跟思兼学用Klipper(34) 3D打印机如何进行双 Z 等高校准

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思兼的学用Klipper系列文章合集

前些天看到一些视频，顺便想起很早之前和网友讨论过，本文便针对 i3 架构独立双丝杆 Z 轴的 3D 打印机进行等高校准的问题，结合自己的一些经验感悟分享如下。

本文软硬件环境：

• BIQU BX 3D打印机
• Klipper 固件
  本文涉及的内容：
• 探讨哪种校准双 Z 等高的方法更合理
• 为何要进行双 Z 等高校准
• 如何使用等高柱手动、电机堵转/双限位自动校准等高
• 探讨是否可以使用独立一套虚拟限位方式自动校准等高
• 何时进行等高校准
• CoreXY、UM2、MakerBot 等架构的 3D 打印机 Z 轴等高校准不同之处
  注意：
• 本文不讨论调平器数值温度漂移
• 本文首先假设热床是完全平整的
• 对于 i3 机型，此处 X 轴横梁又称龙门，双 Z 等高校准又称龙门倾斜校正

  一、精简版

  这里有两个视频：

• 大鱼CC3D打印机改klipper+断料检测+3dtouch调平+自动双Z倾斜校准
• Klipper保姆教程——实例讲解，快速上手Klipper（九），z_tilt Z轴自动倾斜校正
  以上分别针对 CoreXY 和 i3 架构的 3D 打印机，涉及自动龙门倾斜校准（或称双Z等高校准），但是私以为视频中的步骤有待商榷，为了阐释我的观点，故有此文。

  1.1 我的观点及方法如下：

  1. 热床平面未经校准并不可靠，不能作为参考平面。
  2. 校准龙门使其与框架顶部或底座平行（通过等高柱手动或者通过堵转来自动校准）。由于手动校准需要人工参与、自动校准有损坏设备的风险，以上一般不建议作为日常手段，仅用作首次以及必要时的手段，日常请使用步骤 4 来校准。
  3. 借助调平器调节热床调平螺丝，使喷嘴距离四颗热床螺丝上方的高度一致（SCREWS_TILT_CALCULATE）。也可以通过 A4 纸或肉眼观察，但主观性大，如想获得更好的首层效果，此类方法应弃用。
  4. 校准后的热床螺丝上方探测点可用于后续自动校正龙门倾斜（即双 Z 等高，Z_TILT_ADJUST）
     
     【图 1】初次组装完成后，如未经校准，可能的热床和龙门状态。

     1.2 我认为视频 2 中有两点不妥之处：

  5. 使用不可靠的热床平面作为参考来校正龙门倾斜，有可能喷嘴在XY方向上的相对移动平面与热床平面平行，但与框架顶部或底座不平行，如下图2中A图所示。
     
     【图 2】不同龙门倾斜校正方法
  6. 未使用有调平螺丝支撑的位置作为探测点，如下图热床网格高度图显示大多数热床实际凹凸不平，使用其他位置作为探测点并不可控。
     
     【图 3】热床网格高度图，大多数热床无法做到非常高的平整度。来源: klipper.discourse.group

     二、完整版

     2.1 演示平台之 BIQU BX 3D 打印机介绍

     
     【图 4】BIQU BX 3D打印机
     因为我手头有这台机器，也用它测试了一些功能（相关内容整理后很快会和读者们见面），所以这里简单介绍一下它。前几年在国外网站看到 BIQU B1 这款 3D 打印机，评价不错，问淘宝店说国内不卖，很是郁闷，后来他家又出了 BIQU BX 在 Kickstarter 上众筹，以及发布了 BIQU Hurakan 这款搭载 Klipper 的打印机，这三者中堆料最高的就是 BX，总结起来就是硬件性能很强。之前不卖国内，后来拓竹来袭，销量受冲击，现在小黄鱼上倒是可以低价购入它。
     特点介绍：

• 独立双 Z
• 0.9° 步进电机
• H2 超轻近程挤出机
• 7 寸彩色触摸屏，多种模式(模拟 12864 / Marlin 彩屏/树莓派 DSI 显示)
• 超高性能 STM32H743 主板
• 接近开关自动调平器
• 250 250 250 打印尺寸

