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。

随着计算机硬件性能的提升和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，以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Grbl的硬件模型，然后通过MCD的通信接口与Grbl进行数据交换，实现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1章介绍了CNC技术基础，包括CNC结构、速度控制、速度前瞻规划、插值等内容；第2章介绍了Grbl的工作原理，包括环缓冲区、规划及插补、驻车、回参考点（回零）和探测等；第3章介绍了ATMEGA328P处理器及AVR LIBC基础，包括AVR端口变化中断、定时器/计数器、EEPROM、FLASH、USART等；第4章主要内容为Grbl代码解析；第5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6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7章介绍了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开源机器人等。

在本书的编写过程中，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了审阅，并提出了许多宝贵意见。

本书适合对CNC技术及MCD技术感兴趣的读者使用，也适合从事CNC开发的工程师和爱好者使用，另外也可作为机电专业本科生及研究生的学习教材。

本书的例程及代码链接：https://pan.baidu.com/s/1Krp6mWeKZa8-zxLRMOz2bw。提取码：1234。

作者
2023年8月20日