Каретка на GT2-ремне: зубья, шкив и натяжение

Рельса для камеры на девяносто сантиметров упёрлась в винт: ходовой TR8x8 такой длины провисает дугой, гайка на середине хода начинает тужиться, а критические обороты наступают раньше, чем успевает камера. Таймлапс-слайдер на винте я собирал и любил — он подробно разобран в уроке про таймлапс — но на длинных пробегах винт сдаётся по всем статьям: метр точного винта стоит как треть б/у принтера, а метр ремня GT2 — копейки. В этом уроке собираю ту же каретку с обратной стороны: ремень, шкив с зубьями и натяжение, без которого вся конструкция рассыпается за неделю.

Ремень — противоположный полюс винтовой пары, расчёт которой лежит в уроке про винтовую пару. Там гайка ползёт восемь миллиметров за оборот и способна держать вес без тока в обмотках; здесь шкив сматывает сорок миллиметров за тот же оборот и удерживать нагрузку не умеет вовсе. Выбор между ними — не про вкус, а про цену сантиметра пути, скорость и то, нужен ли вам самотормозящий привод.

План короткий: анатомия ремня и арифметика шкива, натяжение с числами, монтаж с ловушками и стенд для подсчёта шагов на миллиметр.

GT2 — зубчатый ремень с шагом два миллиметра: столько между вершинами соседних зубцов, и в этой цифре вся арифметика привода. Шкив на двадцать зубьев сматывает ровно двадцать шагов ремня — сорок миллиметров пути за каждый оборот вала, пересчитывать нечего: отношение целое и скруглений тут нет. Внутри ремня живёт корд — тянущий сердечник из стекловолокна или стали: нагрузку несёт он, резиновая оболочка только защищает и держит зубья. Ходовая ширина — шесть миллиметров: её ставят в принтеры и плоттеры, и под неё же сделано большинство алюминиевых шкивов; посадка на вал типового NEMA 17 — пять миллиметров, базовый мотор рельсы описан в уроке про NEMA 17.

Шаги на миллиметр считаются в одну строку. NEMA 17 делает двести шагов на оборот: 200 / 40 = 5 шагов на миллиметр полного шага; включите микрошаг 1/16 — восемьдесят импульсов на миллиметр, и ход в двести миллиметров съест шестнадцать тысяч импульсов. Разводку STEP и DIR и режимы дробления берите из урока про A4988. Для сравнения: винт TR8x8 даёт 256 шагов на миллиметр у того же мотора — ремень грубее в пятьдесят раз, и это не приговор: две десятых миллиметра дискретности хватает всему, что ездит быстрее улитки.

Натяжение — единственная настройка этой механики, и оно стоит сразу за двумя бедами. Недотянутый ремень всплывает над зубцами шкива: под нагрузкой или на торможении зубцы перескакивают с сухим щелчком, каретка откатывается, а счётчик шагов продолжает докладывать о движении. Производитель ремня — компания Gates — для шестимиллиметровой GT2 рекомендует статическое натяжение шесть-восемь фунтов, это двадцать семь-тридцать шесть ньютонов; в трёхмерной печати ходовая практика пошире — четыре-шесть фунтов, ниже двух ловятся перескоки даже у лёгкой каретки. Перетяг тоже наказуем: подшипник шкива воет на ходу, корд вытягивается, вал мотора ловит лишнюю боковую нагрузку.

Без динамометра натяжение проверяется пальцем: на пролёте сантиметров десять нажимайте — прогиб в один-два миллиметра, отпустите — звонкий щипок, как у гитарной струны. Глухой бубнящий тон — ремень слаб, металл в звоне — силь. Отдельный разговор — шкивы: литые алюминиевые держат шаг зубьев честно, печатные гуляют в пределах пластиковой усадки, и кривой шкив роняет весь привод, сколько его ни тяни. Люфт реверса у собранной пары — две-четыре десятых миллиметра: ремень живёт в зазоре зубьев, и обратно каретка приезжает не в ту точку, откуда уехала.

Механика натяжения делается за минуту: ведущий шкив крепится намертво, а холостой ролик садится на эксцентрик или пару прорезей — повернули ось, натянули, затянули. В самодельных рельсах я часто вижу натяжение перетяжкой рамы: крепёж мотора сдвигают до упора, и через месяц пластиковые стойки ползут, а ремень снова болтается. Ролик на пружине честнее: он держит запас постоянно, гасит рывки разгона, и вам остаётся один раз выставить звон щипка.

Монтаж — там, где я терял вечера. Приводной шкив крепится к валу с стопорным винтом против проворота: гладкий вал без лыски прокручивается под нагрузкой, и вы часами ищете потерянные шаги там, где просто съезжает муфта. На холостом конце рельсы ставят фланцевый подшипник или зубчатый ролик — ремень должен обегать их по прямой; перекос в градус ведёт ремень на край шкива, зубья начинают жевать борт, и через пару метров пути обкладка лохматится. К каретке ремень прикручивается зажимной пластиной с пазом: обмотать узлом — значит добавить себе резиновый люфт реверса. Питание драйвера 12 вольтами и общая земля собираются по уроку про внешнее питание, ноль каретки — концевиком, схема в уроке про нулевую точку: счёт шагов через сутки плавает на десятки миллиметров. И ещё деталь монтажа, которую пропускают даже в заводских наборах: вал приводного шкива должен жить в подшипнике, а не в отверстии фанеры — люфт в опоре стоит вам шага на каждом реверсе, и это без всякой вины мотора.

Считать свою рельсу — четыре строки: окружность шкива из зубьев, шаги мотора на оборот, шаги на миллиметр делением, время хода от нужной скорости. Когда цифры сошлись, проверьте обратное: хватит ли усилия. Ремень передаёт момент хуже винта, и тяжёлая каретка на разгоне ловит перескок зубьев раньше, чем мотор — срыв шагов и его физику разбирает урок про срыв шагов. Короткий ход под нагрузкой, где важна жёсткость и удержание без тока, — территория винта: там он непобедим. Длинный, быстрый и шумный цех — территория ремня, и выбор сводится к честному ответу на вопрос, что в дефиците: сантиметры длины, обороты или грамм-сантиметры.

Что показывает стенд. Ползунок влево — шкив на шестнадцать зубьев: тридцать два миллиметра за оборот и 64 шага на миллиметр, самый дотошный вариант из трёх. Середина — двадцать зубьев, ходовой стандарт: сорок миллиметров и 51,2 шага на миллиметр, та самая дробь, которая и делает ремень ремнём. Вправо — сорок зубьев: восемьдесят миллиметров за оборот, скорость удвоилась, дискретность стала восемьдесят сотых миллиметра, а усилие на каретке упало вдвое при том же моторе. Обороты вала на всех трёх одинаковые — меняется только цена оборота в миллиметрах, и выбор шкива — это выбор, чего вам жалче: точности, скорости или силы.

И последнее, что я понял на второй рельсе. Ремень любит чистоту: песчинка, забежавшая в зубья, стачивает их за пару недель и дарит вам новый люфт, который не лечится натяжением. Протирать зубья раз в месяц — минута дела; не протирать — пересобирать привод в следующем квартале. Зато ремень срезает резонанс: на винте каретка дрожит на каждом шаге, на ремне ход мягче, потому что резина гасит удар каждого такта, — бонус, которого нет ни в одной таблице.