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[教程] 跟思兼学Klipper(36)低成本升级自动Z偏移校准实现完美首层

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(篇一)

前言

原创文章，转载引用务必著名链接，水平有限，如有疏漏，欢迎指正交流。

文章如有更新请访问 DFRobot 社区及 cnblogs 博客园，前者内容较全，后者排版及阅读体验更佳。

感谢 DFRobot 社区美女的催更和我媳妇的鼓励与支持，才有了这篇文章。近期实验的多，整理成文的少，而人一旦停下来，（惰）惯性还是挺大的。

本系列文章的目的是介绍自动 Z 偏移校准的基本原理与两种简单实现，属于抛砖引玉。私以为自动 Z 偏移校准的广泛应用是实现小白无痛使用 3D 打印机的重要变革之一，使得 3D 打印机从专业工具向家用数码产品转变，真正实现开机即打。

视频演示：

本文主要介绍原理，详细的示例请参考后续的文章。

硬件列表：

压力薄膜开关：原理类似薄膜键盘输出数字通断信号，不是模拟压力传感器，触发距离固定，0.25/0.3mm，此处作为一把精确的尺子取代 A4 纸。
CR-Touch：创想三维的探针调平器，精度很高，而且目前价格非常便宜，只要几块钱

实际上以上都可以使用涡流传感器、接近开关传感器、压力传感器等替换，原理相同。其中压力传感器触床时可以认为偏移为 0，因为直接喷嘴触床。

一、背景

目前常见的自动 Z 偏移校准方法包括 Klicky，压力喷嘴/压力热床，涡流传感器等，其特点是无需用户使用 A4 纸等工具手动调整，喷嘴移动到 Z=0 位置时正好触碰热床表面，从而获得完美首层打印效果。

【图 1】Z 限位开关偏移与调平器偏移示例 source: https://github.com/protoloft/klipper_z_calibration/wiki/Why-This

二、基本原理

首先说结论：

自动 Z 偏移校准需要喷嘴参与
限位开关的作用是归位后获得的坐标系 S’ 与热床坐标系 S 重合（理想状态）

相比于 XY 轴，Z 轴对打印效果的影响最大，定位精度要求也最高，毕竟千里之行始于足下，打好地基 “房子” 才能建得好。

对于 Z 轴校准，主要分为三个阶段：

Phase 1 古法纯手动操作
- 机械微动开关或光电开关作为 Z 轴限位
- 调整限位开关位置和热床调节螺丝，<u>借助 A4 纸</u>，使得归位 Z 轴触发限位开关时，喷嘴接触热床
- 此方式很繁琐，且更换打印打印板后需要重新调整
Phase 2 增加灵活性：引入 Z Offset 偏移
- 机械微动开关或光电开关作为 Z 轴限位
- 一般归位 Z 轴后喷嘴位于热床外下方
- 引入 Z Offset 值，如 -0.5，代表归位后喷嘴抬升 0.5mm 到达热床表面（喷嘴当前位于热床表面下方 0.5mm）
- 校准 Z Offset 值，归位后，移动喷嘴到热床上方，借助 A4 纸使喷嘴接触热床，根据当前 Z 坐标，计算出 Z Offset 值
- 此方式在更换不同厚度打印板（玻璃、PEI等）后，无需调整限位开关位置
- 类似的还有自动调平器仅做 Z 轴等高校准 + 热床调平螺丝等高校准 + 床网数据生成，仍然使用物理开关作为 Z 限位开关
Phase 3 自动调平器时代
- 使用自动调平器作为 Z 轴限位开关
- 调平器触发后，继续移动喷嘴，<u>借助 A4 纸</u>，使喷嘴接触热床，从而计算出 Probe Z Offset，此值代表调平器触发后，喷嘴距离热床距离。例如 2.0，代表喷嘴下降 2.0mm 触床。

三、走进新时代——自动 Z 偏移校准

从上面可以看到，所有操作都需要借助 A4 纸（也有采用肉眼观察的），来判断喷嘴触床，从而获得 Z Offset 值，但是 A4 纸法每个人的主观感受不同，且精度不高，所以追求每次都能获得完美首层的话，需要新工具代替 A4 纸，且重复定位精度高，还可以被打印机控制系统读取数值。

【图 2】高精度微动开关接触式调平器

除了 A4 纸，还有这种接触式调平器，但是打印机控制系统无法读取其数值。所以我们希望一个新的测量工具拥有如下特点：

比 A4 纸精确，重复定位精度高
数值可以被打印机控制系统读取

在操作前，应使用 PROBE_ACCURACY 指令检查调平器重复定位精度是否合格，一般 range < 0.025，标准差越低越好。看到有些 UP 主调这调那，热床贴纸啥的，结果调平器都不准。

