Шаговый двигатель 3D-принтера: всё, что вам необходимо знать

Шаговый двигатель — это важная деталь станков с числовым программным управлением (ЧПУ), таких как 3D-принтеры, фрезерные и токарные станки, а также лазерные граверы. Он отвечает за линейные перемещения машины. Например, изменение положения по оси Y происходит благодаря вращению шагового двигателя.

Если вы создаёте свой 3D-принтер, то выбор, подключение и настройка шаговых двигателей станут важной частью процесса. Если вы не справитесь с этой задачей, то ваша машина просто не будет двигаться.

Чтобы помочь вам, мы подготовили подробное руководство, в котором расскажем всё основное о шаговых двигателях.

Но для начала давайте разберёмся с основами.

Содержание:

Шаговый двигатель для 3D-принтера: основы работы

Что такое шаговый двигатель?

Вы можете его собрать?

Шаговый двигатель — это особый вид электродвигателя. Он работает от электричества, в отличие от бензиновых двигателей, которые приводятся в движение за счёт реакции бензина при сжатии в поршне.

Обычный двигатель, будь то электрический или иной, вращается постоянно, совершая регулярные круговые движения. Разница между обычным двигателем и шаговым заключается в том, что шаговый двигатель избирательно совершает определённый процент оборота, называемый шагами, и может запускаться и останавливаться по желанию. Это позволяет машинам, например 3D-принтерам, достигать точных перемещений.

На изображении выше вы видите шаговый двигатель в разобранном виде. Катушки внутри начинают двигаться, когда электричество проходит по проводам, заставляя остальные компоненты двигаться. Этими катушками можно управлять с помощью электрических импульсов, что позволяет очень точно контролировать движение машины и обеспечивать ей высокую точность.

Где их найти?

Шаговые двигатели? На вашем принтере? Их больше, чем вы думаете

Прежде чем мы углубимся в технические детали шаговых двигателей, давайте поймем, какую роль они играют в ваших устройствах.

В любом 3D-принтере или настольном станке с ЧПУ вы найдёте шаговые двигатели, установленные на осях X, Y и Z. Ось X и Y могут быть оснащены ремнями или винтами для преобразования вращательного движения в линейное перемещение. Обычно для каждой из этих осей используется отдельный двигатель.

На оси Z вы можете обнаружить один или два шаговых двигателя, в зависимости от особенностей вашего станка. В этой оси обычно используется винт, так как она должна выдерживать вес всей инструментальной головки.

Кроме того, в 3D-принтерах присутствует ещё один шаговый двигатель — тот, который управляет экструзией филамента. Обычно он соединяется с системой, состоящей из пружины, шкива и шестерни, которые совместно приводят в движение нить филамента.

Для шпинделей станков с ЧПУ не используются шаговые двигатели, так как им требуется гораздо больший крутящий момент, более высокая частота вращения, и они поставляются с собственным встроенным электродвигателем.

Теперь, когда у нас есть более ясное представление о том, почему шаговые двигатели важны для 3D-печати и механической обработки с ЧПУ, давайте рассмотрим, как они работают.

Что такое NEMA?

Выбирайте с умом

Когда говорят о самодельных 3D-принтерах, самодельных станках с ЧПУ или шаговых двигателях, часто можно услышать слово «NEMA». Но что оно означает?

Обычно считают, что NEMA и шаговый двигатель — это одно и то же. И хотя это не совсем так, технически это тоже неверно.

NEMA расшифровывается как «Национальная ассоциация производителей электрооборудования» и является крупнейшей торговой ассоциацией производителей электрооборудования в США. NEMA установила стандарт для шаговых двигателей по всему миру, поэтому эти термины могут использоваться как взаимозаменяемые.

Установка стандарта означает, что все шаговые двигатели, классифицированные или идентифицированные как NEMA, будут иметь одинаковые размеры, мощность, крутящий момент, входное напряжение и т. д.

Важно отметить, что вы можете найти какой-нибудь другой электрический компонент, например, традиционный двигатель переменного тока, который также соответствует определённым стандартам NEMA. Однако это не будет шаговый двигатель, поэтому следует быть осторожным, когда вы упоминаете «NEMA» и «шаговые двигатели».

Давайте поговорим о крутящем моменте

Крутящий момент - это то, что заставляет мир вращаться (не совсем)

При изучении шаговых двигателей вы часто встречаете термин «крутящий момент». Он указан в технических характеристиках двигателя и определяет, какие предметы двигатель может перемещать.

