简介这是将 Grbl 开源 G 代码解释器扩展至四轴控制的一版固件资源面向 Arduino 平台的 CNC 爱好者与 DIY 玩家解决三轴设备无法联动旋转轴进行复杂曲面、多面加工的问题。压缩包共 70 个文件核心为 32 个 .h 头文件与 17 个 .c 源码文件另含 .ino 固件入口、Makefile、配置文件及示例 G 代码整体仅 371KB轻量且便于阅读改造。已有 1326 人学习下载。资源内固件代码、配置文件、示例脚本与文档分工明确通过阅读源码可理解四轴联动、限位、运动规划等关键模块的实现思路结合配套 PDF、SVG 图纸及示例 G 代码可辅助完成板卡接线、固件烧录与调试适合具备一定 C 语言和 Grbl 协议基础的玩家深入实践。 玩 CNC 玩到一定阶段三轴基本就满足不了需求了。想在圆柱面刻字、木头笔筒上雕花、甚至给工件做分度打孔没有第四个旋转轴根本做不了。官方 GRBL 固件默认只支持 X/Y/Z 三轴加一个主轴要加 A 轴就得用社区改出来的四轴版本最常见的获取方式就是一个 grbl4axis-master.zip 压缩包。这篇文章就围绕这个 zip 包展开它改了什么、怎么解压、怎么配置、怎么烧录以及接上 CNC Shield 之后怎么把 A 轴跑起来。适合已经装过一台三轴 CNC、想自己折腾固件的人也适合从零开始的新手只要你会用 Arduino IDE整个流程一两个小时基本能跑通。1. 项目概述grbl4axis-master.zip 到底是什么1.1 一个 zip 包背后是整个四轴分支grbl4axis-master.zip 本质上是某个 GitHub 仓库主分支的源码快照。这里的 grbl 指的是开源的 G 代码运动控制固件跑在 Arduino 这类 MCU 上负责把上位机发来的 G 代码解析成步进电机的脉冲信号。官方 GRBL 一直把轴数限制在三个所以社区里陆续出现了各种添加第四轴支持的 fork常见的做法是在 GRBL 1.1 的基础上加一个 A 轴让固件能同时控制 X/Y/Z 和旋转轴。master 是 Git 中的主分支名在 GitHub 上点 Code - Download ZIP 下载到的就是仓库 master 分支当前状态的压缩包文件名一般是 仓库名-master.zip所以 grbl4axis-master.zip 打开后通常是一个 grbl4axis-master 目录。还有一点值得留意这个 zip 是一个快照不代表仓库某次正式发布的版本里面代码可能是比较新的开发状态也可能是作者很久没维护的老代码烧录前要看下文件修改日期做初步判断。1.2 为什么不用官方 grbl而用四轴版本有人会问我对四轴的实现方式不太确定能不能先不改固件、用现成方案答案是不行。GRBL 的轴数在编译期就固定了固件里没写 A 轴的运动规划代码上位机发了 A 轴坐标它也不认识轻则报错重则直接忽略。四轴版本的价值就是补上这一层对比点官方 GRBL 1.1四轴分支如 grbl4axis支持轴数3 轴 主轴4 轴X/Y/Z AA 轴坐标解析不支持支持可做旋转轴联动上手成本低稍高需要改 config.h适合场景常规三轴雕刻、激光圆柱雕刻、分度、四轴联动当年我从三轴升级到四轴最直观的感受是三轴只是一个平面加工工具加一轴后才算真正能在空间里干活。比如做滚花、雕笔筒、刻公章都需要旋转轴配合坐标联动这件事官方固件做不了只能靠这个分支。2. 下载、解压与目录结构别在第一步翻车2.1 zip 从哪来、master 是什么意思这种包没有统一的官方下载入口基本都是从 GitHub 上的个人仓库下的搜索关键词直接用 grbl 4 axis 就能找到一堆。下载方式有两种在仓库页面点Code按钮选Download ZIP拿到的就是当前分支的 zip去Releases页面下载作者打好的 tag 包这种通常是较稳定的版本。我个人建议优先找仓库里明确写了4 axis、A axis、fourth axis的字样README 里最好有接线说明。像这种固件项目代码型号杂、A 轴引脚定义五花八门选错了后面改起来很痛苦。master 分支还有个特点它是仓库最新的默认分支如果你在某天看到一个 master 的 zip它反映的就是仓库当天的状态。如果仓库很久没更新那这个包其实也算稳定的老快照。2.2 解压后的目录结构哪几个文件决定生死拿到 zip 后第一件事不是急着解压而是右键看属性确认文件大小是否完整。凡是解压时报invalid zip archive: could not find EOCD的十有八九是下载中断文件不完整直接重新下一遍。有些压缩包有多卷文件z01 这种那是在网盘分卷上传了全部下载后要按顺序合并或使用支持多卷的工具才能正常解压。解压完成后建议做一个关键操作把文件夹改名成grbl再放到 Arduino 的 libraries 目录下。