Amikor valaki CNC gépet választ, könnyű elveszni a látványos katalógusok, marketinggrafikonok és hangzatos technológiai kifejezések világában. A gyártók természetesen igyekeznek minden előnyt kiemelni, de a mindennapi termelésben nem minden technológiai extra hoz valódi értéket. Van, amire érdemes költeni, mert döntően befolyásolja a megmunkálás stabilitását, pontosságát, szerszámélettartamát és ciklusidejét – és van, ami papíron nagyszerű, a gyakorlatban viszont ritkán térül meg.
Ez a tudás azoknak hasznos, akik nem csupán gépet, hanem problémára szabott megoldást szeretnének választani. Vagy a megtérülésre játszanak. Műhelytulajdonosoknak, termelésvezetőknek, technológusoknak, akik szeretnék megérteni a hajtástechnika valódi szerepét a forgácsolásban. Nekik fontos átlátni, hogy nem minden a kW és az rpm: egy gép „lelke” a hajtásrendszerben van – a motor, a szabályzás és a nyomatéki karakterisztika együttese határozza meg, hogyan viselkedik a gép munka közben.
Olyan információkat osztok meg itt, amit az értékesítők többsége maga sem tud, vagy nem ért pontosan. De neked mégis fontos lehet.
A szervómotor lényege nem maga a motor felépítése, hanem az, hogy zárt szabályozási hurkú rendszerben dolgozik, tehát a vezérlés – azaz szabályozás folyamatosan visszacsatolt információ alapján korrigálja a motor helyzetét, fordulatszámát és nyomatékát. Ezt az információt tipikusan enkóder adja, amely valós időben méri a tengely pozícióját. Ha van visszacsatolás és szabályozott vezérlés, akkor a motor szervóként viselkedik; ha nincs, akkor egyszerű hajtott motor. A szervó lehet szinkron és aszinkron. A szinkron szervó állandó mágneses rotorral rendelkezik, nagy nyomatékot ad kis fordulaton, nagy dinamikával és magas hatásfokkal dolgozik. Az aszinkron szervó indukciós motorra épül, robusztusabb és olcsóbb, de alacsony fordulatszámokon és nagy dinamikájú feladatoknál gyengébb, mivel a nyomatéka késéssel, csúszással keletkezik. A CNC főorsók világában mind a szinkron, mind az aszinkron motor lehet szervó, de ma a modern gépeknél felső kategóriában a szinkron motor a jellemző, különösen, ha C-tengelyes pozicionálásra és nagy fordulatszámú vezérlésre van szükség. Noha a C tengely pontossága nem a motor típusától függ.
| Paraméter | Szinkron orsó (PM – állandó mágneses) | Aszinkron orsó (indukciós) |
|---|---|---|
| Rotor felépítése | Állandó mágneses rotor (NeFeB / ferrit) | „Ketreces” forgórész (alumínium/réz) |
| Gerjesztés | Nincs szükség gerjesztő áramra | Indukált mágneses tér, gerjesztési veszteség |
| Nyomaték kis fordulaton | Nagyon magas | Alacsonyabb |
| Csúszás | Nincs | Van, szükséges a működéshez |
| Áramfelvétel kis fordulaton | Alacsonyabb, jobb hatásfok | Magasabb |
| Dinamika (gyorsítás/lassítás) | Kiemelkedő | Közepes |
| Pozicionálás pontossága (C-tengely) | Magasabb precizitás – A C-tengely pontosságát nem önmagában a motor típusa dönti el, hanem az enkóder elrendezése, felbontása, mérési pont , a hajtáslánc megfelelősége és a szabályozás | Magas precizitás |
| Hatásfok | Magas | Közepes |
| Rotor hőterhelés | Minimális (nincs indukált áram) | Jelentős (áram indukálódik → melegszik) |
| Termikus stabilitás | Kiváló – Ha a hűtés minősége, áramlási útvonal, szenzorfelügyelet, térfogatáram megfelelő | Gyengébb, de nem rossz! |
| Termikus kontrollálhatóság | Jól szabályozható | „Nehézkesebb„, nagyobb hőtágulás |
| Nyomatékgörbe karakterisztika | Széles tartományban állandó | Magas induló csúcs, gyors esés |
