【花雕动手做】尝试手搓基于Arduino GRBL的2D笔式绘图写字机- Makelog(造物记)

使用2020和2040铝型材，组装好的机子（V1版本），大致是这个样子

V2版本有一些小的改动，主要是增加笔夹子

关注了二个版本，是因为各有利弊，V1算是开源的（主要指3D打印结构件资料），但组装资料少些；V2的3D结构件资料需要六欧元（无法落实），结构有进步，组装资料比较多（可以供参考）。

一、Arduino Grbl相关软件安装与选择
Grbl 是一个开源的嵌入式 CNC 铣床控制器，运行在 Arduino 上。以下是关于 Grbl 的一些关键信息：
1）兼容性：Grbl 可以在标准的 Arduino 板（如 Uno）上运行，使用 Atmega 328 处理器。
2）功能：它支持符合标准的 G 代码，包括弧线、圆和螺旋运动。Grbl 包含完整的加速度管理和前瞻性控制，以实现平滑的转角。
3）性能：Grbl 实现了精确的定时和异步操作，保持高达 30 kHz 的稳定、无抖动的控制脉冲。
4）许可证：Grbl 是根据 GPLv3 许可证发布的免费软件。
5）开发者：Grbl 是由国外多位贡献者开发的，包括 Sungeun (Sonny) K. Jeon 和 Simen Svale Skogsrud。

1、安装Grbl库
打开https://github.com/，搜索：grbl

然后，打开Arduino IDE
项目——加载库——添加.zip库——下载——grbl-master ——打开grbl

最后，打开文件——示例——第三方库——grbl——grblUpload
（说明：Do not alter this file!，请勿更改此文件！）

接上Arduino uno开发板，设置端口，上传文件，烧录成功，见下图

验证，打开串口监视器，波特率设为115200，显示——Grbl 0.9j ['$' for help]，版本为0.9

发送美元符号“$”，询问状态，回复如下

再发送二个美元符号“$$”，可以到了解更多参数，至此完成安装grbl库。

2、串口之美元符号“$”引出来的G语言

把串口信息简单的翻译了一下：

$$（查看Grbl设置）
$#（查看#参数）
$G（视图解析器状态）
$I（查看构建信息）
$N（查看启动块）
$x=值（保存Grbl设置）
$Nx=行（保存启动块）
$C（检查gcode模式）
$X（关闭报警锁）
H（运行归位循环）
~（循环开始）
! （进料保持）
? （当前状态）
ctrl-x（重置Grbl）

具体解释，就是关于 Grbl 的一些常用指令如下：

1、查看 Grbl 设置：
$$：查看 Grbl 的设置。
$#：查看参数数量。

2、查看状态和信息：
$G：查看解析器状态。
$I：查看 Grbl 版本信息。
$N：查看启动块（startup blocks）。

3、保存设置和启动块：
$x=value：保存 Grbl 设置，其中 x 是设置的编号，value 是要设置的值。
$Nx=line：保存启动块，其中 N 是块的编号，line 是启动块的内容。

4、其他操作：
$C：检查 G 代码模式。
$X：解除报警锁定。
H：运行归零循环（homing cycle）。
~：开始运行。
!：暂停进给。
?：查看当前状态。
ctrl-x：重置 Grbl。

这些指令可以帮助你在使用 Grbl 控制器时进行设置、查看状态和执行操作。

串口发送二个美元符号“$$”之后，回复的是：
$0=10 (step pulse, usec)
$1=25 (step idle delay, msec)
$2=0 (step port invert mask:00000000)
$3=0 (dir port invert mask:00000000)
$4=0 (step enable invert, bool)
$5=0 (limit pins invert, bool)
$6=0 (probe pin invert, bool)
$10=3 (status report mask:00000011)
$11=0.010 (junction deviation, mm)
$12=0.002 (arc tolerance, mm)
$13=0 (report inches, bool)
$20=0 (soft limits, bool)
$21=0 (hard limits, bool)
$22=0 (homing cycle, bool)
$23=0 (homing dir invert mask:00000000)
$24=25.000 (homing feed, mm/min)
$25=500.000 (homing seek, mm/min)
$26=250 (homing debounce, msec)
$27=1.000 (homing pull-off, mm)
$100=250.000 (x, step/mm)
$101=250.000 (y, step/mm)
$102=250.000 (z, step/mm)
$110=500.000 (x max rate, mm/min)
$111=500.000 (y max rate, mm/min)
$112=500.000 (z max rate, mm/min)
$120=10.000 (x accel, mm/sec^2)
$121=10.000 (y accel, mm/sec^2)
$122=10.000 (z accel, mm/sec^2)
$130=200.000 (x max travel, mm)
$131=200.000 (y max travel, mm)
$132=200.000 (z max travel, mm)

