ACHTUNG: Es gibt jetzt unser neues GRBL-Shield in der Version 2.00.
Der Aufbau und die Inbetriebnahme sind identisch zu dem hier beschriebenen Shield.
Die Abweichungen werden ganz unten im Artikel beschrieben!!!

Wir hier bei myhobby-CNC haben nun aus logistischen Gründen ein eigenes GRBL-Board entwickelt. Dieses basiert stark auf dem von Protoneer aus Neuseeland. Bertus Kruger hat da wirklich einen guten und soliden Entwurf für sein Board entwickelt, dass sehr universell einsetzbar und konfigurierbar ist. Dieses konnten und wollten wir nicht groß verändern oder verbessern.

Für uns ausschlaggebend war die Möglichkeit, die Y-Achse für den vierten Kanal zu clonen und so eine eigene Endstufe für den parallelen Antrieb der Y-Achse zu haben. Die Lösung im Original Shapeoko2 Set, mit drei Endstufen und einer Parallelschaltung der Y-Motoren hat uns wenig gefallen. Gerade weil diese Endstufe doppelt hoher Belastung ausgesetzt ist, ist uns nicht ganz klar, warum im Original fest verbaute Endstufen zum Einsatz kommen. Bei Defekt einer Endstufe kann das Board in den Müll geworfen werden.

Daher finden wir auch die modulare Bestückung des GRBL-Boards mit POLOLU-kompatiblen Endstufen sehr wichtig. Hier können dann zum Einen stärkere Treiber verwendet werden, zum Anderen können defekte Module unkompliziert getauscht werden.

FRAGE: Woher kommt eigentlich der Name GRBL? Dazu gibt es eine ganz nette Diskussion der Hauptentwickler der Software Interview with Grbl Maintainer Sonny Jeon

Der Bausatz kommt „leider“ ungelötet mit allen Einzelteilen an Sie geliefert. Das ist den sehr hohen Kosten für das manuelle Löten geschuldet. In den kleinen Mengen, in denen das Board gefertigt wird kann eine autom. Bestückung und Löten im Lötbad nicht realisiert werden. Manuelles Löten beim Hersteller würde den Preis des Boards fast verdoppeln und die Versandkosten stark erhöhen. Daher haben wir uns für diese Variante entscheiden. Aber wie heißt es doch so oft: „Der Weg ist das Ziel“!

Zuvor noch zwei kleine „Randunschärfen“, die im ersten Release passiert sind.

1. In den Bestückungsdruck hat sich ein Fehler eingeschlichen. Die Bezeichnungen der unteren beiden Kanäle müssen vertauscht werden. Es muss links also A lauten und Rechts Z! Das ist meist mit einem weißen Stift bereits korrigiert worden!
2. Die Stiftleiste oben links ist leider um einen Rasterpunkt zu weit links gelandet. Die Lötflächen unter der Platine berühren gerade noch die Abschirmung der USB-Fassung des Arduino-Boards. Daher muss auf die Fassung ein kleiner Streifen Tesa zum Isolieren aufgeklebt werden.

Der Zusammenbau gestaltet sich aber recht einfach, wenn auch aufwendig.

Die Einzelteile sollten zunächst zur Übersicht ein wenig sortiert werden. Das sehen Sie dann hier auf dem Bild.

Die Bestückung beginnt mit den flachsten Bauteilen hin zu den immer höher werdenden Bauteilen.

1. Widerstand (zum Glück gibt es nur einen)
2. Microschalter
3. Pfostenstecker, Oberseite, ein- und zweireihig (Papa)
4. Buchsenleisten 8-pol. (Mama)
5. Kondensatoren (bitte zum Einbau den noch folgenden Hinweis beachten)
6. Leiterplattenklemme 2-pol. (blau)
7. Pfostenstecker, Unterseite, einreihig

Zu Beginn wird der Widerstand und der Mikroschalter eingelötet.

Die Stiftleisten sind in Stangen von 40-Polen im Set enthalten. Die richtige Anzahl an Stiften muss sauber von der Leiste runtergebrochen werden. Das geht am Einfachsten, wenn man mit dem rechten (bei Rechtshändern) Daumennagel in die entsprechende Kerbe in der Stange drückt, und mit den anderen Finger direkt daneben die Leiste gegen den Daumennagel drückt. Die Doppelleiste reicht nicht ganz für alle Stellen an denen zwei Reihen nebeneinander sind. Da muss dann mit zwei Einzelreihen ausgeholfen werden. Von den Einzelleisten muss hinterher was übrig bleiben.

