跟思兼學用Klipper(36)低成本升級自動Z偏移校準實現(xiàn)完美首層

(篇一)

前言

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感謝 DFRobot 社區(qū)美女的催更和我媳婦的鼓勵與支持，才有了這篇文章。近期實驗的多，整理成文的少，而人一旦停下來，（惰）慣性還是挺大的。

本系列文章的目的是介紹自動 Z 偏移校準的基本原理與兩種簡單實現(xiàn)，屬于拋磚引玉。私以為自動 Z 偏移校準的廣泛應用是實現(xiàn)小白無痛使用 3D 打印機的重要變革之一，使得 3D 打印機從專業(yè)工具向家用數(shù)碼產品轉變，真正實現(xiàn)開機即打。

視頻演示：

3D打印機使用Klipper 低成本無痛升級自動Z偏移校準實現(xiàn)完美首層
3D打印機使用Klipper低成本無痛自動校準調平器偏移實現(xiàn)完美首層

本文主要介紹原理，詳細的示例請參考后續(xù)的文章。

硬件列表：

壓力薄膜開關：原理類似薄膜鍵盤輸出數(shù)字通斷信號，不是模擬壓力傳感器，觸發(fā)距離固定，0.25/0.3mm，此處作為一把精確的尺子取代 A4 紙。
CR-Touch：創(chuàng)想三維的探針調平器，精度很高，而且目前價格非常便宜，只要幾塊錢

實際上以上都可以使用渦流傳感器、接近開關傳感器、壓力傳感器等替換，原理相同。其中壓力傳感器觸床時可以認為偏移為 0，因為直接噴嘴觸床。

一、背景

目前常見的自動 Z 偏移校準方法包括 Klicky，壓力噴嘴/壓力熱床，渦流傳感器等，其特點是無需用戶使用 A4 紙等工具手動調整，噴嘴移動到 Z=0 位置時正好觸碰熱床表面，從而獲得完美首層打印效果。

【圖 1】Z 限位開關偏移與調平器偏移示例 source: https://github.com/protoloft/klipper_z_calibration/wiki/Why-This

二、基本原理

首先說結論：

自動 Z 偏移校準需要噴嘴參與
限位開關的作用是歸位后獲得的坐標系 S’ 與熱床坐標系 S 重合（理想狀態(tài)）

相比于 XY 軸，Z 軸對打印效果的影響最大，定位精度要求也最高，畢竟千里之行始于足下，打好地基 “房子” 才能建得好。

對于 Z 軸校準，主要分為三個階段：

Phase 1 古法純手動操作
- 機械微動開關或光電開關作為 Z 軸限位
- 調整限位開關位置和熱床調節(jié)螺絲，借助 A4 紙，使得歸位 Z 軸觸發(fā)限位開關時，噴嘴接觸熱床
- 此方式很繁瑣，且更換打印打印板后需要重新調整
Phase 2 增加靈活性：引入 Z Offset 偏移
- 機械微動開關或光電開關作為 Z 軸限位
- 一般歸位 Z 軸后噴嘴位于熱床外下方
- 引入 Z Offset 值，如 -0.5，代表歸位后噴嘴抬升 0.5mm 到達熱床表面（噴嘴當前位于熱床表面下方 0.5mm）
- 校準 Z Offset 值，歸位后，移動噴嘴到熱床上方，借助 A4 紙使噴嘴接觸熱床，根據(jù)當前 Z 坐標，計算出 Z Offset 值
- 此方式在更換不同厚度打印板（玻璃、PEI等）后，無需調整限位開關位置
- 類似的還有自動調平器僅做 Z 軸等高校準 + 熱床調平螺絲等高校準 + 床網數(shù)據(jù)生成，仍然使用物理開關作為 Z 限位開關
Phase 3 自動調平器時代
- 使用自動調平器作為 Z 軸限位開關
- 調平器觸發(fā)后，繼續(xù)移動噴嘴，借助 A4 紙，使噴嘴接觸熱床，從而計算出 Probe Z Offset，此值代表調平器觸發(fā)后，噴嘴距離熱床距離。例如 2.0，代表噴嘴下降 2.0mm 觸床。

