Schrittmotor vs. integrierter Schritt-Servomotor für CNC

Die Wahl der richtigen Bewegungssteuerungslösung ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Konstruktion von CNC-Maschinen. Das Motorsystem wirkt sich direkt auf Positionierungsgenauigkeit, Schnittstabilität, Produktionseffizienz, Systemkomplexität und langfristige Wartungskosten aus.

Basierend auf dem Produktportfolio von BESFOC und realen CNC-Anwendungen bietet dieser Artikel einen klaren, technikorientierten Vergleich zwischen Schrittmotoren und Integrierte Schritt-Servomotoren helfen OEMs, Systemintegratoren und Automatisierungsingenieuren, fundierte Entscheidungen zu treffen.

Anforderungen an die CNC-Bewegungssteuerung verstehen

Die Anforderungen an die CNC-Bewegungssteuerung werden durch die Notwendigkeit von Präzision, Konsistenz, Geschwindigkeit und langfristiger Betriebsstabilität definiert . In modernen CNC-Maschinen ist das Bewegungssteuerungssystem nicht nur für die Positionierung des Werkzeugs oder Werkstücks verantwortlich, sondern auch für die Gewährleistung einer wiederholbaren Bearbeitungsgenauigkeit über Tausende von Zyklen hinweg. Jede Schwäche in der Bewegungssteuerung führt direkt zu Maßfehlern, Oberflächenfehlern, verringertem Durchsatz und erhöhten Wartungskosten.

Hohe Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit

CNC-Maschinen sind auf Bewegungssysteme angewiesen, die eine Positionierungsgenauigkeit im Mikrometerbereich erreichen können . Dies erfordert, dass Motoren präzise auf Steuerbefehle reagieren und über die Zeit hinweg eine gleichmäßige Bewegung aufrechterhalten. Besonders wichtig ist die Wiederholbarkeit bei der Serienproduktion, bei der identische Teile mit minimalen Abweichungen hergestellt werden müssen. Selbst kleine Positionierungsfehler können zu Ausschuss, Nacharbeit oder Werkzeugverschleiß führen.

Stabile Drehmomentabgabe über alle Betriebsgeschwindigkeiten hinweg

Während des CNC-Betriebs müssen Motoren ein gleichmäßiges und stabiles Drehmoment liefern. sowohl bei niedrigen als auch bei mittleren Drehzahlen Das Drehmoment bei niedriger Drehzahl ist für präzises Konturieren, Gewindeschneiden und Z-Achsen-Positionierung unerlässlich, während die Stabilität bei mittlerer Drehzahl einen effizienten Materialabtrag gewährleistet. Drehmomentschwankungen können zu Rattern, ungleichmäßigem Schneiden und vorzeitigem Werkzeugausfall führen.

Sanfte Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung

CNC-Maschinen ändern häufig Richtung und Geschwindigkeit. Effektive Bewegungssteuerungssysteme sorgen für kontrollierte Beschleunigung und Verzögerung, um mechanische Stöße zu minimieren. Glatte Bewegungsprofile reduzieren Vibrationen, schützen Kugelumlaufspindeln und Linearführungen und verbessern die allgemeine Bearbeitungsqualität.

Vibrationsunterdrückung und Resonanzkontrolle

Vibration ist eine große Herausforderung in CNC-Bewegungssystemen. Schlecht gesteuerte Motoren können Resonanzen hervorrufen, die zu Geräuschen, Oberflächenwellen und einer verringerten Maßgenauigkeit führen. Fortschrittliche Bewegungssteuerungslösungen sind darauf ausgelegt, Vibrationen und Resonanzen zu minimieren und so gleichmäßigere Werkzeugwege und bessere Oberflächengüten zu gewährleisten.

Zuverlässigkeit im industriellen Dauerbetrieb

Industrielle CNC-Maschinen arbeiten oft stundenlang unter hoher Belastung. Bewegungssteuerungskomponenten müssen kontinuierlichen Arbeitszyklen , Temperaturschwankungen und mechanischer Belastung standhalten, ohne an Genauigkeit zu verlieren. Zuverlässigkeit wirkt sich direkt auf Maschinenverfügbarkeit, Produktivität und Gesamtbetriebskosten aus.

