Как программируют станки на заводах
От токарных до лазерных
Программисты востребованы везде, даже на производстве. Дело в том, что изготавливать каждую деталь вручную долго, поэтому нужна автоматизация. А где автоматизация, там программы и алгоритмы. Сегодня покажем вам направление в ИТ, о котором мы ещё не говорили: программирование станков с ЧПУ.
Токарный станок с ЧПУ, который вытачивает детали из металла.
Что такое станки с ЧПУ
Чтобы понять, что такое станок с ЧПУ, нужно сначала понять, что такое обычный станок, например токарный. У тебя есть некая металлическая заготовка, например цилиндр. Ты закрепляешь его на станке. Место закрепления начинает вращаться (это место называют шпинделем), вместе с ним вращается закреплённая заготовка, а токарь с помощью специального резца может вырезать из заготовки деталь нужного размера и формы. Пока что всё вручную.
Теперь берём этот же станок, но делаем так, чтобы резцы ездили сами в разных плоскостях. Вешаем всевозможные датчики — скорости вращения, температуры и нажима. И делаем так, чтобы деталь вытачивал не токарь, а сам станок.
Чтобы управлять таким автоматическим станком, нужен некий управляющий модуль — который заставит заготовку вращаться, а резцы ездить в нужные стороны. Вот этот блок и называют блоком ЧПУ — числового программного управления.
Каждый блок ЧПУ соединён со всеми основными частями станка, чтобы ими можно было управлять или контролировать их состояние. Например, в токарном станке ЧПУ будет следить:
Блоки ЧПУ нужны для того, чтобы автоматизировать работу станка. Ты программируешь, что куда должно ездить и как вращаться, а станок это исполняет.
Что на производстве можно запрограммировать
Запрограммировать можно всё, в чём есть блок ЧПУ — хоть станок для работы по дереву, хоть установку для лазерной резки, хоть манипулятор с точечной сваркой. Главное, чтобы нужные части производственного агрегата были снабжены приводами и датчиками.
Привод — это то, что заставляет что-либо двигаться. Например, чтобы сделать роборуку, нужно 5–6 приводов, которые будут приводить в движения сочленения роборуки. Приводу можно сказать: «Разогнись на столько-то градусов» или «Повернись так-то», и он будет приводить в движение то, что к нему присоединено.
Датчик — это штука, которая собирает какие-то данные. Например, скорость вращения, температуру, нажим, угол сгиба. Благодаря датчикам можно сказать: «разгибай привод такой-то, пока не почувствуешь датчиком нажима такую-то силу нажима».
Как пишутся программы для ЧПУ
Есть два варианта: автоматически создать программу из макета детали или написать её с нуля.
Чаще всего используют первый вариант — сначала рисуют в деталь в 3D (для этого есть специальный софт), а потом программа сама формирует нужный код для станка, чтобы получилась нарисованная деталь. Минус такого подхода в том, что код может получиться неоптимальным: будет выполняться слишком долго или в процессе получается много отходов.
Второй подход — написать программу вручную с нуля. Для этого нужно идеально знать все параметры станка и возможные состояния каждого датчика. Это сложнее, зато даёт больший контроль над тем, как изготавливается деталь.
На практике обычно делают так: рисуют трёхмерную модель, выгружают на основе неё код для ЧПУ, а потом дорабатывают его, если требуется.
Программа сгенерировала код для станка, который можно сразу поправить, если нужно.
На чём пишут такие программы
Код для станков с ЧПУ пишут на языке программирования G-code. Это относительно общий стандарт для всех станков с ЧПУ, но детали, коды и последовательности у разных производителей отличаются. Проще говоря, нельзя просто так перенести программу со станка одной фирмы и запустить на станке другой фирмы — команды могут не совпасть.
Язык G-code так называется потому, что в нём почти все команды начинаются с буквы G, за которой идут числа — команды для станка. Ещё есть буква M — она используется для обозначения дополнительных кодов и O — для подпрограмм. Но это деление условно и может меняться у каждого производителя станков.
Как выглядит программа для ЧПУ
Если мы заглянем в код, то увидим такое:
N1 G17 G20 G34 G40
N2 T1 M16
N3 S8600 M2
N4 G54
N5 M8
…
N-код отвечает за номер строки — они могут пригодиться, если нам нужно перепрыгнуть на какую-то определённую строку или пропустить часть команд. M отвечают за детали, например, команда N3 S8600 M2 означает, что нужно раскрутить рабочий шпиндель (за него отвечает M2) до скорости 8600 оборотов в минуту (команда S8600).
