Wie wählt man Spindel und Motor einer CNC-Maschine aus?

Jede Fräsmaschine benötigt je nach Bearbeitungsmethode und Material unterschiedliche Spindeln für die Bildhauerarbeiten, um letztendlich die Kundenzufriedenheit zu gewährleisten. So hat beispielsweise eine Holzbearbeitungs-Graviermaschine eine Spindel mit 4,5 kW, 6 kW oder 9 kW, eine Werbegravurmaschine üblicherweise eine Spindel mit 3 kW, eine Steinbearbeitungsmaschine eine Spindel mit 5,5 kW und Lasermaschinen eine Spindel mit 80 W, 100 W oder 130 W. Wie wählt man also die passende Spindel mit geringer Leistung aus?

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Als Nächstes wollen wir über die Auswahl der Spindelleistung sprechen, nach welchen Kriterien:

1. Werbegraviermaschine: Da es sich bei dem zu gravierenden Objekt um weiches Material wie PVC, Acryl, MDF usw. handelt, liegt die Hauptwellenleistung der Werbegraviermaschine zwischen 1,5 kW und 3,0 kW. Mit dieser Wahl kann nicht nur der Gravurzweck erfüllt, sondern auch Kosten gespart werden.

2. Holzbearbeitungsmaschine: Die Spindelmotorleistung einer Holzbearbeitungsmaschine richtet sich nach der Härte des zu bearbeitenden Holzes und liegt üblicherweise zwischen 2,2 kW und 4,5 kW. Für die Herstellung von Plattenmöbeln benötigte Bearbeitungszentren eine höhere Spindelleistung von bis zu 9 kW, wobei diese Kombination jedoch ebenfalls am sinnvollsten ist.

3. Steinbearbeitungsmaschine: Bei den Herstellern von Steinbearbeitungsmaschinen ist die Spindelleistung relativ hoch, im Allgemeinen etwa 4,5k bis 7,5k. Im Gegensatz dazu wird bei Steinbearbeitungsmaschinen und Werbemaschinen meist ein Spindelmotor mit 5,5k oder Wasserkühlung verwendet, da das Material hart und nicht leicht zu bearbeiten ist.

4. Grabsteinbearbeitungsmaschine: Die Spindelleistung der Grabsteinbearbeitungsmaschine sollte entsprechend der Härte des zu bearbeitenden Gesteins ausgewählt werden. Üblicherweise werden Leistungen von 3,0 kW und 4,5 kW verwendet, um den Kundenbedarf zu decken und zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen.

5. Jade-Schnitzmaschine: Die Jade-Schnitzmaschine verwendet eine kleinere Spindel. Die Motorleistung beträgt in der Regel 2,2–3,0 kW.

Die Wahl der Spindel für die Graviermaschine hängt von der Härte des Materials, der Art der Bearbeitung und der Größe des Bearbeitungstisches ab. Eine zu starke Spindel führt nicht nur zu Verschwendung, sondern spart auch nicht Energie; ist die Leistung zu gering, werden die Bearbeitungsanforderungen nicht erfüllt. Daher sollte eine leistungsstarke Spindel gewählt werden.

Für den Antriebsmotor von CNC-Maschinen wie Öffnungsmaschinen und Graviermaschinen werden üblicherweise zwei Arten verwendet: Schrittmotoren und Servomotoren. Der inländische Motorenhersteller Shenzhen Lei Sai und andere Branchenvertreter bezeichnen ihn als Hybrid-Servoantriebsmotor; tatsächlich handelt es sich dabei um einen Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis und Encoder.

Die Geschwindigkeit einer CNC-Maschine hängt oft neben dem Steuerungssystem auch von der Art des Motors ab, z. B. von einem Schrittmotor oder einem Servomotor.

Worin unterscheiden sich also ein Schrittmotor und ein Servomotor? Generell unterscheiden sich die beiden Motorsteuerungsarten. Der Schrittmotor wird im offenen Regelkreis gesteuert, während der Servomotor mit Encoder im geschlossenen Regelkreis gesteuert wird.

1. Regelungsgenauigkeit. Die Genauigkeit des Schrittmotors hängt von der Phasen- und Taktfrequenz ab. Je höher diese Werte sind, desto höher ist die Genauigkeit. Die Präzision des Servomotors wird vom Encoder bestimmt; je höher der Skalenwert des Encoders ist, desto höher ist die Genauigkeit.

2. Niederfrequenzverhalten. Im Allgemeinen treten bei Schrittmotoren mit niedriger Drehzahl leicht niederfrequente Vibrationen auf. Um diese zu minimieren, werden üblicherweise Dämpfungstechniken oder Treiberunterteilungen eingesetzt. Servomotoren hingegen laufen sehr ruhig und vibrieren auch bei niedriger Drehzahl nicht.

3. Drehmoment-Frequenz-Kennlinie. Das Ausgangsdrehmoment des Schrittmotors nimmt mit steigender Drehzahl ab, d. h. je höher die Motordrehzahl ist, desto geringer ist die Ausgangskraft des Motors. Der AC-Servomotor hingegen liefert ein konstantes Drehmoment, dessen Intensität sich mit der Drehzahl nicht ändert.

4. Überlastfähigkeit. Schrittmotoren verfügen im Allgemeinen nicht über eine Überlastfähigkeit, d. h. sie dürfen ihren Ausgangsbereich nicht überschreiten, da es sonst leicht zu einem Durchbrennen des Motors kommen kann. AC-Servomotoren hingegen verfügen über eine hohe Überlastfähigkeit und können die Ausgangsleistung erhöhen. Der Encoder passt die Drehzahl automatisch an, sodass der Motor nicht durch Überlastung beschädigt wird.

5. Leistung. Im Open-Loop-Regelungsmodus des Schrittmotors kann es bei zu hoher Anlauffrequenz oder zu starken Lastsprüngen sogar zu Überhitzung kommen. Bei hohem Anlauf kann es leicht zu Überschwingen kommen. Im Closed-Loop-Regelungsmodus des AC-Servoantriebssystems wird der Motor direkt an den Motor-Encoder angesteuert und abgetastet. Dadurch treten Schrittverluste oder Überschwingen des Schrittmotors in der Regel nicht auf, was zu einer zuverlässigeren Regelungsleistung führt.

6. Ansprechverhalten. Ein Schrittmotor benötigt Hunderte von Sekunden, um vom statischen Anlauf auf die erforderliche Drehzahl zu beschleunigen, während ein AC-Servosystem ein vergleichsweise gutes Ansprechverhalten aufweist und in der Regel nur wenige Sekunden benötigt. Daher wird es im Allgemeinen bei Maschinen eingesetzt, die schnelle Start-Stopp-Steuerungen erfordern.