Domine o GRBL: Guia Passo a Passo para Configurar e Controlar sua Máquina CNC com Arduino

Se você está pensando ou está no processo de fazer sua própria máquina CNC, então provavelmente encontrará o termo GRBL. Neste tutorial, vamos aprender o que é GRBL, como instalar e como usá-lo para controlar sua máquina CNC baseada em Arduino.

Também aprenderemos como usar o Universal G-code Sender, um popular software controlador GRBL de código aberto.

O que é GRBL?

GRBL é um software de código aberto ou firmware que permite controle de movimento para máquinas CNC. Podemos instalar facilmente o firmware GRBL em um Arduino e assim obtemos instantaneamente um controlador CNC de baixo custo e alto desempenho. O GRBL usa G-code como entrada e gera controle de movimento via Arduino.

Para melhor compreensão, podemos dar uma olhada no seguinte diagrama:

Do diagrama, podemos ver onde o GRBL se encaixa no "quadro geral" do princípio de funcionamento de uma máquina CNC. É um firmware que precisamos instalar ou carregar no Arduino para que ele possa controlar os motores de passo da máquina CNC. Em outras palavras, a função do firmware GRBL é traduzir o G-code em movimento do motor.

Hardware Necessário

• Arduino – Como já dissemos, precisamos de um Arduino para instalar o GRBL. Especificamente, precisamos de uma placa Arduino baseada no Atmega 328, o que significa que podemos usar tanto Arduino UNO quanto Nano.
• Motores de passo – Obviamente, os motores de passo fornecem o movimento da máquina.
• Drivers – Para acionar os motores de passo, precisamos de drivers e escolhas comuns quando se trata de máquinas CNC DIY menores (usando steppers NEMA 14 ou 17) são os drivers A4988 ou DRV8825.
• Arduino CNC Shield – Para conectar os drivers de passo ao Arduino, a maneira mais fácil é usar um Arduino CNC Shield. Ele utiliza todos os pinos do Arduino e fornece uma maneira fácil de conectar tudo: motores de passo, spindle/laser, chaves de fim de curso, ventilador de refrigeração, etc.

Observe que estes são apenas os componentes eletrônicos básicos que precisamos para entender como uma máquina CNC funciona.

Na verdade, como exemplo de como tudo precisa ser conectado, podemos dar uma olhada na minha máquina de corte de espuma CNC DIY.

Você pode conferir e obter os principais componentes eletrônicos necessários para construir esta máquina CNC aqui:

• Motor de Passo – NEMA 17………………
• Driver de Passo A4988…………………..
• Arduino CNC Shield ………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Uno………………………………..

A ferramenta principal desta máquina CNC é um fio quente que pode facilmente derreter ou cortar isopor e fazer qualquer forma que quisermos. Para mais detalhes de como fiz a máquina e como tudo funciona, você pode conferir o tutorial específico.

No entanto, usaremos esta máquina como exemplo ao longo deste artigo, porque o mesmo princípio de funcionamento se aplica a qualquer outra máquina CNC, seja fresadora ou laser.

Como Instalar o GRBL

Primeiro, para poder instalar ou carregar o GRBL no Arduino, precisamos da Arduino IDE.

Então, podemos baixar o firmware GRBL do github.com.

Baixe como arquivo .ZIP e siga estes passos:

• Abra o arquivo grbl-master.zip e extraia os arquivos
• Abra a Arduino IDE, navegue para Sketch > Incluir Biblioteca > Adicionar Biblioteca .ZIP…

• Navegue até a pasta extraída "grbl-master", lá selecione a pasta "grbl" e clique em abrir arquivo. Agora temos o GRBL como uma biblioteca Arduino.

• Em seguida, navegue para Arquivo > Exemplos > grbl > grblUpload. Um novo sketch será aberto e precisamos carregá-lo na placa Arduino. O código pode parecer estranho, pois é apenas uma linha, mas sem preocupações, tudo acontece em segundo plano na biblioteca. Então, apenas temos que selecionar a placa Arduino, a porta COM e clicar no botão de upload e pronto.

Configuração do GRBL

Neste ponto, devemos configurar ou ajustar o GRBL para nossa máquina. Podemos fazer isso via Monitor Serial da Arduino IDE. Uma vez aberto o Monitor Serial, receberemos uma mensagem como "Grbl 1.1h ['$' para ajuda]". Se você não vir esta mensagem, certifique-se de alterar a taxa de baud para 115200.

Se digitarmos "$$", obteremos uma lista de comandos ou configurações atuais, e elas aparecem algo assim:

$100=250.000 (x, passo/mm)
$101=250.000 (y, passo/mm)
$102=3200.000 (z, passo/mm)
$110=500.000 (x taxa máx, mm/min)
$111=500.000 (y taxa máx, mm/min)
$112=500.000 (z taxa máx, mm/min)
$120=10.000 (x acel, mm/seg²)
$121=10.000 (y acel, mm/seg²)
$122=10.000 (z acel, mm/seg²)

Todos esses comandos podem ou devem ser ajustados de acordo com nossa máquina CNC. Por exemplo, com o primeiro comando, $100=250.000 (x, passo/mm), podemos ajustar os passos por mm da máquina, ou seja, especificar quantos passos o motor deve dar para que nosso eixo X mova 1 mm.

No entanto, sugiro deixar essas configurações como estão. Existe uma maneira mais fácil de ajustá-las de acordo com nossa máquina usando o software controlador, que explicaremos na próxima seção.

