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本书是一本从工程实践角度介绍Grbl技术的书籍，以3D打印机为应用对象，以Grbl为控制核心，全面介绍基于Grbl、proteus、MCD等软件平台的三坐标设备全软件运动控制仿真，特别是在虚拟机电系统仿真软件MCD的不同通信方法、Grbl上位机开发和Thor开源机器人的应用方面具有重要的参考价值。本书主要内容包括CNC基础知识、Grbl的基本原理、AVR-LIBC基础、解析Grbl代码、上位机编程、基于MCD的虚拟CNC仿真、Grbl在机器人上的应用等。本书旨在帮助读者快速熟悉Grbl的使用、程序代码和HMI开发，掌握机电设备的虚拟调试和开发过程。本书适合CNC、机器人和数控设备等领域的科研人员，高等院校机电类相关专业本科生、研究生，以及相关技术爱好者和工程技术人员参考学习。

目 录
第一章	CNC技术基础	1
1.1 CNC结构	1
1. 2 速度控制	3
1.2.1 加速/减速	4
1.2.2 程序块之间连接	6
1.2.3 拐点速度	10
1. 3 速度前瞻规划	11
1.4 插值	12
第二章	Grbl工作原理	14
2.1  Grbl的状态和操作	14
2.2 环缓存区	17
2.3 规划及插补	20
2.4 驻车、回参考点（回零）和探测	30
2.5系统命令	32
2.6错误代码	41
2.7报警代码	43
第三章	AVR-LIBC基础	45
3.1 AVR端口变化中断	45
3.1.1  I/ O端口	45
3.1.2  I/ O端口变化中断	46
3.2 AVR定时器/计数器	49
3.2.1  定时器模式	49
3.2.2  定时器0	51
3.2.3  定时器1	55
3.3 EEPROM	62
3.4 Flash	63
3.5 USART	65
第四章	代码解析	72
4.1 Main.c	72
4.2 protocol	75
4.2.1 protocol.h	75
4.2.2 protocol.c	75
4.3 planner	93
.4.3.1 planner.h	93
4.3.2 planner.c	94
4.4 gcode	104
4.4.1 gcode.h	104
4.4.2 gcode.c	108
4.5 stepper	127
4.5.1 stepper.h	127
4.5.2 stepper.c	127
4.6 system	147
4.6.1 system.h	147
4.6.2 system.c	149
4.7 motion.h	159
4.7.1 motion.h	159
4.7.2 motion.c	159
4.8 settings	166
4.8.1 settings.h	166
4.8.2 settings.c	167
4.9 cpu-map.h	170
4.10 default.h	175
4.11 config.h	176
4.12 jog.c	183
4.13 limit.c	184
4.14 spindle_control	193
4.14.1.spindle_control.h	193
4.14.2 spindle_control.c	193
4.15 coolant_control	198
4.15.1 coolant_control.h	198
4.15.2 coolant_control.c	198
4.16 probe	201
4.16.1 probe.h	201
4.16.2 probe.c	201
4.17 serial.	202
4.17.1 serial.h	202
4.17.2 serial.c	202
第五章	上位机编程	207
5.1 简单通信	207
5.2 流控制通信	207
5.3 上位机程序示例	211
5.3.1 开源及商业程序	211
5.3.2 自开发程序实例	213
第六章	基于MCD的虚拟CNC仿真	225
6.1. Grbl 引脚和编译	225
6.2. Proteus模型	227
6.3 MCD机械模型	230
6.4 MCD通信	231
6.4.1 OPC DA通信	231
6.4.2 OPC UA通信	237
6.4.3 TCP /IP通信接口	240
6.4.4 Modbus TCP通信接口	243
6.5 Grbl与MCD机械模型的联合仿真	249
6.5.1 基于简单 MCD机械模型的联合仿真	249
6.5.2 基于复杂 MCD机械模型的联合仿真	252
第七章	Grbl应用	259
7.1 Grbl的编译与烧录	259
7.2 Grbl硬件连接	261
7.3上位机控制软件	265
7.4Thor开源机器人	269
参考文献	272

