Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какой шаговый двигатель выбрать

Какой шаговый двигатель выбрать

В лазерных, фрезерных станках с ЧПУ, режущих плоттерах, 3d принтерах широко применяются шаговые двигатели (ШД). Их используют в качестве исполнительных устройств, например, для организации перемещения инструмента — лазерной головы, шпинделя.

Меньшая стоимость, по сравнению с сервоприводами, точное позиционирование, достаточный момент удержания и широкий диапазон управления скоростью обеспечивают этим моторам широкое применение. Современный рынок наполнен настолько разными предложениями, что можно запутаться в выборе.

Особенности работы ШД

Для начала нужно понять, что это за двигатель такой. Задача ШД, как и любого мотора, преобразовывать электрическую энергию в механическую. Особенность шагового двигателя — дискретное вращение ротора. Электродвигатель совершает заданное количество шагов (соответствующее количеству поданных импульсов) и останавливается в фиксированном положении.

Разные модели имеют свой шаг поворота (обычно 1,8° или 0,9°), и чем он меньше, тем точнее позиционирование инструмента. Погрешность шага составляет не более 5%.

На что нужно обратить внимание при выборе шагового двигателя

Выбирая электродвигатель взамен вышедшего из строя, можно купить такой же того же производителя или купить модель с подобными характеристиками. Если же вы подбираете ШД для самодельного станка, придется вспомнить курс физики и просчитать некоторые параметры. Или проанализировать предоставленные на рынке модели, подходящие по размерам и близкие по характеристикам.

Шаговый двигатель Leadshine 573S15-L

Тип электромотора

Наибольшее распространение для ЧПУ получили биполярные электродвигатели, способные сохранять высокое удельное сопротивление на небольших оборотах. Их преимущество в том, что для них несложно подобрать драйвер. Для обеспечения высокой скорости вращения, есть смысл использовать трехфазные ШД. Униполярные представляют соединение нескольких биполярных, подключение обмотки которых можно организовать по-разному (зависит от задачи).

Основные характеристики

Чтобы понять, удовлетворяет ли мотор условиям, в которых он будет использоваться, необходимо изучить ключевые характеристики.

Задача двигателя — обеспечивать необходимый крутящий момент в нужном диапазоне скоростей. На графике скорость-моментной характеристики, предоставляемом производителем, видно, что при уменьшении количества оборотов ниже определенного уровня возрастает момент и соответственно сила тока.

Чтобы не привести к повреждению двигателя, драйвер должен ограничивать повышение тока свыше определенной отметки.

Верхний порог скорости ограничивает индуктивность обмотки, которая является важной характеристикой ШД. Большая индуктивность позволяет получать бо́льший крутящий момент. Но при этом для нормальной работы двигателя нужно подобрать драйвер с большим напряжением питания.

Фирмы-производители выполняют модели одинакового размера в двух вариантах — с большим и малым значением L. Быстрые модели на больших оборотах не требуют высокого напряжения, поэтому для них можно подобрать драйвер и источник питания подешевле. Медленные используются, когда необходим большой момент удержания.

Осознанный выбор исходя из предстоящих задач

Подбирая электродвигатель следует отталкиваться от сферы применения станка и технических характеристик. Например, для небольшого домашнего станка, осуществляющего мелкие фрезерные работы, подойдет шаговый электромотор с двумя обмотками, минимальными показателями индуктивности и тока, а значит, с максимальным моментом.

Если ШД предназначается для подвижной части, нужно учитывать ее массу и вес материалов, которые предстоит обрабатывать. Не менее важны геометрические параметры двигателя — длина, диаметр вала, фланец.

Правильным решением будет покупка двигателя у надежного производителя или поставщика. И желательно, чтобы в одном месте можно было бы подобрать и другие комплектующие — драйверы, датчики, муфты соединительные…

Шаговые двигатели для лазерного станка с ЧПУ: критерии подбора и расчеты

Шаговые двигатели применяют для обеспечения управляемого движения рабочего инструмента – лазерной головы. От работы шагового двигателя зависит точность перемещения лазерной головы и, следовательно, точность обработки материала.

Конструкция двигателя включает ротор (вращающуюся часть) и статор (неподвижную часть). На статоре установлены электромагниты, с которыми взаимодействуют части ротора, изготовленные из магнитотвердого или магнитомягкого материала. Ротор вращается дискретно, то есть шагами, и совершает несколько шагов за полный оборот. Он приводится в движение при последовательной подаче тока на обмотки. Под действием электрического импульса ротор поворачивается на заданный угол, то есть совершает шаг. Скорость и направление вращения ротора, а также количество его оборотов можно регулировать, изменяя форму сигнала, длительность и количество импульсов, фазовый сдвиг.

