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【打印虎】RepRap3D打印机G-code命令专家详解玩过一段时间3D打印机的朋友，都会接触到G-code文件。所谓G-code文件，指的是3D模型在进入3D打印机实际打印之前，必须要经过切片器处理而成的一种中间格式文件。这种中间格式文件的内容，实际上每一行都是3D打印机固件所能理解的命令。而这些命令，也被称为G-code命令，是3D打印机和电脑之间最重要的命令交互界面。上面的图，虽然是简化后的线框图，但清晰地表示了G-code命令所处的重要位置。事实上所有从计算机发送到3D打印机的内容，全部都是G-code命令，没有任何例外。不论计算机和3D打印机之间是如何连接的，用常见的USB线也好，用SD卡作为G-code文件介质也好，或是用比较新式的TCP/IP连接也可以，这个连接通道中的所有信息，都是G-code命令。这个特征非常重要，牢牢记住这个特征，可以在我们分析、解决很多3D打印机问题的时候，提供强有力的支撑。既然所有3D打印机都使用G-code作为对外联系的唯一信息交互方式，那么这种“语言”的标准就很重要了。不幸的是，虽然所有的3D打印机，都使用G-code作为与计算机的交互语言，但实际上每种3D打印机“说出”的G-code，都多多少少有些不同。这也可以说，每种3D打印机都有自己的“方言”。我们要研究G-code，就要从一种最常见的“方言”，也可以说是“普通话”开始，先了解一种，然后再学习其他类似的语言，相互对比，就很容易了。我们这篇文章，专门研究的是Repetier公司出品的Repetier-firmware固件所使用的G-code语法。如果这正是你需要的，那么就很方便了。如果你想研究的是其他3D打印机固件，比如marlin之类，那就不太巧了，有些内容可能不完全一致。不过，文章中提到的方法，仍然适用，你可以以这篇文章为基础，自己搞定对marlin的研究。这篇文章主要面向具有一定技术水平的朋友，从第一节开始，我们就开始分门别类解释每一条G-code命令，这对于已经了解如何使用G-code的朋友会比较方便。但如果你还是初学者，不知道怎么使用G-code，甚至都没有见过“活的”G-code，也没有关系，在这篇文章最后面的第十五节和第十六节，我们会详细讲解如何在Repetier-host软件中单条执行G-code命令，以及如何观察、编辑、修改一个切片器切片之后的简单的G-code文件，满足初学者的学习要求。在正式开始之前，我先给打印虎做一个小广告。日前，打印虎正式推出了自主研发的下一代3D打印机主板Salai，这个主板采用了32位ARM体系结构，CPU运行速度是传统8位主板的5倍，可以有效提高3D打印的质量，同时支持双挤出头，自带3.5英寸的TFT全彩触摸屏，配合大幅改进的Repetier-firmware固件，拥有丰富的操作功能和良好的用户界面。这个产品的固件不仅功能丰富，还是开源的，可以满足深入学习的需求！这个产品不光性能高、颜值高，核心代码开源，价格还特别低，有兴趣的朋友，可以到打印虎的产品页面，看看更详细的信息，这里就不多说了。第一节，基础运动既然G-code是计算机指挥3D打印机干活用的一套语言，那么其中最重要的就是运动类的指令。G0/G1直线移动虽然从名字上看，G0叫做“快速直线移动”，而G1叫做“直线移动”，但实际上在Repetier-firmware里面，G0和G1指令是完全等价的，没有任何区别。移动是否快速，完全是靠参数F来决定的（下面会详细介绍）。这条指令的作用也很简单，就是将挤出头线性移动到一个特定的位置。这条指令带有不少参数，完整的形式是这样的：G0XnnnYnnnZnnnEnnnFnnnSnnn或者G1XnnnYnnnZnnnEnnnFnnnSnnn使用时，不需要所有的参数全部存在，但至少要有一个参数。