Einfache Integration und Systemdiagnose

Moderne CNC-Hersteller verlangen Bewegungssysteme, die einfach zu integrieren, zu konfigurieren und zu warten sind . Vereinfachte Verkabelung, standardisierte Schnittstellen und integrierte Diagnose tragen dazu bei, die Installationszeit und die Komplexität der Fehlerbehebung zu reduzieren. Systeme, die Statusrückmeldungen in Echtzeit liefern, ermöglichen eine schnellere Fehlererkennung und vorbeugende Wartung.

Durch die Erfüllung dieser zentralen Anforderungen an die CNC-Bewegungssteuerung können Hersteller eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit, verbesserte Produktionseffizienz und langfristige Systemstabilität gewährleisten und so die Grundlage für eine zuverlässige und wettbewerbsfähige Leistung von CNC-Maschinen bilden.

Was ist ein Schrittmotor in CNC-Anwendungen?

Ein Schrittmotor ist ein Bewegungsgerät mit offenem Regelkreis, das sich in diskreten Schritten bewegt. In CNC-Maschinen werden Schrittmotoren üblicherweise mit externen Schritttreibern gekoppelt und über Impulssignale gesteuert.

Hauptmerkmale von CNC-Schrittmotoren

• Open-Loop-Steuerung (keine Positionsrückmeldung)

• Hohes Haltemoment

• Einfache Verkabelung und Steuerlogik

• Kostengünstig für CNC-Maschinen der Einstiegsklasse

• Vorhersehbare Schritt-für-Schritt-Positionierung

Vorteile von Schrittmotoren für CNC-Maschinen

• Niedrige Systemkosten : Ideal für preisbewusste CNC-Fräsmaschinen und Desktop-Maschinen

• Einfache Steuerungsarchitektur : Keine Encoder-Abstimmung erforderlich

• Starkes Drehmoment bei niedriger Drehzahl : Geeignet für Z-Achse und Leichtlastachsen

• Große Größenverfügbarkeit : NEMA 17 SCHRITTMOTOR, NEMA 23  SCHRITTMOTOR, NEMA 34-  SCHRITTMOTOR- Optionen sind bei BESFOC erhältlich

Einschränkungen von Schrittmotoren

• Gefahr von Schrittverlusten bei Überlastung

• Bei hohen Geschwindigkeiten sinkt das Drehmoment deutlich

• Mechanische Resonanz und Vibration

• Keine Positionskorrektur in Echtzeit

Schrittmotoren eignen sich am besten für leichte CNC-Maschinen, Holzbearbeitungsfräsen, Graviermaschinen und CNC-Plattformen für den Bildungsbereich.

Was ist ein integrierter Schritt-Servomotor?

Ein integrierter Schritt-Servomotor kombiniert einen Schrittmotor, einen Servotreiber und einen Encoder in einer einzigen kompakten Einheit. Dieses Design schafft ein Regelsystem , das die Lücke zwischen herkömmlichen Schrittmotoren und AC-Servomotoren schließt.

Kernmerkmale integrierter Schritt-Servomotoren

• Rückkopplungsregelung mit geschlossenem Regelkreis

• Automatische Fehlerkorrektur

• Höheres nutzbares Drehmoment bei Drehzahl

• Integrierter Treiber und Encoder

• Reduzierter Verkabelungs- und Schaltschrankplatz

BESFOCs Integrierte Schritt-Servomotoren wurden speziell für industrielle CNC-Umgebungen entwickelt und legen den Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit, Kompaktheit und vereinfachte Inbetriebnahme.