| Maximális fordulatszám | Nagyon magas is lehet (HSC-alkalmazásokhoz ideális) | Mérsékeltebb, mechanikus áttétellel növelhető |
| Érzékenység túlmelegedésre | Mágnesek miatt érzékenyebb | Jobban bírja, egyszerűbb konstrukció |
| Szervizelhetőség | Komplex, precíziós hajtás → magasabb költség | Egyszerűbb és olcsóbb javíthatóság |
| Bekerülési költség | Magasabb | Alacsonyabb |
| Tipikus előny | Precizitás, gyors reakció, termikus stabilitás | Robusztus, költséghatékony, erős |
| Tipikus kompromisszum | Ár, bonyolultabb termikus konktroll | Termikus labilitás, kisebb dinamika |
A szinkron és aszinkron motorok termikus viselkedése és energiafelhasználása alapvetően abból fakad, ahogyan a mágneses teret előállítják és fenntartják. A szinkron motor állandó mágneses rotorral működik, ami azt jelenti, hogy a mágneses mező létrehozása nem igényel gerjesztőáramot. A mágnesek „ingyen” hozzák létre a forgó mágneses teret, így a rotorban gyakorlatilag nem keletkezik veszteségi áram és ezzel együtt hő. Ez a felépítés kiváló energiahatékonyságot, stabil hőmérsékletet és nagyon jó pozicionálhatóságot eredményez, különösen alacsony fordulatokon és változó terhelés mellett. A szinkron motor így könnyen kontrollálható termikus szempontból, mert a hő nagy része az állórészben keletkezik, amely jól hűthető, és nem közvetlenül a csapágyakkal és orsóhosszal egybeépített forgó tömegben. A hőtágulás kisebb, kiszámíthatóbb, és a gép hosszabb ideig képes tartani méretpontosságát finom megmunkálás során. A konstrukció hátránya, hogy a ritkaföldfém mágnesek érzékenyek a túlmelegedésre; extrém hő hatására részben elveszíthetik mágneses tulajdonságaikat. Ez nem jelenti azt, hogy a technológia sérülékeny, de a rendszer hűtésének és hőmenedzsmentjének minősége kritikus. Cserébe alacsonyabb teljes energiaveszteség és jobb nyomatékleadás érhető el alacsony fordulaton is.
Az aszinkron motor működése ezzel szemben indukción alapul: a rotorban a stator forgó mágneses mezője hoz létre áramokat, amelyek saját mágneses teret keltenek, így hozva létre forgatónyomatékot. Ennek szükségszerű velejárója az úgynevezett csúszás – vagyis a rotor mindig kissé lemarad a stator mezőhöz képest. A rotorban folyamatosan hő keletkezik az indukált áram miatt, és ezt a hőt nehezebb elvezetni, hiszen a melegedés a forgó tömeg belsejében történik. A hőtágulás hatással van a csapágyak előfeszítésére, az orsó tengelyének hosszára és így közvetlenül a pontosságra. Mindez azt eredményezi, hogy az aszinkron motorral szerelt orsó melegedés után több időt igényel a stabilizálódásra, és hosszú, finom megmunkálási ciklusoknál a hőalapú méretvándorlás nagyobb lehet. Energetikai szempontból az indukció miatt mindig van veszteség, különösen részterhelésen, és alacsony fordulaton a hatásfok gyengébb. Előnye ugyanakkor a robusztusság: a konstrukció egyszerűbb, toleránsabb a hővel szemben, nem fenyegeti mágneses sérülés, és általában kedvezőbb árú mind a gyártás, mind a karbantartás tekintetében.
A két rendszer közti különbség tehát nem csak elméleti kérdés, hanem közvetlenül meghatározza a gép viselkedését termelésben. A szinkron, állandómágneses orsó a hőviselkedés miatt kiszámíthatóbb, költséghatékonyabb energiafelhasználású, és hosszabb megmunkálásnál stabilabb mérettartást biztosít. Az aszinkron megoldás ezzel szemben egyszerűbb, olcsóbb és rendkívül tartós lehet, de a hőkezelés és pontosság szempontjából kompromisszumokat jelent, különösen finiselő feladatoknál vagy precíziós ciklusoknál.
