熱敏打印機傳動設(shè)計

摘 要：熱敏打印機在我國各行各業(yè)中的運用越來越廣泛，尤其近年來我國電子商務(wù)的快速興起，帶動了熱敏打印行業(yè)的蓬勃發(fā)展。本文針對熱敏打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的設(shè)計環(huán)節(jié)傳動系統(tǒng)設(shè)計做出詳細(xì)說明，希望以此對正在從事或準(zhǔn)備從事該行業(yè)的相關(guān)人士提供一個有益的參考和借鑒。本文重點論述了熱敏打印機步進馬達的設(shè)計選型、傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算等方面的要點內(nèi)容，并就利用Excel中的公式計算功能輔助我們高效地進行設(shè)計計算作出介紹。

關(guān)鍵詞：熱敏打印機;馬達選型;傳動計算

隨著我國經(jīng)濟的不斷持續(xù)發(fā)展，熱敏打印機的需求迅速增加，廣泛應(yīng)用于交通運輸、商業(yè)零售、餐飲消費、生產(chǎn)制造、服裝服飾、醫(yī)療金融、電力電信等眾多行業(yè)，市場規(guī)模持續(xù)高速增長。尤其近年來我國電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，快遞物流業(yè)的快速興起，也帶動了熱敏打印機行業(yè)的繁榮。熱敏打印機是指通過熱打印頭直接加熱熱敏紙，使熱敏紙變色形成圖像的打印機，它具有打印速度快、噪音低、打印清晰、使用方便、兼容性強等優(yōu)點。熱敏打印機工作時，熱打印頭（TPH）和膠輥是有效接觸的，熱敏紙壓于兩者之間，步進馬達通過傳動系統(tǒng)帶動膠輥轉(zhuǎn)動，膠輥利用它與TPH之間摩擦力又帶動熱敏紙的運行。傳動設(shè)計是熱敏打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，它關(guān)系到整個系統(tǒng)的打印質(zhì)量，以下就從步進馬達的設(shè)計選型和傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算兩方面做出詳細(xì)論述。

1 步進馬達的選型

步進馬達是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進驅(qū)動器接每收到一個脈沖信號后，就驅(qū)動步進馬達按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”）。在非超載的情況下，馬達的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的，也可以通過控制脈沖頻率來控制馬達轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。

1.1 步進馬達輸出扭矩M馬達估的估算

1.1.1 估算膠輥處最大的輸出扭矩M膠輥max

實測以往類似機型最大運行阻力F阻max=18.5N，此參數(shù)在25mm的紙寬下測得。

最大拖紙力要求F拖max=16N，此參數(shù)由測試要求給定。

膠輥直徑d膠輥=12mm，選擇常用的規(guī)格。

膠輥處最大的輸出扭矩：

M膠輥max=（F阻max+F拖max）*（d膠輥/2）

=（18.5+16）*（12/2）

=207（mNm）

1.1.2 計算理論傳動比i理論

以設(shè)計一款分辨率為pi=203dpi（在每英寸的介質(zhì)上最多可以打印203個點，1英寸=25.4mm）的機子為例，它的理論點長記為pj=25.4/203≈0.125123153mm。

在對力矩要求不高的情況下，選用兩相的永磁步進馬達（PM），步距角為θ馬達=7.5°。永磁步進馬達（PM）相比混合式馬達（HB）成本較低，體積相對較小。

膠輥理論步距角θ膠輥理，理論上步進馬達走一步，傳到膠輥時膠輥轉(zhuǎn)過的角度。

因：θ膠輥理/360=pj/（d膠輥π）θ膠輥理

=360*pj/（d膠輥π）

=360*（25.4/203）/（12π）

≈1.19484°

故：i理論=ω馬達/ω膠輥理

=θ馬達/θ膠輥理

=7.5/1.19484

≈6.277

其中ω馬達為步進馬達上齒輪的角速度，ω膠輥理為馬達齒輪以ω馬達轉(zhuǎn)動時膠輥的理論角速度。

1.1.3 計算步進馬達輸出扭矩M馬達估

齒輪功率損耗特別小，可以忽略不計，則有步進馬達的輸出功率P馬等經(jīng)齒輪變速后的膠輥的輸出功率P膠輥，而功率等于轉(zhuǎn)矩乘以角轉(zhuǎn)速，因此有：

P馬=P膠輥，P馬=M馬達估*ω馬達，P膠輥=M膠輥max*ω膠輥理

故i理論=ω馬達/ω膠輥理

=M膠輥max/M馬達估M馬達估

=M膠輥max/i理論

=207/6.277

≈33（mNm）

1.2 步進馬達的工作頻率f馬達

步進馬達的輸入頻率f馬達（pps），即每秒輸入馬達的脈沖次數(shù)。以設(shè)計要求最高打印速度為v打印=150mm/s（6ips）為例。v打印=150mm/s，表示每秒打印的長度為150mm，每個脈沖控制馬達走一步，每走一步打一個點，所以在150mm紙上能夠能夠打印多少個點，就代表每秒需要有多少個脈沖。

f馬達=150*（203/25.4）=1198pps≈1200pps

1.3 步進馬達的理論輸出扭矩M馬達理論

圖1為某款步進馬達的矩頻特性曲線。圖中有兩條曲線，一條是純曲線，它代表運行力矩（Pull out Torqur）特性曲線，表示馬達在相應(yīng)工作頻率下所對應(yīng)的輸出力矩，從圖中可以看出它呈現(xiàn)一個下降的趨勢，當(dāng)步進馬達轉(zhuǎn)動時，馬達各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反向電動勢越大，從而相電流減小，導(dǎo)致力矩下降;另一條帶點的曲線，它代表啟動力矩（Pull in Torqur）特性曲線，當(dāng)馬達啟動時，馬達本身還需要克服轉(zhuǎn)子慣性，輸出扭矩也會下降。步進馬達還有一個技術(shù)參數(shù)“空載啟動頻率”，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)，所以在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。

