CN108692842A - 一种3d打印机步进电机转矩的简易测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置及其测量方法，涉及3D打印设备技术领域，包括支撑底座、电机底座、弹簧拉力计、arduino控制板、电机驱动芯片和步进电机，所述支撑底座一侧固定有刚棒、另一侧固定有电机底座，刚棒连接有弹簧拉力计，所述电机底座呈L型，其立面上设有开孔，所述步进电机固定于电机底座上，其输出轴水平穿过开孔并连接有同步轮，所述同步轮与弹簧拉力计之间通过棉绳连接，所述步进电机电连接电机驱动芯片，电机驱动芯片通讯连接有arduino控制板，所述电机驱动芯片、arduino控制板分别连接工作电源、控制电源，本申请提供一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置及其测量方法，成本低，适用电机范围广，可靠性高。

Description

一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及3D打印设备技术领域，具体涉及一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置及其测量方法。

背景技术

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、塑料等材料进行逐层堆积黏结，最终堆积成型，制造出实体产品，3D打印本质上将三维实体离散为若干个二维平面，通过每个二维平面逐层生产，最终叠加成型，大大降低了复杂零件的制造难度，这种数字化的制造模式直接将计算机图形数据生产成任何形状的零件。熔融沉积造型（FDM，Fused DepositionModeling）技术是3D打印技术中的一个主流技术，FDM技术是将计算机绘制的CAD模型离散成为一层层极薄的截面，生产控制3D打印机喷头移动轨迹的二维几何信息。

设计基于FDM原理的3D打印机关键问题之一是步进电机的选型问题，3D打印机多采用步进电机作为动力输入，步进电机通过转矩输出提供3D打印机机负载结构运动的动力，因此步进电机是3D打印机的核心部件之一，然而市场上步进电机的种类繁杂，很多步进电机的转矩存在虚标、漏标的情况，虚标、漏标步进电机转矩，会造成3D打印机机构运动不准确，且由于无法克服机构间存在的阻力，步进电机存在空转现象，影响3D打印机的研发工作，因此准确的测定步进电机的实际转矩对3D打印机的研发具有重要意义，然而现有技术中针对3D打印机的步进电机，直接测量一个未知转矩的成本比较高昂，需要配备相应的转矩测量器，比如mcmaster的83395A29转矩测量器就高达580美元，价格贵成本高，且该转矩测量器局限性大，适用范围窄。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，解决步进电机转矩虚标、漏标的问题，本申请提供一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，成本低，适用电机范围广，可靠性高，同时也提供了基于该3D打印机步进电机转矩的简易测量装置的测量方法，其技术方案如下：

一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，包括支撑底座、电机底座、弹簧拉力计、arduino控制板、电机驱动芯片和步进电机，所述支撑底座一侧固定有刚棒、另一侧固定有电机底座，刚棒连接有弹簧拉力计，所述电机底座呈L型，其立面上设有开孔，所述步进电机固定于电机底座上，其输出轴水平穿过开孔并连接有同步轮，所述同步轮与弹簧拉力计之间通过棉绳连接，所述步进电机电连接电机驱动芯片，电机驱动芯片通讯连接有arduino控制板，所述电机驱动芯片、arduino控制板分别连接工作电源、控制电源。

进一步地，所述同步轮与步进电机之间还设有用于禁止相对运动的止动钉。

进一步地，所述电机驱动芯片为A4988。

进一步地，所述控制电源采用直流5V电源。

进一步地，所述工作电源采用直流12V电源或直流24V电源。

一种3D打印机步进电机转矩的测量方法，包括以下步骤：

S10、将步进电机固定在电机底座上，电机底座与支撑底座相连，将同步轮安装在步进电机输出轴上；

S20、将弹簧拉力计用刚棒固定在支撑底座上，用棉线将同步轮和弹簧拉力计的挂钩相连；

S30、步进电机通电并按照arduino控制板设定的运动规律转动；

S40、弹簧拉力计阻止步进电机的旋转直至步进电机停转，记录下此时弹簧拉力计上的拉力数据F；

S50、关闭电源，测量步进电机输出轴的中心到连接弹簧拉力计的螺钉之间的距离d，得出步进电机转矩M=F·d。

进一步地，步骤S30中arduino控制板设定的运动规律具体为：

a、调用步进电机控制程序库，定义步进电机旋转一周需200个脉冲信号；

b、设置arduino控制板上步进电机的引脚，同时设置步进电机的转速；

c、步进电机旋转32周后停顿5秒，依此反复直至步进电机停转；

d、断电退出。

依据上述技术方案，本发明与现有技术相比，采用公式计算得出结论的间接测量方法，将公式中的参数，通过某种装置测得，通过计算即可得出该性能指标，具有以下优点：

1.本发明建立了一套3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，该装置成本低，装置所需部件均易获取，拆装后可用于其他用途，对于研发经费短缺的中小企业来说，具有重要的意义；

