双出轴NEMA17步进电机结构设计

　　做小型自动化设备结构设计的工程师，对NEMA17规格的步进电机肯定不会陌生，这次做的双出轴版本，和常规单轴款的应用场景有不少差异，在做结构适配的时候需要注意的安装边界也有区别。先从实际应用场景说起，这类双出轴的42系列步进，最常见的使用场景是小型桌面级3D打印机的Z轴传动，一端通过联轴器连接丝杆带动热端平台升降，另一端可以加装手轮，方便设备调试断电的时候手动调整平台高度，不用额外给传动链加手动调节结构，能省不少安装空间。除了3D打印设备，在小型点胶机、桌面式雕刻机的进给轴上也经常用到，部分需要双侧同步输出扭矩的小型传动机构，比如小型皮带输送线的双端驱动，用单台双轴电机就能替代两台单轴电机的布置，减少电控端的驱动通道数量，也能降低设备的整体布线复杂度。

　　从实际用途来看，这款电机作为开环控制的执行元件，核心作用是接收驱动器发来的脉冲信号，将电脉冲转化为对应角度的角位移，双出轴的设计就是为了满足两端都需要连接负载的安装需求，不用额外加装轴延长件或者同步轮分动结构，避免额外加装零件带来的传动同轴度误差。要知道很多工程师在做结构的时候，遇到单轴电机需要双侧输出的情况，会自己在输出轴端加同步轮分动，不仅多占了安装空间，同步带传动还会带来反向间隙，对于定位精度要求在0.1mm级别的小型设备来说，这种额外的间隙很容易导致定位精度超差，直接选用双出轴的电机就能从根源上规避这个问题。

　　说到产品的功能特性，这款NEMA17双轴步进保持了42系列步进电机的通用安装尺寸，机身端面的四个安装孔位和常规单轴42步进完全一致，安装孔的孔距是标准的31mm，安装孔为M3螺纹孔，端面定位止口的尺寸是22mm，和市面上绝大多数42步进的安装支架、电机固定座完全兼容，不用重新设计安装结构，替换现有设备上的单轴电机也不需要改安装孔位。双输出轴的轴径为5mm，轴端做了平切处理，方便安装顶丝式的联轴器或者同步轮，避免传动过程中出现轴和连接件打滑的问题。电机机身的截面是标准的42mm正方形，机身长度根据扭矩等级不同有不同规格，这个模型对应的是常规40mm机身长度的版本，保持扭矩在0.4N·m左右，足够应对小型设备的进给传动需求。

　　设计思路上，做这个三维模型的时候，首先是严格遵循NEMA17的安装标准来搭建基础特征，先确定电机的安装基准面，也就是前端盖的安装端面，以这个端面为基准定位所有安装孔、止口、输出轴的位置，保证和标准件的安装尺寸完全一致，避免工程师选型调用模型的时候出现安装干涉。建模的时候特意把两端的输出轴都做了等长处理，两端轴的伸出长度都是20mm，满足两端同时安装连接件的尺寸需求，不会出现某一侧轴长不够无法装联轴器的问题。机身的散热筋结构也按照实物做了还原，虽然做结构干涉检查的时候散热筋不影响安装，但还原这个特征能让工程师在做整机布线的时候，更准确判断电机周边的走线空间，不会出现线体被散热筋棱角磨损的问题。后端盖的出线位置也做了准确还原，出线方向在机身尾部的侧面，方便工程师在设计的时候预留出线空间，避免电机安装后出线被机身和安装支架挤压。

　　关于外形尺寸和安装边界，这里要给做结构设计的同行提几个容易踩的坑。首先是安装的时候，前端面和安装支架之间要留0.1mm左右的间隙，不要硬顶死，不然电机运行的时候端盖受力容易导致轴承卡滞，影响运行寿命。其次是两端输出轴连接负载的时候，要注意联轴器的选型，不要选用过长的联轴器，避免联轴器和电机端盖发生摩擦，两端的负载要尽量保持同轴，不要出现单侧径向受力过大的情况，不然很容易导致电机输出轴弯曲，长时间运行还会磨损前端轴承。另外，双出轴电机如果只使用单侧输出轴，另一侧的轴端不要加装过重的零件，不然会导致电机转子动平衡失衡，运行的时候出现明显震动和噪音。在做整机结构布局的时候，电机尾部要预留至少15mm的出线空间，不要把电机尾部紧贴设备壁板安装，不然线材弯折半径过小容易出现断线问题。还有一点，这个规格的电机表面最高运行温度能到80℃左右，周边不要布置对温度敏感的元器件，比如塑料材质的传动件或者热敏传感器，避免长期受高温影响出现性能衰减。

　　很多新手工程师在选型双轴步进的时候，容易忽略轴的负载匹配问题，觉得只要安装尺寸对就能用，实际上双出轴的两端如果都带负载，要核算两端负载的总扭矩不要超过电机的保持扭矩，还要考虑加减速过程中的扭矩余量，一般留30%左右的余量比较合适，不然容易出现高速运行的时候丢步的问题。另外在做模型装配的时候，要注意输出轴和传动件的配合公差，轴径是h7的公差，对应的联轴器安装孔要选H7的配合，不要用过盈太大的配合，不然装拆的时候很容易把电机轴承顶坏。如果是用在垂直传动的场景，比如3D打印机的Z轴，哪怕是双出轴带手轮，也要记得加抱闸或者配重，避免断电的时候负载下滑撞机，不要觉得步进电机断电有保持力就忽略这个问题，42系列步进的断电保持力不大，垂直负载稍重就会出现下滑。