  2.2 为何进行双 Z 等高校准

  进行龙门倾斜校正主要目的是提高 3D 打印机的稳定性与打印精度。
  
  【图 5】大鱼 Swing 3D 打印机，当组装良好时，双侧丝杆与框架顶部及底座垂直，龙门与丝杆垂直，在良好润滑下，设备运动顺畅，有效减少 Z Wobble。

  2.2.1 延长丝杆寿命，减少噪音

  当X轴横梁与双侧丝杆不垂直（两侧相对框架底座不等高）时，丝杆螺母和丝杆磨损增大，噪音增加。

  2.2.2 提高打印精度

  避免移动时两侧负载不同导致横梁摆动，从而导致模型在Z轴方向上打印质量不稳定。

  2.3 如何进行双 Z 等高校准

  2.3.1 等高柱手动校正法

  目前常用的方法是使用等高柱校正，如下图所示。适用双 Z 独立电机，独立或公用电机驱动。
  

【图 6】双Z校正等高柱，来源：printables.com
具体方法如下：

1. 关闭Z轴步进电机后，通过手动拧丝杆使横梁两侧落到等高柱上
2. 使能电机，控制电机抬高后取下等高柱
3. 控制Z轴抬高并归位数次，再次使用等高柱验证
   注意：
4. 如果手拧丝杆使两侧都落到等高柱后，一侧会弹回去，请调节双侧偏心螺母（单个滑轮的那个）【重要】
5. 必要时增加Z驱动电流，避免丝杆电机容易堵转丢步
6. 丝杆润滑建议使用润滑脂，光轴润滑可以使用润滑油
7. 双Z单电机同步带同步的形式也可以使用此方法，但是需要松开同步带调整，比较麻烦

   2.3.2 电机堵转自动校正法

   需要框架顶部可以校正倾斜的情况，适用双 Z 独立电机，独立或公用电机驱动。
   参考此宏：mechanical_level_tmc2209.cfg，以及具体可以移步 strayr 关于 G34 的文章 。
   此方法降低 Z 电机电流归位，使龙门两侧撞击顶部框架发生堵转，从而将框架水平转移到龙门，校正龙门倾斜。
   注意：
   此方法有损坏设备的风险，如果不放心，可以一步步手动执行宏中的Gcode。

   2.3.3 双限位开关自动校正法

   适用于双 Z 独立电机，独立电机驱动的场景。
   即在两个Z轴上分别安装限位开关，推荐使用光电限位开关。相比于微动限位开关，龙门上的触发装置可以穿过光电槽，由于是无接触式的，不会被机械撞击损坏或位置松动。
   具体可以参考 Klipper 官方文档关于 stepper_z1 部分的介绍。 使用者需要做的是校准限位开关位置，且注意仅主轴支持设置position_endstop。
   还有一个思路是定义一套独立的仅用于龙门倾斜校正的限位系统，这样限位的位置自由度高，且可以使用 TMC2209 之类的堵转检测功能实现的无感归位？这个有待测试。

   2.4 何时进行龙门倾斜校正

   在校正龙门倾斜后，我们可以进一步校准热床调平螺丝等高，然后日常打印的起始 Gcode 中加入G34指令，以热床前方或者后方两颗调平螺丝所在坐标或邻近坐标作为探测点，进行自动校正。
   仅当调平螺丝参考点出现较大偏差不再可靠时，再使用上述手动或自动方法以框架为基准校正。

三、番外1：CoreXY、UM2、MakerBot 等架构的 3D 打印机双 Z 轴等高校准

【图 7】大鱼CoreXY 1.53 3D打印机。
对于此种类型，由于 X 轴横梁与框架顶部平面一起，我们需要校准的是热床托架两侧等高。同样可以根据情况选择堵转校正或等高柱校正。

四、番外2：CoreXY 等架构的 3D 打印机三 Z 轴等高校准

【图 8】GuguBot 3D打印机，采用 3Z 轴自动调平热床。

• 此种结构与双 Z 轴有很大不同，因为至少 3 点可以确定一个平面，所以相比于双 Z 轴需要使用调平螺丝+弹簧来调整热床平面，3Z 轴不需要调平螺丝，只需要等高柱固定到热床托架上即可。
• 此外丝杆与热床托架使用关节轴承连接，有较大的灵活性。
  所以对于 3Z 轴的 Z_TILT_ADJUST 校准相当于普通双 Z 轴机器的 Z_TILT_ADJUST+ SCREWS_TILT_CALCULATE，且可以全自动完成，有很大优势。