С математической точки зрения, крутящий момент вычисляется как произведение усилия на расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Для окружности крутящий момент эквивалентен силе для линии. Иными словами, это сила, связанная с вращательным движением. Проще говоря, чем больше крутящий момент у объекта, тем больший вес он способен перемещать по окружности.

Из формулы следует, что крутящий момент измеряется в единицах силы и расстояния. Для шаговых двигателей вы обычно найдёте его в Н·см (ньютон на сантиметр) или унциях (унция на дюйм).

Типы NEMA

Чем больше передаточное отношение, тем больше усилие

Для шаговых двигателей стандарта NEMA существуют два основных размера: NEMA 17 и NEMA 23. Цифры в названии указывают на размер лицевой панели двигателя.

NEMA 17 имеет лицевую панель размером 1,7 x 1,7 дюйма. Увеличенный размер лицевой панели NEMA 23 составляет 2,3 x 2,3 дюйма, что позволяет достичь более высокого крутящего момента.

Максимальный крутящий момент NEMA 17 составляет около 50 Н*см, в то время как для NEMA 23 этот показатель может достигать от 100 до 125 Н*см. NEMA 17 является более распространённым стандартом, однако NEMA 23 предпочтительнее при работе с более тяжёлыми материалами, такими как алюминий.

Даже в рамках одного стандарта можно найти различные варианты двигателей. Например, все двигатели стандарта NEMA 23 имеют высокий крутящий момент, но самый низкий показатель для NEMA 23 всё равно выше, чем для NEMA 17. Поэтому, если вам нужен двигатель с низким крутящим моментом, вы бы выбрали NEMA 17.

Что касается NEMA 17, то существуют три основных варианта, которые различаются по длине. Чем больше ротор, тем выше крутящий момент.

Тремя наиболее популярными разновидностями шагового двигателя NEMA 17 являются:

Блинные двигатели: имеют низкий крутящий момент. Самый короткий — всего 2 см в длину и крутящий момент 13 Н*см.
Стандартная длина: самый распространённый вариант, длиной 4 см и крутящим моментом 50 Н*см.
Высокий крутящий момент: самый высокий крутящий момент NEMA 17 (если всё ещё не такой высокий, как у NEMA 23) при длине 6 см и крутящем моменте 65 Н*см.

У NEMA 17 есть и другие опции, но они могут быть менее коммерчески доступными, чем три упомянутых выше варианта.

Варианты

Этот добавленный цилиндр содержит коробку передач

Иногда стандартные решения не подходят для ваших нужд. Но не стоит отчаиваться, ведь есть и другие варианты, которые стоит рассмотреть:

Шаговые двигатели с редуктором. Эти двигатели обычно состоят из модифицированных NEMA 17. Они позволяют увеличить скорость или крутящий момент с помощью коробки передач. Увеличенный крутящий момент уменьшает скорость, и наоборот. Они подходят для различных применений. Например, если вам нужен больший крутящий момент, чем может обеспечить NEMA 17, но у вас нет места для NEMA 23, решением может стать NEMA 17 с редуктором.
Бесщеточные двигатели с датчиками. Это относительно новый тип механизма с числовым программным управлением. Установка с бесщеточными двигателями постоянного тока быстрее и иногда мощнее, чем обычные шаговые двигатели. Однако они также дороже и сложнее в настройке. В них используется другая, более сложная система для снижения шума и вибраций, а также увеличения крутящего момента и точности.
Серводвигатели. Они не такие точные, как шаговые двигатели, и не могут непрерывно вращаться. Сервомоторы полезны для небольших исполнительных деталей, таких как муфты или механизмы в системе переключения нити накала. Однако важно отметить, что они предназначены не для работы в качестве основных двигателей, а скорее для двигателей с меньшим спросом с точки зрения крутящего момента. Обычно они используются для простых задач, таких как нажатие кнопки.

Драйвера

Управление NEMA 17HS4023 с помощью драйвера, подключенного к Raspberry Pi

Драйверы — это электронные компоненты, которые обеспечивают связь между компьютером и шаговым двигателем. Они преобразуют команды программного обеспечения в электрические импульсы, заставляя двигатель вращаться в соответствии с заданной инструкцией.

