3DP : 電容式近接開關平台自動補正

3D printer 的噴頭與列印平台的距離，太高或太低都會影響到印出來的結果，這部份對初學者是一大關卡。以我自己組裝的 Prusa i3 來說，如果平台已調整好四個角落的高度，讓整個平台能和 X 軸平行，接著就是利用 Z 軸的限位開關位置與微調的螺絲來調整平台與噴頭的距離。好不容易調好了，如果動到了平台的高度，又得重新調整 Z 軸限位開關。有沒有調整好第一次，之後可以自動幫我們偵測、保持原本設定噴頭高度的感應開關呢？甚至平台不平，在偵測差多少高度後，列印時自動幫我們補正噴頭高度的感應開關呢？較新版本的 Marlin 有支援「Bed Auto Leveling」，只要有個夠靈敏的感應開關，就有可能達成前述的兩種「自動」的需求。

原本我在研究由舊滑鼠拆下來的紅外線開關，及以微動開關+伺服馬達的方案，後來東湖國中偉銘師送了一支電容式近接開關給我玩，焦點就放在這支非接觸式的近接開關，使用過後，體驗到了自動的好處。底下就將一些重點整理出來。
手上這一支近接開關型號為「LJC18A3-8-Z/BX」

• C : 感應方式為電容式
• 18 : 感應頭直徑 18mm
• A : 圓柱形
• 3 : 金屬外殼
• 8 : 動作距離，標準感測距離 8mm
• Z : 工作電壓 DC 6~36V
• B : 輸出型式為三線常開
• X : 輸出電流 NPN 200MA

「LJC18A3-8-Z/BX」是常開(Normal Open , NO)式的，跟我機器原有的 Z 軸限位開關的動作是一樣(未觸發時，「Signal」腳位保持高電位，觸發時「Signal」腳位為接近 0V 的低電位)，這樣一來，Marlin 的設定檔中，要改的地方就較少一些囉！

先來看看電路的部份，近接開關的三條線和 RAMPS 控制板要如何接。基本上，在應用時有兩種架構方式：

• 架構一：完全取代原有的 Z 軸限位開關。
• 架構二：保留原來的 Z 軸限位開關，將電容式近接開關和原有的開關並接，也就是讓 Z 軸限位可以擁有兩個觸發的來源。

「架構一」必須要保證「LJC18A3-8-Z/BX」隨時都能在設定的距離內觸發，不然，噴頭已到最低點，卻因為感應器未觸發而繼續「下壓」列印平台，其結果應該會很慘。

因為我曾經有理線完，卻忘記將 Z 軸 Endstop 的線接上，就進行 AutoHome 程序的恐怖經驗，因此，目前採取的是「架構二」的方案，也就將近接開關和原有的微動開關並聯，調整時，故意把原來 Z 軸 Endstop 上的開關(微動開關)，調整得比新加上的近接開關晚一點觸發(位置調低)。這樣子，當「LJC18A3-8-Z/BX」沒動作時，至少還有原有的限位開關當「保險」，避免噴頭「墜機」，把列印平台壓壞了。

架構一

如果想採取「架構一」的方案，接線的方式可以參考下列網址中附的圖：

• http://www.thingiverse.com/thing:539692

除了近接開關，尚需用到一顆 15k ohm 和一顆 10k ohm 的電阻來做降壓和 pull-up 。雖然作者用的感應器是 PNP 常開型的「LJ12A3-4-Z/BY」，但是也適用於「LJC18A3-8-Z/BX」。

下圖是我實作的東西及與 RAMPS 連接的示意圖：

線路文字說明如下：

• 近接開關棕線(Vin) → RAMPS 12V AUX 正極
• 近接開關黑線(Output) → 串連 15k ohm 電阻 → RAMPS Zmin 的 Signal 腳位
• 近接開關藍線(GND) →  RAMPS Zmin 的 GND 腳位
• 在 RAMPS Zmin Signal 和 RAMPS Zmin  GND 之間加一顆 10k ohm 電阻 (Pull-up)

註：因為沒有 15k ohm 的電阻，拿了一顆 10k ohm 和一顆 5k1 ohm 串在一起。

架構二

架構二的應用方式是架構在已有的限位開關上，我原有的限位開關是常開型(NO)，所以它實際動作時，微動開關應該只使用到「C」(下圖左側的腳位)和「NO」兩個腳位(下圖中間的腳位)，「NC」(下圖右側的腳位)應該是使用不到。所以，首先將「NC」的腳位解焊，或是像我偷懶，剪開斷線；然後將近接開關的「黑線」接原來微動開關的「C」腳位(下圖左側的腳位)，近接開關的「藍線」接原來微動開關的「NO」腳位(下圖中間的腳位)。