Beim Einlöten den Stiftleisten ist so vorzugehen, dass von einer ganzen Stift-(Buchsen-)leiste zunächst immer nur ein Pin von unten verlötet wird. Dann wird die Lötstelle nochmal erwärmt während ein Finger auf der Oberseite die Leiste fest nach unten drückt und im rechten Winkel ausrichtet. Es ist wichtig, dass die Bauteile auf der Platine wirklich aufliegen und rechtwinklig stehen. Sieht auch besser aus! Danach werden die restlichen Pins der Leisten verlötet.

Der Rest ist eigentlich einfach zu bestücken. Nach den Pfostensteckern kommen die 8-pol. Buchsenleisten. Dann noch die Schraubklemme der Spannungsversorgung und dann die Stiftleisten die den Kontakt nach unten zum Arduino herstellen.

Die Kondensatoren dienen zur Stabilisierung der Betriebsspannung für die Schrittmotor-Treibermodule. Daher befindet sich auch unter jedem Modul ein Kondensator. Bei den Kondensatoren ist unbedingt auf die richtige Polung zu achten. Die Platine hat ein kleines + Zeichen an der Stelle wo auch Plus vom Kondensator eingesteckt werden muss. Bei den Kondensatoren ist allerding meist der - Pol besonders gekennzeichnet. Aber dass sollte ja kein Problem sein. Wenn die Platin so vor einem liegt wie abgebildet, dann kommt der Minuspol auf die linke Seite!

Die Anschlussdrähte der Kondensatoren müssen nun knapp am Gehäuse um 90 Grad nach unten gebogen werden, damit die Kondensatoren dann flach liegend auf die Platine gesteckt werden können. Das ist hier im folgenden Bild zu sehen.

Für den Betrieb des GRBL-Shields für unsere Shapeoko Fräse, muss nun noch mit den mitgelieferten Kodierbrüchen (Jumper) die Grundeinstellung vorgenommen werden. Diese Konfiguration kann natürlich von jedem individuell verändert werden.

Wir empfehlen für die ersten Versuche eine Standardeinstellung für die X- und Y-Achsen mit 1/8-Microstepping und für die Z-Achse Halbschritte. Die Z-Achse hat durch die M8-Gewindestange bereits eine sehr feine Auflösung, so dass hier mit Halbschritten gearbeitet werden muss.

Außerdem soll ja die Y-Achse auf unseren vierten Motortreiber geclont werden.

Im folgenden Bild ist schematisch die Bestückung der Jumper für die Standardkonfiguration dargestellt.

Zusammenfassend sind die Einstellungen nun:

• X- und Y-Achsen sind auf 1/8 Microstepping eingestellt
• Z-Achse ist auf Halbschritte (1/2) eingestellt
• Y-Achse wird auf A-Achse geclont

Folgende Änderungen wurden beim Entwurf für das GRBL-Shield v2.00 vorgenommen:

• Umschaltbar zwischen der GRBL-Version 0.8 und 0.9 (mit Kodierbrücken).
• Kontakte für einen Werkzeuglängenmesser (Z-Achse) hinzugefügt.
• PWM-Ausgang für die Steuerung einer DC-Frässpindel per Software.
• Achtung! Position der Microstep Jumper gespiegelt und Benennung geändert

Dies alles sind die Feature´s der GRBL-Version 0.9 und sind nun auch auf dem neuen GRBL-Shield verfügbar.

Links sieht man die Konfigurationsmöglichkeit, mit der das Shield zwischen der GRBL-Version 0.8 oder 0.9 um zu schalten ist. Werden hier die zwei Jumper (Kodierbrücken) senkrecht nebeneinander gesteckt, ist die Version 0.8 eingestellt. Werden die Brücken waagerecht gesteckt, ist die Version 0.9 eingestellt. Dazu passend muss natürlich auf dem Arduino die entsprechende Firmware eingespielt werden.

Rechts oben kann an die beiden gekennzeichneten Pins ein Schalter oder eine Probe für die Werkzeuglängenmessung angeschlossen werden. Der linke Anschluss geht an den A5 Eingang des Arduino. Dieses ist der Standardeingang für die Probe. Rechts ist Masse.

Rechts unten ist dann an dem Anschluss „SpinEn“ der PWM Ausgang von D11 des Arduino, wenn links die Version 0.9 gesteckt ist. So kann ein DC-Fräsmotor direkt aus der Software in der Geschwindigkeit geregelt werden. Befehle dafür sind M3, M5 und Sxxx! Links ist der Ausgang und rechts Masse.

Weiter gehts mit der Konfiguration der GRBL-Firmware.