基于AVR单片机的模块化3D打印装置设计

2017-12-13何义波吴志东李东军李镇洵郭新龙朱宇航万宝辉

时代农机 2017年9期

关键词：机软件齐齐哈尔打印机

何义波,吴志东，李东军，郝鹏，李镇洵，郭新龙，朱宇航，万宝辉

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

基于AVR单片机的模块化3D打印装置设计

何义波,吴志东，李东军，郝鹏，李镇洵，郭新龙，朱宇航，万宝辉

（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161000）

对现有的3D打印机进行改造研究，在原有的3D打印机的基础上加入模块化的设计，使3D打印功能保持不变但结构更加简单，操作更加便捷。文章叙述了基于AVR单片机的模块化3D打印机的构成和工作原理以及设备特性。

AVR单片机；模块化；3D打印机

当前，3D打印装置仍然成为一种趋势，3D打印装置已经应用于许多科学领域中，尤其在数码产品开模等方面有很大帮助，可以在几个小时以内完成模具的印刷，大量的节省产品在市场开发的时间。文章所介绍的3D打印机更具有体积小巧、操作简单、易于拆卸拼装等优点，可以减少对人的技术依赖方便操作、减少经济支出。

1 系统总体构成

3D打印机系统主要由主控制系统、电机驱动系统及上位机指令传输系统构成，其中主控系统采用了Arduino Mega 2560微控制器作为控制核心控制整个打印装置完成特定动作，打印特定文件等。3D打印装置分为两大部分，分别是机械部分和电气部分。机械部分包括传动部分，电动机，同步带以及带轮；电气部分包括AVR单片机控制电路的电路板。这两部分结合成为3D打印装置，使得3D打印装置可以实现X、Y、Z三轴移动，以及人为自由远程控制3D打印，基本控制流程如图2所示。

图1 打印机3D图

图2 基本控制流程

2 技术路线

为了更好地设计打印装置，拟定装置总体技术路线，如图3所示。

图3 技术路线

3 功能模块选择

（1）Arduino Mega2560微控制器。Arduino Mega2560工作电压5V，模拟输入引脚16个，数字I/O引脚54个，每个I/O引脚直流电流50mA，Arduino便捷灵活、容易上手，包含硬件和软件，程序开发、电路图设计更容易，满足创新需要。3D打印装置运行前，需要在软件（Arduino IDE）中载入Marlin，根据需要修改Marlin中参数满足打印需求。

（2）Ramps1.4拓展板。Ramps1.4安插在主控Arduino Mega 2560上，通过插针相互连接，两块板相互配合是为了更好与其它硬件连接，对控制起到桥梁作用。拓展板接两个12V电源，一个11A，为热床提供电源，另一个5A，为挤出机和电机以及风扇等元器件提供电源。

（3）步进电机驱动模块。A4988是连接42步进电机的，帮助实现主控板Arduino Mega 2560对步进电机进行控制，控制X、Y和Z三个轴连接的42步进电机和挤出头的42步进电机进行运作。A4988电机驱动的特点：拥有简单的控制界面来控制电机的步骤和方向，有5种不同的步进模式：完全式，1/2式，1/4式，1/8式和1/16式，可以调节电位器，也可以调整最大电流的输出，从而得到更高步进速率，有很多优点，比如：电机过热立即断开电路、对交叉电流进行保护和对欠电压进行锁定处理，以及防止接地短路和对加载短路进行保护等等。

4 打印机系统软件设计

打印装置软件部分包括两大部分：上位机软件和下位机软件互相配合完成整体软件部分，通过运行软件，实现Arduino Mega 2560主控板与Ramps 1.4拓展板相互配合设置打印参数控制打印装置正常运行。首先需要Solidworks三维建模软件在电脑中完成零件建模，完成3D模型，将文件以STL格式保存，切片软件Slic3r打开STL文件，切片生成代码，代码在上位机软件上打开，连接到Arduino Mega 2560与Ramps 1.4配合板上，Marlin固件为打印装置下位机软件，装置打印前进行参数设置，实现电脑与打印主机成功连接后，配合板上灯闪亮。装置加热器加热，待温度达到设定温度后进行打印。

Marlin固件直接用于软件开发，装置使用Marlin固件时，需要配合ArduinoIDE软件，找到Configuration.h文件，配合装置需要进行软件编程。找到#define Baudrate 250000电脑与打印装置通过USB线连接，通信波特率bps，打开Pronterface软件将波特率与前程序设置为相同，成功连接Arduino Mega 2560主板。上位机软件实时运行如图4所示。