Так команда за командой станок выполняет определённые действия, и на выходе получается нужная нам деталь.
Особенность программирования станков
В отличие от компьютера, где для каждой программы и переменной выделяется новый и пустой участок памяти, в станках всё по-другому. Дело в том, что программа в момент запуска не знает, в каком положении находятся резцы, закреплены ли направляющие и так далее. Если просто запустить программу без подготовки, ЧПУ, например, может подвинуть ещё левее резец, который и так находится в самом левом положении, и тогда может сломаться привод или крепление резца.
Чтобы такого не было, перед каждым запуском в программу встраивают команды обнуления и инициализации, чтобы каждый элемент вернуть в исходное положение. Это лучше, чем просто проверить, что где находится — после обнуления мы точно будем знать, что все элементы станка находятся в известной нам позиции и программа сможет с ними правильно работать.
Также важно понимать, что станки работают с живым материалом: металлом, деревом, акрилом, камнем и т. д. Материал несовершенен, может иметь внутренние дефекты, может плавиться и трескаться. Резцы и шпиндели тоже сделаны из каких-то материалов, у которых есть пороги нагрева, прочности и скорости. Если в компьютерном коде ошибиться и вызвать переполнение памяти, то компьютер просто зависнет. Ты его перезагрузишь, и всё. А у станка можно сломать резец или повредить шпиндель. А стоит это хозяйство будь здоров.
Получается, это такое же программирование и алгоритмы, как и на других языках?
Независимо от того, программируем ли мы сервер или станки на заводе, в основе всего лежат алгоритмы: логика работы, переменные, циклы, подпрограммы и проверки условий. Поэтому если вы знаете, как устроены алгоритмы и можете программировать на любом языке программирования, то и освоить программирование для ЧПУ будет намного проще.
Лучшие программы для станков с ЧПУ
В этой статье мы рассказываем о программах для работы со станками с ЧПУ, их разновидностях, свойствах и возможностях. Узнайте больше о том, что такое CAD, CAM и как это работает, прочитав эту статью.
Введение
Вы приобрели долгожданный фрезерный станок с ЧПУ, и вам не терпится начать с ним работать? Пожалуйста, не спешите, чтобы дорогостоящий станок с ЧПУ не превратился в груду металлолома раньше, чем успеет хоть что-то сделать.
Сначала вам потребуется выбрать и тщательно настроить под ваш станок необходимое ПО CAM (Computer-aided manufacturing — система автоматизированного производства) — специальную программу, работающую с подготовленными в CAD проектами.
CAD (Computer-aided design — система автоматизированной разработки) — программное обеспечение для проектирования, позволяющая создавать трехмерные объекты на основе заданных данных и редактировать их. Созданные в CAD проекты используются в CAM непосредственно для работы с оборудованием.
CAM-программа конвертирует цифровые объекты в понятные станку команды в формате G-code. G-code это непосредственно управляющая программа для станков с ЧПУ — набор команд для оборудования.
Зачастую CAD/CAM поставляются в виде одного программного пакета, либо заранее подготовлены для простой интеграции в программно-аппаратные комплексы и совместной работы.
Самые популярные и функциональные CAD/CAM-программы отличаются сложностью и требуют серьезной подготовки оператора. Не стремитесь сразу установить себе «самый популярный CAM», попробуйте сначала сделать несколько деталей с более простым пакетом. То, что вы узнаете по ходу дела, значительно облегчит освоение более функционального и сложного ПО.
Для совместимости CAM-программы со станком и правильной обработки получаемого кода иногда необходимо применение программ-конвертеров «Post» или «Post Processor». Если не использовать соответствующий пост-процессор, то можно получить g-code, который выглядит хорошо, но дает странные результаты при его запуске на станке.
Прежде, чем выбрать какой-то определенный CAM, обязательно посмотрите учебные видео по работе с ним, чтобы освоить основные понятия. Чтобы работа на станке с ЧПУ была эффективной, нужно научиться «думать, как CAM». Это поможет лучше понять, какие действия совершает станок, когда изготавливает деталь, какие команды и в какой последовательности он должен получить для этого.
