跟思兼學用Klipper(34) 3D打印機如何進行雙 Z 等高校準之我見
前言
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前些天看到一些視頻，順便想起很早之前和網友討論過，本文便針對 i3 架構獨立雙絲桿 Z 軸的 3D 打印機進行等高校準的問題，結合自己的一些經驗感悟分享如下。
本文軟硬件環境：
- BIQU BX 3D打印機
- Klipper 固件
本文涉及的內容： - 探討哪種校準雙 Z 等高的方法更合理
- 為何要進行雙 Z 等高校準
- 如何使用等高柱手動、電機堵轉/雙限位自動校準等高
- 探討是否可以使用獨立一套虛擬限位方式自動校準等高
- 何時進行等高校準
- CoreXY、UM2、MakerBot 等架構的 3D 打印機 Z 軸等高校準不同之處
注意： - 本文不討論調平器數值溫度漂移
- 本文首先假設熱床是完全平整的
- 對于 i3 機型，此處 X 軸橫梁又稱龍門，雙 Z 等高校準又稱龍門傾斜校正
一、精簡版
這里有兩個視頻：
- 大魚CC3D打印機改klipper+斷料檢測+3dtouch調平+自動雙Z傾斜校準
- Klipper保姆教程——實例講解，快速上手Klipper（九），z_tilt Z軸自動傾斜校正
以上分別針對 CoreXY 和 i3 架構的 3D 打印機，涉及自動龍門傾斜校準（或稱雙Z等高校準），但是私以為視頻中的步驟有待商榷，為了闡釋我的觀點，故有此文。
1.1 我的觀點及方法如下：
- 熱床平面未經校準并不可靠，不能作為參考平面。
- 校準龍門使其與框架頂部或底座平行（通過等高柱手動或者通過堵轉來自動校準）。由于手動校準需要人工參與、自動校準有損壞設備的風險，以上一般不建議作為日常手段，僅用作首次以及必要時的手段，日常請使用步驟 4 來校準。
- 借助調平器調節熱床調平螺絲，使噴嘴距離四顆熱床螺絲上方的高度一致（SCREWS_TILT_CALCULATE）。也可以通過 A4 紙或肉眼觀察，但主觀性大，如想獲得更好的首層效果，此類方法應棄用。
- 校準后的熱床螺絲上方探測點可用于后續自動校正龍門傾斜（即雙 Z 等高，Z_TILT_ADJUST）
【圖 1】初次組裝完成后，如未經校準，可能的熱床和龍門狀態。
1.2 我認為視頻 2 中有兩點不妥之處：
- 使用不可靠的熱床平面作為參考來校正龍門傾斜，有可能噴嘴在XY方向上的相對移動平面與熱床平面平行，但與框架頂部或底座不平行，如下圖2中A圖所示。
【圖 2】不同龍門傾斜校正方法 - 未使用有調平螺絲支撐的位置作為探測點，如下圖熱床網格高度圖顯示大多數熱床實際凹凸不平，使用其他位置作為探測點并不可控。
【圖 3】熱床網格高度圖，大多數熱床無法做到非常高的平整度。來源: klipper.discourse.group
二、完整版
2.1 演示平臺之 BIQU BX 3D 打印機介紹
【圖 4】BIQU BX 3D打印機
因為我手頭有這臺機器，也用它測試了一些功能（相關內容整理后很快會和讀者們見面），所以這里簡單介紹一下它。前幾年在國外網站看到 BIQU B1 這款 3D 打印機，評價不錯，問淘寶店說國內不賣，很是郁悶，后來他家又出了 BIQU BX 在 Kickstarter 上眾籌，以及發布了 BIQU Hurakan 這款搭載 Klipper 的打印機，這三者中堆料最高的就是 BX，總結起來就是硬件性能很強。之前不賣國內，后來拓竹來襲，銷量受沖擊，現在小黃魚上倒是可以低價購入它。
特點介紹：
- 獨立雙 Z
- 0.9° 步進電機
- H2 超輕近程擠出機
- 7 寸彩色觸摸屏，多種模式(模擬 12864 / Marlin 彩屏/樹莓派 DSI 顯示)
- 超高性能 STM32H743 主板
- 接近開關自動調平器
- 250 * 250 * 250 打印尺寸
2.2 為何進行雙 Z 等高校準
