Maîtriser GRBL : Guide Pas à Pas pour Configurer et Contrôler Votre Machine CNC Basée sur Arduino

Introduction

Si vous envisagez ou êtes en train de construire votre propre machine CNC, vous rencontrerez très probablement le terme GRBL. Dans ce tutoriel, nous apprendrons ce qu'est GRBL, comment l'installer et l'utiliser pour contrôler votre machine CNC basée sur Arduino.

Nous verrons aussi comment utiliser Universal G-code Sender, un logiciel de contrôle GRBL open source très populaire.

Qu'est-ce que GRBL ?

GRBL est un logiciel open source (firmware) qui permet le contrôle de mouvement pour machines CNC. On installe facilement le firmware GRBL sur un Arduino, transformant instantanément ce dernier en contrôleur CNC performant et peu coûteux. GRBL utilise le G-code comme entrée et sort le contrôle de mouvement via l'Arduino.

Pour mieux comprendre, regardons le schéma suivant :

On voit où GRBL s'insère dans le "grand schéma" du fonctionnement d'une machine CNC. C'est un firmware à installer/téléverser sur l'Arduino pour qu'il contrôle les moteurs pas-à-pas de la CNC. En d'autres termes, GRBL traduit le G-code en mouvements moteurs.

Matériel Requis

• Arduino – Il faut un Arduino à base d'Atmega 328 : Arduino UNO ou Nano.
• Moteurs pas-à-pas – Fournissent le mouvement de la machine.
• Drivers – Pour piloter les moteurs pas-à-pas. Choix courants pour petites CNC DIY (NEMA 14 ou 17) : A4988 ou DRV8825.
• Shield CNC Arduino – Pour connecter les drivers à l'Arduino, le plus simple est d'utiliser un Shield CNC Arduino. Il utilise toutes les broches Arduino et facilite le raccordement : moteurs, broche/laser, fins de course, ventilateur, etc.

Notez que ce sont les composants électroniques de base pour comprendre le fonctionnement d'une CNC.

Comme exemple de câblage complet, regardons ma machine de découpe mousse CNC DIY.

Composants électroniques principaux pour construire cette CNC :

• Moteur pas-à-pas NEMA 17
• Driver A4988
• Shield CNC Arduino – Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Uno

L'outil principal de cette CNC est un fil chaud qui fond/découpe facilement le polystyrène pour créer n'importe quelle forme. Pour plus de détails sur la construction et le fonctionnement, consultez le tutoriel dédié.

Nous utiliserons cette machine comme exemple tout au long de l'article, car le même principe s'applique à toute CNC (fraiseuse, laser, etc.).

Comment Installer GRBL

Pour installer/téléverser GRBL sur l'Arduino, il faut l'IDE Arduino.

Ensuite, téléchargez le firmware GRBL depuis github.com.

Téléchargez en .ZIP et suivez ces étapes :

1. Ouvrez grbl-master.zip et extrayez les fichiers
2. Ouvrez l'IDE Arduino, allez dans Croquis > Inclure une bibliothèque > Ajouter une bibliothèque .ZIP…

3. Allez dans le dossier extrait "grbl-master", sélectionnez le dossier "grbl" et cliquez Ouvrir. GRBL est maintenant une bibliothèque Arduino.

4. Allez dans Fichier > Exemples > grbl > grblUpload. Un nouveau croquis s'ouvre, téléversez-le sur l'Arduino. Le code peut sembler bizarre (une seule ligne), mais tout se passe en arrière-plan dans la bibliothèque. Sélectionnez la carte Arduino, le port COM et cliquez Téléverser. C'est fait !

Configuration de GRBL

À ce stade, il faut configurer/ajuster GRBL pour votre machine. On le fait via le Moniteur Série de l'IDE Arduino. Une fois ouvert, on devrait voir un message comme "Grbl 1.1h ['$' for help]". Si ce n'est pas le cas, vérifiez que le baudrate est à 115200.

En tapant "$$", on obtient la liste des commandes/paramètres actuels, qui ressemblent à ceci :

$100=250.000 (x, step/mm)
$101=250.000 (y, step/mm)
$102=3200.000 (z, step/mm)
$110=500.000 (x max rate, mm/min)
$111=500.000 (y max rate, mm/min)
$112=500.000 (z max rate, mm/min)
$120=10.000 (x accel, mm/sec²)
$121=10.000 (y accel, mm/sec²)
$122=10.000 (z accel, mm/sec²)

Toutes ces commandes peuvent/doivent être ajustées selon votre machine CNC. Par exemple, avec $100=250.000 (x, step/mm), on règle les pas par mm, c'est-à-dire combien de pas le moteur doit faire pour que l'axe X avance de 1 mm.

