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Es ist nun endlich soweit! Wir haben unser lang erwartetes GRBL-Controller-Board fertig. Auf dem Board ist nun endlich der Arduino UNO zusammen mit dem GRBL-Shield auf einem Board vereint. Außerdem hält das Board noch ein paar Erweiterungen bereit.

Wir haben viele Kundenwünsche mit aufgenommen, und genau zugehört, wo genau die meisten unserer Kunden Probleme und Wünsche hatten. Ein wesentlicher Wunsch war die Reduzierung der viele Lötarbeit. Wir konnten die zwar nicht ganz vermeiden, habe sie jedoch drastisch verringert. Dann haben wir auf das Board auch noch die Anschlüsse für die Endschalter und den Werkzeuglängenmesser mit integriert und auch noch Leistungstransistoren für den Betrieb eines leistungsstarken DC-Motors und einer Kühleinrichtung eingebaut. Natürlich sind auch Kodierbrücken vorhanden, um die Y-Achse zu klonen und erstmals auch das Board für die GRBL Version v0.8 und v0.9 um zu kodieren. Alt bewährtes, wie z.B. die Steckbarkeit der Treiberbausteine und den robusten USB-Baustein haben wir natürlich gelassen.

Das Board ist somit weitestgehend komplett und lässt hoffentlich keine Wünsche mehr offen!

Hier ein paar Eckdaten des Boards:

• Größe 100×60 mm
• Platz für 4x POLOLU-Treiberbausteine
• Atmega328p, 32kB EEPROM, 16MHz
• USB-Baustein WCH340G
• Normale USB-B Buchse
• Versorgungsspannung über 4pol. ATX-12V oder 2pol. Schraubkonsolen
• Treiber Spannungsversorgung 0 - 50V möglich
• Jumper für GRBL v0.8/v0.9 Umschaltung
• Jumper zum Clonen der Y-Achse od. A-Achse
• Z-Probe Anschluss für GRBL v0.9 vorhanden
• Endschalter für X-, Y- und Z-Achse, incl. ev. Spannungsversorgung (Vss od. 5V)
• Treiber-Transistoren für Spindel und Kühlung/Lüfter
• Vorbereitet für ein SSR zum Schalten von 220V
• Vorbereitet für Bluetooth Modul JY-MCU für einen Funkbetrieb
• GRBL-Firmware v0.9j incl. EEPROM-Settings vorinstalliert

Wie so oft, wenn Menschen am Werk sind, so sind uns auch bei diesen Board „Randunschärfen“ passiert, die erst nach der Massenproduktion aufgefallen sind. Diese möchten wir hier gleich nennen, damit später keine Missverständnisse aufkommen:

POS	Thema	Beschreibung	Foto
1	Beschriftung GRBL-Jumper	Leider ist die Beschriftung der Jumper für die Kodierung der GRBL-Version 0.8 oder 0.9 so blöd auf eine Durchkontaktierung gefallen, dass die Version 0.9 jetzt so aussieht als wäre es die Version 0.3, die es ja nicht gibt! Also, die untere Beschriftung soll ein 0.9 sein. Übrigens, die Balken links neben der Beschriftung zeigt an, wie die Kodierbrücken für die verschiedenen Versionen gesetzt werden müssen. Waagerecht für v0.9 (und folgende), senkrecht für die v0.8!
2	Beschriftung Microstepping	Auf der Rückseite der Platine ist die Beschreibung, wie die Kodierbrücken für das Microstepping gesetzt werden müssen. Allerdings sind die Brücken auf der Rückseite mit MS1, MS2, MS3 bezeichnet, und auf der Vorderseite mit MS0, MS1, MS2! Also MS1 von Hinten ist dann MS0 von Vorne und so weiter!
3	Lüfteranschluss	Eigentlich sollte der Lüfter angehen, wenn das ENABLE Signal der Treiberstufen auf LOW geht und umgekehrt. Das EN-Signal ist ja ein active LOW Signal. Leider ist jetzt beides gleichgeschaltet, so dass hier noch eine Logik zwischen geschaltet werden muss wenn der Lüfter richtig laufen soll. Das wäre wohl aber immer nötig, da hier die Eingangsspannung anliegt und die meist zu hoch für einen Lüfter sein wird! Alternativ kann ein Lüfter mit dem Leistungstransistor für „COOLANT“ geschaltet werden. Der lässt sich dann über G-Code ein- und ausschalten!