Leistungsvergleich: Schrittmotor vs. integrierter Schrittservomotor

Positionsgenauigkeit und Zuverlässigkeit

• Schrittmotor : Präzise unter normaler Last, kann jedoch fehlende Schritte nicht erkennen

• Integrierter Schritt-Servomotor : Die Rückmeldung des Encoders sorgt dafür kein Schrittverlust auftritt, dass auch bei plötzlichen Laständerungen

Gewinner: Integrierter Schritt-Servomotor

Geschwindigkeits- und Drehmomenteigenschaften

• Bei Schrittmotoren kommt es bei höheren Drehzahlen zu einem schnellen Drehmomentabfall

• Integrierte Schritt-Servomotoren sorgen für ein stabiles Drehmoment über einen größeren Drehzahlbereich

Gewinner: Integrierter Schritt-Servomotor

Vibration und Lärm

• Schrittmotoren mit offenem Regelkreis sind anfällig für Resonanzen

• Integrierte Systeme mit geschlossenem Regelkreis unterdrücken aktiv Vibrationen

Gewinner: Integrierter Schritt-Servomotor

Systemintegration und Verkabelung

• Herkömmliche Steppersysteme erfordern:

• Separater Motor

• Externer Treiber

• Mehrere Strom- und Signalkabel

• Integrierte Schritt-Servomotoren vereinen alle Komponenten zu einer Einheit

Gewinner: Integrierter Schritt-Servomotor

Kostenüberlegungen

• Schrittmotoren bieten geringere Vorabkosten

• Integrierte Schritt-Servomotoren reduzieren:

• Inbetriebnahmezeit

• Wartungskosten

• Ausfallrisiko

Gewinner: Hängt vom Projektbudget und den Leistungszielen ab

Typische CNC-Anwendungsszenarien

Wann sollte man einen Schrittmotor wählen?

• Desktop-CNC-Fräsmaschinen

• Leichte Graviermaschinen

• CNC-Schulausrüstung

• Achsen mit niedriger Geschwindigkeit und geringer Last

• Budgetgesteuerte Projekte

Wann sollte man sich für einen integrierten Schritt-Servomotor entscheiden?

• Industrielle CNC-Fräsmaschinen

• Metallfräs- und -schneidemaschinen

• Hochgeschwindigkeitsgravursysteme

• Mehrachsige CNC-Maschinen

• Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und keinen Schrittverlust erfordern

Warum sich CNC-Hersteller für BESFOC Motion Solutions entscheiden

BESFOC bietet ein komplettes CNC-Motor-Ökosystem, einschließlich:

• Hybrid-Schrittmotoren

• Integrierte Schritt-Servomotoren

• Closed-Loop-Schrittsysteme

• Schrittmotoren mit Planetengetriebe

• Schneckengetriebe-Schrittmotoren

Hauptvorteile von BESFOC

• Eigene Motoren- und Treiberfertigung

• Kundenspezifische Optionen für Drehmoment, Spannung und Encoder

• Kompakte integrierte Designs

• Globaler OEM-Support

• Stabile Versorgung für die Massenproduktion

Auswahlhilfe: Stepper vs. integrierter Schrittservo für CNC

CNC-Anforderung	Empfohlene Lösung
Niedrige Kosten	Schrittmotor
Hohe Positionierungssicherheit	Integrierter Schrittservo
Hochgeschwindigkeitsbetrieb	Integrierter Schrittservo
Einfaches Steuerungssystem	Schrittmotor
Industrieller Dauerbetrieb	Integrierter Schrittservo
Kompaktes Maschinendesign	Integrierter Schrittservo

Fazit

Bei CNC-Maschinen kommt es bei der Wahl zwischen einem Schrittmotor und einem integrierten Schritt-Servomotor nicht nur auf den Preis an, sondern auch auf Leistungsstabilität, Produktionseffizienz und langfristige Betriebszuverlässigkeit.

• Schrittmotoren bleiben eine praktische Lösung für Einsteiger- und leichte CNC-Maschinen.

• Integrierte Schritt-Servomotoren bieten eine zukunftssichere Lösung für industrielle CNC-Systeme, die Präzision, Geschwindigkeit und keinen Schrittverlust erfordern.

Durch die Ausrichtung der Motorauswahl auf die tatsächlichen Anforderungen der CNC-Anwendung können Hersteller den Maschinenwert, die Zuverlässigkeit und die Kundenzufriedenheit erheblich steigern.