最後再將近接開關的「棕線」接到 RAMPS 的 12V (12V AUX) 正極上，即完成。

無論採用的是「架構一」或是「架構二」，記得要利用 G-Code 測試一下，在未觸發時，以「M119」的 G-Code 來觀察各個限位開關觸發的狀態，測試一下近接開關是否動作。

18mm近接開關架

確認電路的部份沒問題了，需要一個牢固開關架來固定我們的近接開關。台北市東湖國中偉銘老師設計了一個可以掛在 NEMA 17 馬達上的近接開關暨風扇架：

• http://www.thingiverse.com/thing:735458

如果機器架構和我們的不同，也可以在 Thingiverse 中以「Proximity Sensor」當關鍵字搜尋看看。

• http://www.thingiverse.com/search?q=Proximity+Sensor

近接開關放到架子上後，我們必須調整它至合適的高度。我目前的做法是：

• 調整列印平台的四顆螺絲，確認列印平台台已和 X 軸平行。
• 將噴頭下降至距平台約一張名片的厚度(0.3mm)。
• 將近接開關放到架子上，以手持電線的方式(避免觸發)，由上而下慢下降至剛好會觸發的高度，開始鎖緊近位開關的螺帽，抬高噴嘴高度 1mm 後，以0.1mm慢慢下降，再度測試是否在自己預設的高度時，剛好觸發近接關關；迫緊固定架後，反覆的測試觸發位置，直到穩定為止。

啟用 Marlin 的 Bed Auto Leveling

硬體的部份準備好了，接下來要修改 Marlin 的組態檔(Configuration.h、Configuration_adv.h)，啟用並設定「Bed Auto Leveling」的相關選項，並重新編譯 Arduino MEGA 2560 的靭體，才能在列印時讓「G29」等相關指令有作用。

修改 Configuration.h

※ 先檢查一下 EndStops 的相關設定：

要有底下這行：

#define ENDSTOPPULLUPS

要有底下這幾行：

#ifdef ENDSTOPPULLUPS
  #define ENDSTOPPULLUP_XMAX
  #define ENDSTOPPULLUP_YMAX
  #define ENDSTOPPULLUP_ZMAX
  #define ENDSTOPPULLUP_XMIN
  #define ENDSTOPPULLUP_YMIN
  #define ENDSTOPPULLUP_ZMIN
#endif

最主要的是「#define ENDSTOPPULLUP_ZMIN」這行一定要有。

因為我的限位開關和近接開關是 Normal Open (NO) 型的，所以底下的設定必須為「true」：

const bool Z_MIN_ENDSTOP_INVERTING = true;

檢查底下這兩行的設定值：

#define Z_HOME_DIR -1
#define Z_MIN_POS 0

※ 啟用「Bed Auto Leveling」的功能，將底下這行前面的註解符號(雙斜線)刪除：

//#define ENABLE_AUTO_BED_LEVELING // Delete the comment to enable (remove // at the start of the line)

變成

#define ENABLE_AUTO_BED_LEVELING // Delete the comment to enable (remove // at the start of the line)

將它的下一行加雙斜線註解掉，變成：

// #define Z_PROBE_REPEATABILITY_TEST  // If not commented out, Z-Probe Repeatability test will be included if Auto Bed Leveling is Enabled.

※ 如果想要使用「G29」的平台自動補正功能，要依可列印範圍及近接開關安裝位置，修改偵測的範圍，可能需修改底下的設定：

    #define LEFT_PROBE_BED_POSITION 15
    #define RIGHT_PROBE_BED_POSITION 170
    #define FRONT_PROBE_BED_POSITION 20
    #define BACK_PROBE_BED_POSITION 170

以我的機器為例，近接開關安裝在噴頭的前面約 35mm，偏右約 30mm，如果設定的可偵測範圍太大，近接開關可能會突出列印平台無法觸發，或是安裝位置較底的吹物件風扇會撞到平台玻璃的固定夾，而造成憾事。所以保險一點的做法，就縮小四個 PROBE_BED_POSITION ，改為：

    #define LEFT_PROBE_BED_POSITION 15
    #define RIGHT_PROBE_BED_POSITION 150
    #define FRONT_PROBE_BED_POSITION 40
    #define BACK_PROBE_BED_POSITION 160

另外一個方式是利用底下的三個 PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER 參數，讓系統自動計算並修正偵測的範圍：

  #define X_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER -25     // Probe on: -left  +right
  #define Y_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER -29     // Probe on: -front +behind
  #define Z_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER -12.35  // -below (always!)

