieron una repetibilidad de ±0,05 mm con un costo de piezas un 25 % menor. Por encima de 400 mm/s, los servos mantuvieron ±0,01 mm mientras reducían la potencia un 18 % y limitaban el aumento de la temperatura de la superficie a 8 grados frente a los 22 grados de los motores paso a paso.
Conclusión: Los motores paso a paso se adaptan a las primeras versiones de baja-velocidad y presupuesto-; Los servos se vuelven económicos por encima de 400 mm/s o cuando dominan la estabilidad térmica y la precisión a nivel de micras.
1 Introducción
Elija el motor incorrecto y su CNC de escritorio se detendrá en el aluminio o gastará presupuesto en hardware excesivo. Esta guía explica las medidas exactas, los gráficos-de intercambio y el modelo de costos que usamos en el laboratorio de PFT para que pueda replicar la prueba en su propio banco e ingresar los números directamente en una lista de materiales.
2 métodos de investigación
2.1 Equipo de prueba
Marco: extrusión 6060-T5, recorrido de 800 mm × 600 mm × 150 mm.
Rieles: Guías lineales MGN15, clase C.
Accionamientos: piñón de 16 dientes, radio de paso de 20 mm → 62,8 mm/rev.
2.2 Pares de motores
| Eje | paso a paso | servo |
|---|---|---|
| X/Y | Bifásico, par de retención de 3 N·m, 1,8 grados | 60 W continuos, 0,64 N·m nominales, 2,5 N·m pico |
| Z | Paso a paso de 1,2 N·m | Mismo servo vía planetario 4:1 |
2.3 Instrumentación
- Posición: codificador de escala-de vidrio de 0,1 μm, independiente de la retroalimentación del motor.
- Potencia: Yokogawa WT310, resolución 0,1 W.
- Térmica: termopar tipo K-en la caja del motor.
- Control: LinuxCNC 2.9, hilo servo de 1 kHz para ambos sistemas.
2.4 Procedimiento (Reproducible)
Paso 1: Mueva cada eje 100 mm a 100 mm/s → registre el error de seguimiento.
Paso 2: Repita a 200, 400, 600 mm/s.
Paso 3: Sujete un husillo simulado de 5 kg, ejecute un patrón de código G de 30-min al 50 % de servicio.
Paso 4: Registre la temperatura cada 60 s.
Paso 5: Cambie los tipos de motores, mantenga la mecánica idéntica, vuelva a ejecutar.
3 Resultados y análisis
3.1 Precisión de posicionamiento
La Figura 1 muestra el error de seguimiento absoluto medio versus la velocidad transversal. Los motores paso a paso se mantienen por debajo de 0,05 mm hasta 200 mm/s y luego suben abruptamente hasta 0,18 mm a 600 mm/s. Los servos permanecen planos a 0,01 mm en todo el rango.
3.2 Energía y calor
La Tabla 1 resume la potencia real promedio y ΔT después de 30 min.
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| Velocidad (mm/s) | Potencia paso a paso (W) | Potencia del servo (W) | ΔT paso a paso (grado) | ΔT Servo (grado) |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 18 | 15 | 5 | 3 |
| 600 | 65 | 53 | 22 | 8 |
3.3 Torque a velocidad
La Figura 2 superpone las curvas de par-velocidad. El par paso a paso cae un 60 % de 0 rpm a 1200 rpm. El par del servo se mantiene dentro de ±5 % hasta 3000 rpm.
3.4 Modelo de Costos
- Costo de la lista de piezas por eje (USD, cotizaciones del segundo trimestre de 2025):
- Kit paso a paso (motor + controlador + fuente de alimentación compartida): $42
- Kit servo (motor + controlador + cable codificador): $115
El equilibrio-se produce cuando el ahorro de tiempo de ciclo-de los servos supera la prima de $73. Para una máquina de 10-horas por semana que corta a 600 mm/s, el punto de equilibrio se alcanza a las 14 semanas (Figura 3).
4 Discusión
4.1 Por qué los steppers pierden precisión a gran velocidad
La ondulación del par de retención y el contra-EMF limitan el tiempo de aumento de la corriente del devanado. Si no hay comentarios, los pasos omitidos no se corregirán.
4.2 Compensaciones-de servo
El codificador añade 32 mm a la longitud del motor pero elimina el riesgo de calado. El ajuste PID tomó 15 minutos por eje; las ganancias predeterminadas fueron estables para nuestras cargas inerciales (J_load/J_rotor ≈ 5).
4.3 Limitaciones
- Las pruebas utilizaron bus de 24 V; un voltaje más alto (48 V) ampliaría el límite de velocidad del paso a paso.
- Las pruebas térmicas se realizaron sin recinto; un recinto con calefacción podría reducir la brecha de 14 grados.
4.4 Conclusiones prácticas
Si sus trabajos se mantienen por debajo de 200 mm/s y el acabado en micras no es crítico, los motores paso a paso le ahorran dinero y cableado. Supere los 400 mm/s, grabe metales o necesite ejecuciones desatendidas las 24-horas: los servos se amortizan por sí solos en confiabilidad y calidad de superficie.
5 Conclusión
Los steppers ganan en simplicidad y costo inicial para el CNC de escritorio-de trabajo liviano. Los servos dominan cuando la velocidad, la precisión o la resistencia térmica importan. Utilice el gráfico de equilibrio-(Figura 3) para decidir-luego vuelva a ejecutar la prueba de 30 minutos en su propio banco para confirmar antes de comprometerse con una lista de materiales.