A főorsók két fő kialakításban jelennek meg: szíjhajtással vagy motororsóként. A szíjhajtás esetében a motor külön egység, amely szíjjal hajtja az orsót. Ez a megoldás gyakran lehet akár szinkron, akár aszinkron szervóval is. Előnye, hogy a szíjáttétel mechanikusan növeli a nyomatékot, így a gép kis fordulaton különösen erős lesz, ezáltal ideális nagyoló megmunkáláshoz, nehéz forgácsoláshoz. Hátránya, hogy a rendszer lassabb, karbantartást igényel, és a dinamikája elmarad az integrált motororsókétól. A motororsó esetében a motor rotorja maga az orsó tengelyébe van integrálva, ez a legtöbb esetben szinkron szervó megoldás. A motororsó nagy dinamikát, pontos C-tengely pozicionálást és magas fordulatszámot biztosít, ezért kiváló precíziós esztergálásra és maró-eszterga feladatokra. Viszont drágább, komplexebb, fő hőforrásai: a beépített motor sztátora/rotora és a csapágyak súrlódása; a hő főként a sztátorból terjed a házba és a tengelybe, miközben a csapágyak is termelnek hőt fordulatszám- és előfeszítés-függvényében, ami igényesebb hűtést jelent.
Az ipari gyakorlat tehát az, hogy a nagy nyomatékot és robusztus forgácsolási képességet igénylő feladatokhoz a szervós szíjhajtás ideális, míg a nagy fordulatszámot, nagy dinamikát és precíz orientációt igénylő műveletekhez a szinkron vagy aszinkron motororsó a tökéletes választás. Egy gyakorlati példánál maradva: ha 42CrMo4 anyagból Ø80-ból Ø60-ra nagyolunk 2,5 mm fogásmélységgel és 0,3 mm/ford előtolással, akkor a szíjhajtásos, akár aszinkron szervós orsó is kiemelkedően hatékony, mert a nyomatéka kis fordulaton óriási. Ha viszont menetmarást vagy élletörést végezünk C-tengellyel magas fordulaton a hozzá számolt előtolással, akkor a szinkron motororsó lesz az optimális megoldás, jó dinamikával, magas megmunkálási finomsággal. (Irányelvnek jó, de ma sok aszinkron orsó is kiváló felületi minőséget ad megfelelő szabályozással/enkóderrel és csapágyazással; a döntő a teljes rendszer (hajtás, enkóder, merevség, kiegyensúlyozás, hűtés – a szerző megjegyzése)
Szinkron vs. aszinkron szervó – összefoglaló táblázat
| Tulajdonság | Szinkron szervó | Aszinkron szervó |
|---|---|---|
| Felépítés | Állandó mágneses rotor | Indukciós (ketreces rotoros) |
| Nyomaték kis fordulaton | Kiemelkedően magas | Közepes–jó |
| Dinamika | Kiváló | Jó–közepes |
| Hatásfok | Magas | Erős közepes |
| Hőtermelés | Alacsonyabb | Magasabb |
| Költség | Magasabb | Alacsonyabb |
| Ideális feladat | Precíziós, dinamikus, C-tengely | Nehéz forgácsolás dinamika igénnyel vegyítve, költségérzékeny |
Sematikus nyomatékgörbék
A lenti ábrákon látható, hogyan viselkedik szemléletesen a szíjhajtásos és a motororsós főorsó karaktere fordulatszám függvényében. A szíjhajtás magas induló nyomatékot biztosít és meredekebben esik, míg a motororsó kisebb induló nyomatékkal, de hosszabban tartja meg a teljesítményét nagy fordulaton.
Ha az általad preferált márka értékesítőjének műszaki érdeklődése és magabiztossága megragadt a tokmányméret és főorsó furat területein, csak súllyal és teljesítménnyel akar versenyezni, a legfontosabb kérdése a versenytárs ára, jobb, ha kapaszkodsz. A beruházás sikere ugyanis elsősorban az Ő anyagi érdekét szolgálja, és nem a Te műszaki és üzleti sikeredet. Jó üzletet nem akkor csinálsz, ha 10000-et spórolsz vásárláskor, hanem ha plusz 10000-et keresel minden hónapban.
Sipos Ádám