Controlador GRBL

Então, uma vez que instalamos o firmware GRBL, agora nosso Arduino sabe como ler G-code e como controlar a máquina CNC de acordo com ele. No entanto, para enviar o G-code para o Arduino, precisamos de algum tipo de interface ou software controlador que dirá ao Arduino o que fazer. Na verdade, existem muitos programas tanto de código aberto quanto comerciais para esse propósito. Claro, ficaremos com código aberto, então como exemplo usaremos o Universal G-code Sender.

Como Usar o Universal G-code Sender

Para este exemplo, usarei a versão 2.0 Platform. Uma vez baixado, precisamos extrair o arquivo zip, ir para a pasta "bin" e abrir qualquer um dos arquivos executáveis "ugsplatfrom". Na verdade, este é um programa JAVA, então para poder executá-lo, primeiro precisamos instalar o JAVA Runtime Environment.

Uma vez aberto o Universal G-code Sender, primeiro precisamos configurar a máquina, ou configurar os parâmetros GRBL mostrados anteriormente. Para esse propósito, usaremos o Assistente de Configuração UGS, que é muito mais conveniente do que digitar manualmente comandos através do Monitor Serial da Arduino IDE.

O primeiro passo aqui é selecionar a taxa de baud, que deve ser 115200, e a porta à qual nosso Arduino está conectado. Uma vez conectado o Universal G-code Sender com o Arduino, no próximo passo podemos verificar a direção de movimento dos motores.

Se necessário, podemos inverter a direção através do assistente, ou invertendo manualmente a conexão do motor no Arduino CNC Shield.

No próximo passo, podemos ajustar o parâmetro passos/mm que mencionamos anteriormente. Aqui é muito mais fácil entender como ajustá-lo porque o assistente de configuração calculará e nos dirá para qual valor devemos atualizar o parâmetro.

O valor padrão é 250 passos/mm. Isso significa que, se clicarmos no botão mover "x+", o motor dará 250 passos. Agora, dependendo do número de passos físicos que o motor tem, a resolução de microstepping selecionada e o tipo de transmissão, a máquina moverá alguma distância. Usando uma régua, podemos medir o movimento real que a máquina fez e inserir esse valor no campo "Movimento real". Com base nisso, o assistente calculará e nos dirá para qual valor devemos alterar o parâmetro passos/mm.

No meu caso, para a máquina CNC DIY que fiz, a máquina moveu 3mm. De acordo com isso, o assistente sugeriu atualizar o parâmetro passos/mm para um valor de 83.

Com este valor atualizado, a máquina agora move corretamente: 1 mm no software significa 1 mm para a máquina CNC.

No console UGS, conforme fazemos cada ação, podemos ver os comandos que são executados. Podemos notar que, ao atualizar o parâmetro passos/mm, o programa UGS realmente enviou para o Arduino, ou o firmware GRBL, o comando que mencionamos anteriormente. Este era o valor padrão: $100=250.000 (x, passo/mm), e agora atualizamos para valor de 83 passos por mm: $100=83.

No próximo passo, podemos habilitar as chaves de fim de curso e testar se funcionam corretamente.

Dependendo se elas são conexões Normalmente Abertas ou Normalmente Fechadas, também podemos invertê-las aqui.

Vale notar que às vezes precisamos desabilitar a chave de fim de curso do eixo Z. Esse foi o caso com minha máquina de corte de espuma CNC DIY onde não precisava da chave de fim de curso do eixo Z e tive que desabilitá-la para poder fazer o homing da máquina corretamente. Para fazer isso, precisamos editar o arquivo config.h que está localizado na pasta da biblioteca Arduino (ou Documentos\Arduino\libraries).

Aqui precisamos encontrar as linhas do ciclo de homing e comentar a configuração padrão para máquina CNC de 3 eixos e descomentar a configuração para máquinas de 2 eixos. Para que as mudanças tenham efeito, precisamos salvar o arquivo e recarregar o sketch grblUpload em nossa placa Arduino.

No entanto, no próximo passo, podemos habilitar ou desabilitar o homing da máquina CNC.

Usando o botão "Tentar homing", a máquina começará a mover em direção às chaves de fim de curso. Caso vá na direção oposta, podemos facilmente inverter a direção.

Finalmente, na última etapa do Assistente de Configuração, podemos habilitar limites suaves para nossa máquina CNC.

Os limites suaves impedem a máquina de mover além da área de trabalho definida.

Conclusão

Então, graças ao firmware GRBL e ao Arduino, podemos facilmente configurar e colocar nossa máquina CNC DIY para rodar. Claro, cobrimos apenas o básico neste tutorial, mas acho que foi suficiente para entender como as coisas funcionam e como colocar nossa primeira máquina CNC para funcionar.

Claro, existem muitas outras configurações e recursos disponíveis, pois o GRBL é um firmware controlador CNC realmente capaz. A documentação do GRBL explica tudo isso em detalhes, então você sempre pode conferir na página wiki deles no github.com.

Também existem muitos outros programas controladores GRBL de código aberto como o Universal G-code Sender, e aqui estão alguns: GRBLweb (Navegador Web), GrblPanel (GUI Windows), grblControl (GUI Windows/Linux), Easel (Baseado em navegador) etc. Você deve explorá-los e ver qual melhor se adapta a você.