Существуют ли практические причины НЕ использовать шаговый двигатель с ходовым винтом для осей X и / или Y?

Я собираюсь ответить на это как человек, который на самом деле переделал свой клон блошиного пуха Prusa i3, чтобы использовать свинцовые винты для всех осей. Прежде чем углубляться в этот вопрос, проблему люфта можно легко решить с помощью подпружиненных латунных гаек, вроде того, как работают шариковые винты. Это самая простая проблема, которую можно решить, хотя есть много других проблем.

Сокращенная версия / tl;dr

1. Аппаратное обеспечение не может справиться с таким количеством микрошагов.

2. Перекрестные помехи и предельные скорости и ускорение индуктивности двигателя.

3. Качество печати страдает действительно странным образом из-за (2).

4. Свинцовые винты не предназначены для быстрого перемещения в течение длительного времени и будут изнашиваться даже со смазкой.

5. Вам понадобятся дополнительные опорные поверхности, чтобы предотвратить саморазрушение ваших двигателей и устранить люфт из-за гибких муфт.

6. Система становится намного более склонной к режимам с очень разрушительными отказами.

Длинные объяснения

Первый

Вы заметите, что вы вынуждены ужасно, ужасно медленно двигаться и ускоряться. Мои винты-винты диаметром 8 мм с шагом 8 мм. Это означает, что для перемещения на 8 мм требуется 200 шагов. Умножьте на 1/16 микрошага, и это составит 3200 микрошагов на 8 миллиметров хода. Умножьте на любую скорость, с которой вы пытаетесь печатать, затем на количество используемых осей, и вы обнаружите, что ваша плата RAMPS начинает заикаться при сложных перемещениях, если вы печатаете достаточно быстро.

Второй

Вы быстро достигнете пределов индуктивности ваших двигателей. При "стандартных" уровнях мощности (которые не сжигают мои поддельные двигатели NEMA17), даже после переключения на 24 В для всей настройки, максимальная скорость вращения моих двигателей составляла около 5 оборотов в секунду, что составляет 16 000 микрошагов в секунду с винтами с шагом 8 мм. Для справки, это означает, что при нулевой нагрузке скорость, с которой может двигаться мой N17 с шагом 8 мм, составляет около 40 мм/ с.

Вы в основном запускаете катушки двигателя на частоте несколько килогерц, а это значит, что вы должны быть очень осторожны с разделением проводов и экранированием, чтобы предотвратить перекрестные помехи, в дополнение к тому факту, что при повышении частоты шага крутящий момент шага резко снижается. Это не только ограничивает вес стола, который двигатель способен толкать с заданной скоростью, но вам даже приходится беспокоиться об инерции двигателя и стола гораздо больше, чем при использовании системы с ременным приводом. Таким образом, вместо рывка 30 мм/с с ускорением 200 мм/с² внезапно вы ограничиваетесь, скажем, рывком 5 мм/с и ускорением 40 мм/с².

Как уже упоминалось, для достижения наилучших результатов всю систему необходимо перевести на 24 В, и не все платы настроены так, чтобы это было легко сделать. Моему клону дешевых RAMPS требовалось удалить только один диод, и все остальное было в порядке, но YMMV в этом отношении.

Вы могли бы решить эту конкретную проблему, отключив двигатели, но в этот момент вы ввели новый источник люфта либо между зубьями шестерни, либо в системе ременной передачи и как бы проигнорировали суть.

Третий

Из-за этого эффекта вы сталкиваетесь с артефактами давления экструзии. По сути, пластик в сопле представляет собой жидкость, очень вязкую, которую продавливают через небольшое отверстие. Давление жидкости будет несколько "отставать" от того, что, по мнению двигателя экструдера, происходит.

Конечным результатом является то, что во время ускорения линии, которые вы прокладываете, тоньше, чем должны быть, и будут толще, чем должны быть при замедлении, и вы, как правило, получаете странные "шарики" на каждом углу, когда вы останавливаетесь. Для меня, с соплом 0,4 мм, шириной линии 0,8 мм и высотой слоя 0,2 мм, эти артефакты фактически полностью компенсировали дополнительную точность, которую я получал с помощью плотно связанного свинцового винта с подпружиненными двойными гайками на нем. В итоге детали получились еще менее точными по размерам, чем раньше, с очень странными деформациями.

Есть параметры, которые можно использовать в прошивку, чтобы попытаться бороться с этим специфическим действием, но процесс этот утомителен и отнимает много проб и ошибок и повторной компиляции прошивки через каждые 30 секунд-это раздражает, не говоря уже о переменных зависят от ширины линии, скорость и ускорение настройки, и высота слоя, поэтому вам придется перекомпилировать прошивку в любое время вы хотите изменить качество печати. Супер, супер раздражает.

Четвёртый

Свинцовые винты на самом деле не предназначены для этого. Постоянное движение вперед-назад со временем приведет к износу латунных гаек и даже стальных резьб винтов. В итоге вы получаете черный порошкообразный осадок на всем, что находится под винтом, что по оси X обычно также означает ваш отпечаток. Никто не хочет, чтобы стальной порошок испортил адгезию их слоев.

