本發(fā)明主要使用在三維打印領(lǐng)域，也可用于一般的數(shù)控機(jī)床制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前三維打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，普遍采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。附圖1為這種電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理是：用軟磁體做的轉(zhuǎn)子和定子上都開小齒，每個(gè)定子上的繞組只能讓該繞組的小齒和轉(zhuǎn)子小齒的一部分對(duì)齊，在定子的不同繞組上分別通脈沖電流，不同的小齒先后對(duì)齊，轉(zhuǎn)子形成步進(jìn)角很小的旋轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

這種電機(jī)定位精度高，但是在制作過程中，需要的加工精度也較高，而且需要開小齒，所以生產(chǎn)成本高。加工誤差稍大，電機(jī)便不工作，而不只是降低性能。

這種電機(jī)給不同的繞組同時(shí)通不同大小的電流，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)細(xì)分。如果細(xì)分倍數(shù)較大，電機(jī)轉(zhuǎn)子定位到細(xì)分步上的能力就比較差了。所以一旦小齒數(shù)量一定，電機(jī)就不能無(wú)限細(xì)分。

這種電機(jī)，要使其保持恒定的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，必須持續(xù)的通過電流。也就是說這種電機(jī)沒有斷電自鎖能力，費(fèi)電。

永磁式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于附圖2。這種電機(jī)利用交流電，在其內(nèi)部形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，用永磁體做的轉(zhuǎn)子，同步地跟隨磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

永磁同步電機(jī)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動(dòng)力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點(diǎn)，而且最重要的是生產(chǎn)量大，使用廣泛，價(jià)格便宜。但是，永磁同步電機(jī)控制精度低，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)角細(xì)分。因?yàn)楫?dāng)永磁體轉(zhuǎn)子在定子相鄰的兩極之間時(shí)，只要其稍微偏向定子的任何一極，都會(huì)被較近的定子磁極吸過去，轉(zhuǎn)子很難在定子相鄰的兩極之間精確定位。

除了上面提到的“反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)”和“永磁式同步電機(jī)”，還有一種叫做“永磁式步進(jìn)電機(jī)”的電機(jī)。實(shí)際上永磁式同步電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)概念和原理上都很相似，但是具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，還是有一定的差別的。同步電機(jī)重點(diǎn)放在交流電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換上（或者反向轉(zhuǎn)換），設(shè)計(jì)時(shí)盡量簡(jiǎn)單節(jié)約成本，提高功率。而步進(jìn)電機(jī)把重點(diǎn)放在高精度的控制上，電能利用效率不高。而永磁式步進(jìn)電機(jī)因?yàn)槠洳竭M(jìn)角較大，難以獲得精確控制，已經(jīng)很少使用了。

目前，同步電機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于三維打印之前的打印平臺(tái)清理，和打印之后的打印成品拿?。▽＠?hào)：2015104814855，申請(qǐng)日 2015-08-07）；但是三維打印過程中，并不使用同步電機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種廉價(jià)的三維打印機(jī)用步進(jìn)電機(jī)的替代方法；而且打印效果更細(xì)膩，打印時(shí)更節(jié)能。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用減速同步電機(jī)替代感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，并開發(fā)設(shè)計(jì)了一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

減速同步電機(jī)因?yàn)樽詭Я藴p速齒輪箱，就相當(dāng)于縮小的步進(jìn)角，所以可以精確的輸出。當(dāng)減速比繼續(xù)增大時(shí)，其輸出精度可超過細(xì)分后的感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；此時(shí)其定位能力非但沒有減少，還因?yàn)闇p速箱的自鎖功能，定位性能反而增加。而且自鎖功能使得電機(jī)在不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不需要通電。對(duì)于暫時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)可以斷電，節(jié)約能源。斷電和通電可以是幾百分之一秒的交替。所以即便是打印機(jī)正在工作，節(jié)能機(jī)會(huì)也會(huì)比較多。只要電機(jī)不是全速轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以節(jié)能。

因?yàn)闇p速齒輪的齒側(cè)間隙，在電機(jī)輸出扭矩方向改變時(shí)誤差比較大。但是如果僅僅是轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變，輸出扭矩的方向不變，此時(shí)就沒有較大的誤差了。所以本發(fā)明一般用于繩牽引的設(shè)備，只需要一個(gè)扭矩方向的情況。

