CNC 雕刻機,GRBL 控制板比較

在 最 早 的 時 期 ,想 要 使 用 GRBL,就 要 使 用 Arduino UNO 外 加 一 個 CNC Shield。初 代 CNC Shield 的 功 能 只 是 把 UNO 的 針 腳 引 出 來 ,和 加 上 連 接 stepper motor driver 的 線 路 。隨 著 GRBL 的 進 化 ,這 種 Arduino CNC Shield 也 出 了 很 多 代 ( V1, V2, V3, ….. )。

到 了 後 來 ,Arduino 推 出 了 NANO,使 用 和 UNO 一 樣 的  ATmega328P 芯 片 ,所 以 後 來 出 的 CNC Shield 都 多 數 以 NANO 為 主 。NANO 佔 位 比 較 少 ,加 上 NANO 的 Shield 通 常 都 比 較 新 ,功 能 比 較 完 善 ,所 以 漸 漸 是 取 代 了 UNO 的 Shield。

以 我 自 己 用 過 的 幾 款 GRBL 控 制 板 來 說 ,其 實 都 大 同 小 異 。個 人 覺 得 最 主 要 的 分 別 是 對 不 同 主 軸 摩 打 的 支 援 ,畢 竟 ,雕 刻 機 的 靈 魂 就 是 主 軸 摩 打 。最 入 門 級 的 ,就 是 只 支 援 12V 輸 入 ,12V 輸 出 的 控 制 板 。這 種 控 制 板 限 制 了 你 只 能 使 用 12V 的 主 軸 摩 打 。12V 的 摩 打 一 般 來 就 是 就 扭 力 較 小 。

高 級 一 點 的 ,是 支 援 12V-36V 輸 入 / 輸 出 的 控 制 板 。你 可 以 使 用 24V ,甚 至 36V 的 主 軸 摩 打 ,扭 力 會 大 一 點 。使 用 這 一 類 控 制 板 要 特 別 留 意 主 軸 摩 打 的 電 壓 ,因 為 它 的 主 軸 摩 打 的 輸 出 電 壓 是 和 輸 入 電 壓 一 樣 的 ,所 以 你 的 輸 入 的 電 壓 ,必 須 要 使 用 和 主 軸 摩 打 相 同 。即 是 如 果 你 使 用 24V 的 主 軸 摩 打 ,你 便 必 須 要 使 用 24V 的 電 源 。

上 面 這 幾 款 控 制 版 另 一 個 特 別 的 地 方 ,就 是 把  ATmega328P 芯 片 整 合 在 控 制 板 之 上 ,應 該 對 生 產 成 本 有 一 定 幫 助 。新 出 的 控 制 板 越 來 越 多 是 這 一 種 設 計 ,部 分 最 新 的 型 號 ,甚 至 連 步 進 摩 打 的 驅 動 晶 片 ( stepper motor driver ) 都 整 合 到 電 路 板 之 上 。

也 有 一 些 GRBL 控 制 板 ,是 專 門 製 作 給 大 電 流 的 步 進 摩 打 的 。例 如 上 面 LEKN 的 這 一 款 控 制 板 ,除 了 跟 機 就 使 用 DVR8825 步 進 驅 動 晶 片 之 外 ,主 板 上 的 所 有 連 接 頭 ( connector ) 都 是 大 電 流 的 連 接 頭 ,可 以 接 駁 更 粗 的 電 線 。這 種 控 制 板 特 別 適 合 較 大 型 的 CNC 機 ,可 以 直 接 使 用 更 大 的 57 步 進 摩 打 ( NEMA 23 stepper motor )。

我 自 己 覺 得 最 好 的 ,就 是 使 用 「繼 電 器 ( relay )」的 GRBL 控 制 板 。這 一 類 的 控 制 板 可 以 控 制 真 正 的 ,比 較 高 電 壓 的 雕 刻 機 主 軸 摩 打 。