根據(jù)圖1，當(dāng)步進馬達的輸入頻率為1200pps時，可以查出步進馬達整步理論輸出扭矩M馬達理論為52.5mNm。

1.4 計算理論安全系數(shù)n理論

n理論=M馬達理論/M馬達估=52.5/33≈1.59>1.5

估算的結(jié)果和最終產(chǎn)品會有偏差，所以根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計時一般將安全系數(shù)控制在1.5以上，所以這款馬達符合我們的設(shè)計要求。

1.5 利用Excel表格中的計算功能

我們可以運用Excel表格中的公式計算功能，將以上計算過程列成一個Excel表格，這樣大大提高以后進行同類計算的設(shè)計效率。

2 傳動系統(tǒng)的計算

2.1 利用Excel表格中的計算功能

我們可以利用Excel表格中的公式計算功能，將傳動系統(tǒng)的計算過程列成一個Excel表格，這樣計算起來更加方便、直觀、快捷。如下表，我們只要填入相關(guān)設(shè)計參數(shù)，就可以從結(jié)果判斷中迅速了解設(shè)計是否符合要求，利用此表格非常方便地更換參數(shù)并查看結(jié)果，一目了然。

2.2 計算理論點長pj

設(shè)計輸入打印分辨率pi=203dpi，理論點長pj=25.4/pi=25.4/203=0.125123153（mm/pps）。

2.3 計算實際傳動比i實際

驅(qū)動輪齒數(shù)Z1=馬達齒輪齒數(shù)Z馬達=18，從動輪齒數(shù)Z′3=膠輥齒輪齒數(shù)Z膠輥=40。

實際傳動比i實際=（Z′1/Z1）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）

=（48/18）*（58/17）*（40/58）

=6.274509804

2.4 計算膠輥傳動實際步進距p′j

膠輥實際步距角θ膠輥實=θ馬達/i實際

=7.5/6.274509804

=1.1953125

膠輥傳動步進距p′j=（π*d膠輥*θ膠輥實）/360

=（12π*1.1953125）/360

=0.12517283

2.5 誤差判斷

膠輥傳動誤差率：

μ=（p′j-pj）*100/pj

=（0.12517283-0.125123153）*100/0.125123153

=0.0397%

μ誤差在不大于1.5%為合格，參《GB/T 28165-2011，熱打印機通用規(guī)范》。

2.6 計算齒輪系的分度圓直徑d

根據(jù)漸開線齒輪分度圓的計算公式d=MZ，表1中M=0.5，優(yōu)先共用現(xiàn)有的齒輪并考慮整機的結(jié)構(gòu)上排布的限制，最終確定表1中所列的齒輪參數(shù)。

第I級傳動：驅(qū)動輪分度圓直徑d1=M*Z1=0.5*18=9mm，此為步進馬達的齒輪。

從動輪分度圓直徑d′1=M*Z′1=0.5*48=24mm。

第II級傳動：驅(qū)動輪分度圓直徑d2=M*Z2=0.5*17=8.5mm。

從動輪分度圓直徑d′2=M*Z′2=0.5*58=29mm。

第III級傳動：驅(qū)動輪分度圓直徑d3=M*Z3=0.5*58=29mm。

從動輪分度圓直徑d′3=M*Z′3=0.5*40=20mm，此為膠輥組上的齒輪。

第II級從動輪和第III級驅(qū)動輪是同一個齒輪，只起到轉(zhuǎn)接過渡作用，并不影響傳動比。

2.7 計算傳動齒輪間的中心距a

傳動轉(zhuǎn)矩具有脈動性，容易產(chǎn)生碰撞，預(yù)留小的側(cè)隙可得到良好的效果。側(cè)隙過小反而會加大噪音的發(fā)生，甚至齒輪抱死。對于小模數(shù)（M=0.3～1）齒輪，側(cè)隙留0.2的模數(shù)。

齒輪側(cè)隙q=0.2M=0.2*0.5=0.1

第I級傳動兩齒輪的中心距a1=（d1+d′1）/2+q=（9+24）/2+0.1=16.6mm

第II級傳動兩齒輪的中心距a2=（d2+d′2）/2+q=（8.5+29）/2+0.1=18.85mm。

第III級傳動兩齒輪的中心距a3=（d3+d′3）/2+q=（29+20）/2+0.1=24.6mm。

2.8 3D軟件中排布

根據(jù)產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)，在3D設(shè)計軟件中進行排布，如圖2，并結(jié)合實際情況再對傳動參數(shù)進行修正。

參考文獻：

[1]汪文海，黃智全，黃妹玲，尤明輝.基于熱敏打印機的圖像處理研究[J].電子質(zhì)量，2018（11）：35-38.

作者簡介：洪巖（1977—），男，福建南安人，本科，中級工程師，研究方向：機械電子工程。