Где применяют NEMA 17
NEMA 17 выбирают, когда двигатель должен быть маленьким и лёгким, а нагрузка на ось невелика. Это оси X, Y и Z 3D-принтеров и подача прутка в экструдере, порталы лазерных граверов с диодным модулем, лёгкие гравировальные станки с ремнём или винтом малого шага, поворотные столы, дозаторы и подающие механизмы. Двигатель длиной 48 мм весит 0.36 кг, поэтому его можно ставить прямо на подвижную каретку.
На фрезерный станок с тяжёлым порталом, который режет дерево и алюминий, NEMA 17 не ставят: силы резания и масса портала требуют двигателя NEMA 23 с моментом в несколько раз больше.
Посадочные размеры NEMA 17
Размеры взяты с чертежа двигателя NEMA 17 длиной 48 мм. Фланец, отверстия, буртик и вал одинаковы у двигателей любой длины, поэтому кронштейн, шкив и муфта подходят ко всей серии.
| Параметр | Размер |
|---|
| Ширина квадратного фланца | 42.3 мм |
| Расстояние между крепёжными отверстиями | 31 ± 0.1 мм |
| Крепёжные отверстия | 4 резьбовых M3, глубина резьбы 4.5 мм |
| Посадочный буртик | Ø22 мм, высота 2 мм |
| Вал | Ø5 мм, у многих моделей с лыской |
| Выступающая часть вала | 23 ± 0.5 мм (у других моделей длина отличается) |
| Выводы обмоток | 4 провода AWG26 |
В отличие от NEMA 23, у которого в углах фланца сквозные отверстия Ø5 мм под болт с гайкой, у NEMA 17 резьба M3 нарезана прямо в переднем фланце. Винт проходит через кронштейн и заворачивается в корпус двигателя. Буртик 22 мм центрирует двигатель в отверстии кронштейна, поэтому отверстие делают диаметром 22 мм с малым зазором: при большом зазоре вал смещается относительно расчётного положения шкива или винта.
Длина корпуса и момент
Фланец у всех NEMA 17 одинаковый, а момент растёт с длиной пакета ротора и статора.
| Длина корпуса | Удерживающий момент | Ток фазы | Где уместен |
|---|
| 40 мм | 0.44 Н·м | 1.3 А | экструдер с прямой подачей, лёгкие оси, поворотные механизмы |
| 48 мм | 0.55-0.56 Н·м | 1.7 А | оси X и Y 3D-принтеров, порталы граверов, ось Z с винтом T8 |
Двигатель длиной 48 мм даёт на 27% больше момента, чем 40 мм, но и ротор у него тяжелее: у распространённых моделей 82 г·см² против 57 г·см². На коротких быстрых перемещениях с частыми реверсами часть выигрыша уходит на разгон собственного ротора. Если двигателю 48 мм не хватает момента, сначала проверяют механику и ток драйвера, а затем ставят двигатель длиной 60 мм или переходят на NEMA 23.
Сила на ремне
На ремённой оси сила равна моменту, делённому на радиус шкива. У шкива GT2 с 20 зубьями ход за оборот 40 мм, радиус по делительной окружности 40 / (2π) = 6.37 мм. Двигатель с удерживающим моментом 0.56 Н·м тянет такой ремень с силой до 0.56 / 0.00637 = 88 Н. Шкив на 16 зубьев (радиус 5.09 мм) даёт 110 Н, но на 20% меньшую скорость при тех же оборотах. На рабочей скорости момент меньше удерживающего, и силу считают по моменту с графика.
Вал, шкивы и муфты
Вал 5 мм у NEMA 17 часто делают с лыской. Стопорный винт шкива или муфты заворачивают на лыску: так шкив не проворачивается и не сдвигается вдоль вала, а на круглой части вала остаются задиры, которые мешают снять деталь. Шкив GT2 берут с отверстием 5 мм, для винта T8 на оси Z ставят муфту 5 x 8 мм.
Шкив сажают как можно ближе к фланцу. Натяжение ремня нагружает передний подшипник, и чем дальше шкив от фланца, тем больше изгибающий момент на валу и подшипнике. Для ходового винта берут гибкую муфту: она компенсирует несоосность вала и винта, а жёсткая муфта передаёт перекос на гайку и подшипники двигателя.
Шагов на миллиметр в приводах NEMA 17
На платах 3D-принтеров и граверов драйвер часто работает в микрошаге 1/16, это 200 x 16 = 3200 микрошагов на оборот. Шагов на миллиметр равно 3200, делённому на ход за оборот.
| Передача | Ход за оборот | Шагов на мм, микрошаг 1/16 | Скорость оси при 600 об/мин |
|---|
| Ремень GT2, шкив 16 зубьев | 32 мм | 100 | 19200 мм/мин (320 мм/с) |
| Ремень GT2, шкив 20 зубьев | 40 мм | 80 | 24000 мм/мин (400 мм/с) |
| Винт T8, ход 8 мм | 8 мм | 400 | 4800 мм/мин (80 мм/с) |
| Винт T8, ход 2 мм | 2 мм | 1600 | 1200 мм/мин (20 мм/с) |
Винт T8 с ходом 8 мм четырёхзаходный: шаг резьбы 2 мм, четыре захода, за оборот гайка проходит 8 мм. Его путают с однозаходным винтом с ходом 2 мм, и ось проходит в 4 раза больше или меньше заданного. Число заходов видно на торце винта. Винт с ходом 8 мм не самотормозящий: без тока в двигателе тяжёлая ось Z может опуститься под своим весом. Винт с ходом 2 мм держит ось, но в 4 раза медленнее.
Разъёмы и кабели
Провода у NEMA 17 выводят двумя способами: несъёмными проводами из корпуса или разъёмом на задней крышке с отдельным кабелем. Съёмный кабель меняют без снятия двигателя, но порядок контактов на двух концах кабеля бывает разным. При неправильной распиновке двигатель гудит и дрожит на месте вместо вращения. Пары выводов находят мультиметром по сопротивлению обмотки, цвета проводов у разных производителей разные. Если ось едет в обратную сторону, меняют местами два провода одной обмотки или инвертируют направление в прошивке.
Удлинитель делают проводом не тоньше штатного AWG26 (0.13 мм²), а для длинной трассы в кабель-канале берут гибкий кабель сечением 0.25 мм². Разъём двигателя не отключают при включённом драйвере: при разрыве цепи под током драйвер может выйти из строя.
Крепление и нагрев
Длину винта M3 подбирают так, чтобы он вошёл в резьбу фланца на 3-4 мм: это толщина кронштейна плюс 3-4 мм. Винт длиннее упрётся в дно отверстия глубиной 4.5 мм и не прижмёт двигатель к кронштейну. Затягивают винты крест-накрест, чтобы фланец сел на кронштейн без перекоса.
Корпус шагового двигателя греется и на остановке, потому что ток держит вал. Производители допускают нагрев на 80 °C выше температуры воздуха. PLA размягчается уже при 55-60 °C, поэтому кронштейн двигателя печатают из PETG или ABS, ставят алюминиевый кронштейн или снижают ток удержания в настройках драйвера.
Типичные ошибки
- Заворачивать в фланец винт M3, который длиннее глубины резьбы 4.5 мм.
- Путать винт T8 с ходом 8 мм и с ходом 2 мм при расчёте шагов на миллиметр.
- Ставить шкив далеко от фланца и перетягивать ремень.
- Затягивать стопорный винт шкива на круглую часть вала, а не на лыску.
- Отключать разъём двигателя при включённом драйвере.
- Печатать кронштейн двигателя из PLA и выставлять ток по максимуму.
- Ставить NEMA 17 на фрезерный станок с тяжёлым порталом.
