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1、第7章基于Arduino控制的3D打印机项目,目录,7.1 设计思想 7.2 材料清单 7.3 安装过程 7.4 固件详解 7.5 打印过程的注意事项,7.1 设计思想,3D打印技术的出现,为各行各业乃至于这个世界提供了无限可能。3D打印机让创造离人们生活从未来，它迅速的拉近了梦想构思和现实的距离，同时也快速推进了各行业的创新速度。3D打印机被誉为第三次工业革命重要标志，3D打印以其个性化、低消耗、小批量、高难度的制造新理念，正在颠覆传统的锻造、切削加工制造模式，给大规模生产线的工业组织方式带来了重大变革。目前，3D打印已形成了从数据采集、材料、打印设备到应用服务的较为完整的产业链，被广泛应用
2、于航空航天、汽车制造、医疗器械、个人消费、教育科研和军工生产等领域。,7.2 材料清单,7.3 安装过程,首先将所有的型材进行分类，找出X型材（245mm）、Y型材（385mm）、M5螺丝、M5T螺母和角件，如图7-1所示。用螺丝和螺母穿过角件并固定好X、Y型材，安装图7-2的摆放方式进行固定安装，安装的时候要注意不要将螺丝拧的特别紧，避免出现脱扣的情况出现。应该预留一定的松紧度，方便随时调整对其，确认角度没有问题后将螺丝拧紧，确保结构牢固。,7.3.1 机架安装,图7-1 分类图,图7-2 X、Y型材安装图,找出横梁型材（410mm）1根、Z轴型材(310mm)2根，角件2个，M5螺丝2个，
3、M5T螺母2个，M5扳手1个。将上一步的底座四角朝下，再长轴上找出255mm的位置上安装Z轴，安装的时候要注意两个Z轴型材的位置是一样的，如图7-3所示。,图7-3 X、Y、Z型材安装图,固定好两个Z轴型材后，开始安装横梁。横梁与Z轴固定的位置应该留有62mm的距离，并注意两边距离相同。安装如图7-4所示。,图7-4 横梁安装图,上述步骤完成之后开始安装料架，料架安装在横梁上，应该距离横梁的一侧245mm ，具体安装如图7-5所示。到这步为止铝型材框结构安装完毕。,图7-5 料架安装图,7.3.2 平台安装,1.平台安装 找出铝板、直线轴承3个、打印件4个、M3螺丝8个、M3T螺母8个、扎带6
4、个。首先用扎带固定直线轴承在打印件上，之后减掉多余的扎带。然后将三个直线轴承固定在铝板上。如图7-6所示。,图7-6 直线轴承固定示意图,2.X平台安装 准备直线轴承3个，打印件1个，扎带6个。与X轴安装方法类似，将直线轴承塞入打印件，然后用M3和M3T将其固定在打印件上。如图7-7所示。,图7-7 X平台安装图（1）,准备好电机1个，和与其配套的打印件、直线轴承2个、限位开关1个、同步轮1个、热缩管1段。用杜邦线连接限位开关，常开脚并用热缩管包住。如图7-8所示。,图7-8 X平台安装图（2）,将电机用M3螺丝和M3T螺母固定在配套的打印件上，确定稳固后将同步轮固定在电机上。这时应该特别注意
5、，同步轮的齿轮一定要在打印件的空隙正中处，并能保证正常转动。上述步骤完成后将处理好的限位开关用扎带固定在打印件上，注意扎带要从打印件的空隙处穿过，完成的电机如7-9所示。,图7-9 X平台安装图（3）,找出最短的两根光轴，与上一步的半成件进行组装。此步骤完成后X轴平台安装完毕。完成图如7-10所示。,图7-10 X平台安装图（4）,3.Z平台安装,首先按照图7-11准备好想要材料。将联轴器和电机组装到一起，这个过程要注意因为联轴器顶丝打在电机D面内部两端的直径不同，需要插入直径小的部分中，如图7-12所示。完成之后贴近铝型材进行固定，拼装后的完成图如7-13所示。,图7-12 联轴器和电机组装
6、图,图7-11 材料图,图7-13 固定图,找出剩余的两根光轴和丝杆，组装成图7-14的样式。安装过程中要特别注意，光杆要轻缓的穿过直线轴承。如果遇到阻塞，可以适当的调节期间的宽度，但是动作一定要轻缓。,图7-14 光轴与丝杆组装图,找出同步带、扎带、张紧弹簧，按图7-15的方法和Y轴同步带进行组装，一定要注意张紧弹簧的安装位置。,图7-15 与Y轴同步带组装图,4.机械杂件的安装,完成上述安装步骤之后是进行热床的安装，准备好将热板、4个弹簧、4个M3自锁螺母、4个M3螺丝。如图7-16所示。用M3螺丝和螺母插入打印件，将热板固定在铁板上，拧紧4个角的螺丝。然后进行限位开关的安装，注意拧的过程