因为 Arduino 加载第三方库时识别的是库目录名和里面的 .ino 文件名如果目录叫grbl4axis-masterIDE 大概率找不到库或者编译的时候报 No such file or directory。目录里真正决定固件行为的文件是这几个grbl/主源码目录里面是核心运动控制代码config.h固件功能开关和参数宏四轴开启就在这改cpu_map.hMCU 引脚到功能信号的映射A 轴接哪个引脚看这里grbl.inoArduino 工程入口编译烧录需要打开它。3. 固件配置与烧录把 A 轴编译进去3.1 环境准备与库安装烧录四轴 grbl 的推荐环境仍是 Arduino IDE 1.8.x。不是说我守旧而是实际测下来2.x 版本对部分老库的编译兼容性不如 1.8 稳定有的 fork 会报头文件冲突。你可以装一个绿色版 1.8.19解压即用不碍事。装好后把改名后的grbl文件夹整个复制到Arduino/libraries/下重启 IDE。此时在菜单栏的文件 - 示例里如果能找到grbl grbl说明库识别成功。注意不要直接把整个 grbl4axis-master 文件夹放进 libraries那里面套着一层 grbl 目录层级错了也会报找不到库。3.2 config.h 里的核心修改点不同 fork 的四轴配置方式略有差别但大的方向一致关键就是让固件在编译期知道你的机器有四个轴A 轴使用哪些引脚是否开启软限位。打开grbl/config.h我一般优先搜索这些关键字#define A_AXIS或FOUR_AXIS四轴总开关很多分支默认注释掉或者置 0要打开A_STEP_PIN、A_DIR_PINA 轴脉冲和方向引脚定义这块有时在 cpu_map.h 里N_AXIS轴数量如果出现则改为 4。举个常见配置基于 Arduino Uno 加 CNC Shield V3 的接法A 轴一般用D12做 STEP、D13做 DIR使能引脚沿用D8。你可以在 cpu_map.h 里找到类似A_STEP_BIT、A_DIR_BIT的定义把它们确认好就行。注意改引脚前要对着自己的硬件接线来看CNC Shield V3 的 A 轴插座通常直接标了 A-STP、A-DIR别想当然接。电机参数也要提前算一下。GRBL 官方默认按 250 步/毫米走实际要按你的丝杆导程或皮带传动比算每毫米步数 电机一圈步数 × 驱动细分数 / 丝杆导程。比如步进电机 1.8 度一圈 200 步驱动器设 16 细分丝杆导程 4mm那 X/Y/Z 就是200 × 16 / 4 800 步/mm。如果 A 轴是旋转轴最小单位是每度多少步减速比 × 电机步数 × 细分数 / 360。这些值不一定要在 config.h 里写死烧录后用$100/$101/$102/$103也能改但先算好可以让第一次测试更顺利。3.3 CNC Shield 接线与烧录接线这块我就按自己用的 CNC Shield V3 来说。驱动板通常是 A4988 或者 DRV8825A 轴插到 Shield 的 A 插座上注意方向别插反EN 使能口默认低电平有效。驱动器的细分跳线也要设置好它和 config.h 里的细分数匹配不上脉冲数就会算错最常见的现象就是运动距离差一大截。确认无误后双击grbl.ino打开工程在工具菜单里选择开发板为Arduino/Genuino Uno端口选 Arduino 对应的串口直接点上传。烧录过程一般十几秒看到 上传成功 后打开串口监视器波特率设 115200发送$$如果能列出一堆参数说明固件已经在跑了。此时多看一项参数列表里如果出现了$103、$113、$133这类带 A 轴含义的参数不同分支命名可能不同就说明四轴编译是生效的。注意参数表里$103的位置在不同 fork 里含义可能不完全一样一定要以当前固件的$$输出和源码注释为准这也是玩这类分支最有意思的地方没有标准答案一切跟着固件走。4. 上位机联动与 A 轴调试4.1 选哪个 grbl 上位机固件烧进去只是第一步你还需要一个grbl 上位机来发指令。如果只做三轴Grbl Controller这类轻量工具完全够用但加了 A 轴之后它的表现很一般坐标面板根本不显示 A 轴。我实际用下来推荐这两个CNCjs网页版支持 A 轴手动和 G 代码发送四轴坐标显示没问题拿来调试 A 轴很直观UGSUniversal Gcode Sender桌面版适合有 G 代码文件需要跑完整流程的场景四轴支持也靠谱。连接参数是固定的串口选 Arduino 所在端口波特率 115200这些都是 GRBL 固件的默认值不用改。连上后先发一个$$确认通信正常再发?查询当前状态如果返回Idle就说明固件就绪。4.2 $$ 参数表与 A 轴运动测试四轴联动的核心参数都在$$里。