基于AVR單片機(jī)的模塊化3D打印裝置設(shè)計(jì)

何義波,吳志東，李東軍，郝 鵬，李鎮(zhèn)洵，郭新龍，朱宇航，萬(wàn)寶輝

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

基于AVR單片機(jī)的模塊化3D打印裝置設(shè)計(jì)

何義波,吳志東，李東軍，郝 鵬，李鎮(zhèn)洵，郭新龍，朱宇航，萬(wàn)寶輝

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

對(duì)現(xiàn)有的3D打印機(jī)進(jìn)行改造研究，在原有的3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上加入模塊化的設(shè)計(jì)，使3D打印功能保持不變但結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，操作更加便捷。文章敘述了基于AVR單片機(jī)的模塊化3D打印機(jī)的構(gòu)成和工作原理以及設(shè)備特性。

AVR單片機(jī)；模塊化；3D打印機(jī)

當(dāng)前，3D打印裝置仍然成為一種趨勢(shì)，3D打印裝置已經(jīng)應(yīng)用于許多科學(xué)領(lǐng)域中，尤其在數(shù)碼產(chǎn)品開(kāi)模等方面有很大幫助，可以在幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)完成模具的印刷，大量的節(jié)省產(chǎn)品在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。文章所介紹的3D打印機(jī)更具有體積小巧、操作簡(jiǎn)單、易于拆卸拼裝等優(yōu)點(diǎn)，可以減少對(duì)人的技術(shù)依賴方便操作、減少經(jīng)濟(jì)支出。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

3D打印機(jī)系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及上位機(jī)指令傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，其中主控系統(tǒng)采用了Arduino Mega 2560微控制器作為控制核心控制整個(gè)打印裝置完成特定動(dòng)作，打印特定文件等。3D打印裝置分為兩大部分，分別是機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分包括傳動(dòng)部分，電動(dòng)機(jī)，同步帶以及帶輪；電氣部分包括AVR單片機(jī)控制電路的電路板。這兩部分結(jié)合成為3D打印裝置，使得3D打印裝置可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸移動(dòng)，以及人為自由遠(yuǎn)程控制3D打印，基本控制流程如圖2所示。

圖1 打印機(jī)3D圖

圖2 基本控制流程

2 技術(shù)路線

為了更好地設(shè)計(jì)打印裝置，擬定裝置總體技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

3 功能模塊選擇

（1）Arduino Mega2560微控制器。Arduino Mega2560工作電壓5V，模擬輸入引腳16個(gè)，數(shù)字I/O引腳54個(gè)，每個(gè)I/O引腳直流電流50mA，Arduino便捷靈活、容易上手，包含硬件和軟件，程序開(kāi)發(fā)、電路圖設(shè)計(jì)更容易，滿足創(chuàng)新需要。3D打印裝置運(yùn)行前，需要在軟件（Arduino IDE）中載入Marlin，根據(jù)需要修改Marlin中參數(shù)滿足打印需求。

（2）Ramps1.4拓展板。Ramps1.4安插在主控Arduino Mega 2560上，通過(guò)插針相互連接，兩塊板相互配合是為了更好與其它硬件連接，對(duì)控制起到橋梁作用。拓展板接兩個(gè)12V電源，一個(gè)11A，為熱床提供電源，另一個(gè)5A，為擠出機(jī)和電機(jī)以及風(fēng)扇等元器件提供電源。

（3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。A4988是連接42步進(jìn)電機(jī)的，幫助實(shí)現(xiàn)主控板Arduino Mega 2560對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制X、Y和Z三個(gè)軸連接的42步進(jìn)電機(jī)和擠出頭的42步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)作。A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：擁有簡(jiǎn)單的控制界面來(lái)控制電機(jī)的步驟和方向，有5種不同的步進(jìn)模式：完全式，1/2式，1/4式，1/8式和1/16式，可以調(diào)節(jié)電位器，也可以調(diào)整最大電流的輸出，從而得到更高步進(jìn)速率，有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：電機(jī)過(guò)熱立即斷開(kāi)電路、對(duì)交叉電流進(jìn)行保護(hù)和對(duì)欠電壓進(jìn)行鎖定處理，以及防止接地短路和對(duì)加載短路進(jìn)行保護(hù)等等。

4 打印機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

打印裝置軟件部分包括兩大部分：上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件互相配合完成整體軟件部分，通過(guò)運(yùn)行軟件，實(shí)現(xiàn)Arduino Mega 2560主控板與Ramps 1.4拓展板相互配合設(shè)置打印參數(shù)控制打印裝置正常運(yùn)行。首先需要Solidworks三維建模軟件在電腦中完成零件建模，完成3D模型，將文件以STL格式保存，切片軟件Slic3r打開(kāi)STL文件，切片生成代碼，代碼在上位機(jī)軟件上打開(kāi)，連接到Arduino Mega 2560與Ramps 1.4配合板上，Marlin固件為打印裝置下位機(jī)軟件，裝置打印前進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)電腦與打印主機(jī)成功連接后，配合板上燈閃亮。裝置加熱器加熱，待溫度達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)行打印。

Marlin固件直接用于軟件開(kāi)發(fā)，裝置使用Marlin固件時(shí)，需要配合ArduinoIDE軟件，找到Configuration.h文件，配合裝置需要進(jìn)行軟件編程。找到#define Baudrate 250000電腦與打印裝置通過(guò)USB線連接，通信波特率bps，打開(kāi)Pronterface軟件將波特率與前程序設(shè)置為相同，成功連接Arduino Mega 2560主板。上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)運(yùn)行如圖4所示。

圖4 上位機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行圖

5 結(jié)語(yǔ)

文章將3D打印機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改造，應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)使得打印機(jī)的結(jié)構(gòu)更趨于簡(jiǎn)單化，大大簡(jiǎn)化了打印機(jī)的拼裝難度和操作難度，為打印機(jī)進(jìn)入人們的日常生活或提供了條件，文章研究的基于AVR的3D打印機(jī)還具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，即便是沒(méi)有任何桌面級(jí)3D打印機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)的人，也可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)如何進(jìn)行操作。

［1］董江，劉芳，陳歲元，等.銅板上激光熔覆制備Co_Ni_Cu梯度圖層［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，（29）:1581-1584.

項(xiàng)目來(lái)源：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：“模塊化3D打印機(jī)”（201710232052）

何義波（1997-），男，安徽池州人，大學(xué)本科，主要研究方向：農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，精細(xì)灌溉，機(jī)電一體化。

吳志東（1985-），男，講師，在讀博士，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化，機(jī)電一體化系統(tǒng)建模等方面的研究。