7、不要太紧，因为打印时可能还需要进行调试。如7-17所示。,图7-16 材料图,图7-17 热板固定图,接下来安装挤出机和电源，这两部分相对较为简单，按照图7-18、7-19进行安装。,图7-18 挤出机安装图,图7-19 电源安装图,7.3.3 控制板安装及布线,1.主控板安装 本打印的核心控制单元是Arduino mega 2560, mega 2560板子在3d打印机中相当于大脑，控制这所有的3d打印配件来完成复杂的打印工作，但mega2560不能直接使用，需要上传（upload）固件（firmware）才可以使用，本项目采用的固件是Marlin 固件会在下节进行详细的介绍。此外mega2
8、560需要和Reprap Ramps 1.4扩展板进行组合，通过扩展板完成对3D打印机的控制。 mega2560和Reprap Ramps 1.4只需将后者的引脚插入2560即可，具体如图7-20所示。两者组合的时候要注意不要特别用力，如果某些引脚出现歪了的情况，只需将其掰正即可，不影响正常使用。,图7-20 引脚插入图,组合完成之后需要进行Reprap Ramps 1.4的相关电路连接，具体连接示意图如图7-21所示。,图7-21 连接示意图,7.4 固件详解,7.4.1概述 Sprinter 固件是目前用的比较多的 3D 打印机固件，而 Marlin 固件和Repetier-firmwar
9、e 固件都是由其派生而来。而且这两款固件的用户群非常活跃，而 Sprinter固件已经没有人维护了。在这二者中，Marlin 固件的使用更加广泛，很多打印机控制软件都兼容 Marlin 固件。一般用户在使用 Marlin 固件的时候只需要改变一下 Configuration.h 文件中的一些参数即可,非常方便。本节主要介绍用户设置的基本信息、怎么运用这些设置、根据不同的需求制定特色功能。Marlin 固件可在本书配套资源中找到。固件实际上是通过特定软件写入ArduinoMEGA 2560内部的，实际上是通过ArduinoMEGA 2560 发送各种控制指令对打印件进行三轴的控制。,7.4.2
10、Marlin 固件特点,Marlin 相对于 Sprinter 有很多优点，具体为以下几点： 1. 预加速功能（Look-ahead）： Sprinter 在每个角处必须使打印机先停下然后再加速继续运行，而预加速只会减速或加速到某一个速度值，从而速度的矢量变化不会超过 xy_jerk_velocity。要达到这样的效果，必须预先处理下一步的运动。这样一来加快了打印速度，而且在拐角处减少耗材的堆积，曲线打印更加平滑。 2. 支持圆弧（Arc Support）： Marlin 固件可以自动调整分辨率去以接近恒定速度打印一段圆弧，得到最平滑的弧线。这样做的另一个优点是减少串口通信量。因为通过 1 条
11、 G2/G3 指令即可打印圆弧，而不用通过多条 G1 指令。,3. 温度多重采样（Temperature Oversampling）： 为了降低噪声的干扰，使PID温度控制更加有效，Marlin采样16次取平均值去计算温度。 4. 自动调节温度（AutoTemp）： 当打印任务要求挤出速度有较大的变化时，或者实时改变打印速度，那么打印速度也需要随之改变。通常情况下，较高的打印速度要求较高的温度，Marlin 可以使用 M10S B F指令去自动控制温度。使用不带 F 参数的 M109 指令不会自动调节温度。否则，Marlin 会计算缓存中所有移指令中最大的挤出速度（单位是 steps/sec）
12、，即所谓的“maxerate”。然后目标温度值通过公式 T = tempmin + factor*maxerate，同时限制在最小温度（tempmin）和最大温度（tempmax）之间。如果目标温度小于最小温度，那么自动调节将不起作用。最理想的情况下，用户可以不用去控制温度，只需要在开始使用 M109 S B F，并在结束时使用M109 S0。,5. 非易失存储器（EEPROM）： Marlin 固件将一些常用的参数，比如加速度、最大速度、各轴运动单位等存储在 EEPROM中，用户可以在校准打印机的时候调整这些参数，然后存储到 EEPROM 中，这些改变在打印机重启之后生效而且永久保存。 6.