進行龍門傾斜校正主要目的是提高 3D 打印機的穩定性與打印精度。
【圖 5】大魚 Swing 3D 打印機，當組裝良好時，雙側絲桿與框架頂部及底座垂直，龍門與絲桿垂直，在良好潤滑下，設備運動順暢，有效減少 Z Wobble。
2.2.1 延長絲桿壽命，減少噪音
當X軸橫梁與雙側絲桿不垂直（兩側相對框架底座不等高）時，絲桿螺母和絲桿磨損增大，噪音增加。
2.2.2 提高打印精度
避免移動時兩側負載不同導致橫梁擺動，從而導致模型在Z軸方向上打印質量不穩定。
2.3 如何進行雙 Z 等高校準
2.3.1 等高柱手動校正法
目前常用的方法是使用等高柱校正，如下圖所示。適用雙 Z 獨立電機，獨立或公用電機驅動。
【圖 6】雙Z校正等高柱，來源：printables.com
具體方法如下：
- 關閉Z軸步進電機后，通過手動擰絲桿使橫梁兩側落到等高柱上
- 使能電機，控制電機抬高后取下等高柱
- 控制Z軸抬高并歸位數次，再次使用等高柱驗證
注意： - 如果手擰絲桿使兩側都落到等高柱后，一側會彈回去，請調節雙側偏心螺母（單個滑輪的那個）【重要】
- 必要時增加Z驅動電流，避免絲桿電機容易堵轉丟步
- 絲桿潤滑建議使用潤滑脂，光軸潤滑可以使用潤滑油
- 雙Z單電機同步帶同步的形式也可以使用此方法，但是需要松開同步帶調整，比較麻煩
2.3.2 電機堵轉自動校正法
需要框架頂部可以校正傾斜的情況，適用雙 Z 獨立電機，獨立或公用電機驅動。
參考此宏：mechanical_level_tmc2209.cfg，以及具體可以移步 strayr 關于 G34 的文章 。
此方法降低 Z 電機電流歸位，使龍門兩側撞擊頂部框架發生堵轉，從而將框架水平轉移到龍門，校正龍門傾斜。
注意：
此方法有損壞設備的風險，如果不放心，可以一步步手動執行宏中的Gcode。
2.3.3 雙限位開關自動校正法
適用于雙 Z 獨立電機，獨立電機驅動的場景。
即在兩個Z軸上分別安裝限位開關，推薦使用光電限位開關。相比于微動限位開關，龍門上的觸發裝置可以穿過光電槽，由于是無接觸式的，不會被機械撞擊損壞或位置松動。
具體可以參考 Klipper 官方文檔關于 stepper_z1 部分的介紹。 使用者需要做的是校準限位開關位置，且注意僅主軸支持設置position_endstop。
還有一個思路是定義一套獨立的僅用于龍門傾斜校正的限位系統，這樣限位的位置自由度高，且可以使用 TMC2209 之類的堵轉檢測功能實現的無感歸位？這個有待測試。
2.4 何時進行龍門傾斜校正
在校正龍門傾斜后，我們可以進一步校準熱床調平螺絲等高，然后日常打印的起始 Gcode 中加入G34指令，以熱床前方或者后方兩顆調平螺絲所在坐標或鄰近坐標作為探測點，進行自動校正。
僅當調平螺絲參考點出現較大偏差不再可靠時，再使用上述手動或自動方法以框架為基準校正。
三、番外1：CoreXY、UM2、MakerBot 等架構的 3D 打印機雙 Z 軸等高校準
【圖 7】大魚CoreXY 1.53 3D打印機。
對于此種類型，由于 X 軸橫梁與框架頂部平面一起，我們需要校準的是熱床托架兩側等高。同樣可以根據情況選擇堵轉校正或等高柱校正。
四、番外2：CoreXY 等架構的 3D 打印機三 Z 軸等高校準
【圖 8】GuguBot 3D打印機，采用 3Z 軸自動調平熱床。
- 此種結構與雙 Z 軸有很大不同，因為至少 3 點可以確定一個平面，所以相比于雙 Z 軸需要使用調平螺絲+彈簧來調整熱床平面，3Z 軸不需要調平螺絲，只需要等高柱固定到熱床托架上即可。
- 此外絲桿與熱床托架使用關節軸承連接，有較大的靈活性。
所以對于 3Z 軸的 Z_TILT_ADJUST 校準相當于普通雙 Z 軸機器的 Z_TILT_ADJUST+ SCREWS_TILT_CALCULATE，且可以全自動完成，有很大優勢。
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