其中，Xnnn表示X轴的移动位置；Ynnn表示Y轴的移动位置；Znnn表示Z轴的移动位置；Ennn表示E轴（挤出头步进电机）的移动位置；Fnnn表示速度，单位是毫米/每分钟；Snnn表示是否检查限位开关，S0不检查，S1检查，缺省值是S0；举例来说，G1F1500G1X50Y25.3E22.4这样两行G-code，表示了首先将速度设置为1500mm/min，也就是25mm/s，然后将挤出头移动至x=50mm,y=25.3mm的位置上，z轴高度不变，并且将挤出头步进电机移动至22.4mm的位置上。这里，速度、xyz位置都比较好理解，但挤出头步进电机的位置怎么理解呢？移动至22.4mm处，代表着挤出了多少耗材呢？实际上，这里挤出头的具体动作，要根据之前挤出头步进电机所在的状态（也就是位置）而定。比如在这两条语句之前，挤出头步进电机已经处于20mm的位置处，那么这里挤出头步进电机只要再前进2.4mm就可以了。仔细想想，其实挤出头步进电机的工作方式，与xyz轴完全一样。xyz轴之所以比较好理解，是因为我们清楚的知道原点(0,0,0)的位置在哪里。而对于e轴来说原点的位置也会在打印开始处被初始化到0的位置。知道了原点的位置，就可以正确理解挤出头步进电机的工作方式了。实际上，挤出头步进电机仍然是以原点为基础，只不过是在整个打印过程中持续增加的。（思考：切片器的挤出头回抽动作，对应了什么样的G-code代码？）再举一例，G1F1500G1X50Y25.3E22.4F3000这个例子与上面的例子非常类似，唯一的区别，就是F参数了。而这两条语句的意义，除了对XYZE的移动之外，还会将打印速度，从语句执行开始时的1500mm/min，提高到语句执行结束时的3000mm/min。这里有两点需要注意。第一点，F参数与XYZE参数一样，在语句执行的过程中线性插值；第二点，在预先知道第一点的前提下，F参数使得计算机对3D打印机的控制更加深入和精准了。计算得当的情况下，切片器可以精确控制3D打印机的加速和减速过程，使得整个3D打印过程更加顺滑。G2/G3圆弧移动这两条命令中，G2是顺时针圆弧移动，G3是逆时针圆弧移动。命令的完整形式是：G2XnnnYnnnInnnJnnnRnnnEnnnFnnn或者G3XnnnYnnnInnnJnnnRnnnEnnnFnnn其中，Xnnn表示移动目标点的X坐标；Ynnn表示移动目标点的Y坐标；Innn表示圆心位置，值是圆心距离当前位置的X分量；Jnnn表示圆心位置，值是圆心距离当前位置的Y分量；Rnnn表示圆形的半径长度；Ennn表示E轴（挤出头步进电机）的移动位置；Fnnn表示速度，单位是毫米/每分钟；根据勾股定理，R2=I2+J2。因此，如果提供了圆心位置参数，就不需要提供半径参数了。反之，如果提供了半径参数，也可以根据当前点和目标点计算出圆心位置，就不需要提供I/J参数了。其他几个的参数用法，与G0/G1是完全一样的。G2/G3命令面临的最尴尬的问题，是常用的上位机切片器软件，包括Slic3r以及Curaengine，并不会生成这两条指令。所有3D模型中的圆弧，在STL文件中已经被转化为使用大量小线段拟合而成的曲线。这样，切片器自然也不会把这些小线段当做圆弧处理。最终的G-code输出结果，也只会存在G0/G1指令，而不会存在G2/G3指令。当然，据打印虎所知，如果你使用的是比较小众的上位机软件，比如artCAM等，因为这些软件的输入并不是STL文件，因此它们的输出G-code是很有可能出现G2/G3命令的。如果确定了你的3D打印机只会接收到G0/G1直线移动命令，那么我们完全可以在3D打印机固件配置中，定义#defineARC_SUPPORT0这样，所有与G2/G3指令相关的代码，就都不会编译，也不会包含在最终的固件代码中了。可以节省一些固件的空间，同时并不会影响任何3D打印机的功能。还有一个问题留给大家思考：在上位机切片软件输出G2/G3命令的情况下，相比于上位机切片软件输出G0/G1命令的情况，是否3D打印机打印圆形物体时会更圆呢？（答案是不会。）那么其中的原理是什么？