摘 要：熱敏打印機(jī)在我國(guó)各行各業(yè)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，尤其近年來(lái)我國(guó)電子商務(wù)的快速興起，帶動(dòng)了熱敏打印行業(yè)的蓬勃發(fā)展。本文針對(duì)熱敏打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出詳細(xì)說(shuō)明，希望以此對(duì)正在從事或準(zhǔn)備從事該行業(yè)的相關(guān)人士提供一個(gè)有益的參考和借鑒。本文重點(diǎn)論述了熱敏打印機(jī)步進(jìn)馬達(dá)的設(shè)計(jì)選型、傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算等方面的要點(diǎn)內(nèi)容，并就利用Excel中的公式計(jì)算功能輔助我們高效地進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算作出介紹。

關(guān)鍵詞：熱敏打印機(jī);馬達(dá)選型;傳動(dòng)計(jì)算

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷持續(xù)發(fā)展，熱敏打印機(jī)的需求迅速增加，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、商業(yè)零售、餐飲消費(fèi)、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(chǎng)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng)。尤其近年來(lái)我國(guó)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(dòng)了熱敏打印機(jī)行業(yè)的繁榮。熱敏打印機(jī)是指通過(guò)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(jī)，它具有打印速度快、噪音低、打印清晰、使用方便、兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。熱敏打印機(jī)工作時(shí)，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(jìn)馬達(dá)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)，膠輥利用它與TPH之間摩擦力又帶動(dòng)熱敏紙的運(yùn)行。傳動(dòng)設(shè)計(jì)是熱敏打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的打印質(zhì)量，以下就從步進(jìn)馬達(dá)的設(shè)計(jì)選型和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算兩方面做出詳細(xì)論述。

1 步進(jìn)馬達(dá)的選型

步進(jìn)馬達(dá)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接每收到一個(gè)脈沖信號(hào)后，就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”）。在非超載的情況下，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

1.1 步進(jìn)馬達(dá)輸出扭矩M馬達(dá)估的估算

1.1.1 估算膠輥處最大的輸出扭矩M膠輥max

實(shí)測(cè)以往類似機(jī)型最大運(yùn)行阻力F阻max=18.5N，此參數(shù)在25mm的紙寬下測(cè)得。

最大拖紙力要求F拖max=16N，此參數(shù)由測(cè)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(jì)算理論傳動(dòng)比i理論

以設(shè)計(jì)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(gè)點(diǎn)，1英寸=25.4mm）的機(jī)子為例，它的理論點(diǎn)長(zhǎng)記為pj=25.4/203≈0.125123153mm。

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

膠輥理論步距角θ膠輥理，理論上步進(jìn)馬達(dá)走一步，傳到膠輥時(shí)膠輥轉(zhuǎn)過(guò)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(dá)/ω膠輥理

=θ馬達(dá)/θ膠輥理

=7.5/1.19484

≈6.277

其中ω馬達(dá)為步進(jìn)馬達(dá)上齒輪的角速度，ω膠輥理為馬達(dá)齒輪以ω馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)膠輥的理論角速度。

1.1.3 計(jì)算步進(jìn)馬達(dá)輸出扭矩M馬達(dá)估

齒輪功率損耗特別小，可以忽略不計(jì)，則有步進(jìn)馬達(dá)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(dá)估*ω馬達(dá)，P膠輥=M膠輥max*ω膠輥理

故i理論=ω馬達(dá)/ω膠輥理

=M膠輥max/M馬達(dá)估M馬達(dá)估

=M膠輥max/i理論

=207/6.277

≈33（mNm）

1.2 步進(jìn)馬達(dá)的工作頻率f馬達(dá)

