Програма для керування верстатом ЧПУ: NC Studio, Mach3, Mach4, GRBL або LinuxCNC. Що обрати під задачу

Вибір програми керування верстатом ЧПУ це водночас вибір заліза, яке з’єднає комп’ютер із верстатом: у NC Studio, Mach3, Mach4, GRBL і LinuxCNC різні вимоги до комп’ютера, операційної системи й контролера. Тому питання «яка програма краща» ставлять неправильно: спершу з’ясовують, яке залізо стоїть або стоятиме в електрошафі, і під нього беруть програму. Нижче три питання, що вирішують вибір, таблиця програм із вимогами, варіанти для фрезера по дереву, серійної роботи, хобі та лазерного верстата, помилки під час вибору й відповіді на часті запитання. Як улаштовано самі типи плат, розібрано в розділі контролери для верстата ЧПУ, тут порівнюються програми.

Три питання, які вирішують вибір

Програма керування читає G-код і веде верстат за траєкторією, а який контролер до неї підключається, залежить від самої програми. Вибір зводиться до трьох питань.

1. Чи потрібен комп’ютер біля верстата під час обробки. Автономний DSP контролер читає файл з USB-флешки, і збій Windows обробку не зупиняє. В усіх інших схемах комп’ютер працює разом із верстатом, стоїть поруч у пилу й стружці, і його доводиться захищати.
2. Який верстат і скільки осей. GRBL керує трьома осями, Mach3 і Mach4 до шести, LinuxCNC узгоджено рухає до дев’яти осей, а в автономного DSP кількість осей визначає модель пульта: у DSP 0501 і DSP A11E їх три. Для фрезера по дереву на три осі підходить будь-яка зі схем, для верстата з поворотною віссю кількість осей перевіряють до купівлі.
3. Яке залізо вже є. Плата в електрошафі визначає програму, а не навпаки. Плата PCI з комплекту NC Studio і сама програма працюють як одна система, плата оптороз’язки LPT розрахована на програму, що формує імпульси на самому комп’ютері, тобто на Mach3 або LinuxCNC, а зовнішній контролер USB чи Ethernet працює лише з тими програмами, для яких у нього є плагін або драйвер.

Схеми відрізняються ланками між файлом G-коду та драйверами, а закінчуються однаково: сигнали кроку й напрямку приходять на драйвери кроквих двигунів, а ті подають струм в обмотки двигунів.

Програми керування та їхнє залізо

Таблиця порівнює програми за вимогами до комп’ютера й контролера. Дані взято з документації розробників і з тексту категорії контролерів; чи підходить конкретна плата до версії програми, підтверджує виробник плати.

Що потрібно знати про кожну програму

NC Studio

NC Studio це програма для Windows, яка працює в парі з платою PCI: комп’ютер розраховує траєкторію за G-кодом і видає сигнали на інтерфейсну плату в електрошафі, до якої підключені драйвери осей, кінцевики й шпиндель. Програму встановлюють до встановлення плати, тоді драйвер плати ставиться без повторного встановлення програми. Умова одна: настільний комп’ютер із вільним слотом PCI, а у багатьох сучасних материнських плат є лише слоти PCI Express. Вікна й вкладки програми розібрано в посібнику з NC Studio 5.5.60, інструкції з інтерфейсу тут немає. Плата PCI, інтерфейсна плата й кабель на три осі входять до комплекту NC Studio Classic.

Mach3

Mach3 перетворює настільний комп’ютер або ноутбук на контролер верстата на шість осей: читає G-код, показує траєкторію й керує шпинделем. У програму вбудовано LazyCam, він імпортує файли DXF, BMP, JPG і HPGL та створює G-код для простих задач, а складні траєкторії будують у CAM-програмі. Без ліцензії Mach3 працює в демо-режимі: для фрезера він приймає не більше 500 рядків G-коду. Ліцензія залежить від застосування: аматор використовує одну ліцензію на будь-яку кількість своїх верстатів, а комерційному користувачеві потрібна окрема ліцензія на кожен верстат.

Драйвер порту LPT працює лише на настільному комп’ютері з 32-розрядною Windows 2000, XP, Vista або 7: ноутбуки під час керування через LPT розробник не підтримує, 64-розрядні версії не працюють. Для решти комп’ютерів розробник пропонує зовнішній контролер із плагіном, тоді підходять комп’ютери й ноутбуки з Windows 2000, XP, Vista, 7, 8 і 10. Ядро Mach3 працює на 25, 35 або 45 кГц залежно від процесора й обмежує частоту імпульсів під час керування через LPT.

