CNC Clock製作

一直很想寫一些，製作玩具或技術型的紀錄網誌，但一直都在忙著生研究進度XDD

剛好趁最近研究進度不錯，可以偷懶一下做點小玩具~

外加UEC回收場裡面堆著一大堆廢棄電腦、印表機、各種想的到，想不到的東西，學校所有報廢的東西都會丟這邊，可以自由拿取，既然有這麼豐富的資源可以利用，不然就來做一台以前一直很想做的CNC時鐘，也為未來想做的CNC鋪路。

成果影片

材料：

光碟機*2

磁碟機*1

LCD1602*1

Ardunio NANO*1

ATMEGA328P*1

SN754410*3

從光碟機拆下來的開關*5

一些木板、螺絲與螺帽

礙於一周只開一天，所以就多撿幾台光碟機以防萬一，前前後後撿了7台光碟機、2台磁碟機。

全部拆到剩下骨架，做CNC平衡度問題挺麻煩的，剛好光機上面需要的東西都有了~

在拆的過程中，意外發現了一些有趣的事，這台筆電用的光碟機，退盤的方式是用solenoid

用直流馬達控制讀頭的光碟機，礙於他的控制晶片datashhet找不到，自己做控制又花時間(想要快速開發)，所以就再去回收場多撿幾台﹐確保有光碟機是用步進馬達控制的

再來就是一步一步的寫程式與測試了~

因為手邊沒有邏輯分析儀或示波器，就先用4顆LED代替，開始先用低頻<10Hz測試，沒問題後再慢慢調高頻率，測試馬達極限，Arduino有很方便的ADC可以用，直接設定大範圍，然後用可變電阻直接調控頻率，就可以省去反覆的測參數的時間。

步進馬達測試完成後，再加上從其他光碟機拆下來的開關，直接用熱溶膠黏上做極限開關，用作安全機制以及開機校正用，習慣上會加上LED方便debug用，以及防止一些基礎錯誤。

再來就是把整台機器架起來啦~

因為烙鐵是跟人借的，沒有借烙鐵架，索性就用光碟機的外殼架起來，剛好有鎖螺絲的缺口，烙鐵放在上面就卡住，所以很安全~

右邊的是鋸成兩半的磁碟機，做Z軸使用(畫/不畫)

因為測試方便所以全部都用單心線，怕在測試過程中拉扯會把焊點扯掉，所以在馬達或是極限開關把線拉出來後，都用熱熔膠黏好，這樣子在怎麼扯都只會拉到熱熔膠而以~

這是Y軸需要一個可以畫畫的平台，要一個比較平的平面，不然在畫的過程中可能會有些地方畫的到，有些地方畫不到，如果這樣子就要用到Z軸補償，軟體寫起來頗麻煩的，所以開始到處翻拆的屍體們，到底有哪個零件可以用

找老半天，終於找到就是他了!!!

筆電光碟機的無刷馬達，後面有個很好的平面~~ 說不定未來會控制無刷馬達後，他就是第四軸了XDD

因為還有些不合，所以經過各種銼刀洗禮加上熱熔膠，終於弄上去了~

Z軸上面要做點延伸臂，這樣子才能畫到整個平面

三顆馬達原本連結出來的金手指防止短路全部都用紙膠帶貼起來

完成!!!

再來就把原本寫好的馬達控制模組，同時控制X、Y軸，然後程式又是一番修改

殘念的是，當時只有兩顆馬達驅動IC(SN754410)，跑去秋葉原買太遠外加這時間已經關門了...，但想繼續測Z軸，想說身上還有其他顆馬達驅動IC不然就試試看，然後就出現這種奇怪的景象XDD 測了幾下才發現，邏輯是錯的這顆IC不適合這狀況，只好作罷...，寫其他東西

隔天馬上殺去秋葉原買，然後可以三軸一起控制，畫簡單的直線了~

然後先獨立測試另外燒一顆Ardunio和LCD控制

完成後，開始弄寫數字、時間計數、LCD設定時間與兩個晶片協同控制

大功告成!!!

再來是焊成電路板...

因為這邊沒洗板機，只好焊洞洞板 先將電路圖草稿畫下來，記憶力不太好，常常在麵包板上面加加減減的，會忘記接腳在哪，然後把零件大略擺一下，確定需要的洞洞板大小然後裁切，裁切洞洞板只要用斜口鉗用力剪兩端下去，再來用折的即可，如果不放心用鋸子也可，速度會慢一點就是了

LCD控制板，焊完的樣子

後完後，要先用電表量正負極有沒有短路，IC、LCD電源正負極有沒有錯，這樣子至少IC、LCD裝上去通電後，不會燒掉

小心駛得萬年船~~~ 然後再測功能正不正確

CNC主控制板

擺好需要的零件怕忘記XDDD

CNC主控版正面，用Arduino NANO可以簡化很多電路~ 以後程式要改，還可以直接燒錄或是拉線出來燒LCD控制板的程式

2pin插頭中塞個排阻偷空間剛剛好XDD

上面三顆LED分別是三軸的第一支接腳，可以大概看一下現在是哪一軸在動

各種亂啊...，邊焊電路還要編整理線，先焊完IC的正負極，用電表檢查一遍，全部焊完，全部在檢查一遍，一通電就正常運作  開心~~ 超級怕，一個沒注意，把Arduino NANO燒了，這樣子就要等一兩天的時間買零件了...