Cependant, je suggère de laisser ces réglages par défaut. Il y a une méthode plus simple pour les ajuster via le logiciel de contrôle, qu'on verra dans la section suivante.

Contrôleur GRBL

Une fois GRBL installé, l'Arduino sait lire le G-code et contrôler la CNC. Mais pour envoyer le G-code à l'Arduino, il faut une interface ou logiciel de contrôle. Il en existe beaucoup, open source et commerciaux. Nous resterons sur l'open source : Universal G-code Sender (UGS).

Comment Utiliser Universal G-code Sender

Pour cet exemple, j'utilise la version 2.0 Platform. Après téléchargement, extrayez le ZIP, allez dans le dossier "bin" et ouvrez un des exécutables "ugsplatform". C'est un programme Java, il faut donc installer l'environnement d'exécution Java (JRE).

Une fois UGS ouvert, il faut configurer la machine, c'est-à-dire les paramètres GRBL vus plus haut. Pour cela, on utilise l'Assistant de Configuration UGS (UGS Setup Wizard), bien plus pratique que de taper les commandes manuellement dans le Moniteur Série.

Première étape : sélectionner le baudrate (115200) et le port de l'Arduino. Une fois connecté, l'étape suivante permet de vérifier le sens de rotation des moteurs.

Si nécessaire, on peut inverser le sens via l'assistant, ou en inversant physiquement le branchement du moteur sur le Shield CNC.

Étape suivante : ajuster le paramètre steps/mm mentionné plus haut. L'assistant calcule et indique la valeur à mettre.

La valeur par défaut est 250 pas/mm. Si on clique "x+", le moteur fait 250 pas. Selon le nombre de pas physiques du moteur, la résolution de micro-pas et le type de transmission, la machine bouge d'une certaine distance. Avec une règle, on mesure le déplacement réel et on entre cette valeur dans "Actual movement". L'assistant calcule la nouvelle valeur steps/mm.

Dans mon cas (machine CNC mousse DIY), la machine a bougé de 3 mm. L'assistant a suggéré de mettre steps/mm à 83.

Avec cette valeur, la machine bouge correctement : 1 mm dans le logiciel = 1 mm sur la CNC.

Dans la console UGS, on voit les commandes exécutées. La mise à jour du steps/mm a envoyé la commande GRBL : $100=250.000 (x, step/mm) → $100=83.

Étape suivante : activer les fins de course (limit switches) et tester leur fonctionnement.

Selon qu'ils sont Normalement Ouverts (NO) ou Normalement Fermés (NF), on peut les inverser ici.

Note importante : parfois il faut désactiver la fin de course de l'axe Z. C'était mon cas pour la machine de découpe mousse où je n'avais pas besoin de fin de course Z, et je devais la désactiver pour pouvoir faire le "homing" correctement. Pour cela, il faut éditer le fichier config.h dans le dossier de la bibliothèque Arduino (ou Documents\Arduino\libraries).

Trouver les lignes du cycle de homing, commenter la config par défaut pour machine 3 axes et décommenter celle pour machine 2 axes. Sauvegarder et re-téléverser le sketch grblUpload sur l'Arduino pour que les changements prennent effet.

Étape suivante : activer ou désactiver le homing de la CNC.

Avec le bouton "Try homing", la machine se déplace vers les fins de course. Si elle va dans le sens inverse, on peut facilement inverser la direction.

Dernière étape de l'assistant : activer les limites logicielles (soft limits).

Les soft limits empêchent la machine de dépasser la zone de travail définie.

Conclusion

Grâce au firmware GRBL et à l'Arduino, on peut facilement configurer et faire tourner sa machine CNC DIY. Bien sûr, nous n'avons couvert que les bases, mais c'est suffisant pour comprendre le fonctionnement et démarrer sa première CNC.

GRBL offre de nombreux autres réglages et fonctionnalités, c'est un firmware contrôleur CNC très capable. La documentation GRBL explique tout en détail sur leur wiki GitHub.

Il existe aussi d'autres logiciels de contrôle GRBL open source : GRBLweb (navigateur), GrblPanel (Windows GUI), grblControl (Windows/Linux GUI), Easel (navigateur), etc. Testez-les pour voir lequel vous convient le mieux.