G4暂停移动这条命令让挤出机在当前位置停止一段时间。可能的参数包括：Pnnn表示停止移动的时间，以毫秒为单位，1000毫秒等于1秒。Snnn也表示停止移动的时间，以秒为单位。因此，G4P2000命令与G4S2命令是完全等价的。G10/G11回抽/反回抽这两条命令使挤出头执行一个回抽(G10)或者相反的动作(G11)。所谓回抽，就是让E轴步进电机反转一小段。而反回抽则让E轴步进电机正转一小段。参数只有一个：Snnn表示回抽的距离。S1表示长回抽，S0表示短回抽。实际上，目前的切片器并不太依赖于G10/G11指令执行回抽动作，而是利用G1Ennn命令直接命令挤出头步进电机前进或倒退到某一个位置。因此，与G2/G3命令类似，G10/G11命令基本上是个摆设，除非未来有专门的切片器可以生成这两条指令，否则完全可以将这两条指令关闭，节省内存空间。在固件配置中，定义#defineFEATURE_RETRACTION0可以关闭G10/G11功能，在编译期去除这段相关的代码。G20/G21设置距离单位这两条命令非常简单，用于设置当前距离单位为英寸(G20)或者毫米(G21)。没有参数。未设置时缺省值是毫米。G28归零这条命令使3D打印机XYZ轴以及挤出头E轴归零。参数包括：X表示使X轴归零Y表示使Y轴归零Z表示使Z轴归零E表示重置E轴的位置为0，与XYZ轴不同的是，如果使用了E参数，E轴步进电机并不运动，而是将当前的E轴位置直接设置为0，这样下面对E轴的运动指令，都会解释为相对0点的运动。如果使用时没有任何参数，直接使用G28，等价于G28XYZ命令。这时并不会对E轴进行重置为0的操作。XYZ轴归零的顺序，由固件配置HOMEING_ORDER决定，比如定义为#defineHOMING_ORDERHOME_ORDER_XYZ就代表着先归零X轴，然后是Y轴，最后是Z轴。T设置当前挤出头对于拥有多个挤出头的3D打印机来说，需要使用T命令选择当前工作的挤出头。这条命令有一个无名参数，参数值直接跟在T后面。例如：T0表示选择第一个挤出头；T1表示选择第二个挤出头；参数是T命令最特殊的一点。这与其他所有的G-code命令都不相同。第二节，Z轴高度测试与自动调平三角洲类型的3D打印机，由于其打印速度更快，受到很多3D打印用户的欢迎。与XYZ式3D打印机最大的一个不同，在于三角洲类型3D打印机的运动计算更加复杂，很难依赖人工调平达到较好的打印效果。因此，对Z轴的自动高度测试，以及自动调平相关的功能，就显得更加重要了。以下G-code命令，是Repetier-firmware对这方面进行支持的一组命令。当然，这些功能并不仅限于三角洲类型的3D打印机。如果是包含了Z轴高度测试微动开关的XYZ式3D打印机，也同样可以使用这些功能。G29Z轴高度三点测试这条命令测试打印平面上三个点的Z轴高度，并在串口上输出结果。参数包括：Snnn测试结果的处理方式。S1表示更新内存中的Z轴高度值（重置系统会丢失），S2表示更新内存以及EEPROM中的Z轴高度值（重置系统不会丢失）。无参数时，G29命令表示只从串口上输出结果，不更新内存或EEPROM中的Z轴高度值。一般来说，只有使用高位限位开关（也就是说，Z轴的限位开关位于Z轴坐标最大处），且在挤出头上附带有Z轴高度测试微动开关的机型，适合使用G29命令测试Z轴高度。其他机械配置的机型，不适合使用G29命令。G29命令由固件配置#defineFEATURE_Z_PROBE1决定是否开启。如果这个配置项定义为0，则编译时会去除对G29命令的支持，节省内存的使用。命令执行时，打印平面上的三个点，其XY坐标由以下固件配置参数决定：#defineZ_PROBE_X1-52#defineZ_PROBE_Y1-30#defineZ_PROBE_X252#defineZ_PROBE_Y2-30#defineZ_PROBE_X30#defineZ_PROBE_Y360命令执行的开始和结束，分别会执行一段预定义的G-code。缺省