Wie man eine STM32 CNC 4-Achsen macht?

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Der Bau einer 4-Achsen-CNC-Steuerung mit einem STM32-Mikrocontroller umfasst mehrere Schritte, darunter Hardware-Auswahl, Firmware-Entwicklung, Motorsteuerung und G-Code-Verarbeitung. Hier ist eine strukturierte Anleitung für dein STM32-basiertes 4-Achsen-CNC-System.

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1. Benötigte Hardware-Komponenten

Komponente	Beschreibung
STM32-Board	STM32F4/F7/H7 (z. B. STM32F407, STM32F446) für schnelle PWM & Timer
Schrittmotor-Treiber	TMC2209, DRV8825 oder A4988 (für NEMA 17/23-Motoren)
Schrittmotoren	4× NEMA 17 oder NEMA 23 (abhängig von der Last)
Stromversorgung	12V–36V (je nach Motoren)
CNC-Shield	Optional (z. B. RAMPS 1.4, aber STM32 benötigt eigene Verdrahtung)
Endschalter	Mechanisch/optisch für Referenzfahrt & Sicherheit
USB/Serial-Schnittstelle	Für G-Code-Kommunikation (UART/USB CDC)
Kühlsystem	Kühlkörper/Lüfter für Treiber & Motoren

2. Firmware-Entwicklung (STM32)

A. Entwicklungsumgebung einrichten

Installiere STM32CubeIDE (oder Keil/IAR mit STM32-Unterstützung).
Nutze STM32 HAL oder LL-Bibliotheken für die Peripherie-Ansteuerung.
Aktiviere TIM (Timer) für PWM (Schrittmotorsteuerung) und UART/USB für G-Code.

B. Schrittmotorsteuerung (mit STM32-Timern)

Konfiguriere 4× PWM-Kanäle (TIM1/TIM8 für erweiterte Steuerung).
Nutze Step/Direction-Steuerung (TMC2209/DRV8825).

Beispielcode für die Schrittmotor-Ansteuerung:

// Beispiel: STM32 HAL für Step/Direction
void STEP_Pulse(uint8_t axis) {
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PORT, STEP_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(10); // Kurzer Impuls
    HAL_GPIO_WritePin(STEP_PORT, STEP_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

C. G-Code-Verarbeitung

Implementiere einen G-Code-Interpreter (ähnlich wie Marlin/GRBL).
Verarbeite Befehle wie G0 X10 Y20 Z5 A90 (A = 4. Achse).

Beispiel für einen einfachen G-Code-Parser:

void parseGcode(char *gcode) {
    if (strstr(gcode, "G0")) {
        float x, y, z, a;
        sscanf(gcode, "G0 X%f Y%f Z%f A%f", &x, &y, &z, &a);
        moveTo(x, y, z, a); // Motoren bewegen
    }
}

D. Bewegungssteuerung (Bresenham-Algorithmus)

Nutze den Bresenham-Algorithmus für flüssige Mehrachsen-Bewegungen.
Implementiere Beschleunigung/Verzögerung (trapezförmig oder S-Kurve).

3. Verdrahtung (STM32 ↔ Treiber)

STM32-Pin	Treiber-Pin	Funktion
`PA0–PA3`	`STEP`	Schrittimpulse
`PA4–PA7`	`DIR`	Richtungssteuerung
`PB0–PB3`	`EN`	Motor ein/aus
`UART1`	TMC2209 UART	Für TMC2209-Konfiguration
`PA8–PA11`	Endschalter	X/Y/Z/A Min/Max

4. Software & Kommunikation

G-Code senden über:
- USB CDC (virtueller COM-Port)
- UART (vom PC/Arduino)
- SD-Karte (für autonomen Betrieb)
GUI-Optionen:
- Universal G-code Sender (UGS)
- CNCjs (Node.js-basiert)
- Eigenes Python/C#-Programm

5. Testen & Kalibrierung

Teste jeden Motor einzeln (manuelle Bewegung).
Kalibriere Schritte/mm pro Achse (z. B. $100=80.0 für X-Achse).
Prüfe Endschalter für Referenzfahrt.
Überprüfe G-Code-Bewegungen (z. B. G0 X10 Y10 Z5 A45).

6. Erweiterte Funktionen (Optional)

Closed-Loop-Steuerung (mit Encodern).
TMC2209 UART-Steuerung (für stealthChop/spreadCycle).
WiFi/Ethernet-Steuerung (ESP32 als Co-Prozessor).
Tastsonde für Z-Achsen-Kalibrierung.

7. Beispielprojekte & Bibliotheken für STM32

GRBL-STM32 (GRBL-Port für STM32)
GitHub: grblHAL/STM32
Marlin 2.0 (Unterstützt STM32F4)
GitHub: Marlin Firmware
Eigene STM32-CNC-Firmware
(OpenSTM32-Foren durchsuchen)

Fazit

Mit dieser Anleitung kannst du eine 4-Achsen-CNC-Steuerung mit STM32 bauen, die präzise Bewegungen und G-Code-Unterstützung bietet. Beginne mit einfachen Schrittmotor-Bewegungen und erweitere sie dann um G-Code-Verarbeitung und Mehrachsen-Koordination.