用限位开关回零：机器坐标与工件坐标

归零解决的是什么问题

一台开环运行的步进轴，对它被要求做过的每一件事都有完美的记忆，而对自己在哪儿一无所知。上电时它内部的位置计数器读作零——不是因为滑车在零处，而是因为整数初始化就是这个值。

更糟的是，机器运行中计数器也可能是错的。丢步是无声的：驱动器继续数脉冲，固件继续相信这些脉冲，于是滑车永久地偏了某个整步的四倍。控制环永远不会察觉，因为根本没有环。

归零对这两个问题都是答案。它是一台机器运行中唯一一个位置来自物理世界测量、而不是从计数累积而来的时刻——而下游的一切都依赖它。

三段式寻找

朝着开关驱动，在它动作时停下，把那儿叫作零点。这能行，而且重复精度在半个毫米左右——毫无用处。每一台真实的机器都分三遍做：

1. **快速寻找。**朝着开关驱动，速度是按“不耐烦”而不是按精度选的。这一遍只为靠近而存在，它可能走完轴的全长。
2. **退回。**退开几毫米直到开关释放。这是第三遍能进行的原因，它同时也证明了那确实是个开关，而不是一个卡住的输入。
3. **缓慢重新寻找。**用第一遍速度的一个小分数再次接近，记下动作点。这才是测量。

慢的那一遍之所以要紧，是机械原因。杠杆微动开关在柱塞移动了特定距离时才动作，但滑车在固件反应、轴减速的这段时间里还在继续走。在 50 mm/s 配 2 ms 检测延迟的情况下，滑车会在任何人知道之前越过动作点 0.1 mm。在 2 mm/s 下，它越过 0.004 mm。缓慢接近把开关自身的重复性——一只合格微动开关上几微米——转换成机器的重复性，而不是让减速距离去主宰它。

典型设置大致是这样：

给限位开关接线

开关本身和机器人当保险杠用的是同一只杠杆微动开关，接线规则也一样：

const int X_MIN_PIN = 9;

void setup() {
  pinMode(X_MIN_PIN, INPUT_PULLUP);   // NO to ground, pin pulled up
}

bool endstopTriggered() {
  return digitalRead(X_MIN_PIN) == LOW;
}

COM 接地，NO 接引脚，并打开内部上拉。这样断线会被读作“没有触发”，而对归零开关来说那是安全的失效方式：机器找不到零点并停下，而不是认定自己已经在那里。

这和急停的规则正相反，急停要的是常闭，这样线一断机器就停。归零开关和急停的安全状态是相反的，把两者接成一样是一个真实的错误，而不是风格问题。

有两个细节造成了大部分限位故障：

• 给它消抖。一次按压会在 4.7 ms 内产生大约九次跳变。归零时你是在一个紧凑的循环里轮询，所以第一个边沿才是你要的，之后几毫秒内的一切都该被忽略。永远不要挂一个计数边沿的中断。
• **把限位线布离电机线。**一根长而无屏蔽的线与斩波步进线平行走，拾到的恰恰就是那种看起来像开关闭合的噪声。如果关掉电机时归零正常、一开电机就失败，原因就在这里。

机器坐标与工件坐标

归零之后，机器精确知道一件事：限位在哪儿。那个点加上一个固定偏移，定义了机器零点——在 G 代码里就是 G53 坐标系。它是坐标系的属性。它不会动，而且每次归零之后都相同。

而那几乎永远不是你想据以测量工件的地方。所以机器会保留第二个可移动的原点：工件坐标系，G54 到 G59，定义为相对机器零点的偏移。

这份分离在你把同一个活跑第二遍时就开始回本。G 代码说“从 X0 Y0 起画一个 50 mm 的正方形”。把纸贴在一个方便的地方，点动到它的角上，在那儿把工件坐标清零，然后跑。把纸挪走，重新清零，跑同一个文件。程序一个字都没改；改的是偏移。

机器零点机架知道，工件零点活知道。把它们分开，就是你不必为了挪一个零件去改文件的原因。

软限位

有了已知的机器原点，固件就能在滑车真的到那里之前，拒绝那些会跑出包络的运动。这就是软限位，而它严格优于硬件限位，因为它让机器在一次计划好的减速处停下，而不是靠碰撞。

; GRBL
$20=1        ; soft limits on
$130=200.0   ; X max travel, mm
$131=200.0   ; Y
$132=60.0    ; Z

开了软限位却没有归零流程的机器，等于有了无法执行的软限位，因为包络是从一个它并不拥有的原点量出来的。所以大多数固件在归零之前拒绝运行，而由此产生的错误信息不是麻烦——那是联锁在起作用。

每根轴远端的硬件限位开关是一道更粗糙的后备手段，只在软限位算错时才用得上。许多小型机器跳过它们，只靠软限位，这在机器上没有任何东西能伤到你时是个合理的取舍。

状态机

归零天生就是一台小型有限状态机，把它写成一个，能让超时处理保持诚实：

enum HomeState { IDLE, SEEK_FAST, BACK_OFF, SEEK_SLOW, HOMED, FAILED };
HomeState state = IDLE;
long stateStartedAt = 0;

void homingStep() {
  switch (state) {
    case SEEK_FAST:
      if (endstopTriggered()) { stopNow(); enter(BACK_OFF); }
      // an axis that never finds its switch must give up, not grind
      else if (travelled() > AXIS_LENGTH_MM + 10) enter(FAILED);
      break;

    case BACK_OFF:
      if (!endstopTriggered() && travelled() >= BACKOFF_MM) enter(SEEK_SLOW);
      break;

    case SEEK_SLOW:
      if (endstopTriggered()) {
        stopNow();
        machinePosition = HOME_OFFSET_MM;   // the one real measurement
        enter(HOMED);
      } else if (travelled() > BACKOFF_MM * 2) enter(FAILED);
      break;
  }
}

FAILED 那些分支是值得照抄的部分。一根一直找却永远不动作的轴，可能是开关断了、滑车卡住了，或者它在把给它的每一步都丢掉——这三种情况下的正确答案都是停下来把话说清楚。一个没有超时的归零程序，会高高兴兴地把滑车往机架里磨，随你磨多久。

出问题时

它处在什么位置

归零是一台开环机器恢复它结构上无法测量的那一样东西的方法。值得说清它买到什么、买不到什么：它让机器的位置在一个活开始时是对的，仅此而已。如果轴在活干到一半丢步，原因是限流或加速度曲线不对，那么在两次运行之间归零只是每次把误差重置为零，永远修不好它。

判别方法很简单。一台归零很准、却把活干完在错误位置的机器，那是运动问题，不是归零问题。