Spis treści:
Precyzyjna obróbka mechaniczna materiałów wymaga użycia odpowiedniej maszyny CNC, gdzie na dokładność obróbki mają wpływ także parametry techniczne silników krokowych.
Zbuduj własną maszynę CNC!
Krótko i na temat – przedstawimy Wam najważniejsze informacje dotyczące parametrów technicznych, które są wyznacznikiem wyboru odpowiedniego silnika krokowego do maszyn CNC dla hobbystów.
Silniki krokowe – zasada działania
Silniki krokowe są przetwornikami energii, które energię elektryczną ze źródła zasilania zamieniają w energię mechaniczną ruchu obrotowego. Co więcej silniki krokowe nie muszą koniecznie wykonywać ruchu obrotowego, a mogą dostarczać moment niezbędny do statycznego podtrzymania obciążenia na wale. W odróżnieniu od tradycyjnych silników elektrycznych, w których ruch obrotowy wirnika odbywa się w sposób ciągły, wirnik silnika krokowego wykonuje ruch obrotowy dyskretny, tj. na jeden pełny obrót wirnika (elementu ruchomego) składa się skończona liczba kroków. Im wyższa rozdzielczość krokowa silnika, tym dokładniej możemy prowadzić proces obróbki mechanicznej.
Silniki krokowe są silnikami bezszczotkowymi, co również korzystnie wpływa na ich żywotność. Energia elektryczna jest doprowadzana do par uzwojeń umieszczonych w stojanie (elemencie nieruchomym). Napięcie sterujące podawane do uzwojeń stojana silnika krokowego ma przebieg impulsowy, który powoduje zmianę położenia wału o kąt odpowiedni do ilości zadanych impulsów. Wykorzystując mikroprocesorowy sterownik silnika krokowego możemy precyzyjnie sterować kątem obrotu odpowiadającego wymaganej liczbie kroków.
Dzięki tym cechom silniki krokowe znalazły zastosowanie w licznych aplikacjach wymagających wysoce precyzyjnej realizacji procesów fizycznych w funkcjonowaniu urządzeń zmechanizowanych, takich jak np. plotery, grawery laserowe, drukarki 3D, a także obrabiarki sterowane numerycznie (CNC). Dzięki wysokiej powtarzalności w produkcji silniki krokowe są ze sobą spójne pod względem dokładności wykonania i parametrów roboczych, takich jak np. prędkość obrotowa w zależności od średniej wartości napięcia sterującego oraz dostarczają maksymalny moment na wale już w dolnym zakresie obrotów.
Wymiary geometryczne silników krokowych - standard NEMA
Obudowy większości silników krokowych dedykowanych do maszyn CNC i drukarek 3D są wykonane zgodnie ze standaryzacją wymiarowania NEMA. Standaryzowany rozmiar silnika krokowego, jest wówczas określany liczbowo jako dziesięciokrotność przybliżonego wymiaru poprzecznego względem wału silnika. Np. silnik w rozmiarze NEMA11 ma korpus o średnicy przekroju wynoszącej 28,20mm, co w przybliżeniu odpowiada średnicy wynoszącej 1,1 cala.
Kolejnym istotnym wymiarem dla takiego silnika jest rozstaw otworów na śruby montażowe umieszczone na tym boku silnika. Dla silnika w rozmiarze NEMA11 ten wymiar wynosi 23,00mm. Standaryzacja NEMA uwzględnia tu także rozmiar gwintu śruby (2,50mm) oraz średnicę wału silnika (5,00mm). Przykładowe wymiary silników krokowych wg standaryzacji NEMA możecie zobaczyć w tabeli poniżej.
Tabela – wymiary niektórych silników krokowych według standardu NEMA
| Rozmiar NEMA | Wymiar A (mm) | Wymiar B (mm) | Wymiar C (mm) | Wymiar D (mm) |
| NEMA11 | 28,20 | 23,00 | 2,50 | 5,00 |
| NEMA14 | 35,20 | 26,00 | 3,00 | 5,00 |
| NEMA17 | 42,30 | 31,00 | 3,00 | 5,00 |
| NEMA23 | 56,40 | 47,10 | 5,50 | 6,35 |
| NEMA34 | 86,00 | 69,60 | 5,50 | 14,00 |
| NEMA42 | 110,00 | 89,00 | 8,50 | 19,00 |
Gdzie:
A – średnica korpusu,
B – rozstaw otworów śrub montażowych na tym samym boku silnika,
C – rozmiar gwintu śruby,
D – średnica wału silnika.
Dobór układu sterowania i zasilania do silnika krokowego
Dobierając silnik krokowy do naszej frezarki CNC musimy zwrócić uwagę na jego katalogowe parametry elektryczne, na podstawie których będziemy mogli określić, czy silnik będzie wystarczająco wydajny. Pierwszym parametrem jest maksymalny pobór prądu przez pojedyncze uzwojenie. Biorąc pod uwagę ten parametr, należy dopasować sterownik silnika tak, aby zapewniał wydajność prądową na kanał najbliższą tej, którą wymaga jego pojedyncza cewka.
Zwykle silnik nie musi pracować na pełnym poborze prądu. Wystarczy nawet 40% maksymalnego obciążenia, ale wówczas nie będziemy mogli dostarczyć odpowiednio wysokiego momentu na wał. Z tego względu, aby osiągnąć jak najlepsze wyniki, silniki należy wysterować prądem bliskim znamionowemu, ale nie przekraczając jego wartości.
Natomiast aby dobrać właściwe napięcie zasilania, musimy znać indukcyjności uzwojeń silnika. Wartość napięcia źródła zasilania dobieramy na podstawie wzoru:
Gdzie:
V – napięcie zasilania [V],
L – indukcyjność pojedynczego uzwojenia [H].
Aby nie doszło do utykania silnika podczas pracy, napięcie dostarczane ze sterownika musi być wyższe niż obliczone na podstawie wzoru.
Jaki silnik do frezarki CNC – FAQ
Silnik krokowy wyróżnia się bezszczotkową budową. Jest zasilany prądem elektrycznym. Wał silnika krokowego obraca się w sposób dyskretny, w przeciwieństwie do większości silników, których wał obraca się w sposób ciągły. Każdy krok oznacza obrót o taką samą liczbę stopni kątowych (różną, w zależności od konkretnego modelu silnika). W trakcie wyboru konkretnego modelu silnika krokowego należy przede wszystkim zwrócić uwagę na rozdzielczość i pojedynczy krok. Zastosowanie silników krokowych obejmuje m.in. aplikacje, które do prawidłowego działania wymagają bardzo precyzyjnego położenia układu, który jest napędzany przez silnik (m.in. drukarki 3D, maszyny CNC, urządzenia RTV, samochody i motocykle).
Podczas wyboru silnika krokowego należy przede wszystkim zwrócić szczególną uwagę na jego rozmiary, a dokładniej średnice korpusu, rozmiar gwintu śruby, średnicę wału silnika i rozstaw otworów na śruby montażowe. Kolejne istotne parametry to rozdzielczość i obrót np. o 1,8°, napięcie znamionowe, indukcyjność uzwojenia, pobór prądu na cewkę, rodzaj wyprowadzeń, rezystancja cewki i masa własna.