Классификация шаговых двигателей в зависимости от ротора

  • Двигатели с постоянными магнитами на роторе, выполненном из магнитотвердого материала. Число полных шагов в одном обороте двигателя определяется количеством постоянных магнитов на роторе и электромагнитов на статоре. Один оборот может включать от 4 до 48 шагов с углом от 7,5° до 90 °.
  • Реактивные двигатели. Ротор такого двигателя имеет форму звезды с множеством зубцов. Он изготовлен из магнитомягкого материала, и на нем отсутствуют постоянные магниты. Число полных шагов в одном обороте реактивного двигателя определяется количеством зубцов на роторе и электромагнитов на статоре. В одном обороте может быть от 24 до 72 шагов, один шаг может оставлять от 5° до 15°.
  • Гибридные двигатели. Роторы гибридных двигателей изготовлены из магнитотвердого материала в форме звезды с множеством зубцов. Количество полных шагов в одном обороте гибридного двигателя обусловлено числом постоянных магнитов на звезде ротора и электромагнитов на статоре. В одном обороте может быть до 400 шагов с углом от 0,9°.
Читать еще:  В чем преимущество оппозитных двигателей

По типу обмоток статора выделяют:

  • Биполярные двигатели имеют 2 обмотки и 4 вывода. Эти модели чаще всего используют в станках с ЧПУ. К преимуществам этих двигателей относятся высокое удельное сопротивление на малых оборотах и простота выбора нового драйвера при поломке имеющегося.
  • Униполярные двигатели с 5 выводами имеют 2 обмотки, центральные точки которых соединены и являются пятым общим выводом.
  • 6-выводные двигатели имеют две обмотки с тремя выводами, не соединенные между собой. Если не использовать центральные выводы, то двигатель будет работать как биполярный. Чтобы двигатель работал как униполярный, центральные выводы необходимо соединить и подключить к GND.
  • 8-выводные двигатели имеют 4 обмотки. Их можно использовать как биполярные и как униполярные.

Двухфазные и трехфазные шаговые двигатели:

Двухфазные модели отличаются меньшей стоимостью, большей простотой и надежностью, их можно использовать с большинством драйверов для станков ЧПУ. Трехфазные модели имеют большее, чем у двухфазных, количество зубьев, что обеспечивает им меньший угловой шаг и, соответственно, большую плавность хода и более высокую точность Трехфазные двигатели используют при необходимости обеспечить высокую скорость вращения.

Критерии подбора шагового двигателя

Индуктивность:

Для подбора шагового двигателя по критерию индуктивности применяется формула Marris Friemannis, который эмпирическим путем вывел коэффициент 32 для вычисления максимального напряжения питания двигателя.

Мощность двигателя увеличивается пропорционально напряжению питания. Потери вследствие возникновения вихревых токов в корпусе двигателя увеличиваются пропорционально квадрату приложенного напряжения.

Вихревые токи индуцирует пульсация тока, которая прямо пропорциональна напряжению питания, а также обратно пропорциональна индуктивности двигателя. Индуцированные вихревые токи приводят к выделению тепла в ламелях шагового двигателя, пропорционально их сопротивлению. Двигатель нагревается пропорционально квадратному корню из индуктивности.

Согласно формулы Marris Friemannis необходимо извлечь квадратный корень из индуктивности обмотки и результат умножить на 32. Затем полученный результат нужно сравнить с напряжением источника питания для драйвера. Данные параметры не должны сильно различаться.

Если напряжение питания больше, чем вычисленное значение на 30% и выше, то двигатель будет нагреваться и шуметь. Если напряжение питания будет меньше, чем полученное значение, то крутящий момент будет быстро падать с ростом скорости. При большой индуктивности появляется потенциальная возможность для большего крутящего момента, но при этом нужен драйвер с большим напряжением питания.

Кривая зависимости крутящего момента от скорости

Дает возможность понять, соответствует ли двигатель условиям, установленным в техзадании.

Геометрические параметры: диаметр вала, длина двигателя, фланец.

Важно также принять во внимание следующие показатели:

номинальный ток в фазе;
момент инерции ротора;
максимальный статический синхронизирующий момент;
омическое сопротивление фаз.