В моем случае я использовал смазку Superlube, которая представляет собой силиконовую/PTFE смазку, чтобы предотвратить эту проблему, но это работает так хорошо только в том случае, если у вас подпружиненные латунные гайки. В конце концов они выталкивают большую часть смазки наружу. Кроме того, смазка имеет тенденцию захватывать и удерживать любой металлический порошок, который образуется, ускоряя износ в областях, которые все еще смазаны.

Пятый

Подшипники. Оказывается, двигатели имеют внутренние подшипники, которые обычно сосут и не предназначены для больших нагрузок в любом направлении. Я узнал об этом, когда мой двигатель N17 с осью Y вышел из строя из-за подшипника, и рассыпал порошок по всем катушкам, некоторые из которых просунулись сквозь эмаль и закоротили провода.

Кроме того, поскольку незначительное смещение в спешке превращает двигатели в шрапнель, вы почти наверняка будете использовать гибкие муфты. Гибкие муфты имеют определенный выход в осевом направлении и в основном предназначены для работы под нагрузками сжатия и, как правило, выходят из строя при многократном растяжении.

Для оси Z это обычно не проблема, потому что вся система удерживается силой тяжести, но по осям X и Y вы получите некоторые странные смещения даже на миллиметр или два каждый раз, когда каретка или стол переключаются в разные стороны. Поэтому вам нужно убедиться, что двигатели сами по себе не несут нагрузки, а винт остается зафиксированным относительно рамы, сохраняя при этом возможность вращения.

Вы можете сделать это, прикрепив к каждому концу ведущего винта кольцо, которое либо нажимает на упорный подшипник, либо перемещается в обычном шарикоподшипнике. В идеале вы можете сделать и то, и другое, но это превращается в дорогостоящее предприятие с большим количеством скобок в нечетных местах, для которых у вас может не хватить места. В итоге я потерял около 20 мм хода стола, решая эту проблему.

Шестой

Вам нужно подумать о том, что происходит, когда компонент выходит из строя. Для меня это был мой конец. Первый сбой произошел из-за проблемы перекрестных помех, о которой я упоминал выше. Срабатывает Y-образная остановка, со временем рабочий стол начал смещаться в сторону передней части принтера, и в конечном итоге принтер начал пытаться переместить рабочий стол через переднюю часть рамки принтера.

Все прошло успешно.

Во второй раз просто механически вышел из строя концевой выключатель. Перемещение ремня останавливается на шкиве. Свинцовые винты идут до самого конца винта, и, поскольку они зацеплены намного ниже, чем ремни, в них задействовано гораздо больше крутящего момента. Из-за этой проблемы я уничтожил рамку принтера три раза подряд и еще раз, когда сломалась гибкая муфта оси Y. Это позволило двигателю легко вращать винт в одном направлении, но не в другом, что на этот раз заставило печатный стол двигаться назад, а не вперед, снова протащив двигатель Y через кронштейн и раму.

Вывод

Винты X/Y не обязательно являются плохой идеей, просто в 3D-печати это дорого и утомительно. Они гораздо лучше подходят для применений с низкой скоростью подачи, таких как станки с ЧПУ, механические граверы и тому подобное. Вы можете заметить, что даже в высокоточных приложениях, таких как лазерные принтеры, как правило, используются каретки с ременной подачей, а не с винтовым приводом. Винты гораздо лучше подходят для приложений с высокой нагрузкой и низкой скоростью, а принтеры, как правило, противоположны этому.

Если вы пытаетесь устранить люфт из-за недостаточно тугих ремней, как это было со мной, ответ заключается в том, чтобы сделать лучший принтер. Я не смог затянуть ремни настолько, чтобы получить точные отпечатки пальцев до того, как двигатели начали выходить из строя, потому что у меня не было шкива на конце двигателя, поддерживаемого подшипником. Начните с этого, буквально просто поддерживая шкив с обеих сторон на валу двигателя небольшим подшипником, прикрепленным к раме, чтобы снять радиальную нагрузку с двигателя. Если ваши ремни слишком сильно растягиваются, используйте ремень GT2 со стальным сердечником. Если ваша система в целом просто неаккуратна, создайте более надежную систему. Мой текущий проект-это гиперкуб Evo, и я нашел поставщика, который производит ремень GT2 со стальным сердечником. Я собираюсь использовать это, чтобы максимизировать жесткость в системе ремней CoreXY. Рама изготовлена из Т-образных профилей размером 30x30 мм с стержнями по оси Z 12 мм и стержнями по оси X/Y 10 мм. Более крупные, более дорогие компоненты, которые намного прочнее и будут изгибаться намного меньше, чем стержни длиной 400 мм и 8 мм на моем дешевом принтере.

Надеюсь, это поможет. (отредактировано, чтобы я правильно рассчитал микрошаги)