Es gibt immer wieder Probleme bei der Inbetriebnahme, wenn die Lötungen nicht einwandfrei sind. Bitte informiert euch zunächst wie das Löten funktioniert. Dazu gibt es tolle Video's wie zum Beispiel dieses hier: Löten Lernen

Ich habe jetzt schon öfters Probleme bei der Inbetriebnahme gemeldet bekommen. Daher bitte als ersten Schritt
nur die USB-Buchse einlöten und das Board ohne weitere Lötarbeiten mit dem PC per USB verbinden und testen. Das
Board ist nur mit den SMD-Bauteilen schon komplett lauffähig. Es ist darauf zu achten, dass in der Regel für
das Board ein eigener Treiber (CH340)zu installieren ist (siehe hierzu im WIKI unter "Arduino Boards" nach).
Wurde der Treiber nicht installiert, kommt keine Verbindung zustande. Das Board ist auf eine Übertragungsrate
von 115200 Baud eingestellt. Erst wenn hier der Verbindungsaufbau einwandfrei funktioniert hat, bitte mit den
weiteren Lötarbeiten fortfahren!!!

Um unsere Lagerhaltung und die Erstellung der Bauteile-Kits zu optimieren, haben wir zwei kleine Änderungen in
der Stückliste des GRBL-Controller-Boards vorgenommen. So wird jetzt C12 nicht mehr mit einen Kondensator
bestückt, und für C16 wurde der Wert auf 10µF erhöht. So ist eine noch stabilere 5V Gleichspannung
gewährleistet, und wir können ein Bauteil-Set für den GRBL-Controller und den GRBL-NANO verwenden. Genau so
sind die Kondensatoren C5 und C6 sowie der Resettaster bereits als SMD-Bausteine bestückt.

Das Board ist ja bereits mit allen SMD-Bausteinen bestückt worden. Nun müssen noch die THT-Bausteine, die durch die Löcher gesteckt werden, eingelötet werden. Das sind zum Glück aber nicht mehr so viele wie beim alten GRBL-Shield!

Das Board wird mit den SMD-Bauteilen vorbestück als Platine plus den noch zu bestückenden Bauteilen geliefert. Die Lieferung enthält die folgenden Teile:

(Kondensatoren hier noch in einer Vorversion)

Es wird wieder mit den flachsten Bauteilen begonnen und dann zu den nächst höheren Bauteilen übergegangen! Die Reihenfolge der Bestückung der Bauteile ist wie folgt:

1. Resettaster (ab 2.02 bereits bestückt)
2. Die beiden roten Kondensatoren (C5, C6) (ab 2.02 bereits bestückt)
3. Die Stiftleisten (erst die Einreihigen, dann die Zweireihigen)
4. Die Buchsenleisten (erst die 8pol. dann die eine 4pol.)
5. Der Schraubblock (blau) für die Leistungsstromversorgung und die USB-Buchse
6. Der Kondensator C16 (10µF)
7. Die drei Bausteine im TO220 Gehäuse (Festpannungsregler L7805 und die beiden MOSFET´s)
8. Zum Schluss der große Elko (C7 470µF/50V)
9. C12 bleib unbestückt!

Ich möchte auf einiges sehr wichtiges Hinweisen:

1. Bei den beiden roten Kondensatoren ist auf die Beschriftung zu achten. Der Kondensator C5 hat 0,33µF und der Kondensator C6 hat 0,1µF. Bitte diese nicht verwechseln. C5 ist etwas breiter (dicker)! (bereits bestückt ab v2.02)
2. Bei den Elkos C7, C12 und C16 ist auf die richtige Polung zu achten! Es ist immer der MINUS-Pol gekennzeichnet!
3. Bei den Bauteilen im TO220 Gehäuse darauf achten, wo sich die Kühlfane aus Metall befindet! Die muss immer nach außen zeigen. Das ist auf dem Bestückungsdruck durch die weiße Fläche gekennzeichnet!
4. Die Stiftleisten müssen passend getrennt werden! Dass kann bei den Einreihigen noch per Hand gemacht werden, bei den Zweireihigen aber dann mit einer Zange! Es wird immer mit den längsten Leisten begonnen, dann die Kürzeren. Zum Schluss werden noch einzelne zweipolige Leisten aus der langen zweipoligen Abgekniffen und für zusätzliche Spannungsversorgungen oder den Lüfteranschluß verwendet!