因?yàn)楸景l(fā)明使用了減速箱，所以沒有必要細(xì)分電機(jī)，更何況同步電機(jī)本身也不支持細(xì)分；又因?yàn)榧?xì)分功能需要驅(qū)動(dòng)器提供不同的電流強(qiáng)度，而無(wú)細(xì)分功能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，僅僅是二值開關(guān)的功能；所以本發(fā)明使用的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)闆]有細(xì)分功能，而大幅簡(jiǎn)化，驅(qū)動(dòng)電路成本大幅降低。因?yàn)橥诫姍C(jī)把設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在能量轉(zhuǎn)化上，所以一般這種電機(jī)的額定電壓較高，所以也要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路能提供較高的輸出電壓。

實(shí)驗(yàn)證明，不使用電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的細(xì)分功能，可以增加打印質(zhì)量。從理論上來說，電機(jī)（包括同步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)）的轉(zhuǎn)子磁極正對(duì)定子磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子定位能力最強(qiáng)；這種情況實(shí)際對(duì)應(yīng)“不使用細(xì)分功能”的電機(jī)。當(dāng)使用細(xì)分功能時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極位于定子磁極之間；電機(jī)轉(zhuǎn)子靠?jī)蓚€(gè)相鄰定子磁極形成的“復(fù)合磁場(chǎng)”定位，轉(zhuǎn)子磁極距離任何一個(gè)定子磁極都比較遠(yuǎn)；轉(zhuǎn)子定位能力差，導(dǎo)致打印機(jī)難以克服打印頭的慣性，打印效果差。

優(yōu)選地，本發(fā)明適用于繩牽引設(shè)備，當(dāng)減速齒輪的齒側(cè)間隙較小時(shí)，或者在改變方向時(shí)對(duì)誤差要求較低的情況下，本發(fā)明仍然可以適用于同步帶傳動(dòng)或者桿傳動(dòng)的情況。

優(yōu)選地，使用較常見的永磁同步電機(jī)，也可以使用罕見的永磁式步進(jìn)電機(jī)。

本發(fā)明成功的降低了電機(jī)成本和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本；而電機(jī)成本又是三維打印機(jī)成本的主要組成部分，所以整臺(tái)三維打印機(jī)的成本也隨之明顯下降。減速同步電機(jī)輸出更精確，打印效果更細(xì)致，在打印時(shí)節(jié)約電能。

附圖說明

圖1為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、轉(zhuǎn)子小齒（圖中有省略）；2、定子繞組；3、定子小齒。

圖2為永磁式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、定子繞組；2、定子鐵心；3、永磁體轉(zhuǎn)子。

圖3為本發(fā)明所述電機(jī)在三維打印機(jī)中的應(yīng)用示意圖。圖中，1、永磁式同步電機(jī)和減速箱；2、聯(lián)軸器；3、同步輪；4、同步帶；5、同步帶連接器；6、拉力輸出繩；7，拉力輸出孔；8、隨動(dòng)軸承。

圖4為本發(fā)明所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)分支。圖中，1、驅(qū)動(dòng)信號(hào)線輸入；2、正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓發(fā)生器；3、正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管；4、負(fù)極輸出場(chǎng)效應(yīng)管；5、輸出電壓線。A、輸出電壓反饋；B、C、D分別是正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管的柵極、漏極和源極；E、G、F分別是負(fù)極輸出場(chǎng)效應(yīng)管柵極、漏極和源極。

圖5為本發(fā)明所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路示意圖。圖中 1、2、3、4是電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入線；5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；6、電源正極；7、電路接地；8、9、10、11是驅(qū)動(dòng)電路輸出線，分別是：A+、A- 和B+、B-；12、同步電機(jī)定子繞組A；13、同步電機(jī)定子繞組B；14、同步電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)子。

圖6 為本發(fā)明所述用同步電機(jī)代替三維打印機(jī)用步進(jìn)電機(jī)的示意圖。圖中 1、永磁式同步電機(jī)；2、減速箱；3、機(jī)械傳動(dòng)裝置；4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

具體實(shí)施

本發(fā)明采用麻將機(jī)專用的減速永磁同步電機(jī)。因?yàn)槁閷C(jī)普及度高，所以麻將機(jī)電機(jī)較為常見，價(jià)格低。最便宜時(shí)，其價(jià)格只有￥10左右。而這種電機(jī)的轉(zhuǎn)速是指通50Hz交流電時(shí)的轉(zhuǎn)速，其產(chǎn)品類型豐富，轉(zhuǎn)速選擇范圍較寬。較慢的轉(zhuǎn)速，實(shí)際上對(duì)應(yīng)較大的減速比，使用這類電機(jī)，可以大幅提高輸出精度。因?yàn)檫@種電機(jī)自帶減速箱，所以有斷電自鎖功能，可以解約能源。因?yàn)樗x電機(jī)減速比很大，步進(jìn)角很小，所以沒有必要進(jìn)行步進(jìn)角細(xì)分。