三、走進新時代——自動 Z 偏移校準

從上面可以看到，所有操作都需要借助 A4 紙（也有采用肉眼觀察的），來判斷噴嘴觸床，從而獲得 Z Offset 值，但是 A4 紙法每個人的主觀感受不同，且精度不高，所以追求每次都能獲得完美首層的話，需要新工具代替 A4 紙，且重復定位精度高，還可以被打印機控制系統(tǒng)讀取數(shù)值。

【圖 2】高精度微動開關接觸式調平器

除了 A4 紙，還有這種接觸式調平器，但是打印機控制系統(tǒng)無法讀取其數(shù)值。所以我們希望一個新的測量工具擁有如下特點：

比 A4 紙精確，重復定位精度高
數(shù)值可以被打印機控制系統(tǒng)讀取

在操作前，應使用 PROBE_ACCURACY 指令檢查調平器重復定位精度是否合格，一般 range < 0.025，標準差越低越好。看到有些 UP 主調這調那，熱床貼紙啥的，結果調平器都不準。

3.1 實例演示1：機械開關作為 Z 軸限位開關

此場景使用機械限位開關，在配置文件種指定其 endstop_position 值，從而告訴系統(tǒng)，觸發(fā)限位時當前坐標為 endstop_position。

借助薄膜開關，由于其觸發(fā)距離已知（0.25/0.3mm，注意歸位速度不能太快），通過分別歸位 Z 軸以及觸發(fā) Probe，可以計算出真實的 endstop_position 值，使得移動到 Z=0 時噴嘴正好觸床，具體如下圖所示：

注意：

Probe 前應清理噴嘴餐料
Probe 時應不止探測一次，用于減少誤差影響
當使用 U 槽型光電開關時，由于 X 橫梁可以穿過光電開關，所以歸位后噴嘴可以位于熱床上方
上圖介紹歸位后噴嘴位于熱床下方的場景，實際上 a. 高于熱床低于薄膜高度 b. 高于熱床高于薄膜高度時此等式仍然適用，具體請自行推導

# 準備；
# 1. 無感歸位坐標：-13,-7
# 2. position_endstop 啟用，初始0，可以校準兩次看看
# 3. 注釋原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，不壓緊
pin: ^!loadcell:gpio27
x_offset: 0
y_offset: 0
z_offset: 0.3
# 探測時Z軸移動速度
speed: 3
samples: 3
samples_result: median
sample_retract_dist: 2.0
# 超出此范圍可認為偏差過大
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 壓死了
# 4. pos -0.45 goff0

# 結論：Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP, SAVE_CONFIG后生效，實時的就是Gcode_Offset
# 由于日常使用限位，所以默認pos0，日常使用要save_config

[gcode_macro _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC]
description: 用于自動計算并應用 Gcode Offset
gcode:
    # 以熱床平面為 Z=0, 壓力薄膜在熱床上觸發(fā)時的實際坐標。已知為 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 %}

    # 計算過程
    # 1. 歸位后噴嘴位于熱床下，則偏移距離為負值。
    # 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="壓力薄膜實際坐標（配置讀取）: {REAL_PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="壓力薄膜偏移坐標（測量獲得）: {PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="限位開關實際坐標（計算獲得）: {REAL_ESTOP_POS}"
    RESPOND MSG="限位開關偏移坐標（配置讀取）: {ESTOP_POS}"
    # RESPOND MSG="限位開關相對熱床偏移距離: {REAL_ESTOP_POS} {AUTO_ESTOP_BED_OFFSET}"

    # SAVE_CONFIG 重啟前不生效。和限位開關實際坐標相同：REAL_ESTOP_POS
    Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP

    # 日常無壓力薄膜，無法每次都測試，故需要保存
    # SAVE_CONFIG

[gcode_macro AUTO_Z_CALIBRATE]
description: 使用機械限位歸零，再使用壓力薄膜在左前方調平螺絲上方探測
# 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="請安裝壓力傳感器...等待8s"
    G4 P8000
    PROBE
    G91
    G0 Z15 F1800
    G90
    _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC

注意點：

薄膜壓力開關觸發(fā)距離固定，一般是0.25/0.3mm等
想要 Z Offset 實時生效請使用 SET_GCODE_OFFSET 指令，而 Z_OFFSET_APPLY_ENDSTOP 指令需要 SAVE_CONFIG 重啟后生效
由于宏內部不更新坐標，所以使用獨立的 _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC 宏進行計算

