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Marlin固件基本配置概述 眾所周知，Sprinter固件是之前用的比較多的3D打印機固件，而Marlin固件和Repetier-firmware固件都是由其派生而來。而且這兩款固件的用戶群非常活躍，而Sprinter固件已經(jīng)沒有人維護了。在這二者中，Marlin固件的使用更加廣泛，很多打印機控制軟件都兼容Marlin固件。一般用戶在使用Marlin固件的時候只需要改變一下Configuration.h文件中的一些參數(shù)即可,非常方便。這對一般3D大打印玩家來說可是非常好的福利喲。今天閃融三維就跟大家一起分享一下這份指南，它是一份簡單的用戶指南，告訴用戶設(shè)置的基本信息、怎么運用這些設(shè)置、根據(jù)不同的需求制定特色功能。
Marlin固件特點Marlin相對于Sprinter有很多優(yōu)點，具體為以下幾點： 1. 預(yù)加速功能（Look-ahead）： Sprinter在每個角處必須使打印機先停下然后再加速繼續(xù)運行，而預(yù)加速只會減速或加速到某一個速度值，從而速度的矢量變化不會超過xy_jerk_velocity。要達(dá)到這樣的效果，必須預(yù)先處理下一步的運動。這樣一來加快了打印速度，而且在拐角處減少耗材的堆積，曲線打印更加平滑。 2. 支持圓?。ˋrc Support） Marlin固件可以自動調(diào)整分辨率去以接近恒定速度打印一段圓弧，得到最平滑的弧線。這樣做的另一個優(yōu)點是減少串口通信量。因為通過1條G2/G3指令即可打印圓弧，而不用通過多條G1指令。 3. 溫度多重采樣（Temperature Oversampling） 為了降低噪聲的干擾，使PID溫度控制更加有效，Marlin采樣16次取平均值去計算溫度。 4. 自動調(diào)節(jié)溫度（AutoTemp） 當(dāng)打印任務(wù)要求擠出速度有較大的變化時，或者實時改變打印速度，那么打印速度也需要隨之改變。通常情況下，較高的打印速度要求較高的溫度，Marlin可以使用M109 S<mintemp> B<maxtemp> F<factor>指令去自動控制溫度。 使用不帶F參數(shù)的M109指令不會自動調(diào)節(jié)溫度。否則，Marlin會計算緩存中所有移動指令中最大的擠出速度（單位是steps/sec），即所謂的“maxerate”。然后目標(biāo)溫度值通過公式T = tempmin + factor*maxerate，同時限制在最小溫度（tempmin）和最大溫度（tem PMAX）之間。如果目標(biāo)溫度小于最小溫度，那么自動調(diào)節(jié)將不起作用。最理想的情況下，用戶可以不用去控制溫度，只需要在開始使用M109 S B F，并在結(jié)束時使用M109 S0。 5. 非易失存儲器（EEPROM） Marlin固件將一些常用的參數(shù)，比如加速度、最大速度、各軸運動單位等存儲在EEPROM中，用戶可以在校準(zhǔn)打印機的時候調(diào)整這些參數(shù)，然后存儲到EEPROM中，這些改變在打印機重啟之后生效而且永久保存。 6. 液晶顯示器菜單（LCD Menu） 如果硬件支持，用戶可以構(gòu)建一個脫機智能控制器（LCD屏+SD卡槽+編碼器+按鍵）。