Установка и настройка Grbl – urpylka՚s blog!

Почему grbl?

В плане выбора прошивок я рассматривал легкие opensource проекты. А в качестве контроллера изначально тыкнул пальцем в Arduino Uno просто потому что это самое дешевое и простое решение. И я хочу доказать, что даже оно на голову круче чем вариант со старым компом с LPT портом, который использовался на моем станке раньше.

На 8-битный мк Atmega328p который используется в Arduino Uno самыми известными прошивками являются Marlin и Grbl. При этом Marlin давно разросся и начиная со второй версии уже не подходит на 8-битные мк. В тоже время Grbl поддерживается по сей день и является узким и производительным решением под 8-битный AVR контроллер.

Описание параметров grbl

Примечание! Разница между Grbl v0.9 и Grbl v1.1 заключается только в том, что изменился вывод статуса командой $10 и были добавлены команды для новых параметров $30 / $31 — максимальные/минимальные обороты шпинделя и $32 — работа в режиме лазера. Все остальное — осталось без изменений.

$0 – Длительность шагового импульса, микросекунды

Драйверы шаговых двигателей имеют ограничение на минимальную длительность шагового импульса. Уточните необходимое значение можно в документации на драйвер или перебором различных вариантов. Необходимо подобрать максимально короткий импульс, которые драйвер способен надежно распознавать.

Если импульсы будут слишком длинные, вы можете столкнуться с проблемами при высоких скоростях подачи и большой частоте импульсов, возникающими из-за того, что идущие подряд импульсы начнут перекрывать друг друга. Рекомендуется использовать длительности в районе 10 микросекунд, что является значением по-умолчанию.

$1 – Задержка отключения двигателей, миллисекунды

Параметр меняется от 0 до 255.

• 0 — напряжение снимается сразу;
• 255 — напряжение не снимается никогда.

Каждый раз, когда ваши шаговые двигатели заканчивают движение и останавливаются, Grbl делает задержку на указанный интервал времени перед отключением питания двигателей. Вы можете всегда держать двигатели включенными (с подачей питания для удержания текущего положения) установив значение этого параметра в максимально возможное значение, равное 255 миллисекунд.

Отключение призвано помочь для тех типов двигателей, которые не следует держать включенными в течении долгого периода времени без какой-либо работы. И еще, имейте в виду, что в процессе отключения некоторые драйверы шаговых двигателей не запоминают на каком микрошаге они остановились, из-за этого вы можете стать свидетелем пропуска шагов при отключении/включении двигателей. В этом случае просто держите двигатели всегда включенными, для этого выполните $1=255.

$2 – Инверсия порта шаговых испульсов, маска

Этот параметр управляет инверсией сигнала шаговых импульсов (вывод STEP). По-умолчанию, сигнал шагового импульса начинается в нормально-низком состоянии и переключается в высокое на период импульса. По истечении времени, заданного параметром $0, вывод переключается обратно в низкое состояние, вплоть до следующего испульса.

В режиме инверсии, шаговый импульс переключается из нормально-высокого в низкое на период импульса, а потом возвращается обратно в высокое состояние. Большинству пользователей не требуется менять значение этого параметра, но это может оказаться полезным, если конкретные драйверы ШД этого требуют.

Данный параметр задается по следующей маске:

$3 – Инверсия порта направления, маска

Этот параметр инвертирует сигнал направления для каждой из осей (вывод DIR). По-умолчанию, Grbl предполагает, что ось движется в положительном направлении, когда уровень сигнала направления низкий, и в отрицательном — когда высокий. Часто оси в некоторых станках движутся не так. Этот параметр изменит инвертирует сигнал направления для тех осей, что движутся в обратную сторону.

Положительное направление, когда значение перемещения по осям растёт.
Например: X=1..2..3..4..5

Данный параметр задается по той же маске, что и $2.

$4 – Инверсия сигнала включения шаговых двигателей, логический

По умолчанию, высокий уровень сигнала включения шаговых двигателей (вывод ENABLE) соответствует выключению, а низкий — включению. Если ваша сборка требует обратного, просто инвертируйте сигнал, выполнив $4=1. Отключается с помощью $4=0.

Может потребоваться перезапуск контроллера, чтобы изменения вступили в силу.