前    言
Grbl是一款由加拿大工程师Sonny Jeon开发的开源软件，主要用于控制三轴及多轴运动的CNC机床或机器人设备。它采用Arduino平台，具有高速度和高精度控制的特点，支持G代码输入和快速、实时的插补运算等功能，适用于DIY爱好者、小型企业和教育领域机电系统运动控制应用。
随着电脑硬件性能的提升和CNC设备的普及，Grbl的应用前景十分广阔。比如，在家庭DIY领域，Grbl可以用于控制3D打印机、雕刻机、激光切割机等设备，实现各种创意设计和制造过程自动化；在教育领域，Grbl可以被学生用于机器人开发、数控设备控制和程序编写等场合；在中小型企业中，Grbl可以用于控制小型CNC设备和多轴机器人，实现生产加工等任务。CNC技术在未来的工业领域中将扮演越来越重要的角色，而Grbl作为一款高性能控制软件，在CNC设备控制和程序编写领域具有广泛的应用前景。因此，本书力图通过介绍CNC基本知识和AVR 处理器编程基础，并叙述Grbl的工作原理和通信协议方便用户更深入地理解Grbl。
除了Grbl本身的应用，还有一些相关机电系统设计仿真软件也在不断发展。比如，基于Grbl的上位机控制软件，可以提供更直观、易用的操作界面，帮助用户更快速地调整设备参数和运行程序；基于NX MCD的虚拟机电系统仿真可以方便地实现CNC设备和控制程序的开发与测试，大大提升了开发效率。因此，本书介绍了基于Python语言的Grbl的上位机软件编程，以及基于NX MCD的虚拟机电系统仿真技术。NX MCD是UG NX软件的一个应用模块，可以模拟各种机电系统的运动和控制过程，帮助用户更好地设计、优化和验证机电产品。通过将Grbl与MCD相结合，用户可以实现全软件的CNC控制仿真，不仅节省成本和时间，还可以方便地进行参数调整和程序测试。具体地，本书介绍如何使用Proteus软件搭建了Grbl的硬件模型，然后通过MCD的通信接口和Grbl进行数据交换，实现了机械和电气部分的联合仿真。在这种仿真环境下，用户可以输入G代码，模拟CNC机器人的运行过程、回零过程，并观察结果，还可以进一步优化参数和改善运行效率。同时，由于是全软件仿真，可以避免由于硬件问题造成的工厂停产等风险，提高生产效率和安全性。总之，Grbl和基于MCD的虚拟CNC仿真技术为用户提供了全新的设计和测试方式，帮助用户更快速、更准确地完成项目任务，为机械和电气行业的发展注入新的活力。
本书主要介绍了CNC技术的基础知识，重点介绍了Grbl原理和代码解析，以及基于MCD的虚拟CNC仿真。第一章详细介绍了CNC结构、解释器、速度控制、插值等内容；第二章则介绍了Grbl的状态和操作，包括环缓存区、规划及插补、驻车、回参考点（回零）和通信协议等；第三章介绍了AVR-LIBC基础，包括AVR端口变化中断、定时器/计数器、EEPROM、Flash、USART等；第四章介绍了 Grbl代码的解析；第五章介绍了上位机编程，包括简单通信、流控制通信、上位机程序示例；第六章介绍了基于MCD的虚拟CNC仿真， 包括Grbl引脚和编译、Proteus模型、MCD机械模型、MCD通信、Grbl与MCD机械模型的联合仿真等；第七章则介绍了Grbl的应用，包括Grbl的编译与烧录、Grbl硬件连接、上位机控制软件，Thor六自由度开源机器人等。研究生朱泓、左红博和张佳斌参与了后三章的编写和测试，魏永庚教授和王中鲜副教授对本书进行审阅，并提出许多宝贵意见。
本书适用于对CNC技术及MCD技术感兴趣的读者，也适用于从事CNC开发的工程师和爱好者使用，另外也适用于机电专业本科及研究生学习教材。
本书的例程及代码链接：https://pan.baidu.com/s/1Krp6mWeKZa8-zxLRMOz2bw 提取码
                                                                                                                            作者

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