13、 液晶显示器菜单（LCD Menu）： 如果硬件支持，用户可以构建一个脱机智能控制器（LCD 屏+SD 卡槽+编码器+按键）。用户可以通过液晶显示器菜单实时调整温度、加速度、速度、流量倍率，选择并打印 SD卡中的 G-Code 文件，预加热，禁用步进电机和其他操作。比较常用的有 LCD2004 只能控制器和 LCD12864 只能控制器。,7.SD 卡内支持文件夹（SD card folders）： Marlin 固件可以读取 SD 卡中子文件夹内的 G-Code 文件，不必是根目录下的文件。 8.SD 卡自动打印（SD card auto print）： 若 SD 卡根目录中有文件名为 au
14、to0-9.g 的文件时，打印机会在开机后自动开始打印该文件。 9. 限位开关触发记录（Endstop trigger reporting）： 如果打印机运行过程中碰到了限位开关，那么 Marlin 会将限位开关触发的位置发送到串口，并给出一个警告。这对于用户分析打印过程中遇到的问题是很有用的。,10. 编码规范（Coding paradigm）： Marlin 固件采用模块化编程方式，让用户可以清晰地理解整个程序。这为以后将固件升级到 ARM 系统提供很大的方便。 11. 基于中断的温度测量（Interrupt based temperature measurements）： 一路中断去处理
15、 ADC 转换和检查温度变化，这样就减少了单片机资源的使用。 12. 支持多种机械结构： 普通的 XYZ 正交机械，CoreXY 机械，Delta 机械以及 SCARA 机械。,7.4.3基本配置,使用 Arduino IDE 打开 marlin.ino，切换到 Configuration.h 即可查看并修改该文件。或者使用任何一款文本编辑器（notepad,notpad+等）直接打开 Configuration.h 也可以。Marlin固件的配置主要包含一下几个方面： 1. 通讯波特率 2. 主板类型，所使用的主板类型 3. 温度传感器类型，包括挤出头温度传感器和加热床的温度传感器 4. 温
16、度配置，包括喷头温度和加热床温度,5. PID 温控参数，包括喷头温度控制和加热床温度控制 6. 限位开关 7. 4 个轴步进电机方向 8.X/Y/Z 三个坐标轴的初始位置 9. 打印机运动范围 10. 自动调平 11. 运动速度 12. 各轴运动分辨率 13. 脱机控制器,根据经验来说，Marlin 固件中的 Configuration.h 将各个配置模块化，非常便于读及修改，而且注释非常详细，英文好的同学可以很容易地理解各参数的意义。注意到 Marlin固件使用 C 语言编写，“/”后面的是注释语句，不会影响代码的作用。另外 Marlin 固件中大量使用#define，简单来讲，就是定义的意思，包括定义某个参数的数值，定义某个参数否存在。 最开始的两行非注释语句是定义固件的版本和作者。缺省的版本号就是编译时间，这可以不用修改，只需要把作者改为自己的名字即可，注意不能包含中文，不然会乱码。 #define STRING_VERSION_CONFIG_H _DATE_ _TIME_ / build date and time #define STRI