Nach dem Aufbau sieht das Board dann so aus:

Auf der Abbildung ist dann auch gleich die Grundeinstellung der Kodierbrücken zu sehen. Die Brücken sind so eingestellt, dass die X- und Y-Achse 1/8 Microstepping haben, die Z-Achse 1/2 Stepping und die Y-Achse geklont ist. Zusätzlich ist das Board auf die GRBL-Version v0.9 eingestellt, was ja bereits vorinstalliert ist!

Für die neuen 67S109 Treiber (weiss, 4A) weicht die Jumperung ab! Siehe dazu: http://wiki.myhobby-cnc.de/doku.php?id=myhobby-cnc:grbl-fehler#microstepping

Jetzt kann das Board in Betrieb genommen werden: http://wiki.myhobby-cnc.de/doku.php?id=myhobby-cnc:grbl-fehler

Mit den POLOLU-Treiberbausteinen bestückt (hier die A4988) sieht das Board dann so aus:

Hier sind alle 3 verfügbaren Treiberbausteine in korrekter Orientierung zu sehen:

In dem hier abgebildeten Beschaltungsplan kann man eine Grundbeschaltung des Boards sehen.

Es ist natürlich nicht notwendig, alle hier beschriebenen Komponenten auch zwingend zu verbauen. Es soll nur dargestellt werden, wie die Anbauteile verschaltet werden müssen, wenn sie angebaut werden.

Im Folgenden werden noch die einzelnen Komponenten ein wenig genauer beschrieben:

MOTOREN: Hier sieht man oben die Motoren. Wie die Farben angeschlossen werden ist eigentlich egal. Wichtig ist nur, dass immer eine Windung im Motor an zwei benachbarte Pins angeschlossen wird. Rot/blau ist ein Windungspaar und schwarz/grün das Zweite! Am Schluss müssen sich die beiden Y-Motoren in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Damit das funktioniert müssen ev. die Leitungen eines Paars getauscht werden. So z.B. rot mit blau! Dass ist natürlich auch bei den anderen Motoren möglich, die Richtung umzukehren, in dem die Leitungen einer Windung getauscht (also umgepolt) werden.

POWER: Die Stromversorgung kommt von rechts! Diese ist für die Versorgung der Schrittmotoren und der Elektronik auf dem Board. Es wird eine Schraubklemme mitgeliefert, die hier eingelötet wird und die Versorgungsspannung kann dann an die Schraubklemme angeschlossen werden. Oben ist + und unten -! Die anderen Power Anschlüsse können vernachlässigt werden. Diese sind dafür da, dass an das Board an mehreren Stellen die Versorgungsspannung angelegt werden kann. So muss der gesamte Strom nicht über die Platine fließen. Wer will kann die Stromversorgung auch an die anderen Pins anschließen! P.S. Solange an dem Board die USB-Leitung angeschlossen ist, wird die 5V Spannungsversorgung für den Prozessor und die anderen Bausteine von der USB-Leitung versorgt. Erst wenn diese abgezogen wird kommt der 7805 Spannungsregler (IC1) zum Einsatz.

Vor allem bei höheren Motorströmen (2A) kommt es darauf an, dass der Stromanschluss möglichst optimal ist:

• Adernenden NICHT verzinnen!
• Kabel mit möglichst großem Querschnitt verwenden 1.5 qmm oder mehr.
• feinadriges Kabel verwenden
• Auf abgebrochene oder „verwurstelte“ Einzeladern achten und ggf. neu abisolieren.

