GRBL簡介
GRBL 是一套免費、開源的 Arduino Uno 韌體固件，用來控制簡單的XY雙軸CNC移動，並可在Z軸上，上下移動電鑽、控制電鑽的轉速。由於 GRBL 可以透過 Arduino Uno 的 Rx Tx 序列埠串口，以G-Code進行即時通訊，因此燒錄了 GRBL 韌體固件的 Arduino Uno 板，便可以用來製造小型簡單的 CNC 自動化機器，並利用現成的免費CNC軟體，實現比較複雜的機器控制。網路上可以搜尋到很多基於 GRBL 的創客專案，像電鑽雕刻機、雷射激光雕刻機，或者更簡單的繪圖機玩具，其實很多拍賣網上販售的木頭雕刻機、軟金屬雕刻機，也都是基於GRBL的機器。這些機器，透過一些開源的 CNC 平台軟體，可以搞出很不錯、可用的控制機具。
然而對於一些入門者來說，製作這些機器，所需要花費的金錢雖然不算太貴，但對於想要做幾部CNC機器來玩、來實驗的創客，或要做個專題研究的學生來說，所有零組件買下來，也得要幾千塊錢。而對於像我一樣，只是想要粗淺涉獵這部份知識的玩票性玩家來說，也不想花太多資源浪費在這上面。
用 GRBL控制兩顆28BYJ-48 加一顆 SG90？
基於上述理由，本來我只是想用兩個 28BYJ-48 步進馬達，與一個 SG90 伺服馬達。花個幾百塊錢零件費，來設計一個完全 3D 列印出來的低速繪圖機，藉以了解 CNC軟體與 Arduino 之間的互動關係，以及 CNC 軟體這邊的設計規劃，這兩種馬達可以輕易在拍賣網站買到，而且很便宜。但沒想到買來以後，剛開始試驗 Arduino UNO 與這些馬達連接控制的過程，就遇到困難。原版 GRBL 的設計，根本沒有考慮用這類低價的 28BYJ-48步進馬達(搭配ULN2003馬達驅動板)、SG90馬達。我想是因為 28BYJ-48+ULN2003，一顆馬達就佔用4根腳位，跟其他只用到 CW/CCW或STEP/DIR兩根腳位的步進馬達，較不受到青睞吧。一開始在網路上找到 TGit-Tech 改編的 GRBL 1.1f版，可以支援兩顆 28BYJ-48+ULN2003，與一顆伺服馬達。但試用後發現，韌體固件設計在Pin11的伺服馬達PWM信號，跟SG90不相容。SG90的控制，需要以50Hz 的脈衝波，並調整脈衝寬度在1ms到2ms之間，來控制伺服機轉動角度。這麼小比例的 Duty Cycle，原本可能是為了省電才這麼設計。但這麼窄的寬度，以 GRBL 剩餘唯一可用的 8-bit Timer 2 來控制 (其他的Timer被GRBL用來產生定時中斷信號，用作程式流程的精密循序控制)，雖然 Timer 2 還是可產生出上述的 50Hz PWM / 1ms-2ms寬度的特殊脈衝波，在 Pin3 接出來使用，但是解析度實在很差。
以SG90伺服機180度全幅轉角來計算，用Arduino Uno的 Timer2 控制，只能有8個步階，相當於每個步階，就有22.5度這麼大的轉幅，實在很粗糙。不過用於繪圖機的筆尖抬起放下動作，8個步階，還是能製造出夠OK的筆觸效果，覺得勉強可用。
原版程式修改 GRBL Firmware Redesign
為了試驗上述馬達控制，一開始找到 TGit-Tech 的 GRBL 修改版，他的程式可以控制兩顆 28BYJ-48 步進馬達。接著試著小改他的程式，以支援SG90伺服機，但後來發現，他的程式已經佔用幾乎全部 Arduino ROM空間，增加一點程式碼，便無法成功上傳到Arduino Uno。而且他的程式，選用的 Timer Mode無法輸出SG90需求的脈衝波。無奈之下，只好用 gnea 原版的 GRBL 1.1f 版本，重新大改一番，將一些被 28BYJ-48 佔用的腳位、無法使用的一些限位開關功能程式碼，以 #ifdef 語法，在編譯時捨棄，來節省ROM空間，並且在 config.h 中，用兩行程式碼，統一決定要不要使用 SG90 (#define SPINDLE_SG90)與要不要使用28BYJ-48 (#define STEPPER_28BYJ48)。去掉config.h中，這兩行程式碼再重新編譯的話，便可回復原版 GRBL 韌體固件，不會影響到原有功能。這樣的設計，對未來可能會用到的其他馬達零件或功能，應該會比較理想。下面的下載連結中，那個被我改好的GRBL Remix版本韌體固件，經過測試，確定能正常控制兩顆 28BYJ48與一顆 SG90，而且程式容量小到可塞進 Arduino Uno 的ROM中，而不發生問題。程式中，SG90的轉動幅度控制，是以 GRBL 儲存參數中，最小鑽頭轉速($31)與最大鑽頭轉速($30)的範圍，平均8等分，來控制轉動角度。以GRBL v1.1f 預設的這兩個參數來說，0 - 1000RPM，鑽頭轉速每增加125 RPM，就會讓SG90伺服馬達，右轉一格，也就是 22.5度，反之則反方向轉動。
GRBL預設參數：
$30=1000. Max spindle speed, RPM
$31=0. Min spindle speed, RPM
馬達配線 Wiring between motor (driver) and Arduino Uno
這個Remix版本的GRBL，我盡量讓影響的功能降到最小，在配線上盡量節省，不要干擾到作者原先的設計，但還是得犧牲到一些限位開關，造成一些 CNC 的定位功能失效。按照以下的配線方法，便能夠在CNC軟體中，正常操控兩顆便宜的步進馬達加一顆便宜的伺服機。
X axis 28BYJ-48 Stepper by ULN2003 driver X軸步進馬達配線
IN1->D2, IN2->D4, IN3->D5, IN4->D7Reverse Moving IN1->D7, IN2->D5, IN3->D4, IN4->D2 若是要相反方向運動的話，這樣配線
IN1 to IN4 are the pins on ULN2003 Darlington motor driver, and D2, D4, D5, D7 are digital pins on Arduino Uno
Y axis 28BYJ-48 Stepper by ULN2003 driver Y軸步進馬達配線
IN1->A0, IN2->A1, IN3->A2, IN4->A3Reverse Moving IN1->A3, IN2->A2, IN3->A1, IN4->A0 若是要相反方向運動的話，這樣配線
Z axis SG90 controlled by CNC spindle speed Z軸伺服機配線
PWM wire (orange) -> D3 橘色PWM線接Arduino 數位 D3 腳位The other two power and ground pins to 5V and GND on Arduino or external power supply
重製版韌體固件下載 Download
Download: GRBL 1.1f Remix for two 28BYJ-48 Stepper + one SG90 ServoFiles modified from the official version of GRBL:
config.h
cpu_map.h
stepper.c
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