Mach4

Mach4 написано заново, і він не є оновленням Mach3: драйвери й плагіни Mach3 із ним не працюють, тому до купівлі контролера перевіряють, що плагін для Mach4 існує, на цьому наполягає і сам розробник. Програма працює на Windows 7, 8 і 10 та керує до шести осей. Версія Mach4 Hobby розрахована на особисте некомерційне використання, версія Industrial призначена для виробництва й містить розширену підтримку. Ліцензія прив’язана до коду конкретного комп’ютера, під час заміни комп’ютера її випускають заново. Порт LPT підтримує окремий платний плагін, і лише на настільному комп’ютері з 32-розрядною Windows 7 або XP.

GRBL

GRBL це не програма на комп’ютері, а прошивка: вона працює на платі Arduino Uno з мікроконтролером ATmega328P і сама розраховує траєкторію та розгін. G-код у плату через USB передає програма-відправник, наприклад Universal Gcode Sender, яка працює на Windows, macOS, Linux і Raspberry Pi. GRBL керує трьома осями й видає стабільні імпульси з частотою до 30 кГц, у версії 1.1 є лазерний режим. Набір G-кодів обмежено за задумом: немає змінних, баз інструментів і постійних циклів, їхню роль бере на себе CAM-програма або відправник. Розвиток оригінального GRBL зупинився: останні зміни в проєкт внесено 30 серпня 2019 року, для 32-розрядних плат є продовження grblHAL, а серед альтернатив проєкт називає FluidNC.

LinuxCNC

LinuxCNC безкоштовна, поширюється з відкритим кодом і узгоджено рухає до дев’яти осей. До неї входять інтерпретатор G-коду, планувальник з упередженням, компенсація радіуса й довжини фрези, майстри налаштування конфігурації та програмний ПЛК. CAD і CAM до неї не входять: траєкторію готують в окремій CAM-програмі. Працює вона лише на Linux із ядром реального часу; найпростіше записати на флешку готовий образ Live/Install і спершу перевірити систему без встановлення.

Якщо імпульси кроку формуються програмно через порт LPT, комп’ютер перевіряють тестом затримок latency-test: максимальний джитер базового потоку до 20 мкс дає хороший результат, за 100 мкс і більше комп’ютер для програмних імпульсів не підходить, а за затримок понад 1 мс не підходить для LinuxCNC узагалі. Для високих частот використовують плати FPGA: вони підключаються через PCI, Ethernet або SPI та виконують термінові задачі самі, а USB у документації названо інтерфейсом не реального часу. Для перевірки сигналів верстата в LinuxCNC є програмні аналоги вольтметра й осцилографа.

Автономний DSP

Автономний DSP контролер складається з пульта з процесором, інтерфейсної плати в шафі та USB-флешки. За посібником RichAuto серії A1X пульт читає файли G-коду, PLT, bitmap і DXF з флешки FAT16 або FAT32 і видає імпульси з частотою до 1 МГц, а комп’ютер потрібен лише для підготовки файлу. Обмеження задає прошивка пульта: відкриваються лише перелічені формати, екран малий, а редагувати програму й налагоджувати верстат зручніше на комп’ютері. Приклад на три осі: автономний контролер DSP A11E.

Яка схема підходить під задачу

Фрезер по дереву в майстерні

Три осі, оператор біля верстата. Підходять NC Studio з платою PCI, Mach3 або Mach4 із зовнішнім контролером і автономний DSP. Коротка відповідь на питання про пульт DSP або комп’ютерну систему є в поширених питаннях щодо вибору верстата: комп’ютерна система показує процес на моніторі, але системний блок доводиться тримати в курному цеху й захищати від стружки, а пульт надійніший у виробничих умовах. Тут той самий вибір розібрано докладніше.

Серійна робота з повторюваними завданнями

Файл готують на комп’ютері, а верстат працює від флешки: збій Windows або зависання програми обробку не зупиняють. Це варіант для автономного контролера на три осі з пультом та інтерфейсною платою, такого як DSP A11E. Обмеження такої схеми відомі заздалегідь: формати файлів і налаштування задає прошивка пульта.