用戶可以通過液晶顯示器菜單實時調(diào)整溫度、加速度、速度、流量倍率，選擇并打印SD卡中的G-Code文件，預(yù)加熱，禁用步進電機和其他操作。比較常用的有LCD2004只能控制器和LCD12864只能控制器。 7. SD卡內(nèi)支持文件夾（SD card folders） Marlin固件可以讀取SD卡中子文件夾內(nèi)的G-Code文件，不必是根目錄下的文件。 8. SD卡自動打印（SD card auto print） 若SD卡根目錄中有文件名為 auto[0-9].g 的文件時，打印機會在開機后自動開始打印該文件。 9. 限位開關(guān)觸發(fā)記錄（Endstop trigger reporting） 如果打印機運行過程中碰到了限位開關(guān)，那么Marlin會將限位開關(guān)觸發(fā)的位置發(fā)送到串口，并給出一個警告。這對于用戶分析打印過程中遇到的問題是很有用的。 10. 編碼規(guī)范（Coding paradigm） Marlin固件采用模塊化編程方式，讓用戶可以清晰地理解整個程序。這為以后將固件升級到ARM系統(tǒng)提供很大的方便 11. 基于中斷的溫度測量（Interrupt based temperature measurements） 一路中斷去處理ADC轉(zhuǎn)換和檢查溫度變化，這樣就減少了單片機資源的使用。 12. 支持多種機械結(jié)構(gòu) 普通的XYZ正交機械，CoreXY機械，Delta機械以及SCARA機械。
基本配置使用Arduino IDE打開marlin.ino，切換到Configuration.h即可查看并修改該文件。或者使用任何一款文本編輯器（notepad,notpad++等）直接打開Configuration.h也可以。Marlin固件的配置主要包含一下幾個方面： 1. 通訊波特率 2. 主板類型，所使用的主板類型 3. 溫度傳感器類型，包括擠出頭溫度傳感器和加熱床的溫度傳感器 4. 溫度配置，包括噴頭溫度和加熱床溫度 5. PID溫控參數(shù)，包括噴頭溫度控制和加熱床溫度控制 6. 限位開關(guān) 7. 4個軸步進電機方向 8. X/Y/Z三個坐標(biāo)軸的初始位置 9. 打印機運動范圍 10. 自動調(diào)平 11. 運動速度 12. 各軸運動分辨率 13. 脫機控制器
根據(jù)筆者的經(jīng)驗來說，Marlin固件中的Configuration.h將各個配置模塊化，非常便于閱讀及修改，而且注釋非常詳細(xì)，英文好的朋友可以很容易地理解各參數(shù)的意義。注意到Marlin固件使用C語言編寫，“//”后面的是注釋語句，不會影響代碼的作用。另外Marlin固件中大量使用#define，簡單來講，就是定義的意思，包括定義某個參數(shù)的數(shù)值，定義某個參數(shù)是否存在。 最開始的兩行非注釋語句是定義固件的版本和作者。缺省的版本號就是編譯時間，這個可以不用修改，只需要把作者改為自己的名字即可，注意不能包含中文，不然會亂碼。 #define STRING_VERSION_CONFIG_H __DATE__ " " __TIME__ // build date and time #define STRING_CONFIG_H_AUTHOR "www.hfsrsw.com" // who made the changes.