3.1 实例演示1：机械开关作为 Z 轴限位开关

此场景使用机械限位开关，在配置文件种指定其 endstop_position 值，从而告诉系统，触发限位时当前坐标为 endstop_position。

借助薄膜开关，由于其触发距离已知（0.25/0.3mm，注意归位速度不能太快），通过分别归位 Z 轴以及触发 Probe，可以计算出真实的 endstop_position 值，使得移动到 Z=0 时喷嘴正好触床，具体如下图所示：

注意：

Probe 前应清理喷嘴餐料
Probe 时应不止探测一次，用于减少误差影响
当使用 U 槽型光电开关时，由于 X 横梁可以穿过光电开关，所以归位后喷嘴可以位于热床上方
上图介绍归位后喷嘴位于热床下方的场景，实际上 a. 高于热床低于薄膜高度 b. 高于热床高于薄膜高度时此等式仍然适用，具体请自行推导

# 准备；
# 1. 无感归位坐标：-13,-7
# 2. position_endstop 启用，初始0，可以校准两次看看
# 3. 注释原Probe

[mcu loadcell]
serial: /dev/serial/by-id/usb-Klipper_rp2040_fly-rht36-if00

[temperature_sensor FLY-RHT36]
sensor_type: temperature_mcu
sensor_mcu: loadcell

[probe]
# 去套，不压紧
pin: ^!loadcell:gpio27
x_offset: 0
y_offset: 0
z_offset: 0.3
# 探测时Z轴移动速度
speed: 3
samples: 3
samples_result: median
sample_retract_dist: 2.0
# 超出此范围可认为偏差过大
samples_tolerance: 0.025
samples_tolerance_retries: 3

# 1. pos 0, g offset 0.45
# 2. runtime pos -0.45 g offset 0.45
# 3. runtime pos -0.45 goff 0 压死了
# 4. pos -0.45 goff0

# 结论：Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP, SAVE_CONFIG后生效，实时的就是Gcode_Offset
# 由于日常使用限位，所以默认pos0，日常使用要save_config

[gcode_macro _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC]
description: 用于自动计算并应用 Gcode Offset
gcode:
    # 以热床平面为 Z=0, 压力薄膜在热床上触发时的实际坐标。已知为 0.3/0.25 等
    {% set REAL_PROBE_POS = printer.configfile.settings.probe.z_offset|float %}
    {% set ESTOP_POS = printer.configfile.config.stepper_z.position_endstop|float %}
    {% set PROBE_POS = printer["probe"].last_z_result|float %}

    # 计算过程
    # 1. 归位后喷嘴位于热床下，则偏移距离为负值。
    # aka. AUTO_ESTOP_BED_OFFSET
    {% set REAL_ESTOP_POS = REAL_PROBE_POS - PROBE_POS + ESTOP_POS |round(2) %}

    # TODO: Gcode_Offset, 取反？
    # SET_GCODE_OFFSET Z={ESTOP_POS + REAL_ESTOP_POS} MOVE=0
    SET_GCODE_OFFSET Z={- ESTOP_POS - REAL_ESTOP_POS} MOVE=0

    RESPOND MSG="压力薄膜实际坐标（配置读取）: {REAL_PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="压力薄膜偏移坐标（测量获得）: {PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="限位开关实际坐标（计算获得）: {REAL_ESTOP_POS}"
    RESPOND MSG="限位开关偏移坐标（配置读取）: {ESTOP_POS}"
    # RESPOND MSG="限位开关相对热床偏移距离: {REAL_ESTOP_POS} {AUTO_ESTOP_BED_OFFSET}"

    # SAVE_CONFIG 重启前不生效。和限位开关实际坐标相同：REAL_ESTOP_POS
    Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP

    # 日常无压力薄膜，无法每次都测试，故需要保存
    # SAVE_CONFIG

[gcode_macro AUTO_Z_CALIBRATE]
description: 使用机械限位归零，再使用压力薄膜在左前方调平螺丝上方探测
# inspried by https://github.com/Ficik/extra-probe
gcode:
    {% set SCREW_X = 30.0 %}
    {% set SCREW_Y = 20.0 %}
    G28
    SET_GCODE_OFFSET Z=0 MOVE=0
    G0 X{SCREW_X} Y{SCREW_Y} F12000
    G91
    G0 Z10 F1800
    G90
    RESPOND MSG="请安装压力传感器...等待8s"
    G4 P8000
    PROBE
    G91
    G0 Z15 F1800
    G90
    _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC

注意点：

薄膜压力开关触发距离固定，一般是0.25/0.3mm等
想要 Z Offset 实时生效请使用 SET_GCODE_OFFSET 指令，而 Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP 指令需要 SAVE_CONFIG 重启后生效
由于宏内部不更新坐标，所以使用独立的 _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC 宏进行计算