$5 – Инверсия входов концевых выключателей, логический

По умолчанию, входы концевых выключателей подтягиваются к питанию встроенным резистором подтяжки Arduino. Когда сигнал на входе принимает низкий уровень, Grbl рассматривает это как срабатывание выключателя. Для противоположного поведения, просто инвертируйте входы, введя $5=1. Отключается командой $5=0. Может потребоваться перезапуск контроллера, чтобы изменения вступили в силу.

Если вы инвертируете входы концевых выключателей, потребуется внешний резистор подтяжки к земле, чтобы предотвратить перегрузку по току и сгоранию входа.

$6 – Инверсия входа контактного датчика, логический

По умолчанию, вход контактного датчика подтягивается к питанию встроенным резистором подтяжки Arduino. Когда сигнал на входе принимает низкий уровень, Grbl рассматривает это как срабатывание датчика. Для противоположного поведения, просто инвертируйте вход контактного датчика, введя $6=1. Отключается командой $6=0.

Может потребоваться перезапуск контроллера, чтобы изменения втупили в силу.

Если вы инвертируете вход контактного датчика, потребуется внешний резистор подтяжки к земле, чтобы предотвратить перегрузку по току и сгоранию входа.

$10 – Отчет состояния, маска

Параметр определяет какие данные реального времени вернет Grbl, когда пользователь запрашивает статус командой ?.

Эти данные включают в себя текущее состояние, текущие координаты, текущую скорость подачи, значения на входах, текущие переопределенные значения, состояния буферов, и номер выполняемой команды G-кода (если было включено при компиляции).

По-умолчанию новая реализация вывода отчета в Grbl v1.1 включает в себя вывод информации практически обо всем в стандартном выводе статуса. Множество данных скрывается и выводятся только тогда, когда их значение меняется. Это существенно увеличивает производительность по сравнению со старым способом и позволяет значительно быстрее получать обновленные данные о станке, причем в большем объеме.

Для простоты и удобства, Grbl v1.1 имеет всего две опции для данного параметра. Обе используюся пользователями и разработчиками в основном для отладочных целей. Текущие координаты могут быть настроены на вывод либо машинных координат MPos, либо рабочих WPos, но не обеих одновременно.

Включение рабочих координат полезно в некоторых случаях при прямом управлении через последовательный порт, но машинные координаты необходимо использовать по-умолчанию. Может быть включен вывод информации об использования буфера в планировщике и приемнике последовательного порта Grbl.

Используйте таблицу ниже для определения включаемых/отключаемых параметров.

Просто сложите значения в строках, содержащих включаемые параметры и сохраните в Grbl полученное значение. Например, отчет, содержащий машинные координаты без данных о буфере соответствует параметру $10=1. Рабочие координаты и информация о буфере соответствуют параметру $10=2.

$11 – Отклонение на стыках, мм

Заданная величина отклонения на стыках, используется модулем управления ускорением для определения скорости перемещения через стыки отрезков запрограммированного в G-коде пути. Например, если путь в G-коде содержит острый выступ с углом в 10 градусов, и станок двигается к нему на максимальной скорости, данный параметр поможет определить насколько нужно притормозить, чтобы выполнить поворот без потери шагов.

Вычисление выполняется доволно сложным образом, но в целом, более высокие значение дают более высокую скорость прохождения углов, повышая риск потерять шаги и сбить позиционирование. Меньшие значение делают модуль управления более аккуратным и приводят к более аккуратной и медленной обработке углов.

Так что, если вдруг столкнетесь с проблемой слишком быстрой обработкой углов, уменьшите значение параметра, чтобы заставить станок притормаживать перед прохождением углов. Если хотите, чтобы станок быстрее проходил через стыки, необходимо увеличить значение параметра.