Хобі та навчання

Настільному верстату на GRBL потрібні плата Arduino Uno і комп’ютер із програмою-відправником: три осі, лазерний режим версії 1.1 для гравера й багато готових відправників. Тим, кому цікаво розібратися, як улаштовано керування верстатом, підходить LinuxCNC: у ній є майстри налаштування та інструменти перевірки сигналів, але доведеться опанувати Linux і тест затримок. Mach3 на аматорському верстаті впирається у версію Windows: по LPT потрібен настільний комп’ютер із 32-розрядною системою, а із зовнішнім контролером вимоги до комп’ютера м’якші.

Лазерний верстат

У лазерного верстата програма залежить від контролера. LightBurn працює з контролерами трьох класів: G-код (GRBL, Smoothieware, Marlin), DSP (Ruida, Trocen, TopWisdom) і гальваносканери маркувальників (EZCad). Для DSP і гальваносканерів потрібна ліцензія LightBurn Pro, для пристроїв на G-коді підходить і версія Core. Перед вибором верстата перевіряють, з якою програмою працює його контролер і який файл він приймає.

Понад три осі

Для четвертої або поворотної осі GRBL не підходить: він керує трьома осями. Залишаються Mach3 і Mach4 до шести осей, LinuxCNC до дев’яти осей та автономний DSP з потрібною кількістю осей: у DSP 0501 і DSP A11E їх три, кількість осей інших пультів указано в їхніх посібниках.

Чи можна змінити програму на готовому верстаті

Програму змінюють разом із ланкою, яка з нею працює. Автономний DSP замінити програмою на комп’ютері не можна: керувальна програма живе в пульті. Плата PCI з комплекту NC Studio і програма працюють як одна система, тому для переходу на Mach3 через порт LPT знадобляться плата оптороз’язки та настільний комп’ютер із портом LPT і відповідною Windows. Зовнішній контролер USB або Ethernet працює лише з тими програмами, для яких у нього є плагін: спершу знаходять плагін потрібної версії програми, потім змінюють програму. Чи підходить конкретна плата до конкретної версії програми, підтверджує виробник плати.

Що робить програма керування, а що CAM

Програма керування G-код не створює, а виконує. Траєкторію інструмента будує CAM-програма, постпроцесор перекладає її в G-код під конкретний контролер, і лише потім файл потрапляє до програми керування. LinuxCNC і GRBL CAM не містять, у Mach3 для простих задач є LazyCam. Якщо верстат ріже не там, де потрібно, причина може бути на будь-якій ланці: у моделі, в налаштуваннях CAM, у постпроцесорі під інший контролер або в механіці, тому нову програму спершу перевіряють у симуляції й пробним прогоном над заготовкою.

Помилки під час вибору

• Вибрати відому програму, не перевіривши плату: Mach4 без плагіна для контролера й NC Studio на ноутбуці без слота PCI верстат не запустять.
• Узяти плату оптороз’язки LPT, не перевіривши комп’ютер: драйвер LPT у Mach3 не працює в 64-розрядних Windows, а ноутбуки під час керування через LPT не підтримуються. Перехідники USB-LPT документація LinuxCNC прямо називає непридатними для верстата.
• Чекати четвертої осі від GRBL: прошивка керує трьома осями.
• Не врахувати ліцензію: Mach3 у комерційній роботі потребує окремої ліцензії на кожен верстат, а Mach4 Hobby розрахований на особисте некомерційне використання.
• Не перевірити частоту імпульсів. За мікрокроку 1/16 і гвинта з кроком 5 мм швидкість 3000 мм/хв потребує 32 000 імпульсів за секунду: це вище за 30 кГц у GRBL і вище за 25 кГц у Mach3 на ядрі 25 кГц, а автономний DSP за посібником RichAuto видає до 1 МГц. Розрахунок частоти кроків розібрано в категорії контролерів.
• Недооцінити завади: зв’язок USB із контролером може обірватися під час вмикання шпинделя або частотного перетворювача. Його захищають екранованим кабелем, феритовим фільтром і окремим прокладанням сигнальних і силових кабелів.

Mach3: налаштування та інструкція

Офіційну інструкцію Mach3 «Using Mach3Mill» випустив розробник ArtSoft англійською, вона лежить на сайті machsupport.com разом з інсталятором; інструкції з Mach3 російською чи українською це переклади користувачів, і за розбіжностей звіряються з оригіналом. Демоверсію завантажують там само, ліцензію купують у розробника або разом із контролером.

