PAGE133D打印機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例要設(shè)計(jì)一臺(tái)3D打印機(jī)，X軸、Y軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)是重中之重。需要通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，打印精度在很大程度上受到三根軸的運(yùn)動(dòng)精度所影響，我們需要準(zhǔn)確地控制三軸的運(yùn)動(dòng)。此次所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)由Z軸來(lái)承擔(dān)主要負(fù)載，因此對(duì)于Z軸的精度要求也相當(dāng)?shù)母?，綜合考慮后選擇電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于X軸和Y軸而言，需要快速的運(yùn)動(dòng)，所以在選擇電動(dòng)機(jī)式考慮使用帶動(dòng)光軸的形式。相比于普通電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，控制精確度更高，3D打印過(guò)程需要在短距離內(nèi)頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以選擇步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)Z軸的絲杠螺母以及螺桿軸的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橹本€(xiàn)式電動(dòng)機(jī)無(wú)需連接減速器、同步帶、滑輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)便可直接輸出直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，降低了機(jī)器的整體尺寸，所以X軸、Y軸則可以選擇使用直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。1.1X軸、Y軸電動(dòng)機(jī)的選擇因?yàn)閄、Y方向相對(duì)稱(chēng)，所以二者可以選擇相同參數(shù)的電動(dòng)機(jī)，下面便以X軸為例，通過(guò)具體計(jì)算來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)，Y軸所連接的電動(dòng)機(jī)與之一致便不展開(kāi)具體闡述。關(guān)于直線(xiàn)電機(jī)的選型主要取決于兩個(gè)因素：峰值推力和連續(xù)推力，因?yàn)橄嚓P(guān)計(jì)算十分復(fù)雜，而且X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)所需負(fù)載不是很大，便可以采用類(lèi)比法來(lái)選擇電機(jī)。翻閱相關(guān)的產(chǎn)品及其參數(shù)說(shuō)明，發(fā)現(xiàn)了一款較為符合要求的直線(xiàn)式電機(jī)，那就是KOLLMORGEN公司的KBM系列無(wú)框直驅(qū)電機(jī)。下文簡(jiǎn)單介紹這款電機(jī)。這款電機(jī)的特點(diǎn)是直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)，有多種規(guī)格與轉(zhuǎn)矩，可以同時(shí)滿(mǎn)足高性能、長(zhǎng)壽命、易安裝的要求。KBM系列無(wú)框直驅(qū)電機(jī)選配了封閉式數(shù)字霍爾效應(yīng)傳感器，經(jīng)過(guò)預(yù)先調(diào)整后安裝有增長(zhǎng)的軸向轉(zhuǎn)子，這樣的優(yōu)點(diǎn)是有利于適當(dāng)?shù)某霭l(fā)，不同的絕緣選擇可以實(shí)現(xiàn)在廣泛的線(xiàn)路輸入電壓下工作。圖一電機(jī)規(guī)格表翻閱查詢(xún)KBM系列直驅(qū)電機(jī)的規(guī)格表，根據(jù)實(shí)際要求，可以選擇KBM(S)?10這一款電機(jī)，通孔直徑為16.01mm，連續(xù)失速轉(zhuǎn)矩為0.49~1.45N?m，峰值失速轉(zhuǎn)矩為1.17~4.91N?m，額定輸出功率為0.9~3.0KW。同樣地，Y軸電機(jī)也選擇KBM(S)?10直線(xiàn)電機(jī)。1.2Z軸、螺桿電機(jī)的選擇參考已經(jīng)有的電機(jī)，我們將步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)運(yùn)用于Z軸和螺桿上的電機(jī)，在篩選步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)時(shí)，主要需要考慮的參數(shù)有三個(gè)，分別是步距角、靜轉(zhuǎn)矩以及電流。所需系統(tǒng)的精度決定了步距角的大小，對(duì)于Z軸而言所需的精度較高，于是乎根據(jù)市場(chǎng)已有產(chǎn)品，我們可以選擇1.8°作為步距角。在電機(jī)剛通電但是還沒(méi)有開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜轉(zhuǎn)矩，靜轉(zhuǎn)矩就是用來(lái)鎖住轉(zhuǎn)子，不讓轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，關(guān)于靜轉(zhuǎn)矩的大小，可以由負(fù)載轉(zhuǎn)矩來(lái)算出，經(jīng)驗(yàn)公式如下：T通過(guò)上面的經(jīng)驗(yàn)公式可以得出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與靜轉(zhuǎn)矩的大小呈正相關(guān)關(guān)系，于是便可以得出，倘若電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩增加，那么電機(jī)所能帶動(dòng)的負(fù)載也會(huì)隨之增加。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于步進(jìn)式電機(jī)而言，最大的靜轉(zhuǎn)矩都比較大，安裝在系統(tǒng)中時(shí)便不需要再去增加額外的放大裝置去放大力矩，這就相當(dāng)程度上的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，同時(shí)也會(huì)提高傳動(dòng)的精度。Z軸電動(dòng)機(jī)的工作目的是為了使一整個(gè)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)在Z軸方向上的移動(dòng)，根據(jù)估算得知，整個(gè)工作臺(tái)的質(zhì)量大致為5kg，因此便可以根據(jù)此計(jì)算出大致的力矩：TL=F——工作時(shí)所需最大負(fù)載，F(xiàn)=mg2=l——滾珠絲杠導(dǎo)程，l=5mm，具體設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)下一章節(jié)；η——傳動(dòng)效率，取η=89帶入公式計(jì)算后可得：TL=通過(guò)計(jì)算所得出的靜力矩，可以將步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)選為所需電機(jī)，查閱相關(guān)設(shè)備，最終選擇了NEMA混合式兩相步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)。根據(jù)規(guī)格表，可以選定Z軸電機(jī)型號(hào)為JK57HS41?1006，電機(jī)步距角為1.8°，長(zhǎng)度為41mm，電流1A，電阻5.2Ω，電感5.5mH，靜轉(zhuǎn)矩0.39N?m，引線(xiàn)數(shù)6根，