3.2 實例演示2：調平器也作為 Z 軸限位開關

核心難點是定義一個額外的 probe, 因為默認 Klipper 僅支持一個 Probe。這里參考 https://github.com/Ficik/extra-probe/ 項目，但是由于 klipper 代碼有改動，需要修改后才能正常使用，具體修改如下：

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]

如果后續(xù)又變了，可以參考 https://github.com/protoloft/klipper_z_calibration 進行修改。

# 準備；
# 1. 無感歸位坐標：30,20
# 2. position_endstop 禁用
# 3. Probe offset定為2mm

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

# 歸位XY坐標，修改無感歸位
[temperature_sensor FLY-RHT36]
sensor_type: temperature_mcu
sensor_mcu: loadcell

[extra_probe loadcell]
# 去套，不壓緊
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: 用于自動計算并應用 Gcode Offset
gcode:
    # {% set REAL_PROBE_POS = printer.configfile.config.printer["extra_probe loadcell"].z_offset|float %}
    # TODO: 讀取
    # {% 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 %}

    # 計算過程，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="壓力薄膜實際坐標（配置讀取）: {REAL_EXPROBE_POS}"
    RESPOND MSG="壓力薄膜偏移坐標（測量獲得）: {EXPROBE_POS}"
    RESPOND MSG="調平器實際坐標（計算獲得）: {REAL_PROBE_POS}"
    RESPOND MSG="調平器偏移坐標（配置讀取）: {PROBE_POS}"
    # RESPOND MSG="限位開關相對熱床偏移距離: {REAL_ESTOP_POS} {AUTO_ESTOP_BED_OFFSET}"

    # SAVE_CONFIG 重啟前不生效。和限位開關實際坐標相同：REAL_ESTOP_POS
    Z_OFFSET_APPLY_PROBE

    # 日常無壓力薄膜，無法每次都測試，故需要保存
    # SAVE_CONFIG

[gcode_macro AUTO_Z_CALIBRATE]
description: 探針G28熱床Z0, 探針Probe壓力POS1，噴嘴Probe壓力POS2
# inspried by https://github.com/Ficik/extra-probe
gcode:
    # [TODO2]
    # 設置噴嘴位于壓力傳感器正上方時的坐標
    {% set NOZZLE_X = 30 %}
    {% set NOZZLE_Y = 20 %}
    # 設置探針位于壓力傳感器正上方時的坐標
    # {% set TOUCH_X = 60 %}
    # {% set TOUCH_Y = -6 %}

    # NEW，避免干擾壓力傳感器，關閉擠出電機。TODO: 多擠出電機
    SET_STEPPER_ENABLE STEPPER=extruder ENABLE=0

    # 如果未歸位，提示歸位
    G28 # 測試用
    M400
    # {% if printer.toolhead.homed_axes != "xyz" %}
    #     {action_respond_info("請首先歸位后繼續(xù)")}
    #     # G28
    # {% else %}
    # 清空 Gcode Offset
    SET_GCODE_OFFSET Z=0 MOVE=0

    # 使用噴嘴探測(5次,壓平可能的殘料)后抬 5mm
    G0 X{NOZZLE_X} Y{NOZZLE_Y} F12000
    G91
    G0 Z10 F1800
    G90
    RESPOND MSG="請安裝壓力傳感器"
    G4 P8000
    EXTRA_PROBE PROBE=loadcell
    G91
    G0 Z20 F1800
    G90
    RESPOND MSG="請取下壓力傳感器"
    # G4 P8000

    # 使用探針探測后抬 5mm
    # TODO: 不需要PROBE？因為就是offset
    # G0 X{TOUCH_X} Y{TOUCH_Y} F12000
    # PROBE
    # G91
    # G0 Z5 F1800
    # G90

    # 由于宏內部不更新坐標，所以使用獨立的宏進行計算
    _AUTO_Z_CALIBRATE_CALC
    # {% endif %}

3.3 實例演示3：機械限位開關 + 調平器組合

之前做的一個項目，具體不再贅述。注意壓力傳感器容易受干擾，使用時關閉擠出機電機和風扇。

posted @ 2025-07-09 15:03 思兼閱讀(60) 評論(0) 收藏舉報

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