步進(jìn)馬達(dá)的輸入頻率f馬達(dá)（pps），即每秒輸入馬達(dá)的脈沖次數(shù)。以設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為150mm，每個(gè)脈沖控制馬達(dá)走一步，每走一步打一個(gè)點(diǎn)，所以在150mm紙上能夠能夠打印多少個(gè)點(diǎn)，就代表每秒需要有多少個(gè)脈沖。

f馬達(dá)=150*（203/25.4）=1198pps≈1200pps

1.3 步進(jìn)馬達(dá)的理論輸出扭矩M馬達(dá)理論

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

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

1.4 計(jì)算理論安全系數(shù)n理論

n理論=M馬達(dá)理論/M馬達(dá)估=52.5/33≈1.59>1.5

估算的結(jié)果和最終產(chǎn)品會(huì)有偏差，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)一般將安全系數(shù)控制在1.5以上，所以這款馬達(dá)符合我們的設(shè)計(jì)要求。

1.5 利用Excel表格中的計(jì)算功能

我們可以運(yùn)用Excel表格中的公式計(jì)算功能，將以上計(jì)算過(guò)程列成一個(gè)Excel表格，這樣大大提高以后進(jìn)行同類計(jì)算的設(shè)計(jì)效率。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算

2.1 利用Excel表格中的計(jì)算功能

我們可以利用Excel表格中的公式計(jì)算功能，將傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程列成一個(gè)Excel表格，這樣計(jì)算起來(lái)更加方便、直觀、快捷。如下表，我們只要填入相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，就可以從結(jié)果判斷中迅速了解設(shè)計(jì)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(jì)算理論點(diǎn)長(zhǎng)pj

設(shè)計(jì)輸入打印分辨率pi=203dpi，理論點(diǎn)長(zhǎng)pj=25.4/pi=25.4/203=0.125123153（mm/pps）。

2.3 計(jì)算實(shí)際傳動(dòng)比i實(shí)際

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

實(shí)際傳動(dòng)比i實(shí)際=（Z′1/Z1）*（Z′2/Z2）*（Z′3/Z3）

=（48/18）*（58/17）*（40/58）

=6.274509804

2.4 計(jì)算膠輥傳動(dòng)實(shí)際步進(jìn)距p′j

膠輥實(shí)際步距角θ膠輥實(shí)=θ馬達(dá)/i實(shí)際

=7.5/6.274509804

=1.1953125

膠輥傳動(dòng)步進(jìn)距p′j=（π*d膠輥*θ膠輥實(shí)）/360

=（12π*1.1953125）/360

=0.12517283

2.5 誤差判斷

膠輥傳動(dòng)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(jī)通用規(guī)范》。

2.6 計(jì)算齒輪系的分度圓直徑d

根據(jù)漸開(kāi)線齒輪分度圓的計(jì)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(jī)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(jí)傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑d1=M*Z1=0.5*18=9mm，此為步進(jìn)馬達(dá)的齒輪。

從動(dòng)輪分度圓直徑d′1=M*Z′1=0.5*48=24mm。

第II級(jí)傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑d2=M*Z2=0.5*17=8.5mm。

從動(dòng)輪分度圓直徑d′2=M*Z′2=0.5*58=29mm。

第III級(jí)傳動(dòng)：驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑d3=M*Z3=0.5*58=29mm。

從動(dòng)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(jí)從動(dòng)輪和第III級(jí)驅(qū)動(dòng)輪是同一個(gè)齒輪，只起到轉(zhuǎn)接過(guò)渡作用，并不影響傳動(dòng)比。

2.7 計(jì)算傳動(dòng)齒輪間的中心距a

傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩具有脈動(dòng)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(guò)小反而會(huì)加大噪音的發(fā)生，甚至齒輪抱死。對(duì)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(jí)傳動(dòng)兩齒輪的中心距a1=（d1+d′1）/2+q=（9+24）/2+0.1=16.6mm

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

第III級(jí)傳動(dòng)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(shí)際結(jié)構(gòu)，在3D設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行排布，如圖2，并結(jié)合實(shí)際情況再對(duì)傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修正。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡(jiǎn)介：洪巖（1977—），男，福建南安人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械電子工程。