「繼 電 器 」其 實 就 是 一 種 「開 關 」,是 可 以 用 較 小 的 電 流 去 控 制 較 大 電 流 的 自 動 開 關 。我 們 只 要 把 300W / 400W 的 大 功 率 的 主 軸 摩 打 ,和 獨 立 的 48V 電 源 接 到 繼 電 器 ,然 後 就 可 以 用 Arduino 的 5V / 40mA 微 小 電 流 來 控 制 主 軸 摩 打 的 開 關 。

使 用 「繼 電 器 」的 GRBL 控 制 板 一 般 會 有 兩 個 電 源 輸 入 ,12V 的 電 源 是 供 電 給 主 板 和 步 進 摩 打 的 ,而 主 軸 摩 打 就 會 使 用 和 其 匹 配 的 獨 立 電 源 ,另 外 連 接 到 繼 電 器 之 上 。

不 過 當 然 ,你 也 可 以 自 己 額 外 為 主 軸 加 裝 一 個 12V / 24V 繼 電 器 。繼 電 器 其 實 十 分 便 宜 ,不 過 使 用 機 械 式 繼 電 器 ( 一 般 藍 色 的 都 是 機 械 式 繼 電 器 ) 的 話 ,GRBL 控 制 板 的 PWM 轉 速 控 制 就 會 失 效 ,因 為 機 械 式 繼 電 器 係 處 理 唔 到 PWM 的 高 頻 率 開 關 的 。

入 門 級 的 300W / 400W 主 軸 摩 打 ,很 多 都 會 配 備 一 個 可 調 電 壓 的 電 源 ,例 如 0-48V。我 們 會 直 接 調 整 電 源 的 電 壓 來 設 定 主 軸 的 轉 速 ,所 以 也 就 不 需 要 用 到 PWM。

很 想 用 回 PWM 的 用 家 ,就 可 以 考 慮 購 買 比 較 貴 的 「固 態 繼 電 器 ( solid state relay )」。固 態 繼 電 器 因 為 沒 有 機 械 開 關 的 部 件 ,所 以 可 以 快 速 地 切 換 開 關 狀 態 。購 買 繼 電 器 時 要 特 別 注 意 其 適 用 的 輸 入 和 輸 出 電 壓 。

GRBL 控 制 板 第 二 個 主 要 分 別 ,就 是 可 不 可 以 「脫 機 控 制 」。因 為 做 精 細 的 雕 刻 的 時 間 會 比 較 耐 ( 數 個 小 時 ),如 果 有 脫 機 控 制 ,就 不 用 長 開 電 腦 了 。「脫 機 控 制 器 」都 會 有 card reader,只 要 把 雕 刻 文 件 ( G code files ) 儲 存 到 記 憶 卡 ,「脫 機 控 制 器 」便 可 以 直 接 讀 取 這 些 文 件 來 雕 刻 。

在 上 面 的 幾 種 控 制 板 之 中 ,eleksmaker 都 沒 有 脫 機 控 制 ,反 而 「36V 控 制 板 」和 「繼 電 器 控 制 板 」都 有 脫 機 控 制 ,不 過 「脫 機 控 制 器 」都 要 另 購 。「脫 機 控 制 器 」都 要 搭 載 「控 制 板 」使 用 ,最 好 還 是 和 「控 制 板 」一 起 買 ,不 然 有 機 會 得 物 無 所 用 。

