Die Anzahl der Schritte (Steps) eines Schrittmotors hängt von vielen Faktoren ab. Für eine exakte Konfiguration einer CNC gesteuerten Fräse oder eines 3D-Druckers ist die Beantwortung der Frage: „Wie viele Schritte benötigt man für 1 mm Verfahrweg?“ jedoch sehr wichtig.

Grundsätzlich gibt es die Faktoren:

• Schrittwinkel des Motors für einen Vollschritt.
• Schrittsteuerung: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, microstepping.
• Gewindesteigung bei Gewindeantrieben.
• Umfang des Zahnrades/der Zahnriemenscheibe bei Riemenantrieben.
• Ev. Übersetzungsgetriebe

Die meisten heute verwendeten Schrittmotoren haben 200 Vollschritte pro einer Umdrehung. Das entspricht einem Drehwinkel von 1,8 Grad. Weitere verbreiteten Typen sind 400 Vollschritte (0,9 Grad) oder 45 Vollschritte (8 Grad).

Bei der Auswahl des Motors kommt es nicht so sehr auf die Anzahl der Schritte an. Es gilt nicht die Regel: viele Schritte, gleich hohe Auflösung. Sowohl die Halb-, Viertel- und Achtelschritte wie auch das Microstepping bieten genug Reserven für eine feinere Auflösung. Auch ein evtl. sinnvolles Untersetzungsgetriebe kann eine höhere oder auch geringere Auflösung ergeben.

Auch die max. Verfahrgeschwindigkeit wird durch die Schrittzahl beinflusst. Der Motor hat bei Vollschritten die max. Leistung. Teilschritte oder Microstepping erhöhen die Anzahl der Schritte und die Schrittfolge muss schneller an den Motor angelegt werden, dadurch verringert sich die max. mögliche Leistung.

In Summe muss ein Gleichgewicht gefunden werden, in dem die max. Verfahrgeschwindigkeit und die erzielbare (geforderte) Auflösung ausgewogen sind. Dieses ist dann die Auslegung der Achse. Weitere Achsen können dann bei Bedarf, eine andere Auslegung bekommen.

Die übliche Ansteuerung der Wicklungen eines Schrittmotors sind Vollschritte. Auf diese Betriebsart ist ein Motor ausgelegt und damit hat er die höchste Leistung/Drehmoment.

Um die entstehenden Motorgeräusche und Vibrationen bzw. Resonanzschwingungen des Motors zu verringern und die max. mögliche Auflösung des Motors zu erhöhen, wurden Schaltungen entwickelt, die diese Vollschritte nochmal aufteilen, sodass der Motor mit Halbschritten (1/2), Viertelschritten (1/4) und Microstepping angesteuert wird. Dabei wird der an die Wicklungen angelegte Strom mit verschiedenen Verfahren (PWM, Choppen) nochmal für das Zeitfenster eines Schrittes heruntergeregelt. Bei 1/2 z.B. auf 71% der vollen Leistung, also 0%, 71% und 100%. Bei 1/4 auf 0%, 40%, 71.4%, 91% und 100%. Die gewählten Prozentwerte bilden somit mit ihren Werten eine Sinuskurve ab, die bei induktiven Lasten am wirkungsvollsten umgesetzt werden können. Die Anzahl der Schritte für eine Umdrehung eines Motors mit ursprünglich 200 Schritten wird so, steuerungstechnisch, auf 400 Schritte (bei 1/2) oder 800 Schritte (bei 1/4) erhöht.

Bei CNC Antrieben mit Gewindestangen, ist die Steigung der Gewindestange für die Auflösung wesentlich. Als Gewindestangen werden meist standardisierte Trapezgewinde (DIN 103) verwendet. Diese haben den Vorteil relativ breite Flanken für eine bessere Kraftübertragung zu besitzen. Es können aber auch preiswerte, metrische Standardgewindestangen (DIN 975) verwendet werden.

Für Gewindestangen wird die Steigung angegeben. Bei Trapezgewinden steht die Steigung z.B. direkt in der Bezeichnung. Ein Gewinde TR 12×3 hat z.B. einen Kerndurchmesser von 12 mm und eine Steigung von 3 mm / Umdrehung. Eine M8-ter Gewindestange hat z.B. die Steigung von 1,25 mm.

In der angegebenen Datei stehen alle gängigen Gewinde mit ihren Steigungen (P). Oder auf der Website www.gewinde-normen.de. Ausgenommen sind Kugelgewindestangen. Hier ist die jeweilige Steigung lt. Herstellerangaben zu berücksichtigen.

Bei Zahnriemenscheiben oder auch Zahnrädern ist die Teilung der Zahnriemen/Ketten für die Auflösung nicht ausschlaggebend. Die Berechnung der Auflösung errechnet sich ausschließlich aus dem Umfang der Zahnscheibe, an der Stelle an der der Zahnriemen bzw. eine Kette aufliegt. Genau genommen wird der Wirkdurchmesse so gelegt, dass die Mitte des Zahnriemenmaterials mit berücksichtigt wird.

Der Umfang eines Kreise berechnet sich mit: U = π*d = 2*π*r

Beispiel: Eine Zahnriemenscheibe HTD-3M-16 hat einen Wirkdurchmesser von 15,28 mm. Somit berechnet sich die Auflösung / Schritt zu: 15,28*π/200 = 0,24 mm/Step. Für Halb-, Microstepping entsprechend feiner.

Hier entscheidet also der Durchmesser bzw. die Zähneanzahl wesentlich die Auflösung der Konfiguration.

Ein Übersetzungsgetriebe, meist mit zwei Zahnscheiben und einem Zahnriemen realisiert, kann aus drei Gründen verwendet werden:

• Der Motor und z.B. eine Gewindestange sollen mechanisch entkoppelt aber flexibel verbunden werden. Hiermit werden auch andere, konstuktionsbedingte Probleme wie das Drehen des Motors oder das seitliche Verschiebung des Motors erreicht.
• Der Motor soll untersetzt werden, also eine feinere Auflösung realisiert werden.
• Der Motor soll übersetzt werden, also eine geringere Auflösung und höhere Verfahrgeschwindigkeiten realisiert werden.

Bei der Berücksichtigung der Getriebeübersetzung reicht es, rein die Anzahl der Zähne zu vergleichen. Beispiel: auf dem Motor sitzt eine Zahnscheibe mit 16 Zähnen, auf der Gewinde- oder Antriebsachse eine Zahnscheibe mit 45 Zähnen. Dann findet hier eine Untersetzung von 45/16 = 2,8125 statt. Es muss also die Anzahl der notwendigen Schritte durch 2,8125 geteilt werden.