再來是將所有的單心線換成多蕊線，但是拔之前熱熔膠黏的地方有些麻煩，所以就直接剪掉熱熔膠之後的單心線用多蕊線延長，然後拿熱縮套管保護好，看起來就很整齊啦~

CNC時鐘主控制板電路圖大致上長這樣，SN754410(馬達驅動IC)，有VCC1、VCC2兩個電源，VCC1是IC主要工作的電源接上Arduino的VCC即可，VCC2是提供馬達的電源，可以一樣可以不同看需求，在這邊是用外部的變壓器直接提供5V@2A，另外一端拉到Arduino NANO Vin的接腳上，這樣子電源會先經過穩壓IC才提供給Arduino晶片，因為手邊只有5V@2A的變壓器，透過穩壓IC後會有0.7V的壓降，所以提供Arduino晶片只有4.3v左右，還好ATMEGA328p的工作電壓是1.8V~5.5V，所以可以運作，只是因為用同樣的電壓提供LCD就會有點暗，LCD控制板的電路接法可以參考這篇

按鈕旁要個10k電阻接地，不然當按鈕沒有按下時，會變成空接訊號就會亂跳

程式 如果要能include header檔的話，要將整個開發資料夾放在 C:\Users\MCS51\Documents\Arduino\libraries 下面才能使用 原本要將整個控制程式寫成.cpp和.h檔的，但是試了幾下弄不起來 arduino自己本身的問題，所以要include自己寫的要另外弄 後來上網大概有查到方法，但看起來有點麻煩，所以目前就把所有東西都寫在同一個檔案裡啦，改天有時間再來改，全部程式塞在同一個檔案裡，寫起來頗累人的，也看得有點亂就是了....  主程式架構圖 先透過RS232交握訊後後， 收到幾點幾分幾秒(xx:xx:xx)，然後做資料處理再開 啟對應的畫數字函數，更新的是三軸方向與位置(全域變數) timerIsr是timer中斷，透過調整中斷觸發時間改變畫圖的速度，當三軸位置與方向更新後將輸出至馬達。 因為只是做小玩具，所以極限開關的部分只用軟體端限制，放在最後輸出的地方，減少會發生不明bug的可能性XD

LCD計數器架構圖 兩個外部中斷 debounceInterrupt1是設定/開始計數的按鈕 debounceInterrupt2是選擇設定哪一位的時間 時間計數交由timer中斷處理，為了測試方便設定500ms加一秒 所以時間會跑得比較快，最後將資料透過RS232傳到主控板上

步進馬達激磁模式定義 1相激磁、2相激磁、1-2相激磁 用const陣列定義好，控制步進馬達激磁方式方便多了

	const byte OneCnt[] = { 0x01, 0x02,0x04, 0x08 };
	const byte TwoCnt[] = { 0x03, 0x06,0x0c, 0x09 };
	const byte OneTwoCnt[] = {0x01, 0x03, 0x02, 0x06,
	0x04, 0x0c, 0x08, 0x09 };

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DDRB = 0x0f; 等同於pinMode設定接腳imput/output 參考  

GoHome()是每當機器啟動時，3軸會初始化回到原點 第7、8行是timer中斷初始化 第9行是機器啟動時告訴LCD控制板，可以開始傳資料了

	DDRB = 0x0f; //pin 0~7
	DDRC = 0x0f; //pin A0~A5
	DDRD = 0x3f; //pin 8~13
	GoHome();
	Timer1.initialize( 5000 ); //slow 50k, med 10k, fast 5k
	Timer1.attachInterrupt( timerIsr );
	Serial.print( "OK" );

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接收資料非常方便的函式只是速度很慢，至少目前很夠用 未來如果有速度要求的時候，就要另外寫了

	StrData = Serial.readString();
	StrData.toCharArray( InData, StrLenMax );

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這部分是要將這一步動作做完，才能執行下一個指令 不然機器會一筆畫還沒畫完，就在跑下一筆畫了 覺得這邊還可以再寫得更好一點...  目前暫時想不到怎麼改善...

	while(1)
	{
	delay(50);
	if( CNC.xOk && CNC.yOk && CNC.zOk )
	{
	cntTime++;
	CNC.temp = cntTime;
	break;
	if( cntTime > 10 ) break;
	if( (CNC.xSet==CNC.xPos) && (CNC.ySet==CNC.yPos) && (CNC.zSet==CNC.zPos) )
	break;
	}
	cntTime++;
	if( cntTime > 10 ) break;
	CNC.temp = cntTime;
	}

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這是直接控制馬達轉到底，當碰到極限開關就會停下來，只有X軸有<<2，因為X軸馬達是從pin2開始接，所以要先位移才能控制，PORTD是直接輸出到馬達指令 

	void runMotorX( int dir )
	{
	boolean XSW = RangeLimit( "Xaxis", dir );
	PORTD = ( LimitSW( XSW, "Xaxis", runMode, dir ) ) << 2;
	}