至 於 其 他 的 功 能 ,還 包 括 支 援 「激 光 」( 上 面 三 個 都 支 援 )、兩 個 Y-axis 輸 出 ( 某 些 龍 門 移 動 式 的 雕 刻 機 ,不 常 用 )、風 扇 輸 出 ( 12V 輸 出 ,除 了 加 風 扇 幫 助 控 制 板 散 熱 ,我 也 喜 歡 加 LED 作 照 明 )、有 「對 刀 」( probe ) 和 「限 位 開 關 」( limit switches ) 的 插 口 。不 過 這 些 都 不 是 必 要 功 能 ,大 家 按 自 己 的 需 要 選 擇 即 可 。

ctleung張 先 生 ,男 性 ,肖 龍 。
職 業 :I.T. Consultant 簡 介 :不 好 好 讀 書 ;七 尺 差 五 寸 ,手 長 過 膝 ,雙 耳 垂 肩 ;性 寬 和 ,寡 言 語 ,喜 怒 不 形 於 色 。據 說 少 時 曾 斬 白 蛇 於 鳳 凰 山 下 ……

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5 Responses to CNC 雕刻機,GRBL 控制板比較

  1. Tai Wai Ting says:

    很有心,很實用,還是香港的,罕有本地資訊。

  2. Kent says:

    師兄你好,

    小弟遇到一個問題,不知可否幫忙解決,主機我用入門淘記版cnc mini 3018
    控制版我用你圖4連結的版本
    刀路我用MasrerCam X6 做,
    作業系統我用xp因我有很多舊軟件只支援xp,
    grbl我是0.5.2版,
    運行在grbl的刀路都是正常,就只在鑽孔不能,
    機械只行到去孔中心之後就馬上回原點 (工作原點和原點我都設定在同一座標上),
    我開始時以為是我的系統太舊所以不支援,我再上w10,grbl也上了9,
    問題也是一樣,因之前也看過師兄做燈籠時,木棍鑽孔也可以的,是不是師兄用另一個軟行件?

    Remark! 機械所有3D曲面刀路和2D刀路也能行到的

    先謝謝師兄回復.

    • C.T. Leung says:

      你的問題我沒遇到過,但我覺得最大可能是 CAM 軟體操作錯誤而引起的 ( 沒理由,純粹猜測 )。

      或者我示範一下我是如何做的吧,不過我不是用 Master Cam,而是用 ArtCam Pro。ArtCam Pro 已經正式關門大吉了,我也還沒有開始找替代品。Master Cam 貴不貴?好不好用?

      比如說,我想鑽 4 個 3mm 直徑,10mm 深的孔,我會先在 ArtCam 裡面畫 4 個直徑 3mm 的圓。

      然後在建立刀路的時候,我常用的有兩個做法。第一個,如果我有 3mm 直徑的銑刀,我會用 Drilling。Drilling 就是一般鑽孔喇,刀路直落直上。當然你要設定 start depth / finish depth,用什麼刀具之類的東西。

      第二個情況,就是我沒有 3mm 的刀具,但我有直徑比較小的銑刀,例如 1mm 銑刀。這時我會用 2D Profiling,選 inside,一樣要設定好 start depth / finish depth,選擇刀具,完成就是下面的樣子。

      你見到佢一層一層咁行一個圈,至於行幾多層,就係因為我的 stepdown 係 0.5mm,所以 10mm 就會行 20 層。( 至於 stepdown / stepover / feed rate / plunge rate / spindle speed 等等同太多因素有關,不在此討論 )

      而同一個刀路檔,我在 Gcode sender / Grbl Controller 軟體打開的時候,亦會看得到一模一樣。上圖用的是 Candle,但其他同類軟體大多都同樣有 preview 的。

      如果還是有疑惑,你可以直接打開刀路檔 ( 一般純文字檔 ),看看裡面的 Gcode。玩得 CNC 機,學一點點 G code 是在所難免的。

      例如我上面用的例子,鑽孔深度是 10mm,所以你在刀路檔裡面會找得到 Z-10 之類的指令。

      要解決你遇到的問題,第一樣就是看看 CAM 軟體生成的刀路正不正確。如果正確的話,再去 Gcode sender 軟體裡面,看看刀路檔打開之後正不正確。如果有疑問,就再直接打開刀路檔,看看裡面的 G code 正不正確。