Примеры расчетов шаговых двигателей

Для примера допустим, что коэффициент трения равен 0,2, сила резания – 3000 H, вес стола – 100 кгс, необходимое ускорение – 2 м/с2, вес детали – 300 кгс.

Расчет силы трения

На силу трения в направляющих влияют используемые материалы. Умножаем коэффициент трения на вес движущейся системы.
0,2 х 9,81 (100 кгс + 300 кгс) = 785 Н

Расчет силы инерции

Следует умножить вес стола с находящейся на нем деталью на ускорение.
(100 + 300) х 2 = 800 H

Расчет полной силы сопротивления

Необходимо вычислить сумму сил трения, инерции и резания.
785 + 800 + 3000 = 4585 H

Силу сопротивления должен развивать привод стола на гайке шариковой винтовой передачи.

Расчет мощности

Для определения мощности шагового двигателя применяется формула:
F = ma, где:
F – сила в ньютонах, требующаяся для приведения тела в движение;
m – масса тела, кг;
a – необходимое ускорение, м/с2;

Для расчета механической мощности следует умножить силу сопротивления движения на скорость.

Данные формулы не учитывают инерцию вала и прочих вращающихся механизмов. Для большей точности расчетов следует увеличить либо уменьшить требования по ускорению на 10%.

Для вычисления мощности можно воспользоваться калькулятором.

Вычисление редукции оборотов

Редукция оборотов вычисляется исходя из номинальных оборотов сервопривода и максимальной скорости перемещения стола. Представим, что скорость перемещения равна 1000 мм/мин, шаг винта шариковой винтовой передачи равен 10 мм, номинальные обороты сервопривода составляют 5000 об/мин.
Скорость вращения винта ШВП составляет (1000 / 10) = 100 об/мин.
Редукция составляет (5000 / 100) = 50

Регулировка скорости холостых перемещений в Mach3

Как сделать регулировку скорости холостых и рабочих перемещений в программе Mach3, то есть настроить холостой и рабочий ход для перемещения фрезерного станка?

Разбираем проблему настройки Mach3

Полные настройки программы Mach3 описаны в этой статье. Здесь же коротко рассмотрим настройку основного и холостого хода в программе.

Чтобы настроить базовую скорость перемещения с Mach3

Чтобы настроить базовую скорость перемещения станка в настройках программы Mach3 заходим:

В меню «config» (Конфигурации) выбираем пункт «Motor Tuning» (Настройка двигателей):

Базовая настройка сводиться к прописыванию «Steps per» рассчитанный для ваших шаговых двигателей

  • Скорость перемещений «Velocity» – указываем рабочую скорость перемещения по оси (скорость зависит от технологических возможностей станка – то есть, как правило, станки с ШВП работают до 2500 мм/мин, а станки с капролоновой гайкой работаю до 1500 мм/мин, здесь указывается просто как пример).
  • Ускорение/торможение «Acseleration» – то есть здесь пишем с каким ускорением движение будет начинаться и останавливаться. По факту это выглядит примерно так – при маленьких показателях (50-100) движение будет медленно стартовать и медленно останавливаться, то есть иметь большую инерцию. При показателях 400-600 (как пример) движение быстро начинается и быстро останавливается. На средних станках (600х400 допустим) данный параметр устанавливается в значении 300-400, и может подбираться вручную (это так же зависит от технологических требований и конфигурации станка).
  • Установка значений «Step Pulse» и «Dir Pulse» – это базовые показатели конкретно зависят от используемых драйверов шаговых двигателей (то есть платы управления). Это можно сравнить с углом опережения зажигания — в машине искра зажигания должна появиться чуть раньше мёртвой точки. Здесь же немного наоборот, импульсы, подаваемые драйвером, могут «не успевать» отрабатываться шаговым двигателем, и данные показатели выставляют небольшую задержку (в базовых настройках она колеблется от 2 до 5) от 1 до 15. При низких показателях (1-2) может быть причиной пропуска шагов. Показатель подбирается индивидуально, обычно этот показатель указывается либо производителем станка, либо есть в характеристиках платы с драйверами.
Читать еще:  Chevrolet lanos стук в двигателе

Перед установкой настроек, нужно кликнуть на кнопку, указывающую конкретную ось (ось Y, ось X, ось Z). После настройки скоростей (каждая ось настраивается отдельно) необходимо обязательно сохранить, нажав на кнопку SAVE AXIS SETTING.

Так же настройки скорости перемещения можно производить ползунками – это ничего не меняет в итоге, а служит просто параллельным, или дополнительным инструментом базовой настройки шаговых двигателей в программе Mach3.

