熱敏打印機傳動設計

摘 要：熱敏打印機在我國各行各業中的運用越來越廣泛，尤其近年來我國電子商務的快速興起，帶動了熱敏打印行業的蓬勃發展。本文針對熱敏打印機結構設計中最重要的設計環節傳動系統設計做出詳細說明，希望以此對正在從事或準備從事該行業的相關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計選型、傳動系統的設計計算等方面的要點內容，并就利用Excel中的公式計算功能輔助我們高效地進行設計計算作出介紹。

關鍵詞：熱敏打印機;馬達選型;傳動計算

隨著我國經濟的不斷持續發展，熱敏打印機的需求迅速增加，廣泛應用于交通運輸、商業零售、餐飲消費、生產制造、服裝服飾、醫療金融、電力電信等眾多行業，市場規模持續高速增長。尤其近年來我國電子商務的蓬勃發展，快遞物流業的快速興起，也帶動了熱敏打印機行業的繁榮。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帶動膠輥轉動，膠輥利用它與TPH之間摩擦力又帶動熱敏紙的運行。傳動設計是熱敏打印機結構設計的重中之重，它關系到整個系統的打印質量，以下就從步進馬達的設計選型和傳動系統的設計計算兩方面做出詳細論述。

1 步進馬達的選型

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

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，此參數在25mm的紙寬下測得。

最大拖紙力要求F拖max=16N，此參數由測試要求給定。

膠輥直徑d膠輥=12mm，選擇常用的規格。

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

以設計一款分辨率為pi=203dpi（在每英寸的介質上最多可以打印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馬等經齒輪變速后的膠輥的輸出功率P膠輥，而功率等于轉矩乘以角轉速，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。以設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，表示馬達在相應工作頻率下所對應的輸出力矩，從圖中可以看出它呈現一個下降的趨勢，當步進馬達轉動時，馬達各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，轉速越高，反向電動勢越大，從而相電流減小，導致力矩下降;另一條帶點的曲線，它代表啟動力矩（Pull in Torqur）特性曲線，當馬達啟動時，馬達本身還需要克服轉子慣性，輸出扭矩也會下降。步進馬達還有一個技術參數“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，可能發生丟步或堵轉，所以在有負載的情況下，啟動頻率應更低。

根據圖1，當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

估算的結果和最終產品會有偏差，所以根據經驗設計時一般將安全系數控制在1.5以上，所以這款馬達符合我們的設計要求。

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計效率。

2 傳動系統的計算

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，我們只要填入相關設計參數，就可以從結果判斷中迅速了解設計是否符合要求，利用此表格非常方便地更換參數并查看結果，一目了然。

2.2 計算理論點長pj

設計輸入打印分辨率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

驅動輪齒數Z1=馬達齒輪齒數Z馬達=18，從動輪齒數Z′3=膠輥齒輪齒數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，熱打印機通用規范》。

2.6 計算齒輪系的分度圓直徑d

根據漸開線齒輪分度圓的計算公式d=MZ，表1中M=0.5，優先共用現有的齒輪并考慮整機的結構上排布的限制，最終確定表1中所列的齒輪參數。

第I級傳動：驅動輪分度圓直徑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級驅動輪是同一個齒輪，只起到轉接過渡作用，并不影響傳動比。

2.7 計算傳動齒輪間的中心距a

傳動轉矩具有脈動性，容易產生碰撞，預留小的側隙可得到良好的效果。側隙過小反而會加大噪音的發生，甚至齒輪抱死。對于小模數（M=0.3～1）齒輪，側隙留0.2的模數。

齒輪側隙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

根據產品的實際結構，在3D設計軟件中進行排布，如圖2，并結合實際情況再對傳動參數進行修正。

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。