      如果你百分百確定刀路檔是正確的,這就有機會是 Gcode sender 軟體或者 GRBL 控制器的錯誤了。

      • Kent says:

        Master Cam 我用神州大地版,不算貴(哈哈)因小弟之前在神州上班所以常接觸這

        Masrer Cam是模具業介之刀路龍頭大佬,很多老師父和新人入行也學和用,明白到現在有很多後起新手的刀路軟件如Fusion 360勝在免費,我的電腦慢所以……

        師兄的想法和我的一樣,

        第一我是用Drilling落鑽的
        第二我也有想過用 2D profiling 落刀(如3mm孔是用1mm刀)但因這做法太危險,易容斷刀,我的工件有十個以上的孔,深是3mm而且機械精度又不夠,我不想用這招……這招應該能,只要付出是青春

        剛看了從Master Cam出的刀路看,我用記事本打開它的NC碼,我看到是有我在Master Cam中創建的Z深度參數

        再用grbl control 打開g code 後,行到這行後面出現error:Unsupported command

        解決方法我定了三個
        一是 買過塊主版,感覺是這板不Support 只是我個人想法
        二是 系統用Mach 3,我未用過,我要從零開始學起,會痛的
        三是 未想到但應該是用錢解決的….我想

        如我解決了,我會再告訴師兄,希望多的人知道是什麼問題

        最後真心多謝師兄在中秋節也回復我。

        • C.T. Leung says:

          「再用grbl control 打開g code 後,行到這行後面出現error:Unsupported command」,其實你已經找到問題了,我覺得根本唔需要用錢就可以解決了。

          G code 其實是十分老舊的東西了,又沒有很統一的業界標準,結果就是不同公司的產品 ( 包括 CAM 軟體和 CNC 控制板 ),都會 support 唔同的 G code。

          我舉個例子,我當年第一次便用舊版的 ArtCam,它保存的刀路檔,第一個 command 就是 T1M6。T1M6 指令,就是叫雕刻機使用第一個刀具。這是給那些大型的,有自動換刀功能的商業用機器用的。

          而 GRBL 其實只是一個入門級的 CNC firmware,又那裡會考慮要支援自動換刀功能 ( tool change ) 呢?所以 GRBL 就看不懂這個 T1M6 command,就出現 unsupported command error 了。

          所以 unsupported command 唔係世界未日,反而係相對容易解決的問題。在了解了前因後果之後,要解決 T1M6 就十分簡單了,只要在刀路檔刪了這一行指令就 OK 了。因為對 GRBL 和我的雕刻機來說,這是多餘的指令,刪除後並不會產生任何危險。

          你可以找找看,Master Cam 有沒有一些相關的設定,又或者一些 plugin,令到它可以兼容 GRBL?再唔係,好似我以前咁,自行手動修改唔相容的 G code 亦係一個可行的方法 ( 想當年我有寫左個 notepad++ macro,自動去修正 artcam 的刀路檔 )。

          又或者你可以改用一些兼容 GRBL 的 CAM 軟體 ( 現在用 GRBL 的人比當年是多了許多許多 )。如果你是鑽孔的話,用所謂的 2.5D cam 軟體就很夠用了,通常它們都特別簡單易用。你可以參考下面的這個清單。

          https://wiki.shapeoko.com/index.php/CAM

          在這裡,我必須說一個不相關的事。對於你說用 2D profiling 開孔很危險,我實在是不能認同。基本你用 CNC 機切割材料,用的就是 2D profiling,怎麼切割材料就唔危險,開孔反而就危險了?難道你認為 CNC 機根本唔能夠用來切割材料麼?

          斷刀,純粹是因為用錯刀 ( 不同材料都有自己專用刀具 ),又或者你的其他參數設定錯誤 ( feed rate / plunge rate / spindle speed / ….. )。斷刀,同使用 2D profiling 係完全無關既。

          最後,也祝你中秋節快樂!

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