Это базовые настройки перемещения фрезерного станка устанавливают МАКСИМАЛЬНУЮ указанную скорость в Mach3, по факту — базовую.

Как отрегулировать холостой ход (холостое перемещение)

Как отрегулировать скорость перемещения станка в холостом режиме, то есть как увеличить или уменьшить скорость подвода или отвода фрезы:

В открытой программе Mach3 – нажимаем на клавиатуре кнопку TAB, появляется панель управления перемещения по осям:

Кликая по + и – устанавливаем скорость перемещения в % от Базовой. То есть если Базовая скорость перемещения была задана 1500 мм/мин, то значение 50% будет равно скорости 750 мм/мин (холостое перемещение). То есть если нужно сделать медленный и точный подвод (допустим по оси Z) – здесь необходимо указать небольшое значение (10-20% допустим). Настройку можно менять в рабочем режиме, то есть допустим подвод к точке 0 по X и Y можно сделать быстро (на значении 100%), а подвод по оси Z можно сделать со значением 10%.

Как регулировать скорость перемещения станка в работе

Чтобы производить регулировку скорости станка в работе, в программе Mach3 есть горячая настройка, которая позволяет ускорить или замедлить движение (в % от указанного базового значения):

Допустим необходимо запустить станок с низкой скоростью для наклонного врезания, в начале фрезеровки (чтобы не сломать фрезу при быстром входе в материал изделия). Устанавливаем значение 20% от базового, то есть если базовая скорость была указана 1500 мм/мин, то сейчас станок будет двигаться со скоростью 300 мм/мин. После успешного врезания в материал и 3-5 проходов (отсчёт от минимальной точки по Z), можно увеличить рабочую скорость до необходимых значений.

Это практически все базовые настройки по движению (и перемещениям) фрезерного станка с ЧПУ под управлением программой Mach3.

—>Персональный сайт Пьяных А.В. —>

Мой первый станок оказался без блока управления. Беда. Дело было так…

У нового станка был сильный резонанс с потерей шагов и даже заклиниванием вала по оси Х, причем на невысоких скоростях. Я попробовал подключить ШД оси Х через драйвер Geckodrive. У него было заявлено подавление резонансов. Geckodrive был установлен в блоке управления первым станком, пришлось изъять его оттуда. С ним все заработало. Резонанс остался, но сильно уменьшился. Пропуска шагов и заклинивания не стало. Я все так и оставил.

Для другого проекта я заказывал Arduino CNC Shield V3.0 и драйверы шаговых двигателей DRV8825 к шилду. Тот проект пока находится в стадии обдумывания исполнения механической части. В ближайшее время его реализация не предвидится.

Решил я посмотреть, что может Arduino Uno с установленным CNC Shield и DRV8825, надеясь применить его для управления первым станком.

Модуль управления шаговым двигателем DRV8825.

Основой модуля драйвера ШД является микросхема DRV8825.

Основные характеристики DRV8825;

  • Напряжение питания – 8,2-45В;
  • Ток обмотки двигателя – до 2,5А;
  • Деление шага – до 1/32;
  • Частота step/dir – 250кГц;
  • Защита – по току от перегрева, перенапряжения.

Как выставить ток ШД на драйвере DRV8825? А вот так. Ток выставляется переменным резистором, расположенным на плате драйвера.

Для того, чтобы узнать значение тока, необходимо измерять напряжение между минусом питания платы CNC shield и металлической частью переменного резистора.

Ток двигателя = Измеренное напряжение * 2

С модулем в комплекте идет микроскопический радиатор.

Читать еще:  Что такое роторно поршневой двигатель

Может быть этого радиатора и достаточно для двигателей с током 0,5А и при условии интенсивного обдува, но у меня на станке установлены двигатели NEMA23 с 57 фланцем и номинальным током 2,8А. Попытка включить двигатель с установленным током 2А без интенсивного обдува (небольшой ветерок от потолочного вентилятора все таки был) привела к сильному нагреву.

Дальше я греть не стал, запахло канифолью и я выключил питание.

Я решил улучшить охлаждение, поставив два радиатора с большей площадью поверхности. Охлаждать одним радиатором пластиковый корпус микросхемы неэффективно. Для охлаждения у микросхемы предусмотрена площадка с нижней стороны.

На плате под этой площадкой сделаны металлизированные переходы для распределения тепла на обе стороны платы.