Налаштування Mach3 йде в одному порядку:

1. Під час першого запуску обирають пристрій керування: драйвер LPT або плагін зовнішнього контролера.
2. У меню Config, пункт Ports and Pins, задають частоту ядра і призначають виводи Step і Dir для кожної осі, входи кінцевиків і аварійної кнопки.
3. У пункті Motor Tuning для кожної осі вводять кількість кроків на міліметр, швидкість і прискорення.
4. У пункті Homing/Limits задають напрямок виходу в нуль і програмні межі.

Кроки на міліметр рахують за механікою осі: двигун на 200 кроків за оберт, драйвер з дробленням кроку 8 і гвинт із кроком 5 мм дають 200 x 8 / 5 = 320 кроків на міліметр. Перевіряють результат так: командою задають переміщення на 100 мм і міряють реальний хід лінійкою або індикатором.

Підключення Mach3 через USB

Штатно Mach3 видає імпульси через порт LPT, і вбудований драйвер працює лише на настільному комп’ютері з 32-розрядною Windows до версії 7. На 64-розрядній Windows і на ноутбуці Mach3 підключають через зовнішній контролер руху по USB або Ethernet: імпульси формує плата, а зв’язок із програмою тримає плагін від виробника цієї плати. На сторінці плагінів Mach3 є, наприклад, UC100, ncPod і NX-USB. Звичайний перехідник USB-LPT для принтера не працює: розробник прямо вказує, що для будь-якої USB-плати потрібен свій плагін. Плагіни Mach3 і Mach4 різні, тому до купівлі перевіряють, для якої програми плагін випущено.

NcStudio чи Mach3: порівняння

NC Studio: налаштування і де брати програму

NcStudio download з файлообмінників не розв’язує задачу: програма працює лише з платою Weihong, і версія програми має підходити до моделі плати. Тому програму беруть на диску чи флешці з комплекту плати або у виробника Weihong і продавця контролера, вказавши модель плати. Перед встановленням зберігають файл параметрів зі старого комп’ютера, якщо верстат уже налаштований.

Налаштування NC Studio зводиться до параметрів верстата: імпульсний еквівалент кожної осі (скільки міліметрів проходить вісь за один імпульс, обернена величина до кроків на міліметр), напрямок осей, робоче поле, швидкості й прискорення, входи кінцевиків і порядок виходу в нуль. Імпульсний еквівалент перевіряють так само, як у Mach3: переміщенням на задану довжину і заміром.

Налаштування GRBL 1.1

GRBL зберігає налаштування в пам’яті плати. Їх переглядають командою $$ у терміналі або в програмі-відправнику, а змінюють рядком на кшталт $100=320; плата відповідає ok. За вікі проєкту GRBL після зміни $100-$102 потрібне програмне перезавантаження, інакше наступна команда руху пройде за старими значеннями. Основні параметри:

Вікі GRBL радить підбирати швидкість і прискорення для кожної осі окремо: піднімати значення до зриву кроків і ставити на 10-20% нижче, а результат перевіряти прогоном програми без фрези.

Часті запитання

NC Studio чи Mach3: що вибрати?

Вибір визначає плата в шафі. NC Studio і плата PCI працюють як одна система та потребують настільного комп’ютера зі слотом PCI. Mach3 працює по LPT або із зовнішнім контролером, потребує перевірки версії Windows і плагіна та ліцензується окремо.

Чи потрібен комп’ютер під час роботи верстата?

З автономним DSP ні: пульт читає файл із флешки. З усіма іншими схемами так: комп’ютер із NC Studio, Mach3, Mach4, LinuxCNC або програмою-відправником GRBL працює разом із верстатом.

Чи підходить GRBL для фрезера?

Для настільного трьохвісного фрезера й лазерного гравера так. Обмеження випливають із прошивки: три осі, до 30 кГц імпульсів, а набір G-кодів урізано за задумом.

LinuxCNC для початківців: із чого почати?

Із готового образу Live/Install: його запускають із флешки без встановлення, запускають тест затримок latency-test і проходять майстер налаштування конфігурації. Верстат підключають після того, як затримки підтвердили, що комп’ютер підходить.