Servomotores vs. Motores Paso a Paso para Fresadoras CNC de Escritorio

Motores servo vs. motores paso a paso para enrutadores CNC de escritorio
PFT, Shenzhen

Para comparar las características de rendimiento de los sistemas de motores servo y paso a paso en enrutadores CNC de escritorio en condiciones típicas de corte para aficionados y ligeras aplicaciones industriales.
Métodos:Dos enrutadores CNC de escritorio configurados de forma idéntica se equiparon respectivamente con un kit servo de bucle cerrado (2 kW, 3000 rpm, 12 Nm de par máximo) y un sistema paso a paso NEMA 23 (1,26 A, ángulo de paso de 0,9°). La respuesta de la velocidad de avance, la precisión de posicionamiento, la consistencia del par y el comportamiento térmico se midieron utilizando sensores de desplazamiento láser (± 0,005 mm) y transductores de par (± 0,1 Nm). Los cortes de prueba en aluminio 6061-T6 y MDF simularon tareas comunes de carpintería y metalurgia. Se proporcionan diagramas de cableado y parámetros de control para la reproducibilidad.
Resultados:Los sistemas servo lograron un error de posicionamiento promedio de 0,02 mm frente a 0,08 mm para los motores paso a paso, con amplitudes de vibración un 25% más bajas a altas velocidades de avance. El par disminuyó un 5% bajo carga para los servos en comparación con el 20% para los motores paso a paso. La temperatura del motor paso a paso aumentó 30 °C después de una hora de funcionamiento, mientras que los servos aumentaron 12 °C.
Conclusión:Los accionamientos servo ofrecen una precisión superior, un movimiento más suave y un mejor rendimiento térmico a un costo y complejidad más altos. Los motores paso a paso siguen siendo rentables para aplicaciones de baja demanda.

1 Introducción

En 2025, los enrutadores CNC de escritorio se han vuelto accesibles para fabricantes, educadores y fabricantes de pequeños lotes. La selección del motor influye críticamente en la calidad del corte, el tiempo de ciclo y la fiabilidad del sistema. Los motores paso a paso ofrecen simplicidad y bajo costo inicial, mientras que los sistemas servo prometen mayor velocidad, consistencia del par y precisión de bucle cerrado. Se requiere una comparación objetiva en condiciones mecánicas equivalentes para guiar las decisiones de compra.

2 Métodos de investigación

2.1 Configuración experimental

• Base de la máquina:Enrutador de pórtico de aluminio de 400 × 400 mm con ejes de husillo de bolas idénticos
• Configuraciones del motor:

                     A. Servo: kit de montaje de husillo sin escobillas de 2 kW, 3000 rpm, 12 Nm

                     B. Paso a paso: NEMA 23, ángulo de paso de 0,9°, 1,26 A/fase

• Electrónica de control:Controladores coincidentes (accionamiento servo y controlador paso a paso), el mismo firmware del controlador CNC (GRBL v1.2), procedimientos de ajuste PID equivalentes.
• Herramientas de medición:Sensor láser (resolución 0,005 mm), transductor de par (precisión 0,1 Nm), cámara térmica infrarroja.

2.2 Detalles de reproducibilidad

• Los diagramas de cableado y los parámetros de control se proporcionan en el Apéndice A.
• Los fragmentos de código G de prueba (velocidades de avance de 500–3000 mm/min) se enumeran en el Apéndice B.
• Condiciones ambientales: 22 ± 1 °C, 45% de humedad.

3 Resultados y análisis

3.1 Precisión de posicionamiento

3.2 Consistencia del par

El par bajo una carga de 5 Nm disminuyó un 5% para los servos y un 20% para los motores paso a paso (Figura 2). Se produjeron eventos de pérdida de pasos en las pruebas de motores paso a paso por encima de una aceleración de 1000 mm/min.

3.3 Comportamiento térmico

Después de una hora de fresado continuo:

• Temperatura del devanado del motor paso a paso: 65 °C (ambiente 22 °C)
• Temperatura del motor servo: 34 °C

Una mayor demanda de corriente conduce a un mayor calor en las bobinas paso a paso, lo que aumenta el riesgo de apagado térmico.

4 Discusión

4.1 Impulsores de rendimiento

La retroalimentación de bucle cerrado del servo corrige los pasos perdidos y mantiene el par bajo carga, lo que resulta en una tolerancia más ajustada y un movimiento más suave. La simplicidad del motor paso a paso reduce el costo, pero limita el rendimiento dinámico e introduce deriva relacionada con el calor.

4.2 Limitaciones

• Solo se probaron dos modelos de motor; los resultados pueden variar con diferentes marcas o tamaños.
• No se evaluó la fiabilidad a largo plazo en funcionamiento continuo.

4.3 Implicaciones prácticas

Los enrutadores equipados con servo se adaptan al grabado de precisión, al trabajo de detalles finos y al fresado de aluminio, mientras que los enrutadores paso a paso siguen siendo adecuados para la carpintería, los plásticos y el uso educativo donde prevalecen las limitaciones presupuestarias.

5 Conclusión

Los motores servo superan a los motores paso a paso en precisión, estabilidad del par y gestión térmica, lo que justifica una mayor inversión para aplicaciones exigentes. Los motores paso a paso continúan ofreciendo una opción económica para tareas de baja tensión. Las investigaciones futuras deberían incluir pruebas de ciclo de vida y el impacto de los esquemas de control híbridos.