ENDSTOPS Die Endstops werden unten an das Board angeschlossen. Pin 1 des Schalters (das ist der wo der Hebel angebracht ist) ist der Kontakt des Hebels. Der zweite Pin ist in der Mitte und wird mit NO (normal open) bezeichnet. Dieser Pin bekommt erst Kontakt, wenn der Schalter betätigt wird und schließt. Dann werden die beiden Pins auf dem Board verbunden. Dadurch wird das Eingangssignal des Prozessors auf Masse geschaltet und das Signal wird ausgelöst. Dasselbe gilt für den Probe-Schalter oder auch Werkzeuglängenmesser genannt. Dieser kann auch wie abgebildet angeschlossen werden und dann den Abstand zwischen dem Fräser und der Werkstückoberfläche gemessen werden.

Für das Homing wird je Achse ein Endschalter an dem Ende benötigt, wo der Ursprung (Nullpunkt) der Achse liegen soll. Je ein zweiter Schalter für die andere Seite der Achse kann parallel zum ersten Schalter verkabelt werden.

FRÄSMOTOR/LÜFTER Ein Fräsmotor und ein ev. Lüfter können wie abgebildet angeschlossen werden. Diese werden direkt von der Firmware im Arduino angesteuert. Der Fräsmotor wird mit dem Befehl M3 eingeschaltet und mit M5 ausgeschaltet. Die Drehzahl wird mit Sxxxx festgelegt. Dabei wird die Drehzahl in Promille (xxxx: 0-1000) der Maximaldrehzahl angegeben. S500 bedeutet somit 50% der max. Drehzahl. Der Lüfter kann mit dem Befehl M8 eingeschaltet und M9 ausgeschaltet werden. Hier gibt es keine variable Steuerung.

ACHTUNG: Der Fräsmotor und der Lüfter werden immer mit der Betriebsspannung des Board angesteuert. Wenn der Lüfter z.B. nur 12V verträgt, und die Boardspannung ist aber 24V, dann dürfte der Lüfter nicht lange leben. In diesen Fällen müsst Ihr für eine Spannungsanpassung sorgen!!!

JUMPER Die Jumper sind in gelb dargestellt! Die Einstellung ist die Standardeinstellung für die Jumper mit einer Firmware größer oder gleich 0.9. Der Y-Kanal ist wie benötigt geclont. Y-, und X-Achsen haben 1/8 Microstepping und die Z-Achse 1/2. Der E-Anschluss ist für die zweite Y-Achse gedacht!

Achtung! Die Jumper müssen für die neuen weißen 4A Treiber 67S109 anders gesteckt werden! Siehe dazu: http://wiki.myhobby-cnc.de/doku.php?id=myhobby-cnc:grbl-fehler#microstepping

Das GRBL Controller Board hat eine Bestückoption für ein SSR (Solid State Relais) zum direkten Schalten von 230V Wechselstrom für eine 230V Spindel. Gemeint sind hier Oberfräsen wie z.B. die Kress/AMB Geräte und NICHT die leistungsstärkeren „China Spindeln“ die einen Umformer benötigen!!

Die Bestückoption darf nur umgesetzt werden, wenn entsprechende Kenntnisse im Umgang mit Netzzspannung (230V) vorhanden sind! Wenn hier Fehler gemacht werden, kann das tödlich enden!

Das SSR wird mit dem PWM Signal des Arduino gesteuert, muss also mit 5V Steuerspannung auskommen und darf den Arduino maximal mit 20mA belasten. Die Leistung ist entsprechend dem angeschlossenen Motor zu wählen. Das Board hält Löcher für 2 unterschiedliche Größen des Relais vor (Lochalternativen sind in grau dargestellt):

Bei höheren Leistungen sollten die Leiterbahnen zwischen SSR Schaltkontakt und der Klemme JP2 ggf. verstärkt werden. Auf Berührschutz ist zu achten! Sicherheitsabstände sind einzuhalten! Ausreichende Querschnitte sind sicherzustellen! Hitzemanagement ist sicherzustellen!

Die Verwendung einer Drehzahlregelung per PWM mit Wechselstrom sollte vermieden werden. Es bietet sich an, hier eine 0.8er GRBL Version zu verwenden und zu jumpern. Oder bei Verwendung einer PWM fähigern GRBL Version entsprechend nur volle Drehzahl zu konfigurieren.

Soll ein 230V Motor per PWM geregelt werden, muss zuvor sichergestellt werden dass der gewählte Motor dafür geeignet ist.