哈！我都自己算好了，就通通設為零，改成：

  #define X_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER 0
  #define Y_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER 0
  #define Z_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER 0

註：在另一篇「雄 : 3DP : 近接開關距離與靭體設定調整」中補充「Z_PROBE_OFFSET_FROM_EXTRUDER」的使用。

※ 接下的幾個是在進行偵測時，Z 軸要先抬高多少的相關設定：

執行「G28」G-code (Auto Home)前，Z 軸要先抬高多少：

  #define Z_RAISE_BEFORE_HOMING 4

執行「G29」G-code ，移動到第一點前， Z 軸要抬升多少：

  #define Z_RAISE_BEFORE_PROBING 4

執行「G29」G-code ，移動到下一偵測點前， Z 軸要抬升多少：

  #define Z_RAISE_BETWEEN_PROBINGS 5

執行「G29」G-code ，全部都偵測完後，Z 軸要抬升多少：

  #define Z_RAISE_AFTER_PROBING 4

修改 Configuration_adv.h

Configuration_adv.h 中，必須要有底下這行：

#define ENDSTOPS_ONLY_FOR_HOMING

好了！如果組態檔改完，就可以將程式編譯，並上載到 Arduino MEGA 2560 中。

測試前的小叮嚀

哈～到這裡，一定很想看看「Bed Auto Leveling」的效果如何，千萬要記得再次以「M119」觀察並測試近接開關有動作，而且可以在合理的距離內觸發，不然，噴頭衝過頭會很「可怕」！

如何測試 Bed Auto Leveling？先來測試一下「G28」的 G-Code，讓噴嘴歸位回家！如果使用 Repetier-Host，在「Manual Control」裡，如果看不到「G-Code」的輸入區，要先按一下右上方「Easy Mode」的按鈕，讓它由綠色按鈕變成紅色按鈕，變成進階模式。想看 Marlin 回應的結果，就按一下上方「Toggle Log」的按鈕。

剛開始測試時，比較安全的做法，在執行 XY方向的移動前，手動讓 Z 軸先抬升一下，才不會在移動時，噴頭刮到平台。嗚～嗚～這是我刮壞好幾次平台膠帶換來的經驗！

執行完「G28」進行 XYZ 的歸零後，我們就可以執行平台補正偵測用的「G29」G-Code 。完成偵測後，Marlin 回應各點偵測完的結果，類似下圖：

如果手動執行「G29」的 G-Code 沒問題，我們就可以將「G29」加入開始列印的前面。以 Cura 為例，將「G29」加到「Start/End GCode」裡的「start.gcode」，找到最後一個「G28」的指令，然後在下面加一行「G29」即可。

底下是之前故意將平台弄得很不平，然後利用加過「G29」的 G-Code 後，列印的影片片段：

• https://www.youtube.com/watch?v=R92Y-9JmGO4

玩玩人工提高 Zmin

使用了「G29」讓 Marlin 幫我們做平台自動補正，很酷！不過，如果平台調得不夠平，本來每抬升一層才會忙一次的 Z 軸馬達會變得很忙，我還是乖乖的調好平台，讓它夠平，而不使用「G29」。近接開關則是用來幫我找到合適的噴頭高度，只要近接開關固定得夠牢，和噴頭的相對位置沒有改變，列印平台高度怎麼變，都可以自動將噴頭調整到合適的位置。

後來發現，有了近接開關這個「活動式的」Z 軸限位開關，當噴頭離平台太近，可以這樣玩：

照片中的那張 TPET 的名片可不是放好玩的，我在 XY 軸移動時， Z 軸歸零前，在近接開關的預定「落地處」放了這張名片，等它執行完歸零的動作後，噴嘴就抬升了名片的厚度，以那個高度為零點，這樣一來，就可以立即修正噴頭離平台太近的問題。不過，這只適用在暫時不想動近接開關螺母的狀況，不是長治久安之計，要我每次都在列印前追著噴頭跑，太累了！

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