以常见的分支为例$100/$101/$102对应 X/Y/Z 的步数A 轴相关的步数参数编号可能顺延到$103或类似位置最大速率、加速度、行程也有对应项。测试 A 轴时我习惯手动让固件走几个角度先在手动模式下输入G0 A30让 A 轴转到 30 度再输入G91 G1 A45 F200用增量方式以 200 的进给速度转 45 度连续来回几次观察电机是否平稳启停、有没有丢步。如果电机不转第一件事是看 EN 使能脚有没有把驱动器使能住CNC Shield 上那颗指示灯亮不亮是很好的判断信号。如果转倒是转但方向反了可以修改步进电机的方向掩码参数标准 GRBL 里是$3方向取反位掩码A 轴的反向一般就体现在这个参数的对应 bit 上改一下再试。如果一转就抖甚至发出刺耳声音通常是驱动器细分数和步数参数不匹配或者是电流设置过大把 A4988 上的电流调节电位器往小拧一点会明显改善。5. 常见问题与实战避坑5.1 编译失败排查烧录四轴分支最常踩的坑就是编译报错。我整理过一份排查顺序几乎能解决九成问题库目录名是否为grbl在 libraries 下是不是只有一层嵌套Arduino IDE 版本是否为 1.8.x2.x 遇到老代码直接劝退config.h是否存在宏开关冲突比如同时打开了 A 轴又开了别的轴或者注释中出现中文乱码改坏了格式检查依赖子模块是否齐全有些分支用了额外库比如 EEPROM 扩展或 soft limits 相关缺目录一编译就报 No such file or directory。如果错误信息指向某个具体宏多半是分支作者的代码里引用了官方 GRBL 没有的配置项这时就要去仓库的 README 或 issues 里搜对应关键词看作者说了什么。切记不要在完全没明白错误原因的情况下乱关宏很容易把运动控制功能搞坏。5.2 电机不动、方向反、失步A 轴电机不动除了前面说的使能问题还有一种常见情况是引脚定义和实际接线对不上。比如配置里 A_STEP 是 D12你却接到了 D13电机自然没反应。这事的根源是 zip 包里的 cpu_map.h 是作者按他自己的硬件写的你拿到的板和它不一样就必须改。我的建议是安装一个简单的闪烁测试 Arduino 程序手动让 D12 和 D13 输出方波用万用表量一下线序是否和预期一致比盲改配置快得多。方向反了还好办改$3的对应位或者直接把电机接头调换 A/A- 两个绕组之一都可以。比较麻烦的是失步尤其是旋转轴带负载之后转动到一半咔咔响。这里有一个心态问题不要一失步就觉得固件参数没调好先检查机械负载和驱动电流。A4988 在 12V 供电下带一个普通 NEMA17电流调到 0.8A 左右一般够用电流太小编码器照样丢步。A 轴如果是减速电机还要把减速比算进每度步数否则负载一大必然卡顿。5.3 从 zip 到 git升级依赖与分支关联的坑最后想聊一个很多人会忽略的问题zip 用完留着解压目录可以但如果你想跟着上游仓库持续更新就得把它转成 Git 仓库。因为 zip 解压出来的没有.git目录你改进的东西也没法追溯。常见路径是git init后把上游仓库添加为 remote再拉取你的分支。这里有个大坑zip 快照的工作区内容和上游 master 往往其实是一致的但 Git 历史里并没有对应的 commit直接git rebase origin/master一定会冲突得很惨。我实际推荐的做法是git init git remote add origin https://github.com/xxxx/grbl4axis.git git fetch origin git checkout -b master origin/master git reset --hard origin/master这样先把自己的改动备份再用上游 master 覆盖成标准分支结构以后更新新代码直接git pull origin master就行。另外翻车率极高的一个场景是分支不对。仓库默认分支可能叫 master代码更新却提交在 dev 分支上你git clone下来还是 master 状态。解决办法是显式拉 devgit fetch origin dev:dev git checkout dev这个问题我在好几个开源项目里都碰到过特别是快速迭代的固件仓库README 里写着新功能在 dev下载 zip 时却直接给了 master等你拿到的包一编译发现里面根本没有新加的轴配置就会绕一大圈。最后再分享一个小技巧我烧录和调试四轴固件的习惯是先把一台机器做成可复现状态把所有改动写成一份 notes包括改了 config.h 哪些行、$ 参数表的值、接线照片甚至驱动板细分的拨码开关状态。这样一旦某次改了参数导致机器不动很快就能回滚到上一个可用状态而不是靠记忆瞎猜。GRBL 四轴分支本身是一个发展快、文档少、全凭实践堆出来的领域保持记录就是保持清醒。本文还有配套的精品资源点击获取