電腦和打印機通過串口進行通訊，要定義好端口和波特率，在此定義的是3D打印主板的端口和波特率，端口號使用默認(rèn)的0就可以了。Marlin固件默認(rèn)的波特率是250000，也可以修改為其他值，比如115200，這是標(biāo)準(zhǔn)的ANSI波特率值。 #define SERIAL_PORT 0 #define BAUDRATE 250000
下面定義主板類型，Marlin固件支持非常多種類的3D打印機主板，比如常見的RAMPS1.3/1.4、Melzi、Printrboard、Ultimainboard、Sanguinololu等控制板。需要注意的是不同主板使用不同的腳口和數(shù)量，如果該定義和Arduino IDE中使用的主板不一致，肯定會導(dǎo)致編譯不通過。筆者使用的是RAMPS1.4并且D8、D9、D10控制的是一個噴頭加熱、一個加熱床加熱和一個風(fēng)扇輸出，因此定義為33。 #ifndef MOTHERBOARD #define MOTHERBOARD 33 #endif
接下來是定義擠出頭的個數(shù)及電源類型，筆者使用的是單噴頭打印機，因此定義為1。電源有兩種類型可以選擇，1表示開關(guān)電源，2表示X-Box 360 203伏電源，一般都使用的是開關(guān)電源，因此定義為1。 #define EXTRUDERS 1 #define POWER_SUPPLY 1
接下來定義溫度傳感器類型，包括每個噴頭使用的溫度傳感器（如果是多噴頭）和加熱床的溫度傳感器類型，常用的溫度傳感器有電熱偶和熱敏電阻兩大類，熱敏電阻又分為很多種。目前的3D打印機主要用的是熱敏電阻，具體是哪種熱敏電阻需要自己判斷或詢問賣家，不出意外的話，都是100k ntc熱敏電阻，即1。根據(jù)注釋，1要求4.7k的上拉電阻，而根據(jù)RepRap wiki，幾乎所有的3D打印機都使用了4.7K的熱敏電阻上拉電阻。筆者觀察了幾種電路板的電路圖，發(fā)現(xiàn)都使用了4.7K的上拉電阻，如圖1所示。 // 1 is 100k thermistor - best choice for EPCOS 100k (4.7k pullup) 筆者的打印機為單噴頭，因此第一個噴頭的溫度傳感器配置為1，其他配置為0（0表示沒有使用），加熱床的溫度傳感器也配置為1。 #define TEMP_SENSOR_0 1 #define TEMP_SENSOR_1 0 #define TEMP_SENSOR_2 0 #define TEMP_SENSOR_BED 1
圖 1 4.7K上拉電阻
接下來是溫度檢測的一些配置，包括雙噴頭溫度差，M109檢測配置，安全溫度配置。下面筆者一一解釋。 首先下面這一句配置雙噴頭溫差最大值，如果溫度超過這個數(shù)值，那么打印機會終止工作，因此對于雙噴頭打印機玩家來說，這個參數(shù)需要注意。 #define MAX_REDUNDANT_TEMP_SENSOR_DIFF 10 下面這一段配置M109指令完成的指標(biāo)，我們知道，M109指令設(shè)定噴頭溫度并等待，那么等待到什么時候呢？下面這三個參數(shù)控制這個時間。第一個參數(shù)表示溫度“接近”目標(biāo)溫度必須持續(xù)10秒才算加熱完成，第二個參數(shù)表示和目標(biāo)溫度相差不超過3°為“接近”，第三個參數(shù)表示從溫度與目標(biāo)溫度相差不超過1度開始計時，從此刻開始，溫度和目標(biāo)溫度持續(xù)接近10秒鐘，則完成加熱。 #define TEMP_RESIDENCY_TIME 10 #define TEMP_HYSTERESIS 3 #define TEMP_WINDOW 1 下面配置安全溫度范圍的下限和上限，包括各個噴頭和加熱床。如果溫度超過下限，那么打印機會拋出MINTEMP的錯誤并終止工作，如果超過上限，那么打印機拋出MAXTEMP的錯誤并終止工作。Marlin用這種方式保護3D打印機。下面的配置最小溫度都是5°，噴頭的最大溫度為275°，熱床的最大溫度為150°。 #define HEATER_0_MINTEMP 5 #define HEATER_1_MINTEMP 5 #define HEATER_2_MINTEMP 5 #define BED_MINTEMP 5 #define HEATER_0_MAXTEMP 275 #define HEATER_1_MAXTEMP 275 #define HEATER_2_MAXTEMP 275 #define BED_MAXTEMP 150 如果希望M105指令在報告溫度的時候，也報告噴頭和加熱床的功率，則可以將下面兩句的前面的”//”去掉。具體的功率數(shù)值需要用戶自己計算得到。 #define EXTRUDER_WATTS (12.0*12.0/6.7) #define BED_WATTS (12.0*12.0/1.1) 接下來配置溫度控制方法，Marlin提供兩種溫度控制方法，一種是簡單的bang-bang控制，這種控制方法比較簡單，效果較差，另一種是PID控制，即比例-積分-微分控制方法，這種控制效果比較好。因此筆者使用PID控制。而關(guān)于PID控制的詳細(xì)資料，請自行查閱。關(guān)于PID參數(shù)的設(shè)置，對普通3D打印機玩家來說影響不是很大，一般的參數(shù)設(shè)置都能滿足溫度控制的需要，因此使用默認(rèn)的Ultimaker PID參數(shù)即可。對于加熱床來說，使用默認(rèn)的控制方法即可。 #define PIDTEMP
越過了溫度控制方法之后，就到了保護擠出機的配置，包括防止冷擠出和過長距離的擠出。防止冷擠出就是在噴頭溫度低于某個溫度的時候是擠出動作無效，而過長距離的擠出是指一次擠出的距離不能大于某個長度。第一句是防止冷擠出，第三句是定義冷擠出的溫度，即170°，玩巧克力或食品打印機的朋友需要注意到這個溫度值。第二句是防止冗長擠出，第四局指明了這個距離的數(shù)值，為X軸長度與Y軸長度之和。 #define PREVENT_DANGEROUS_EXTRUDE #define PREVENT_LENGTHY_EXTRUDE #define EXTRUDE_MINTEMP 170 #define EXTRUDE_MAXLENGTH (X_MAX_LENGTH+Y_MAX_LENGTH)
接下來的一大段是為了防止溫度失控遭造成著火而設(shè)置的，筆者就遇到過這樣的情況，當(dāng)時熱敏電阻沒有放到噴頭上，然后一直在加熱，最終將PEEK燒爆炸了。這個配置的具體原理是如果測得溫度在很長一段時間內(nèi)和目標(biāo)溫度的差大于某個數(shù)值，那么打印機會自動終止，從而起到保護打印機的效果。Marlin默認(rèn)將這幾句注釋掉了，即不做這樣的保護，如果用戶希望做這樣的保護，只需要將注釋取消即可。第一句是配置檢測時間，第二句是控制溫度差距。對于加熱床也有類似的配置，需要注意的是，當(dāng)前越來越大的熱床被使用，導(dǎo)致加熱速度很慢，要防止被誤查。 #define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_PERIOD 40 #define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_HYSTERESIS 4 #define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_BED_PERIOD 20 #define THERMAL_RUNAWAY_PROTECTION_BED_HYSTERESIS 2
終于來到了機械配置部分，首先需要配置的是限位開關(guān)。一般的配置是，對所有的限位開關(guān)都使用上拉電阻，而機械式限位開關(guān)連接在常閉段，那么限位開關(guān)在正常情況下（未觸發(fā)），信號端（SIGNAL）為低電位，限位開關(guān)觸發(fā)時，開關(guān)處于開路狀態(tài)，信號端為高電位。這和Marlin中默認(rèn)的限位開關(guān)邏輯相同。
首先保持使用上拉電阻， #define ENDSTOPPULLUPS 接著就是所有的限位開關(guān)都使用上拉電阻形式。 #ifdef ENDSTOPPULLUPS #define ENDSTOPPULLUP_XMAX #define ENDSTOPPULLUP_YMAX #define ENDSTOPPULLUP_ZMAX #define ENDSTOPPULLUP_XMIN #define ENDSTOPPULLUP_YMIN #define ENDSTOPPULLUP_ZMIN #endif 下面就是限位開關(guān)的邏輯配置，如果限位開關(guān)連接方式為GND端連接限位開關(guān)的COM端，而SIGNAL端連接的是限位開關(guān)的常閉（NC）端，那么就把該限位開關(guān)對應(yīng)的邏輯設(shè)置為false，否則設(shè)置為true。