Вот это место с переходами и надо охлаждать. Радиаторы я изготовил из радиатора с материнской платы персонального компьютера. Для этого я порезал его на кусочки необходимого размера и прижал к плате через теплопроводные прокладки металлической скобой, сделанной из пружины от прищепки. Радиаторы сидят очень плотно. Для того, чтобы радиатор снизу поместился и ничего не мешало его обдуву, пришлось с CNC шилда перенести на другую сторону конденсаторы и удалить штыри для установки джамперов выбора режима деления шага. Необходимые соединения я сделал с обратной стороны платы. Также на обратную сторону был перенесен предохранитель.

Для сравнения старый и новый радиатор.

Модуль, установленный на плату.

Теперь в тех же условиях температура колебалась от 37 до 40 градусов в зависимости от нагрузки на двигатель.

CNC shield V3.0

Плата предназначена для управления станком с ЧПУ.

Цена на Али порядка 250 рублей. Устанавливается на Arduino UNO или другие совместимые платы. На плату устанавливаются 4 драйвера шаговых двигателей. Ось А может дублировать одну из осей X, Y или Z (выставляется джамперами). Отдельно на плате выведены интерфейсы UART, I2C. Ходят слухи, что есть прошивка GRBL с поддержкой экрана. Также к плате можно подключить 4 кнопки (reset/abort, feed hold, start/resume, E-stop) и концевики осей X, Y и Z. Есть еще и управление охлаждением/подачей смазывающе-охлаждающей жидкости. Есть выход Enable для драйверов ШД.

В версии прошивки GRBL 0.9 ребята что-то придумали по-другому, и в итоге получилось так, что в CNC Shield v3.0 поменялись местами контакты Z+ (контакт концевика) и SpnEn (запуск шпинделя). Я думаю, что они освободили ШИМ вывод 11 Arduino для PWM управления оборотами шпинделя, который был занят концевиком. Если Вам в руки попала плата CNC Shield RGBL 0.9 Compatible, то на ней изменение выводов учтено.

Запуск «бутерброда»

Для того, чтобы двигатели ожили, необходимо прошить в Arduino прошивку c «нежным» названием GRBL. Прошивка ориентирована на станки с ЧПУ в отличие от Marlin, которая ориентирована в первую очередь на 3D принтеры. Далее отправляем команды G-кода с компьютера в Arduino, прошивка рассчитывает количество импульсов для драйверов в соответствии с настройками прошивки.

Прошивка GRBL.

GRBL доступна на Github. Скачиваем архив. А теперь внимание! Распаковываем архив в любую директорию. Из распакованного архива папку grbl копируем в директорию, содержащую библиотеки Arduino IDE.

Копировать содержимое всего архива не надо. Только содержимое папки grbl. Перезагружаем Arduino IDE. Заходим в меню ЭСКИЗ – Include Library выбираем grbl.

Получаем нечто подобное.

Нажимаем прошить. Соответственно COM-порт и тип платы уже должны быть выбраны. После завершения прошивки открываем консоль.

Видим строку Grbl 0.9j [‘$’ for help] (1). Пишем команду $$ в поле (2), жмем ввод. В ответ получаем список настроек (3). Для изменения настроек набираем (например, для изменения количества шагов на мм по оси Х) $100=3200 и жмем ввод. В моем случае 3200 шагов на один мм.

Расчет, кому интересно.

  • Двигатель 1,8 градуса на шаг, 360 градусов на оборот — 360/1,8 =200 шагов на один оборот
  • режим микрошага 1/32, 200*32=6400 шагов на оборот
  • шаг винта 2мм, 6400/2=3200 шагов на мм.

Основные параметры прошивки для первоначальной настройки:

  • количество шагов на мм $100, $101, $102
  • максимальная скорость $110, $111, $112
  • ускорение $120, $121, $122.

После настройки этих параметров двигатели начнут адекватно отрабатывать траекторию движения инструмента станка. После этого можно настроить остальные параметры. Подробнее про настройки можно почитать на GitHub или здесь

Программа отправки G-кода.

Самая популярная GRBL Controller.

Качается отсюда. Ставите. Запускаете, выбираете COM-порт и скорость. Дальше сложностей возникнуть не должно. Программа очень простая. Шлет в COM-порт построчно выбранный файл с G-кодом.

Вторая программа Universal G-code Sender. Качать здесь.

Очень похожа на первую. Работает на Яве. Антивирус у меня по умолчанию запустил ее в песочнице, пришлось ему объяснять, что все хорошо, все свои.

В ходе прогона двигателей в течении нескольких часов потери шагов не было. Как только появится свободное время, соберу новый блок управления для первого станка.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector