در این مقاله درباره قطعه بسیار تاثیرگذار الکترونیک پرینتر سه بعدی یعنی stepper motor صحبت خواهیم کرد.
به نظر اکثر مهندسان، اختراع و گسترش استفاده از موتور استپر یا همان موتور گام یا پله ای، بهترین اتفاقی است که در عصر مدرن برای سازندگان رخ داده است. جایگزینی سِروُو موتورهای گران قیمت با موتور استپر، هزینۀ خرید ابزارآلات ماشینکاری مثل از دستگاه CNC، فرزها، برشگرهای لیزر/پلاسما را کاهش داد. این امر به سازندگان اجازه داد که بسیاری از این فناوریها را به خانۀ خود بیاورند. حقیقت این است که سروو موتورها همچنان پیشگامان دقت و درستی هستند، اما برای چاپگر سه بعدی FFF موتور استپر دقت کافی و رضایت را به کاربر ارائه می دهد.
یک گام مختصر و مفید
برای درک عملکرد موتور استپر بهتر است به طور خلاصه در مورد برادر آن یعنی موتور DC صحبت کنیم. موتور DC انرژی الکتریکی را از طریق نیروهای جاذب و دافع الکترومغناطیسی به حرکت چرخشی تبدیل می کند. هر وقت که نیرو وارد ترمینال های موتور DC شود، روتور آن شروع به چرخش میکند. از طرف دیگر، موتور استپر در زمان دریافت نیرو همانند موتور DC آزادانه نمی چرخد.
در واقع قطعه ای به نام درایور استپر موتور در حرکتی سازمان یافته به طور پیوسته مقادیر مختلف جریانِ معروف به پالس را از طریق سیم های موتور استپر ارسال می کند. هر پالسِ ارسال شده به موتور استپر منجر به یک «گام پله ایِ» چرخشی کوچک در شفت موتور می شود، از این رو آن را موتور گام میخوانند. هر گام چرخشی، مقداری ثابت دارد که معمولاً با نام موتور استپر گزارش می شود. به عنوان مثال، شفت یک موتور استپر 1.8 درجه ای در هر مرحله دقیقاً 1.8 درجه می چرخد. این استپرِ 1.8 درجه ای باید 200 پله گام بردارد تا این که چرخش شفت کامل شود. سیستم های بازخورد موقعیتیِ (positional feedback) گرانقیمت برای موتور های استپر ضروری نیستند زیرا تا زمانی که میکروکنترلر بتواند تعداد پالس هایی را که به موتور استپر فرستاده می شود پیگیری کند، مسافت چرخشیِ نهایی مشخص است.
گام بعدی: انتخاب استپ موتور برای پرینتر سه بعدی
موتورهای Stepper با مشخصات بسیار گوناگونی در دسترس هستند ولی برای کیفیت آنها باید دقت کنید. متاسفانه در بازار ایران انواع استپر موتورهایی با قیمتهایی بسیار ارزان وجود دارند که وسوسه کننده هستند ولی باید بدانید که کیفیت اکثر این مدلها پایین بوده یا دست دوم هستند. در شرایط فعلی ایران انواع موتور استپرهای ژاپنی برند اومگا OMEGA که گران هستند ولی کیفیت خوبی دارند هنوز یافت میشوند.
بر عکس اکثر کشورهای دیگر در ایران استاندارد خرید استپر موتور به شیوه دیگری نیز قابل انتخاب است یعنی بر اساس وزن کیلو ؛ مثلا 4 کیلویی امگا (البته در فروشگاههای اینترنتی انگلیسی زبان نیز وزن موتورها قید میشود). پس هنگام خرید، برند و وزن موتور را از فروشنده سوال کنید؛ در عین حال مشخصات طول و درجه گردش را هم در نظر داشته باشید تا سازگاری پلتفرم 3D Printer تان حفظ شود.
نکته مهم: بمنظور عملکرد پایدار و بدون خطای چاپگر سه بعدی بهتر است برای محور Z موتور گام سنگینتر (قدرت بیشتر) انتخاب کنید.
در اینترنت با جستجوی موتور استپر به نمونه های نقره ای و مشکی زیادی برخورد می کنید که روی آنها نام سازنده و یک عدد در ادامه آمده است. این عدد به اندازۀ صفحۀ موتور استپر اشاره دارد؛ برای مثال، یک موتور NEMA 17 دارای صفحۀ 1.7 اینچ در 1.7 اینچ خواهد بود.
نکتۀ مهم دیگر این که همۀ موتورهای یک برند معمولا از سوراخ های نصب مشابهی برخوردار هستند، بدین معنی که شما می توانید دو موتور پله ای که عدد مشابه دارند را با یکدیگر عوض کنید. آنچه توسط استاندارد موتور استپر معمولا مشخص نمیشود، عمق یا طول موتور استپر است.
به طور معمول، هر چه موتور استپر طول بیشتری داشته باشد، گشتاور یا نیروی چرخش بیشتری خواهد داشت. هر دستۀ موتور در طول های مختلف عرضه می شود؛ به همین دلیل موتورهای استپر مشخصات بسیار متنوعی دارند. شما باید موتوری را انتخاب کنید که به اندازۀ کافی قدرتمند باشد که محورهای خطی پرینتر سه بعدی را بدرستی هدایت کند. با این حال، باید حواستان باشد که موتور استپر بیش از حد بزرگ یا بیش از حد قدرتمندی خریداری نکنید، زیرا این استپرها برای عملکرد صحیح به نیروی بیشتری نیاز دارند. فرضا برای ساخت یک پرینتر سه بعدی معمولی (دست ساز)، موتورهای استپر 17 با مقدار گشتاور 60 اونس گزینۀ مناسبی محسوب می شوند.
موتورهای استپر دنده ای
برخی از موتورهای استپر دارای بخشی هستند که از صفحۀ جلویی خارج می شود (به تصویر زیر نگاه کنید).
این فلز اضافی که به آن gearhead گفته می شود، شامل یک سری چرخ دنده است که موجب افزایش گشتاور، سرعت و اندازۀ گام های استپر میشوند. ولی موتورهای استپر دنده ای معمولاً سرعت را فدای افزایش گشتاور می کنند و بهمین دلیل در محورهای خطیِ چاپگرهای سه بعدی، که به حرکت سریع نیاز دارند، استفاده نمی شوند.
با این وجود، کاربردی برای موتورهای استپر دنده ای در 3D Print وجود دارد: فرایند فشردن فیلامنت به داخل اکسترودر و خروج از هات‌اِند در سرعتهای پایین به نیرویی بسیار زیاد نیاز دارد. بنابراین، از موتورهای پله ای دنده ای معمولاً در فرایند اکستروژن استفاده می شود، که در قسمت اکسترودر چاپگر سه بعدی توضیح بیشتری داده ایم.
میکرواستپینگ یا ریزگام در درایور استپر موتور چاپگر3 بعدی
فواید میکرواستپینگ (ریزگام ها) کاملاً روشن است. وقتی اندازۀ گام های موتور استپر به مقادیر کوچک تری تقسیم می شود، اصطلاحا وضوح موضعی شافت موتور افزایش می‌یابد. برای مثال، یک موتور استپر 1.8 درجه ای که در تمام مراحل گامی کامل بر می دارد، قادر نیست روتور خود را کمتر از 1.8 درجه در هر گام حرکت دهد. در تنظیمات انتقال رایج برای چاپ سه بعدی، 1.8 درجه برای چاپ جزئیات کوچک و منحنی ها کافی نیست. گیربکس مخصوص یا انتقال پیچیده تر می تواند اندازۀ گام های بزرگ را جبران کند، اما چنین راه حل هایی، پیچیدگی چاپگر سه بعدی را افزایش می دهند و در نهایت هزینه و خرابی هایی بیشتری را روی دست شما می گذارند. میکرواستپینگ به این صورت اتفاق می افتد که درایور استپر به جای سوئیچ بین فازهای روشن و خاموش، جریان بین دو فاز را منتقل میکند.
میکرو استپینگ موتور گام چاپگر سه بعدی
تقریباً همۀ درایورهای استپر موتور که برای چاپگر سه بعدی به بازار عرضه می شوند، قادر به انجام مقداری میکرواستپینگ هستند و بنابراین برای فعال سازی این ویژگی به سخت افزار اضافی نیازی نیست. درایورهای استپر اجزایی دیجیتالی هستند؛ و انتقال تدریجی جریان بین فازهای موتور در مقادیر گسسته ای به صورت یک موج سینوسی/کسینوسی اتفاق می افتد (شکل زیر):
به طور معمول، درایورهای گران قیمت‌تر قادر به انجام میکرواستپهای بیشتری در هر گام کامل هستند. از لحاظ نظری، یک گام کامل را می توان به هر تعداد ریزگامِ عدد صحیح یا حتی غیرصحیح تقسیم کرد، اما درایورهای استپر معمولاً قادر به انجام 8، 16 یا 32 میکرواستپ در هر گام کامل هستند. بعداً در همین بخش در مورد بازده نزولی درایورهایی صحبت خواهیم کرد که بیش از 32 میکرواستپ در هر گام کامل برمی دارند. رایج ترین میزان میکرواستپ برای چاپ سه بعدی 1/16 است (16 ریزگام در 1 گام کامل). درایور استپر A4988 به راحتی از میکرواستپینگ 1/16 پشتیبانی می کند.
