基于AVR單片機的模塊化3D打印裝置設計

何義波,吳志東，李東軍，郝 鵬，李鎮洵，郭新龍，朱宇航，萬寶輝

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

基于AVR單片機的模塊化3D打印裝置設計

何義波,吳志東，李東軍，郝 鵬，李鎮洵，郭新龍，朱宇航，萬寶輝

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

對現有的3D打印機進行改造研究，在原有的3D打印機的基礎上加入模塊化的設計，使3D打印功能保持不變但結構更加簡單，操作更加便捷。文章敘述了基于AVR單片機的模塊化3D打印機的構成和工作原理以及設備特性。

AVR單片機；模塊化；3D打印機

當前，3D打印裝置仍然成為一種趨勢，3D打印裝置已經應用于許多科學領域中，尤其在數碼產品開模等方面有很大幫助，可以在幾個小時以內完成模具的印刷，大量的節省產品在市場開發的時間。文章所介紹的3D打印機更具有體積小巧、操作簡單、易于拆卸拼裝等優點，可以減少對人的技術依賴方便操作、減少經濟支出。

1 系統總體構成

3D打印機系統主要由主控制系統、電機驅動系統及上位機指令傳輸系統構成，其中主控系統采用了Arduino Mega 2560微控制器作為控制核心控制整個打印裝置完成特定動作，打印特定文件等。3D打印裝置分為兩大部分，分別是機械部分和電氣部分。機械部分包括傳動部分，電動機，同步帶以及帶輪；電氣部分包括AVR單片機控制電路的電路板。這兩部分結合成為3D打印裝置，使得3D打印裝置可以實現X、Y、Z三軸移動，以及人為自由遠程控制3D打印，基本控制流程如圖2所示。

圖1 打印機3D圖

圖2 基本控制流程

2 技術路線

為了更好地設計打印裝置，擬定裝置總體技術路線，如圖3所示。

圖3 技術路線

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，數字I/O引腳54個，每個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，程序開發、電路圖設計更容易，滿足創新需要。3D打印裝置運行前，需要在軟件（Arduino IDE）中載入Marlin，根據需要修改Marlin中參數滿足打印需求。

（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，對控制起到橋梁作用。拓展板接兩個12V電源，一個11A，為熱床提供電源，另一個5A，為擠出機和電機以及風扇等元器件提供電源。

（3）步進電機驅動模塊。A4988是連接42步進電機的，幫助實現主控板Arduino Mega 2560對步進電機進行控制，控制X、Y和Z三個軸連接的42步進電機和擠出頭的42步進電機進行運作。A4988電機驅動的特點：擁有簡單的控制界面來控制電機的步驟和方向，有5種不同的步進模式：完全式，1/2式，1/4式，1/8式和1/16式，可以調節電位器，也可以調整最大電流的輸出，從而得到更高步進速率，有很多優點，比如：電機過熱立即斷開電路、對交叉電流進行保護和對欠電壓進行鎖定處理，以及防止接地短路和對加載短路進行保護等等。

4 打印機系統軟件設計

打印裝置軟件部分包括兩大部分：上位機軟件和下位機軟件互相配合完成整體軟件部分，通過運行軟件，實現Arduino Mega 2560主控板與Ramps 1.4拓展板相互配合設置打印參數控制打印裝置正常運行。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STL文件，切片生成代碼，代碼在上位機軟件上打開，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軟件，裝置打印前進行參數設置，實現電腦與打印主機成功連接后，配合板上燈閃亮。裝置加熱器加熱，待溫度達到設定溫度后進行打印。

Marlin固件直接用于軟件開發，裝置使用Marlin固件時，需要配合ArduinoIDE軟件，找到Configuration.h文件，配合裝置需要進行軟件編程。找到#define Baudrate 250000電腦與打印裝置通過USB線連接，通信波特率bps，打開Pronterface軟件將波特率與前程序設置為相同，成功連接Arduino Mega 2560主板。上位機軟件實時運行如圖4所示。

圖4 上位機實時運行圖

5 結語

文章將3D打印機進行了結構上的改造，應用了模塊化設計使得打印機的結構更趨于簡單化，大大簡化了打印機的拼裝難度和操作難度，為打印機進入人們的日常生活或提供了條件，文章研究的基于AVR的3D打印機還具有操作簡單的優勢，即便是沒有任何桌面級3D打印機操作經驗的人，也可在短時間內學會如何進行操作。

［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］.東北大學學報（自然科學版），2008，（29）:1581-1584.

項目來源：大學生創新創業訓練計劃項目：“模塊化3D打印機”（201710232052）

何義波（1997-），男，安徽池州人，大學本科，主要研究方向：農業自動化，精細灌溉，機電一體化。

吳志東（1985-），男，講師，在讀博士，主要從事農業電氣化與自動化，機電一體化系統建模等方面的研究。