Silniki krokowe w automatyce i CNC – podstawy i parametry

4.5 (6)

Co To silnik krokowy?

Silniki krokowe są to  silniki elektryczne, których specjalna budowa oraz impulsowe zasilanie prądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie. Kąt ten wynika z konstrukcji samego silnika. Krokówka jak potocznie nazywany jest silnik krokowy, najlepiej nadaje się do zastosowań, gdzie wymagane jest dokładne pozycjonowanie. Kąt obrotu wirnika silnika ściśle zależy, od liczby dostarczonych impulsów z układu sterowania, a prędkość kątowa wirnika jest proporcjonalna do częstotliwości tych impulsów. Kąt obrotu wirnika pod wpływem działania jednego impulsu może mieć różną wartość, zależnie od budowy silnika. Stepper motors mają zazwyczaj 200 kroków/obrót, czyli na jeden krok przypada 1.8 stopnia. Są również silniki o 400 krokach/obrót ( 0.9 stopnia )– oznaczane są literka M – np. 1684MB.

Co to moment silnika krokowego?

Przy silnikach krokowych w odniesieniu do jego mocy operujemy zazwyczaj tzw. Momentem trzymającym. Jest to największa wartość siły, jaką dysponuje silnik ponieważ osiągany jest w chwili, gdy jest zasilany i jest nieruchomy. Gdy prędkość obrotowa silnika wzrasta, wówczas jego moment spada – jest to największa wada silników krokowych – moment obrotowy, malej wraz ze wzrostem prędkości obrotowej.

Gdy moment, którym dysponuje silnik krokowy, spadnie poniżej momentów oporowych w układzie, może dojść do tzw. gubienia kroków. Wówczas silnik fizycznie nie będzie mógł wykonać danego kroku/obrotu. Wówczas silnik nie będzie w stanie osiągnąć zadanej pozycji.

Gdzie stosowane są silniki krokowe?

Dlatego ważne jest, aby silnik krokowy został dobrany z zapasem ‘mocy’. Ze względu na powyższe wady silniki krokowe stosujemy zazwyczaj w aplikacjach, gdzie nie są wymagane duże prędkości ani przyśpieszenia. W praktyce przewymiarowując silnik- dobierając większy moment, możemy jednak uzyskać zadowalające prędkości pracy.

jakie są wielkości silników krokowych?

W ofertach sklepów możemy znaleźć miniaturowe silniczki krokowe o momencie 0.2Nm, małe silniki 0.9 do 2Nm, przez najbardziej popularne silniki od 3Nm do 4Nm. Występują jeszcze silniki o średnim zakresie momentów od 8 do 12Nm oraz duże silniki o momencie 21 do 28Nm. Największy silnik krokowy ma 50Nm. Najmniejsze oraz małe silniki znajdują zastosowanie w modnych teraz drukarkach 3d oraz wszelkiego rodzaju ploterach drukujących. Silniki o momencie z zakres 3 do 8Nm najczęściej znajdują zastosowanie w przecinarkach plazmowych oraz frezarkach, czy tokarkach do tworzyw sztucznych i metali kolorowych, wszędzie tam, gdzie występują małe opory przy obróbce. Średnie i największe silniki stosowane tam, gdzie występują znaczne siły obróbki, np. bardziej twarde materiały typu aluminium. W praktyce na opory występujące w maszynie ma nie tylko wpływ sam materiał, ale również użyte narzędzie ( jego rodzaj i średnica), czy wielkość i konstrukcja maszyny. Innymi słowy, jakość zastosowanych komponentów i dokładność ich spasowania.

Jak rozpoznać silnik krokowy?

Symbol silnika krokowego zawiera najczęściej jego parametry mechaniczne jak i elektryczne. Dla przykładu omówimy oznaczenie silnika SM86/118-6004A. SM – to symbol producenta, 86 [mm] – oznacza rozmiar flanszy, 118 [mm] – to długość silnika bez wałka, 6  – oznacza prąd silnika w amperach [A], 4 – ilość wyprowadzeń silnika.  W oznaczeniu zamiast litery A (silnik z jednym wałkiem) może pojawić się również litera B – oznaczenie osi wyprowadzonej po obu stronach. Warto zauważyć, że jest jeszcze wspomniana wcześniej litera M– silnik w wykonaniu 400 kroków.

Co to jest wielkość NEMA silnika?

Należy tutaj również wspomnieć o spotykanym określeniu NEMA. Jest to międzynarodowy skrót opisujący wielkość mechaniczną silników, a cyfra mówi nam o rozmiarze flanszy silnika podanym w calach ( 1 cal, to 2.5cm ). Rozmiar NEMA 34 tyczy się silników o wielkości flanszy 86mm. Silniki krokowe występują w 9 standardowych rozmiarach:

• seria Nema 8 – rozmiar 20 x 20 mm (długość od 28 do 33 mm)
• seria Nema 11 – rozmiar 28 x 28 mm (długość od 28 do 50 mm)
• seria Nema 14 – rozmiar 35 x 35 mm (długość od 20 do 34 mm)
• seria Nema 16 – rozmiar 39 x 39 mm (długość od 20 do 40 mm)
• seria Nema 17 – rozmiar 42 x 42 mm (długość od 28 do 48 mm)
• seria Nema 23 – rozmiar 57 x 57 mm (długość od 41 do 112 mm)
• seria Nema 24 – rozmiar 60 x 60 mm (długość od 45 do 90 mm)
• seria Nema 34 – rozmiar 86 x 86 mm (długość od 63 do 150 mm)
• seria Nema 43 – rozmiar 110 x 110 mm (długość od 115 do 165 mm)

Dostępne wałki wyjściowe w zależności od rozmiaru:

• serie Nema 8 do 17 – wałki pełne o średnicach 4 mm, 4,7 mm, 5 mm
• serie Nema 23 i 24 – wałki pełne o średnicach 6,35 mm i 8 mm
• seria Nema 34 – wałki pełne o średnicy 12.7mm, 14 mm ze ścięciami, lub wałki pełne z wycięciem na klin,
• seria Nema 43 – tylko wałki pełne o średnicy 19 mm z wycięciem na klin

Co to jest silnik krokowy z enkoderem?

Jak widać, dostawcy oferują szeroki wybór silników krokowych- w praktyce każdy dobierze silnik do swoich potrzeb. W ostatnim czasie popularnym rozwiązaniem stały się silniki krokowe ze wbudowanym enkoderem. Kontrola pozycji wirnika przez bardziej zaawansowany układ sterowania pozwala na lepsze osiągi hybrydowego silnika krokowego. Osiąga on większe prędkości pracy, większe przyśpieszenia jednocześnie przy jego praca charakteryzuje się lepszą kulturą. Obecność enkodera pozwala jeszcze lepiej kontrolować błąd pozycji. Budowa układu pozycjonowania w dzisiejszych czasach to nie problem. Należy jednak zadbać o prawidłowy dobór silniczka krokowego do aplikacji.

Przykład realizacji plotera tnącego z nożem wleczonym przy wykorzystaniu silników krokowych 8Nm.

KG