Mulți utilizatori de CNC cred că mai mulți micropasi înseamnă automat mai multă precizie. Este unul dintre cele mai răspândite mituri legate de motoarele pas cu pas.
Să luăm un exemplu foarte comun: avem un motor Nema23 de 1,8°, un driver setat la 1/16 microstepping și un șurub cu bile 1605. Motorul are 200 de pași pe rotație, iar la 1/16 ajungem la 3200 de micropasi. Cum șurubul avansează 5 mm la o rotație, rezultă 640 pași/mm, adică aproximativ 0,00156 mm pentru fiecare micropas.
Sună fantastic. Aproape 1,5 microni. Înseamnă că CNC-ul nostru are precizie de 0,0015 mm?
Nu chiar. Și aici apare diferența importantă dintre rezoluție și precizie.
Ce face de fapt microstepping-ul?
Un motor pas cu pas obișnuit de 1,8° are 200 de pași pe rotație. Driverul poate împărți acești pași în poziții intermediare prin controlul curentului prin cele două faze ale motorului. Așa apar 400, 800, 1600, 3200 sau chiar mult mai mulți micropasi pe rotație.
În full-step, curentul prin fazele motorului se modifică în salturi mari. Pe măsură ce creștem micropășirea sau microstepping-ul, variația începe să aproximeze o sinusoidă. Motorul nu mai trece atât de brutal dintr-o poziție în alta, iar mișcarea devine mai lină, cu mai puține vibrații și zgomot.
Asta este unul dintre marile avantaje ale microstepping-ului. Dar o mișcare mai fină nu înseamnă automat o precizie proporțional mai mare.
Rezoluția nu este precizia
Cei 0,00156 mm din exemplul nostru reprezintă rezoluția teoretică a comenzii. Controllerul poate trimite impulsurile corespunzătoare unei asemenea deplasări, dar asta nu înseamnă că axa CNC-ului s-a deplasat fizic exact 0,00156 mm.
Micropasii sunt poziții intermediare reale, dar nu sunt niște „opritoare” mecanice perfect egale și la fel de ferme. Poziția rotorului este rezultatul echilibrului dintre câmpurile magnetice din motor, iar sarcina, frecarea și caracteristicile motorului și driverului pot influența poziția reală.
Mai apare un fenomen interesant. Cu cât împărțim pasul în subdiviziuni mai mici, cu atât scade cuplul incremental dintre doi micropasi consecutivi. La 1/16 microstepping acesta este de aproximativ 9,8% din cel corespunzător unui pas complet, iar la 1/32 ajunge în jur de 4,9%.
Asta nu înseamnă că motorul „mai are doar 9,8% din cuplu”. Înseamnă că diferența de cuplu care îl împinge dintr-un micropas în următorul este mult mai mică. Este o diferență importantă și explică de ce 3200 de micropasi pe rotație nu înseamnă automat 3200 de poziții mecanice perfect precise.
Atunci de ce vrem microstepping?
Pentru că beneficiile sunt cât se poate de reale. Motorul merge mai lin, mai silențios și cu mai puține vibrații, mai ales la viteze mici. Sunt reduse și unele rezonanțe care pot apărea la motoarele pas cu pas.
Unele drivere moderne merg chiar mai departe și generează intern poziții intermediare suplimentare. Ideea este simplă: nu avem nevoie ca CNC controllerul să trimită un număr uriaș de impulsuri doar pentru ca motorul să se miște mai fin.
Cu alte cuvinte, mai mulți micropasi pot însemna o mișcare mai bună fără să însemne în aceeași proporție o precizie mai bună.
Ce microstepping aleg: 1/8, 1/16 sau 1/32?
Aici apare întrebarea practică. Driverul are DIP switch-uri și ne oferă 800, 1600, 3200, 6400 sau poate mult mai mulți pași pe rotație. Ce alegem?
Tentația este să alegem valoarea maximă. Dar nu întotdeauna este cea mai bună soluție. Pentru un CNC ne interesează un compromis între o mișcare lină, o rezoluție suficientă și frecvența impulsurilor pe care trebuie să le genereze controllerul.
Dacă trecem de la 1600 la 3200 de micropasi pe rotație, controllerul trebuie să genereze de două ori mai multe impulsuri pentru aceeași viteză. La 6400 dublăm din nou. La un moment dat creștem foarte mult numărul impulsurilor fără să mai obținem o diferență relevantă în precizia mecanică a mașinii.
De aceea, setarea maximă de pe driver nu este automat setarea cea mai bună.
Și ce setăm în Mach3, UCCNC sau GRBL?
Microstepping-ul are legătură directă cu valoarea steps/mm sau steps per unit. Dacă modificăm micropășirea din DIP switch-urile driverului, trebuie modificată corespunzător și această valoare în Mach3, UCCNC, GRBL sau în controllerul folosit.
Dacă trecem, de exemplu, de la 1/8 la 1/16 și lăsăm vechea setare, CNC-ul nu va mai parcurge distanța comandată corect. Comanzi 100 mm și axa nu se deplasează 100 mm.
Despre această problemă am discutat mai pe larg în articolul „De ce CNC-ul meu nu taie la dimensiune?”
Și chiar dacă toate calculele sunt perfecte, motorul este doar începutul lanțului. Mai avem cuplajul, șurubul cu bile sau cremaliera, rulmenții, ghidajele, backlash-ul, rigiditatea structurii și chiar deformarea frezei în timpul prelucrării. Putem calcula o rezoluție de ordinul micronilor pentru un CNC care în realitate are o precizie de câteva sutimi de milimetru. Matematica nu este greșită. Doar că am calculat rezoluția, nu precizia întregii mașini.
Dar dacă driverul permite 51.200 pași pe rotație?
Un driver HBS86H pentru motor pas cu pas hibrid/closed-loop permite selectarea unor valori de până la 51.200 pulse/rev. Cifra este impresionantă, dar nu înseamnă că motorul s-a transformat brusc într-un dispozitiv cu 51.200 de poziții mecanice independente și perfect precise.
La un sistem closed-loop apare însă un avantaj suplimentar: encoderul urmărește poziția rotorului, iar driverul poate detecta diferența dintre poziția comandată și cea reală. Este un avantaj important față de un sistem open-loop, dar nici encoderul nu elimină jocul unui șurub, elasticitatea unei curele sau flexarea portalului. El știe ce a făcut motorul, nu unde se află cu precizie absolută vârful frezei.
Concluzie
Microstepping-ul sau micropășirea este una dintre cele mai utile funcții ale unui driver modern. Motorul merge mai fin, mai silențios și cu mai puține vibrații, iar pozițiile intermediare sunt reale.
Dar 3200 de micropasi pe rotație nu înseamnă 3200 de poziții mecanice perfect precise. Iar dacă din calcule rezultă o rezoluție de 0,001 mm, nu înseamnă automat că putem prelucra o piesă cu precizie de 0,001 mm.
Rezoluția este ceea ce putem comanda. Precizia este ceea ce obținem în realitate.
Pe hârtie putem avea foarte ușor un CNC cu rezoluție de un micron. În atelier, comparatorul are ultimul cuvânt. Nu DIP switch-ul.