如果使用的打印機只有最小值處的限位開關(guān)，那么保持默認(rèn)設(shè)置即可。 const bool X_MIN_ENDSTOP_INVERTING = false; const bool Y_MIN_ENDSTOP_INVERTING = false; const bool Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING = false; const bool X_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Y_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true; const bool Z_MAX_ENDSTOP_INVERTING = true; 有的打印機并不是使用了6個限位開關(guān)，大多數(shù)情況下，都是使用3個最小值處的限位開關(guān)，而最大值處的限位開關(guān)都沒有使用。Marlin固件允許用戶指定所使用的限位開關(guān)。下面兩行可以選擇去告訴打印機沒有使用哪些限位開關(guān)，筆者打印機只是使用了全部3個最小值處的限位開關(guān)，因此禁用最大值處的限位開關(guān)。即將第一行的注釋符“//”去掉。 #define DISABLE_MAX_ENDSTOPS //#define DISABLE_MIN_ENDSTOPS
下面配置步進電機的運動方式，主要配置步進電機的正向反向，根據(jù)實際情況改變配置即可，如果發(fā)現(xiàn)某個步進電機運動方向不對，把對應(yīng)的配置改為相反的值即可。 #define INVERT_X_DIR true #define INVERT_Y_DIR false #define INVERT_Z_DIR true #define INVERT_E0_DIR false
緊接著配置回歸初始位位置，-1表示初始位置為坐標(biāo)最小值處，1表示初始位在坐標(biāo)最大值處。筆者的打印機配置如下： #define X_HOME_DIR -1 #define Y_HOME_DIR -1 #define Z_HOME_DIR -1
接下來是關(guān)于Marlin如何確定步進電機已經(jīng)達(dá)到邊界的位置，軟限位的方式是通過判斷噴頭的坐標(biāo)值是否越過打印機范圍，否則根據(jù)限位開關(guān)的狀態(tài)判斷是否越位。因為筆者的打印機限位開關(guān)都在最小值處，為了節(jié)省計算資源，只需要對最大值使用軟限位方式。配置如下： #define min_software_endstops false #define max_software_endstops true 那么為了正確判斷噴頭是否越位，需要正確配置打印機的打印范圍。MAX為最大坐標(biāo)，MIN為最小坐標(biāo)。筆者的打印機范圍為200×200×160mm，因此配置如下： #define X_MAX_POS 200 #define X_MIN_POS 0 #define Y_MAX_POS 200 #define Y_MIN_POS 0 #define Z_MAX_POS 160 #define Z_MIN_POS 0 接下來的一大段控制自動調(diào)平，筆者認(rèn)為當(dāng)前3D打印機都存在一個平臺不平整的問題，因此自動調(diào)平?jīng)]太大作用，因此沒有使用自動調(diào)平，確保下面一句處于注釋狀態(tài)。 //#define ENABLE_AUTO_BED_LEVELING
接下來就該配置步進電機的運動選項了。首先是定義軸的數(shù)量，對于單噴頭機器，應(yīng)該是4軸，分別是X軸、Y軸、Z軸和E軸。然后是回歸初始位的速度，注意單位是毫米每分鐘。Z軸回歸初始位的速度比較慢，E軸不存在初始位，因此設(shè)置為0。 #define NUM_AXIS 4 #define HOMING_FEEDRATE {50*60, 50*60, 4*60, 0}