2.本发明建立的3D打印机步进电机转矩测量装置适用范围广，可测量各种型号的步进电机，且测量的数据准确可靠；

3.本发明建立的3D打印机步进电机转矩测量装置可靠性高，在复杂电磁环境下仍然可以使用。

附图说明

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明中的电机底座的结构示意图；

图3为本发明中的arduino控制板、电机驱动芯片、步进电机、工作电源、控制电源之间的电路连接示意图；

图4为本发明的步进电机转矩的测量方法的流程图；

图5为本发明中arduino控制板设定的步进电机运动规律的具体流程图。

其中，1、支撑底座；2、电机底座；20、开孔；3、弹簧拉力计；4、arduino控制板；5、电机驱动芯片；6、步进电机；7、刚棒；8、同步轮；9、棉绳；10、工作电源；11、控制电源。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示，一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，包括支撑底座1、电机底座2、弹簧拉力计3、arduino控制板4、电机驱动芯片5和步进电机6，所述支撑底座1一侧固定有刚棒7、另一侧可通过螺栓固定连接有电机底座2，刚棒7连接有弹簧拉力计3，所述电机底座2呈L型，其立面上设有开孔20，所述步进电机6固定于电机底座2上，其输出轴水平穿过开孔并连接有同步轮8，所述同步轮8与弹簧拉力计3之间通过棉绳9连接，所述步进电机6电连接电机驱动芯片5，电机驱动芯片5通讯连接有arduino控制板4，所述电机驱动芯片5、arduino控制板4分别连接工作电源10、控制电源11，所述控制电源11采用直流5V电源，所述工作电源10采用直流12V电源。

进一步地，所述同步轮8与步进电机6之间还设有用于禁止相对运动的止动钉。为了提高测量数据的准确性，消除偏差，防止步进电机6旋转时，其输出轴连接的同步轮8发生位移，在同步轮8与步进电机6之间设有用于禁止相对运动的止动钉(图中未示出)，将同步轮8牢牢紧固在步进电机6输出轴上。

进一步地，所述电机驱动芯片5为A4988。

如图4所示，一种3D打印机步进电机转矩的测量方法，包括以下步骤：

S10、将步进电机6固定在电机底座2上，电机底座2与支撑底座1相连，将同步轮8安装在步进电机6输出轴上；

S20、将弹簧拉力计3用刚棒7固定在支撑底座1上，用棉线9将同步轮8和弹簧拉力计3的挂钩相连；

S30、步进电机6通电并按照arduino控制板4设定的运动规律转动；

S40、弹簧拉力计3阻止步进电机6的旋转直至步进电机6停转，记录下此时弹簧拉力计3上的拉力数据F；步进电机6转动时，连接在弹簧拉力计3上的连接件总是阻止它的旋转，当步进电机6停转时，会立刻发出异响，此时依靠物理学知识分析可知步进电机6输出的转矩与弹簧拉力计3产生的转矩平衡，记录此刻的弹簧拉力计3上的拉力数据F。

S50、关闭电源，测量步进电机6输出轴的中心到连接弹簧拉力计3的螺钉之间的距离d，间接得出步进电机6转矩M=F·d。

如图5所示，步骤S30中arduino控制板4设定的运动规律具体为：

a、调用步进电机6控制程序库，定义步进电机6旋转一周需200个脉冲信号；

b、设置arduino控制板4上步进电机6的引脚，同时设置步进电机6的转速；

c、步进电机6旋转32周后停顿5秒，依此反复直至步进电机6停转；在一定较低的转速下步进电机6在脉冲信号下缓慢旋转，每旋转32周后便停顿5秒，直至恰好将步进电机6逼至停转，此刻步进电机6会有异响发出提示。

d、断电退出。

其运行代码如下：

#include <Stepper.h>

#define STEPS 200

Stepper stepper(STEPS,8,9)；

void setup()

{

stepper.setSpeed(200)；

}

void loop() {

stepper.step(6400)；

delay(5000)；

}

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，其特征在于,包括支撑底座、电机底座、弹簧拉力计、arduino控制板、电机驱动芯片和步进电机，所述支撑底座一侧固定有刚棒、另一侧固定有电机底座，刚棒连接有弹簧拉力计，所述电机底座呈L型，其立面上设有开孔，所述步进电机固定于电机底座上，其输出轴水平穿过开孔并连接有同步轮，所述同步轮与弹簧拉力计之间通过棉绳连接，所述步进电机电连接电机驱动芯片，电机驱动芯片通讯连接有arduino控制板，所述电机驱动芯片、arduino控制板分别连接工作电源、控制电源。

2.如权利要求1所述的一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，其特征在于，所述同步轮与步进电机之间还设有用于禁止相对运动的止动钉。

3.如权利要求2所述的一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，其特征在于，所述电机驱动芯片为A4988。

4.如权利要求3所述的一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，其特征在于，所述控制电源采用直流5V电源。

5.如权利要求4所述的一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置，其特征在于，所述工作电源采用直流12V电源或直流24V电源。

6.基于权利要求1至5中任一项所述的一种3D打印机步进电机转矩的简易测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10、将步进电机固定在电机底座上，电机底座与支撑底座相连，将同步轮安装在步进电机输出轴上；

S20、将弹簧拉力计用刚棒固定在支撑底座上，用棉线将同步轮和弹簧拉力计的挂钩相连；

S30、步进电机通电并按照arduino控制板设定的运动规律转动；

S40、弹簧拉力计阻止步进电机的旋转直至步进电机停转，记录下此时弹簧拉力计上的拉力数据F；

S50、关闭电源，测量步进电机输出轴的中心到连接弹簧拉力计的螺钉之间的距离d，得出步进电机转矩M=F·d。

7.如权利要求6所述的一种3D打印机步进电机转矩的测量方法，其特征在于，步骤S30中arduino控制板设定的运动规律具体为：

a、调用步进电机控制程序库，定义步进电机旋转一周需200个脉冲信号；

b、设置arduino控制板上步进电机的引脚，同时设置步进电机的转速；

c、步进电机旋转32周后停顿5秒，依此反复直至步进电机停转；

d、断电退出。