Драйверы подключаются к материнской плате принтера, а шаговые двигатели — к драйверам. При выборе драйверов необходимо учитывать спецификацию вашего шагового двигателя, поскольку не все драйверы совместимы со всеми типами двигателей. Также стоит обратить внимание на то, работают ли драйверы бесшумно, так как резкий звук может быть результатом их работы.

Драйверы играют важную роль в обеспечении точности шагового двигателя. Они управляют движением двигателя с помощью микрошагов. Микрошаг зависит как от встроенного ПО принтера, так и от используемых драйверов. Количество микрошагов кратно 8 (8, 16, 32, 64, 128 и т. д.). Слишком низкое разрешение может привести к плохому качеству печати, а слишком высокое — к проблемам со связью. Поэтому оптимальное число микрошагов находится между 32 и 64.

Количество шагов на единицу

Шаги для каждого устройства должны быть установлены в прошивке

Ваш шаговый двигатель вращается, а принтер движется линейно. Как обеспечить соответствие вращения двигателя желаемому линейному перемещению?

Например, если вам нужно, чтобы машина переместилась на 2 см по оси X, двигатель должен совершить определённое количество шагов. То есть, чтобы машина двигалась на нужное расстояние, двигатель должен вращаться на определённое количество градусов. Это называется шагами на единицу.

Шаговый двигатель имеет угол шага — это угол, на который двигатель перемещается за один шаг. Этот угол определяется производителем и не может быть изменён. Для двигателей NEMA угол шага составляет 1,8°. Это означает, что для совершения одного оборота двигателю требуется 200 шагов: 200 x 1,8° = 360°.

Количество шагов на единицу — это количество шагов, которые двигатель выполняет для совершения одной единицы линейного перемещения. Оно зависит от спецификации вашего двигателя, точности привода и используемых элементов передачи, таких как ремень или винт.

Если математика вас пугает, не беспокойтесь. В Prusa Printers есть калькулятор шаговых двигателей, где вы можете ввести спецификации всех элементов трансмиссии и указать количество шагов на единицу.

Если вы купили принтер в магазине, вам не нужно беспокоиться об этом, он уже будет настроена. Но если вы хотите сделать это самостоятельно, самое время достать калькулятор.

Безопасная установка

Подключен и готов к работе!

Установка шаговых двигателей — несложная задача, благодаря стандартным разъемам, которые используются большинством производителей. Для установки достаточно подключить двигатель к соответствующему разъёму на плате управления.

Однако при установке следует учитывать несколько важных моментов:

Никогда не устанавливайте двигатель (и любое другое оборудование) на принтер, пока он подключен к сети. Это может быть опасно, так как вы рискуете получить удар током, повредить чувствительные компоненты или вызвать электрический пожар. Всегда выключайте принтер и отключайте его от сети перед началом любых работ.
Не отключайте шаговый двигатель, пока он находится под напряжением. Если вы уже выполнили первый шаг, то это не должно быть проблемой. Однако если вы этого не сделали, то можете повредить драйвер шагового двигателя и, возможно, плату управления.
Убедитесь, что драйверы ваших шаговых двигателей подают на двигатели правильную величину тока. Это можно отрегулировать с помощью потенциометров на плате драйвера или, в некоторых случаях, с помощью программного обеспечения принтера. Слишком малый ток означает, что двигатель не будет иметь достаточного крутящего момента, а слишком большой ток может привести к его перегреву.

Если кажется, что ваш шаговый двигатель подключен правильно, но не работает, не спешите его выбрасывать или сдаваться. Возможно, провода просто перепутались. С помощью мультиметра проверьте, что соединения правильно совпадают и цвета проводов припаяны к нужному контакту. Если провода перепутаны, то при нажатии влево они будут поворачиваться вправо (и наоборот). А если провода пересекутся, то двигатель вообще не включится, так как они идут к разным катушкам.

Наконец, если вы заметили какие-либо явные проблемы в работе двигателя после установки, прекратите все действия и выключите принтер. Перед тем как продолжить использование двигателя, внимательно изучите проводку и схему драйвера, чтобы убедиться в отсутствии ошибок. Если ошибок нет, убедитесь, что двигатель, драйвер и программное обеспечение совместимы. В любом случае, это хорошая практика при работе с электроникой, которая позволяет избежать возгорания, повреждения компонентов или, что ещё хуже, взрыва конденсаторов.

Оставить комментарий

Наши каналы:

Заполняя любую печатную форму на нашем сайте, вы даете согласие на обработку ваших персональных данных в соответствии с Политикой персональных данных