Автономный лазерный чпу гравер на esp32_grbl

Мои параметры

Я пришел к следующему набору параметров (показаны только отличиные от базовых значения):

Общие:

• $0=15 – длина импульса на шаговик, поставил как в документации к PLC330.
• $1=255 – запрет на отключение двигателей. При тестах по расчету коэфициента steps/mm ось не останавливалась продолжая движение по энерции. Очевидно, что стандартных 25мс было недостаточно для остановки. Поэтому я выбрал никогда не снимать питание с двигателей, так пропало движение оси по энерции. Также на PLC330 есть автоматическое снижение тока на двигателе до 300мА в случае отсуствия новых команд в течении нескольких секунд. Это сыграло на руку.
• $3=3 – инвертировал движение по оси X и Y (вместо этого можно просто поменять подключение обмоток шаговых моторов на драйвере, но я сделал чтобы все по цветам было одинаково).
• $4=1 – инвертировал пин ENABLE, тк в порту LPT нормальная логика (высокий уровень соотвествует включению и наоборот).
• $5=1 – инвертировал пины концевиков, тк в порту LPT нормальная логика.
• $10=1 – добавил в вывод машинные координаты.

Работа с концевиками:

• $21=1 – включил аварийную остановку при срабатывании концевиков.
• $22=1 – включил алгортим поиска начальной точки по концевикам.
• $27=2 – увеличил отъезд от концевика на 2мм, тк рама немного изогнута и при алгоритме поиска нулевой точки, иногда срабатывал концевик по X.

Линейные коэффициенты, скорости и границы:

• $100=78.353, $101=78.353, $102=1066.666 – задал количество шагов на 1мм перемещения по осям X, Y, Z.
• $110=1000, $111=1000 – увеличил скорость перемещения по осям X, Y до 1000mm/min.
• $130=500, $131=990, $132=200 задал максимальные перемещения по всем осям.

Настройка grbl

Итак, станок собран, контроллер подключен, прошивка залита. После подключения контроллера к компьютеру по USB и подключения к UART консоли, контроллер должен написать приветственную строку:

Введите $ и нажмите Enter, чтобы Grbl вывел подсказку. На что Grbl должен вывести следующее:

$-команды используются для просмотра или изменения параметров Grbl, а также запуска процедуры поиска начальной позиции.

Последние четыре команды (которые начинаются не со знака $) – это команды управления в реальном времени, которые могут быть отправлены в любой момент, независимо от того, что в настоящее время делает Grbl. Они либо тут же меняют поведение работающего Grbl или сразу же выводят важные в реальном времени данные, например текущие координаты (aka DRO).

Я пришел к выводу, что для настройки станка, нужно понимать каждый параметр, поэтому настройку станка вижу пошаговым изучением параметров и, в случае необходимости, их изменением.

Настройка алгоритма поиска домашней точки

По-правильному нужно установить концевики в максимальных положениях осей. Это позволит переместиться в нулевую точку без срабатывания концевых выключателей. Если это не так то, расположение концевых выключателей можно инвертировать использовав параметр $23. В этом случае нужно помнить про то, что, послав станок в начальную точку, он заденет концевой выключатель.

Тут нужно сделать ещё одно замечание: при инвертировании расположения концевых выключателей это смещает машинную систему координат относительно нуля, на заднное параметрами $130, $131, $132 расстояния минус расстояние заданное параметром $27.

В нормальном состояннии домашняя точка определяемая концевыми выключателями находятся в нуле, а вся рабочая зона в отрицательном значении.

Параметры grbl

Для просмотра параметров введите $$ и нажмите Enter. Grbl ответит списком текущих системных настроек. В примере ниже настройки по умолчанию.

$0=10 (Step pulse time, microseconds)
$1=25 (Step idle delay, milliseconds)
$2=0 (Step pulse invert, mask)
$3=0 (Step direction invert, mask)
$4=0 (Invert step enable pin, boolean)
$5=0 (Invert limit pins, boolean)
$6=0 (Invert probe pin, boolean)
$10=1 (Status report options, mask)
$11=0.010 (Junction deviation, millimeters)
$12=0.002 (Arc tolerance, millimeters)
$13=0 (Report in inches, boolean)
$20=0 (Soft limits enable, boolean)
$21=0 (Hard limits enable, boolean)
$22=0 (Homing cycle enable, boolean)
$23=0 (Homing direction invert, mask)
$24=25.000 (Homing locate feed rate, mm/min)
$25=500.000 (Homing search seek rate, mm/min)
$26=250 (Homing switch debounce delay, milliseconds)
$27=1.000 (Homing switch pull-off distance, millimeters)
$30=1000 (Maximum spindle speed, RPM)
$31=0 (Minimum spindle speed, RPM)
$32=0 (Laser-mode enable, boolean)
$100=250.000 (X-axis travel resolution, step/mm)
$101=250.000 (Y-axis travel resolution, step/mm)
$102=250.000 (Z-axis travel resolution, step/mm)
$110=500.000 (X-axis maximum rate, mm/min)
$111=500.000 (Y-axis maximum rate, mm/min)
$112=500.000 (Z-axis maximum rate, mm/min)
$120=10.000 (X-axis acceleration, mm/sec^2)
$121=10.000 (Y-axis acceleration, mm/sec^2)
$122=10.000 (Z-axis acceleration, mm/sec^2)
$130=200.000 (X-axis maximum travel, millimeters)
$131=200.000 (Y-axis maximum travel, millimeters)
$132=200.000 (Z-axis maximum travel, millimeters)