優(yōu)選地，本實(shí)例中的麻將機(jī)電機(jī)，轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)每分和20轉(zhuǎn)每分兩種，也可以用其他轉(zhuǎn)速的電機(jī)。比如10轉(zhuǎn)每分，轉(zhuǎn)速越慢，打印精度越高。再比如40轉(zhuǎn)每分，這時(shí)打印速度更快。

優(yōu)選地，本實(shí)例使用廉價(jià)的爪極式麻將機(jī)同步電機(jī)，也可以使用其他類型的同步電機(jī)。

優(yōu)選地，本實(shí)例使用自帶減速箱的同步電機(jī)，也可以使用普通的同步電機(jī)和分離的減速箱。

優(yōu)選地，本實(shí)例使用額定電壓為110V的同步電機(jī)，也可以使用其他額定電壓的同步電機(jī)。

如圖3所示，減速永磁同步電機(jī)1的輸出力矩，通過聯(lián)軸器2傳給同步輪3，同步輪3帶動(dòng)同步帶4，同步帶4拉動(dòng)輸出拉繩6。而隨動(dòng)軸承8跟隨同步帶運(yùn)動(dòng)，自身并沒有動(dòng)力。

如圖4所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的分支電路完成的功能是：當(dāng)輸入信號(hào)線1為高電平5V時(shí)，輸出電壓線為電源負(fù)極電壓0V，當(dāng)輸入信號(hào)線1為低電平0V時(shí)，輸出電壓線為電源正極電壓100V。正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管3 和負(fù)極輸出場(chǎng)效應(yīng)管4，均為“N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管”。其中負(fù)極輸出場(chǎng)效應(yīng)管4 源極G接地，一旦其柵極E，為高電平5V時(shí)，該場(chǎng)效應(yīng)管即可導(dǎo)通，漏極F輸出0V電壓。正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管3，其漏極C接100V的電源電壓，在輸入信號(hào)線1為低電平0V時(shí)導(dǎo)通，在其源極D輸出100V的電源電壓。正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管3的導(dǎo)通邏輯由“正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓發(fā)生器2”的數(shù)字邏輯電路獲得。柵極電壓發(fā)生器2，輸出的導(dǎo)通電壓，必須是高出正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管3 輸出電壓 10V左右的電壓，而且不能高出20V；所以柵極電壓發(fā)生器2必須在圖中A處取正極輸出場(chǎng)效應(yīng)管3 的輸出電壓。柵極電壓發(fā)生器2輸出的電壓已經(jīng)高于電源電壓，本發(fā)明實(shí)踐中使用另外的電源供電，也可以自帶升壓電路。在場(chǎng)效應(yīng)管3截?cái)鄷r(shí)，柵極電壓發(fā)生器2的輸出電壓必須和場(chǎng)效應(yīng)管3源極D電壓保持大體一致。

優(yōu)選地，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為100V，也可以是5V、12V，110V，220V等其他電壓。優(yōu)選地，邏輯高電平為5V，也可以是3.3V等其他電壓。邏輯高電平電壓過低時(shí)，需要在增加電壓后，再驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。優(yōu)選地，本發(fā)明使用雙N溝道場(chǎng)效應(yīng)管電路，也可以使用其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，只要是能分別輸出接近于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源正極和負(fù)極電壓的電路即可。

一個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由四個(gè)上述分支電路組成。如圖5所示，四個(gè)分支電路，放入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路5 中，分別輸入邏輯控制信號(hào)，然后輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓。輸出導(dǎo)線8、9、10和11分成A和B兩組，每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)繞組（12或13），形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子14，便可以旋轉(zhuǎn)輸出力矩了。為了做圖方便，圖中電機(jī)為兩極，實(shí)際應(yīng)用時(shí)電機(jī)為多極。

優(yōu)選地，本實(shí)例使用四線電機(jī)，也可以使用5線或者6線電機(jī)，只要是同步電機(jī)即可。

作為進(jìn)一步的改進(jìn)，圖3中的隨動(dòng)軸承8，可以換成大致恒定扭矩的機(jī)械裝置。其扭矩大約是減速電機(jī)1輸出扭矩的一半。這樣便可以基本上消除減速箱齒輪的齒側(cè)間隙帶來的誤差。另外還可以通過大致恒定拉力的機(jī)械裝置，拉住同步帶，來消除齒側(cè)間隙誤差。