لرزش نوسانی (Ringing) موتور استپر
هنگام کار کردن موتور استپر با سرعت پایین در حالت گامِ کامل، حرکت ناپیوسته و درنتیجه نوسان ایجاد می شود (شکل زیر):
نوسانات به این دلیل رخ می دهند که روتور پیش از این که در جهت مخالف عقب برود، اندازۀ گام را بیش از حد بزرگ می کند. به این امر اصطلاحاً فراجهش یا لرزش نوسانی (ringing) می گویند و پیش از توقف روتور چندین بار اتفاق می افتد. این نوسانات باعث ایجاد صدا و لرزش می شود. هنگام چاپ با سرعت متوسط چنین اتفاقی رخ نمی دهد، اما وقتی حامل نازل تغییر جهت می دهد، که اغلب در چاپ سه بعدی اتفاق می افتد، در شتاب گیری یا کاهش شتاب بعدی حامل نازل لرزش نوسانی به وجود خواهد آمد. با توجه به تجربۀ، اگر پرینتر سه بعدی نزدیک به اتاق خواب شما باشد، صدای بلند لرزش نوسانی موتور استپر به راحتی از دیوار عبور می کند و مزاحم استراحت و خوابیدن شما و دیگران خواهد شد. در میکرو استپینگ، که با افزایش گام های کوچک گشتاور زیادی تولید نمی شود، لرزش نوسانی در سرعتهای پایین کمتر دیده میشود. حرکت بدون ارتعاش و صدا در 32 میکرواستپ یا بیشتر در هر گام کامل حاصل می شود. این بدان معناست که یک چاپگر سه بعدی با درایور استپر A4988 که توانایی آن 1/16 میکرواستپ است، با صدایی بلندتر از یک پرینتر سه بعدی با درایورهای استپر Trinamic با توانایی میکرو استپینگ 1/128 کار می کند.
البته این توضیح، از برخی جهات، لرزش نوسانی را بیش از حد ساده کرده است؛ لازم به ذکر است که در شرایط بارگیری خیلی شدید مثلاً اگر حامل خیلی سنگین باشد یا موتور استپر خیلی سریع شتاب خود را کاهش دهد، در در میکرو استپینگ هم لرزش نوسانی ایجاد خواهد شد. Micro-Stepping یک فناوری ارزشمند برای چاپ سه بعدی است زیرا به صورت همزمان وضوح را افزایش و نویز را کاهش می دهد، اما آیا می توانید میکرو استپهای بسیار زیادی داشته باشید؟
میکرواستپ های بسیار کوچک چاپگر3بعدی
میکرواستپ های بسیار کوچک هم وجود دارند، مثلا تقسیم یک گام کامل به 128 یا حتی 256 ریزگام، اما استفاده از میکرواستپ های کوچک تر بازده را کاهش می دهد. در حالی که وضوح با کاهش اندازۀ گام افزایش می یابد، دقت موتور بدون تغییر باقی می ماند. این موضوع پیچیده است و به مطالعۀ منابع بیشتری نیاز دارد اما برای ساده سازی، تمام موتورهای استپر در گام کامل خود دارای خطا هستند، فرض کنیم 0.05 درجه. بنابراین، زاویۀ گام یک موتور استپر 1.8 درجه ای بین 1.75 و 1.85 درجه است. وقتی یک گام کامل را به مقادیر کوچک و کوچک تر تقسیم می کنید، در نهایت به این خطا نزدیک می شوید. این امر شاید کمی گیج کننده باشد چون بسیار از درایورهای استپر Trinamic با میکرواستپ های بسیار بالا (بیشتر از 128) کار می کنند. با این حال، این درایورها با این تعدادِ بالا از ریزگام ها به دنبال افزایش وضوح نیستند، بلکه از این امر برای نرم و روان تر کردن عملکرد موتور استپر بهره می برند.
مثالهایی از استپر موتور برای چاپگر سه بعدی
بسته به پرینتری که قصد دارید بسازید، ممکن است موتور استپرهای معرفی شده سازگار باشند یا نباشند یا قادر نباشید در بازار آنها را پیدا کنید؛ بنابراین با کمی جستجو و مشورت با افراد خبره حوزه برق الکترونیک، میتوانید یک برند خوب stepper motor را از بازار الکترونیک شهر خود تهیه کنید. بهتر است محصولات زیر را به عنوان نمونه در نظر بگیرید و محصولات مشابه را در اینترنت بررسی کنید.
نتیجه گیری:
چنانچه میخواهید خودتان یک چاپگر سه بعدی ساده ای بسازید که هزینه ساخت زیادی برایتان نداشته باشد، با در نظر گرفتن معیارهای خودتان از کاربرد 3D Printer، استپر موتور مناسب با قیمت کم را خریداری و اسمبل کنید.
ولی اگر قصد خرید یک پرینتر سه بعدی آماده از شرکتهای ایرانی را دارید، کیفیت، وزن و تعداد موتور استپرهای سه محور چاپگر را جدی بگیرید و بخوبی از فروشنده بخواهید آنها را برای شما توضیح دهد. کیفیت پایین موتورهای گام 3d Printer یا نحوه اتصال نامناسب به محورهای حرکتی (خطای کالیبراسیون و غیره) میتواند در آینده وقتی مداوما از دستگاه کار بکشید، مشکل ساز شود و عاقلانه است در ابتدا هزینه بالاتری بدهید تا خیالتان از کیفیت و دوام دستگاه راحت باشد.