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這是控制馬達移動距離，當到達距離CNC.xOk=true就執行下一個畫圖指令

	void runMotorX( int dir, int xcoord )
	{
	if( (dir>0) && (CNC.xPos >= xcoord) ) CNC.xOk = true;
	else if( (dir<0) && (CNC.xPos <= xcoord) ) CNC.xOk = true;
	else CNC.xOk = false;
	boolean XSW = RangeLimit( "Xaxis", dir );
	if( (dir > 0) && (CNC.xPos < xcoord) )
	{
	PORTD = ( LimitSW( XSW, "Xaxis", runMode, dir ) ) << 2;
	}
	else if( (dir < 0) && (CNC.xPos > xcoord) )
	{
	PORTD = ( LimitSW( XSW, "Xaxis", runMode, dir ) ) << 2;
	}
	else
	xMotorStop();
	}

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這是極限開關限制，PIND是讀取接腳狀態，第五行是做mask將特定接腳狀態萃取出來
Z軸因為只有一個極限開關，所以另外一端是用計數器算出移動距離做限制

	boolean RangeLimit( String StrAxis, int dir )
	{
	if( StrAxis == "Xaxis" )
	{
	int inHome = ( PIND & 0x80 ) >> XLimitHome; //read pin
	int inEnd = ( PIND & 0x40 ) >> XLimitEnd;
	if( (inHome == Xhome) && (inEnd != Xend) && (dir>0) )
	return true;
	else if( (inHome == Xhome) && (inEnd != Xend) && (dir<0) )
	return false;
	else if( (inHome != Xhome) && (inEnd == Xend) && (dir>0) )
	return false;
	else if( (inHome != Xhome) && (inEnd == Xend) && (dir<0) )
	return true;
	else
	return true;
	}
	if( StrAxis == "Yaxis" )
	{
	int inHome = ( PINB & 0x20 ) >> YLimitHome; //read pin
	int inEnd = ( PINB & 0x10 ) >> YLimitEnd;
	if( (inHome == Yhome) && (inEnd != Yend) && (dir>0) )
	return true;
	else if( (inHome == Yhome) && (inEnd != Yend) && (dir<0) )
	return false;
	else if( (inHome != Yhome) && (inEnd == Yend) && (dir>0) )
	return false;
	else if( (inHome != Yhome) && (inEnd == Yend) && (dir<0) )
	return true;
	else
	return true;
	}
	if( StrAxis == "Zaxis" )
	{
	int inHome = ( PINC & 0x10 ) >> ZLimitHome; //read pin
	if( (inHome == Zhome) && (dir>0) )
	return true;
	else if( (inHome == Zhome) && (dir<0) )
	return false;
	else if( (CNC.zPos >= zStep) && (dir>0) )
	return false;
	else if( (CNC.zPos >= zStep) && (dir<0) )
	return true;
	else
	return true;
	}
	}
	byte LimitSW( int SW, String StrAxis, String StrMode, int dir )
	{
	if( SW > 0 ) return SwitchMode( StrAxis, StrMode, dir );
	else return 0;
	}

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步進馬達一相激磁

	byte OnePhase( String StrAxis, int dir )
	{
	int CntTemp = SetSwitchAxisCnt( StrAxis );
	if( dir > 0 )
	{
	CntTemp++;
	UpdataPos( StrAxis, dir );
	if( CntTemp > 3 ) CntTemp = 0;
	}
	else
	{
	CntTemp--;
	UpdataPos( StrAxis, dir );
	if( CntTemp < 0 ) CntTemp = 3;
	}
	GetSwitchAxisCnt( StrAxis, CntTemp );
	return OneCnt[CntTemp];
	}

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LCD時間計數程式 當個位數的時候要在十位數補零，不然畫圖時會缺一個位數

	void timeFunc()
	{
	if( itime.Hour >= 24 )
	{
	itime.Hour = 0;
	HourStr = "00";
	}
	if( itime.Min >= 60 )
	{
	itime.Min = 0;
	MinStr = "00";
	itime.Hour++;
	if( itime.Hour < 10 )
	HourStr = "0" + String( itime.Hour );
	else
	HourStr = String( itime.Hour );
	}
	if( itime.Sec >= 60 )
	{
	itime.Sec = 0;
	SecStr = "00";
	itime.Min++;
	if( itime.Min < 10 )
	MinStr = "0" + String( itime.Min );
	else
	MinStr = String( itime.Min );
	}
	if( itime.Sec < 10 )
	SecStr = "0" + String( itime.Sec );
	else
	SecStr = String( itime.Sec );
	itime.Sec++;
	}

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CNC Clock GitHub網址
不知不覺就寫了一大篇文章XDD

大致上是這樣啦~
未來有時間的話，再來研究線性補間之類的，做一個真正的CNC~

P.S 第一次寫這種文章，格式各種跑掉，改天再來研究要怎麼寫才對...