接下來配置很重要的四個參數(shù)，每個軸的運動分辨率，即每個軸方向上發(fā)生1毫米的運動，對應(yīng)的步進電機應(yīng)該轉(zhuǎn)動多少步。一般來說X軸和Y軸都是步進電機+同步帶結(jié)構(gòu)，Z軸為步進電機+絲桿結(jié)構(gòu)，而擠出機為步進電機+齒輪結(jié)構(gòu)，這四個參數(shù)可以通過Repetier-Host軟件中的計算器（工具菜單中）計算得來。 對于X軸和Y軸來說，計算原理為步進電機轉(zhuǎn)一周為360°，與此同時，同步輪發(fā)生一周的轉(zhuǎn)動，假如同步輪為17齒，那么同步帶上一點就運動了17個齒距的長度，如果使用同步帶齒距為2毫米，那么就發(fā)生34毫米的運動。而假如步進電機步距角為1.8°，同時驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)為1/16，那么步進電機轉(zhuǎn)一圈就發(fā)生360/1.8*16=3200步。因此X軸和Y軸的分辨率就是3200/34 = 94.12。 對于Z軸來說，步進電機轉(zhuǎn)一周，同樣轉(zhuǎn)動了3200步，而假如使用的絲桿導(dǎo)程為8毫米，即絲桿轉(zhuǎn)一圈，絲桿螺母運動8毫米，那么Z軸的分辨率就是3200/8=400。 而對于擠出機來說，如果為近端擠出，不需要加減速器，那么步進電機轉(zhuǎn)一周，帶動擠出齒輪轉(zhuǎn)一周，那么耗材就被擠出“擠出齒輪的周長”這個距離，假如擠出齒輪直徑為10毫米，那么E軸分辨率就是3200/(10*3.14) = 101.86。如果擠出機電機帶有減速器，這個數(shù)值還要除以減速比。 因此筆者配置如下： #define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {74.12,74.12,400,101.86}
剩下的就是最大速度及加速度的配置，一般來說，使用默認(rèn)值即可。如果發(fā)現(xiàn)打印機抖動很厲害，可能是因為加速度過大的原因，可以將第二行中的前兩個數(shù)值改為3000，把三行的默認(rèn)加速度數(shù)值改為1000。 #define DEFAULT_MAX_FEEDRATE {500, 500, 5, 25} #define DEFAULT_MAX_ACCELERATION {9000,9000,100,10000} #define DEFAULT_ACCELERATION 3000 #define DEFAULT_RETRACT_ACCELERATION 3000 #define DEFAULT_XYJERK 20.0 #define DEFAULT_ZJERK 0.4 #define DEFAULT_EJERK 5.0
筆者使用的主板是RAMPS1.4，可以選用很多脫機智能控制器，即可以不用聯(lián)機，使用顯示屏里面的菜單就可以控制打印機。筆者使用的是LCD12864控制器，因此將下面一句的注釋符去掉，告訴固件使用這款控制器。 #define REPRAP_DISCOUNT_FULL_GRAPHIC_SMART_CONTROLLER 另外一款比較常用的控制器是LCD2004控制器，使用這一款就需要把下面一句的注釋去掉，并把其他的控制器選項都注釋。用戶也可以選擇其他的控制器，只需做相應(yīng)的配置即可。 #define REPRAP_DISCOUNT_SMART_CONTROLLER 智能控制器都有預(yù)熱菜單，即選擇預(yù)熱PLA和預(yù)熱ABS，具體的溫度可以進行更改。筆者打印PLA，一般噴頭溫度設(shè)置為210°，而加熱床溫度設(shè)置為40°；打印ABS的話，噴頭溫度設(shè)置為230°，加熱床溫度設(shè)置為60°。因此配置如下： #define PLA_PREHEAT_HOTEND_TEMP 210 #define PLA_PREHEAT_HPB_TEMP 40 #define PLA_PREHEAT_FAN_SPEED 255 #define ABS_PREHEAT_HOTEND_TEMP 230 #define ABS_PREHEAT_HPB_TEMP 60 #define ABS_PREHEAT_FAN_SPEED 255
至此，Marlin基本配置已經(jīng)完成。可以通過Arduino IDE選擇相應(yīng)的端口和板子類型，然后編譯上傳到主板上，可以通過Repetier-Host或者PrintRun軟件調(diào)試打印機，發(fā)現(xiàn)問題再調(diào)整固件的參數(shù)，重新上傳，直到打印機正常工作。 | 
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