Все параметры хранятся в энергонезависимой памяти мк – EEPROM. Так что они будут автоматически загружены при следующем включении вашей платы Arduino.

$x=val описывает отдельный параметр настроек, причем val это значение параметра.

В предыдущих версиях Grbl каждый параметр имел после себя описание в круглых скобках. Но в Grbl, начиная с v1.1, этого, к сожалению, больше нет. Так было сделано, чтобы освободить flash-память для добавления новых возможностей, появившихся в v1.1. Однако, большинство хороших графических оболочек (GUI) добавляют для вас описания к параметрам, например используемая мной CNCjs.

Для изменения параметра необходимо выполнить команду $x=val. Например, для изменения длины шагового импульса в микросекундах на значение 10мкс, нужно ввести $0=10, завершив команду нажатием клавищи Enter. Если все прошло успешно, Grbl ответит ‘ok’, новые настройки будут сохранены в EEPROM и будут использоваться вплоть до следующего их изменения.

Вы можете перепроверить, что Grbl получил и сохранил верное значение параметра, повторно введя команду $$ для просмотра параметров из памяти.

Расчет количества шагов на 1мм пермещения

Я добавил этот пункт, тк считаю важным понимать откуда берутся параметры 100-102 и что их можно рассчитать математически, а не подбирать, выполняя перещение станка и замеряя фактическое перещение.

На примере моего станка это очень удобно, тк он выполнен на двух видах линейных передач: трапецеидальный винт (на оси Z) и зубчатая рейка (на остальных осях). Подробнее о комплектующих моего станка в первой статье из этой серии.

Начнем с расчета трапецеидального винта. Это однозаходный винт с правой резьбой, диаметром 10мм и ходом 3мм. Ход винта это перемещение гайки при одном полном обороте. Подробнее о типах трапецеидальных винтов в этом видео.

На драйверах двигателя у меня включено деление шага 1/16, а угол двигателя 57HS76 на шаг составляет 1.8°. Это означает что двигатель совершает один оборот за 360° / 1.8° = 200шагов. Но так как у меня один шаг делится на 16 => 200×16 = 3200 импусов на один оборот.

Тоесть у нас получается простая пропорция перемещение на 3мм за 3200 импульсов, разделив количество импульсов на перещение получим 1066.666 импульсов на 1мм.

С зубчатой передачей чуть сложнее. Расчитаем диаметр шестерни по формуле: D = m × z, где m – модуль шестерни (в моём случае равный 1), z – количество зубов (в моём случае 13). Получается диамет моей шестерни равен 13мм.

По аналогии расчитываем пропорцию для перемещения на 1мм => 3200 / 40.84 = 78.353.

Система координат

Для начала советую определить переднюю сторону станка. Это одна из сторон параллельных порталу. Затем в левом углу разместите начало координат. Потом вектора осей исходящие из него:

• вектор оси X – ось расположенная на портале;
• вектор оси Y – ось по которой перемещается портал;
• вектор оси Z — ось рабочего инструмента, направлена вверх от рабочей поверхности (ноль будет в самом низком положении инструмента).

Такое расположение осей будет легко сопоставить с тем, которое вы будете использовать при моделировании изделий и составлении УП. А также в принципе позволит легко ориентироваться в координатах станка.

Это расположение осей также задекларировано стандартом DIN 66217, подробнее в этом руководстве.