Correias X Barras Roscadas

Este post começou como uma simples pergunta na nossa lista de discussão. Eram apenas umas respostas simples e conforme as dúvidas continuava e cresciam, também apareceram acréscimos sugestões e correções.

Vale a pena preservar isto aqui, críticas e mais perguntas são bem vindas e que vamos procurar complementar onde necessário.

• Correias X Barras Roscadas

A polia vai produzir maior velocidade e a barra roscada vai dar maior resolução.

• Correia

Usando Correia, o acionamento do carro é mais direto, polias menores produzem maior resolução. Na Prusa, por exemplo, a resolução é 0,13mm/meio_passo. O cálculo é simples:       passo_da_correia*número_de_dentes_na_polia/400_meio_passos.


Micro passo não melhora muito (veja abaixo). Essa resolução é ok para peças grandes, algumas pessoas tentaram fazer placas PCI ou peçinhas menores e não dá um bom resultado.

• Barra Roscada

Usando Barra Roscada há uma grande desmultiplicação, isso dá uma resolução maior. Por exemplo, na minha mesa XYZ eu tenho 1,27/200=0,006mm/passo, a fórmula é: avanço_da_rosca/200_passos. Isso é mais que suficiente para qualquer operação, inclusive para fazer placas SMD. Essa resolução é grande demais, porém não existe uma solução barata intermediária.

O ideal seria o passo da rosca entre 3 e 5mm, nas máquinas profissionais isso é feito usando fuso de esferas recirculantes ou rosca trapezoidal que são beeeem mais caros. Reduções/multiplicações com engrenagens/correias para acionar a barras roscada são complexas para equipamento simples porque produzem atrito e/ou folga e acabam se tornando caras para um desempenho razoável.

Na Barra Roscada, realmente é necessário usa uma porca "tira-folga". Depois de uma ampla pesquisa (perguntei ao Jorge...) cheguei numa solução simples e adequada para pequenas implementações como RepRaps, veja aqui  (3ª parte).

• Força

A barra roscada tem muito mais força devido à grande redução, por isso é frequentemente usado no eixo Z que precisa levantar peso. Uma barra roscada bem amaciada tem um eficiência mecânica de no máximo 20% enquanto que os sistemas de polias "devem" ter um eficiência em torno de 80%.

Para um motor de 4kgf.cm (40kgf.mm) com uma barra roscada de 1/4" com passo de 1,27mm a força disponível é: eficiência*2pi*torque/passo=20%*2*pi*40/1,27=39.6kgf

Paro o mesmo motor de 4kgf.cm  com polia de 10 dentes e passo da correia XL de 5,08mm (como na Prusa), o "raio primitivo" é: n_dentes*passo/(2pi)=10*5,08/2/pi=8,1mm, a força disponível é: eficiência*torque/raio=80%*40/8,1=3,95kgf.

• Mecânica

As duas soluções são razoavelmente simples, mas ambas tem seus problemas.

A barra roscada é simples de implementar e uma vez alinhada funciona bem e é repetitiva mesmo nas versões mais simples, porém para desempenho razoável precisa ter eliminação de folga axial. Quase todos os motores de passo têm um eixo que se movimenta longitudinalmente cerca de 1,5mm.

Já com correia dentada os problemas são geralmente causados pelo atrito que é gerado devido às elevadas forças radiais, se a correia não estiver bem esticada fica mole/folgado mas se esticar bem fica duro e difícel de movimentar, isso é agravado pela menor força disponível. As polias também podem ter folga com os dentes da correia e o projeto é difícil de ajustar.

Nas versões profissionais usam-se fuso de esfera e polias comerciais de precisão com rolamentos adequados, lógico que tudo é caro.

• Velocidade

Motores de passo têm uma limitação natural de velocidade que é medida em numero_de_passos/segundo ou kHz, isso se manifesta como uma diminuição do torque quando a velocidade aumenta. Para contornar esse problema é preciso de um driver muito melhor e que utilize uma tensão muito maior. Hoje, na minha mesa XYZ, com barra roscada e um driver chines barato com 24V, eu consegui aproximadamente 20 a 25mm/s (6kHz). Os drivers usados pelas diversas RepRaps são mais simples e usam 12V, com certeza as velocidades seriam menores.

• Micro-passo

Estes poderiam teoricamente melhorar a resolução do sistema que usa correias e conseguir velocidade e resolução simultaneamente, porém na prática não é bem assim, existem muitas limitações. Nem todos os drivers são bons para micro-passo, alguns motores são otimizados para micro-passo mas não é o caso desses comuns que conseguimos comprar. Mas o pior problema é que o erro de posicionamento de um motor de passo é grande e não melhora com micro-passo, isso é medido como o erro da posição do eixo relativo à posição desejada e é causado pelo atrito e pela inércia.

• Drivers Melhores

Estes são bem mais caros mas podem acionar o motores em velocidades maiores.

Não pretendo explicar como um bom driver pode  usar uma tensão alta para melhorar o desempenho de um motor de passo, mas é interessante notar que os fabricantes não especificam mais a tensão dos motores e sim Corrente e Resistência. Digamos apenas que a bobina de um motor de passo tem uma indutância muito alta e que esta precisa ser comutada/invertida muitas vezes por segundo (kHz), isso não é fácil mas pode ser feito. Esta é uma das grandes limitações do uso de motores de passo pois o limite da rotação é medido na capacidade de comutar as correntes nas suas bobinas. Isso não é ineficiente porque esses drivers são semelhante a fontes chaveadas.