3.2 实例演示2：调平器也作为 Z 轴限位开关

核心难点是定义一个额外的 probe, 因为默认 Klipper 仅支持一个 Probe。这里参考 https://github.com/Ficik/extra-probe/ 项目，但是由于 klipper 代码有改动，需要修改后才能正常使用，具体修改如下：

pi@orangepipcplus:~$ diff extra_probe.py extra_probe.py_mod
125c125,126
<         z_offset = self.printer.lookup_object('probe').z_offset
---
>         probe = self.printer.lookup_object('probe', default=None)
>         z_offset = probe.get_offsets()[2]

如果后续又变了，可以参考 https://github.com/protoloft/klipper_z_calibration 进行修改。

# 准备；
# 1. 无感归位坐标：30,20
# 2. position_endstop 禁用
# 3. Probe offset定为2mm

[mcu loadcell]
serial: /dev/serial/by-id/usb-Klipper_rp2040_fly-rht36-if00

# 归位XY坐标，修改无感归位
[temperature_sensor FLY-RHT36]
sensor_type: temperature_mcu
sensor_mcu: loadcell

[extra_probe loadcell]
# 去套，不压紧
pin: ^!loadcell:gpio27
z_offset: 0.3
samples: 5
speed: 3
sample_retract_dist: 2.0
samples_result: median
samples_tolerance: 0.025
samples_tolerance_retries: 3

[force_move]
enable_force_move: True

[gcode_macro _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC]
description: 用于自动计算并应用 Gcode Offset
gcode:
    # {% set REAL_PROBE_POS = printer.configfile.config.printer["extra_probe loadcell"].z_offset|float %}
    # TODO: 读取
    # {% set REAL_EXPROBE_POS = printer["extra_probe loadcell"].z_offset|float %}
    # {% set REAL_EXPROBE_POS = printer["extra_probe loadcell"].default_probe_z_offset|float %}
    {% set REAL_EXPROBE_POS = 0.3 %}
    {% set PROBE_POS = printer.configfile.config.probe.z_offset|float %}
    {% set EXPROBE_POS = printer["extra_probe loadcell"].last_z_result|float %}

    # 计算过程，REAL_PROBE_POS 也就是 Probe Z Offset
    {% set REAL_PROBE_POS = REAL_EXPROBE_POS - EXPROBE_POS + PROBE_POS |round(2) %}

    # TODO: Gcode_Offset, 取反？
    SET_GCODE_OFFSET Z={ - REAL_PROBE_POS + PROBE_POS} MOVE=0

    RESPOND MSG="压力薄膜实际坐标（配置读取）: {REAL_EXPROBE_POS}"
    RESPOND MSG="压力薄膜偏移坐标（测量获得）: {EXPROBE_POS}"
    RESPOND MSG="调平器实际坐标（计算获得）: {REAL_PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="调平器偏移坐标（配置读取）: {PROBE_POS}"
    # RESPOND MSG="限位开关相对热床偏移距离: {REAL_ESTOP_POS} {AUTO_ESTOP_BED_OFFSET}"

    # SAVE_CONFIG 重启前不生效。和限位开关实际坐标相同：REAL_ESTOP_POS
    Z_OFFSET_APPLY_PROBE

    # 日常无压力薄膜，无法每次都测试，故需要保存
    # SAVE_CONFIG

[gcode_macro AUTO_Z_CALIBRATE]
description: 探针G28热床Z0, 探针Probe压力POS1，喷嘴Probe压力POS2
# inspried by https://github.com/Ficik/extra-probe
gcode:
    # [TODO2]
    # 设置喷嘴位于压力传感器正上方时的坐标
    {% set NOZZLE_X = 30 %}
    {% set NOZZLE_Y = 20 %}
    # 设置探针位于压力传感器正上方时的坐标
    # {% set TOUCH_X = 60 %}
    # {% set TOUCH_Y = -6 %}

    # NEW，避免干扰压力传感器，关闭挤出电机。TODO: 多挤出电机
    SET_STEPPER_ENABLE STEPPER=extruder ENABLE=0

    # 如果未归位，提示归位
    G28 # 测试用
    M400
    # {% if printer.toolhead.homed_axes != "xyz" %}
    #     {action_respond_info("请首先归位后继续")}
    #     # G28
    # {% else %}
    # 清空 Gcode Offset
    SET_GCODE_OFFSET Z=0 MOVE=0

    # 使用喷嘴探测(5次,压平可能的残料)后抬 5mm
    G0 X{NOZZLE_X} Y{NOZZLE_Y} F12000
    G91
    G0 Z10 F1800
    G90
    RESPOND MSG="请安装压力传感器"
    G4 P8000
    EXTRA_PROBE PROBE=loadcell
    G91
    G0 Z20 F1800
    G90
    RESPOND MSG="请取下压力传感器"
    # G4 P8000

    # 使用探针探测后抬 5mm
    # TODO: 不需要PROBE？因为就是offset
    # G0 X{TOUCH_X} Y{TOUCH_Y} F12000
    # PROBE
    # G91
    # G0 Z5 F1800
    # G90

    # 由于宏内部不更新坐标，所以使用独立的宏进行计算
    _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC
    # {% endif %}