具体解释如下：
这些代码是用于配置 GRBL（一种开源的嵌入式 CNC 铣床控制器）的参数。每个参数的含义是：

$0：步进脉冲宽度（微秒）。这是控制步进电机的脉冲宽度，影响步进电机的运动精度。
$1：步进空闲延迟（毫秒）。设置步进电机在空闲状态下的延迟时间。
$2 和 $3：步进和方向端口反转掩码。这些参数用于配置步进和方向信号的反转。
$4：步进使能反转（布尔值）。设置步进电机使能信号的反转。
$5：限位引脚反转（布尔值）。配置限位开关的反转。
$6：探测引脚反转（布尔值）。设置探测引脚的反转。
$10：状态报告掩码。配置哪些状态报告应该发送给主机。
$11 和 $12：路径规划参数。分别是连接偏差和圆弧容差。
$13：报告单位（布尔值）。设置是否以英寸报告。
$20 和 $21：软限位和硬限位（布尔值）。配置是否启用软件和硬件限位。
$22：回零循环（布尔值）。设置是否启用回零循环。
$23：回零方向反转掩码。配置回零运动的方向。
$24 和 $25：回零速度。分别是回零移动和搜索速度。
$26：回零去抖时间（毫秒）。设置回零传感器的去抖时间。
$27：回零拉离距离（毫米）。配置回零运动后的拉离距离。
$100、$101 和 $102：步进电机的步进/毫米比率。分别是 X、Y 和 Z 轴的步进/毫米比率。
$110、$111 和 $112：轴的最大速度（毫米/分钟）。分别是 X、Y 和 Z 轴的最大速度。
$120、$121 和 $122：轴的加速度（毫米/秒²）。分别是 X、Y 和 Z 轴的加速度。
$130、$131 和 $132：轴的最大行程（毫米）。分别是 X、Y 和 Z 轴的最大行程。

这些参数可以根据你的具体需求进行调整，以适应你的 CNC 机床。

3、什么是Arduino GRBL CNC？

Arduino GRBL CNC 是指将Arduino微控制器结合开源固件GRBL，打造而成的一套低成本、高灵活性的计算机数控（CNC）系统。通过编写G代码指令，我们可以控制连接在Arduino上的步进电机，实现对材料的切割、雕刻等加工任务。

简单来说，就是将一个简单的Arduino板子，改造成了一个能够精确控制工具，在材料上进行加工的小型CNC机床。

1）核心概念
Arduino：一款开源的电子原型平台，基于简单易用的硬件和软件，为用户提供了一个灵活的实验平台。
GRBL：一款专为Arduino设计的开源G代码解释器。它可以将标准的G代码指令转化为控制步进电机的信号。
G代码：一套标准化的数字控制指令集，广泛应用于数控机床。通过G代码，我们可以精确地控制机床的运动、速度、位置等。
CNC：计算机数控的缩写，是一种利用计算机按照事先编制的程序，控制机床进行加工的自动化制造方式。

2）工作原理
编写G代码：使用CAM软件（如Fusion 360、Blender）或文本编辑器编写G代码指令，描述加工路径和参数。
上传到Arduino：将编写的G代码通过串口上传到加载了GRBL固件的Arduino。
GRBL解析： GRBL固件逐行解析G代码指令，将其转换为Arduino可以理解的控制信号。
驱动电机： Arduino根据解析后的信号，驱动连接的步进电机，控制工具（如铣刀、激光头）按照G代码指令的路径运动，完成加工任务。

3）优势
成本低廉：相比商用CNC机床，Arduino GRBL成本更低，适合DIY爱好者和小型工作室。
灵活性高： GRBL固件可定制性强，可以根据不同的应用场景进行调整和扩展。
开源开放： GRBL是一个开源项目，用户可以自由查看、修改和分享代码，社区活跃，资源丰富。
易于学习： Arduino编程相对简单，G代码的语法也比较容易掌握。

4）应用场景
CNC加工：切割木材、塑料、金属等材料。
3D打印：控制喷头移动，逐层堆叠材料，形成三维物体。
激光切割：利用激光切割各种材料。
绘图仪：控制绘图笔在纸上绘制图形。

5）注意事项
精度：相比于商用CNC机床，Arduino GRBL的精度可能受到硬件和软件的限制。
稳定性： Arduino的稳定性可能不如工业级控制器，需要进行适当的优化和调试。
学习曲线：虽然Arduino和G代码相对容易学习，但要熟练掌握并搭建一套完整的CNC系统，仍需要一定的时间和精力。

总结
Arduino GRBL CNC为DIY爱好者提供了一个低成本、高灵活性的CNC解决方案。通过学习G代码编程和Arduino开发，你可以创建属于自己的个性化CNC机床，实现各种创意。

4、尝试各种G-code Sender（PC上位机）软件
在上述展示的流程图中，数据和指令的传递通过四个关键环节来实现：首先是G-code（G语言指令），它们是CNC编程的基本构建块；接着是G-code Sender，它在PC机上运行，负责将这些指令转换为可执行的格式；然后是Arduino GRBL，搭载在UNO开发板上，作为指令的接收器和初步处理单元；最后连接到Arduino CNC Shield，它负责驱动步进电机，实现精确的物理运动。这一系列的连接构成了整个系统的核心通信路径，确保了从设计到制造的每一步都能精确无误地执行。简化的示意图。