Стоит также заметить, что помимо CAM-программ существуют еще и программы прямого управления (machine controller) станком с ЧПУ, передающие, например, движение мышки или пера непосредственно на контроллер станка. Наиболее популярные из них:
Создание управляющей программы для станка с ЧПУ
Источник: cnccookbook.com. На схеме: двухмерный рисунок или 3D-модель из SolidWorks, Autodesk и т.д. обрабатывается в CAM или в слайсере для получения g-code, код из CAM предназначен для станков, из слайсера — для 3D-принтеров.
Независимо от того, используете ли вы фрезерный или токарный станок с ЧПУ, типичный процесс создания детали состоит из следующих этапов:
G-Сode — это наиболее распространенный язык, который понимают станку с ЧПУ. Помимо G-Code используются такие языки, как OpenSBP, HPGL (Hewlett-Packard Graphics Language), Cutter Location (CL) Data, APT.
Профессиональные пакеты CAM
Оценивая рынок профессиональных программ для станков с ЧПУ (CAM-программ), можно с уверенностью отметить один тренд: покупатели стали гораздо разборчивее в своём выборе, и 30-дневный срок бесплатного тестирования, ставший стандартом при распространении ПО, этому немало способствует.
По опросу, проводившемуся сайтом CNCCookbook, в 2017 году клиенты пробовали в среднем 3 программных продукта, прежде чем выбрать один для покупки.
На иллюстрации ниже можно видеть распределение рынка CAM-программ за 2018.
Распределение рынка CAM. Источник: cnccookbook.com
Fusion 360
Программный комплекс создания управляющих программ для станков с ЧПУ, с поддержкой до пяти осей, или 3D-принтеров. Позволяет непосредственно в самой программе создавать чертежи изделия, а также импортировать или экспортировать файлы AutoCAD. По сути, Fusion 360 — полноценный CAD, CAM и CAE комплекс. Функция генеративного дизайна, когда ПО самостоятельно создаёт множество моделей, сравнивает их и выбирает наиболее соответствующие заданию, позволяет тестировать свои проекты на самых ранних стадиях разработки. Огромная библиотека конструкторских решений позволяет существенно ускорить процесс разработки проекта.
Цена Fusion 360: 19350 руб
Vectric / Aspire
Aspire предоставляет мощное, но интуитивно понятное программное решение для создания и резки деталей на фрезерном станке с ЧПУ. Существуют инструменты для 2D-проектирования и расчета 2D-траекторий, таких как профилирование, фрезеровка углублений и сверление, а также траектории 2.5D, в том числе; V-Carving, Prism carving, Molding Toolpaths, Fluting и даже стратегия декоративного текстурирования.
Заложенные в программу инструменты 3D-дизайна позволяют создавать свои собственные 3D-модели рельефа и обрабатывать их с помощью различных стратегий 3D-обработки. В сочетании с полным набором инструментов для 2D-проектирования и редактирования, они позволяют легко создавать собственные 2D- и 3D-детали с нуля, а также импортировать и редактировать внешние 2D- и 3D-данные.
Mastercam
Универсальный комплекс продуктов для подготовки 2D- и 3D-моделей для изготовления на станках с ЧПУ.
Цена на Mastercam доступна по запросу.
HSMWorks
HSMWorks не только выпускает новую версию ПО каждый год, но и добавляет новые функции в пакеты обновлений, по мере их появления. С тех пор, как Autodesk приобрела HSMWorks в 2012 году, пользователи HSMWorks получают новые возможности круглый год.
Отличительные возможности HSMWorks: качественная визуальная симуляция работы станка, экономичность и правильная диспетчеризация ресурсов компьютера, возможность работы на многопроцессорных системах и функция адаптивной черновой обработки модели.
Mecsoft (RhinoCAM, Visual Mill, AlibreCAM)
MecSoft Corporation — один из крупнейших поставщиков CAM-ПО для малых и средних сегментов рынка. Среди его продуктов: VisualCAD/CAM®, RhinoCAM™, VisualCAM для SOLIDWORKS® и AlibreCAM®. Это мощные, простые в использовании и доступные по цене решения для производства на заказ, быстрого прототипирования, изготовления инструментов и оснастки, в т.ч. пресс-форм. Программы компании применимы также в аэрокосмической, автомобильной, деревообрабатывающей и образовательной отраслях.
Solidworks
SolidWorks — программный комплекс компании Dassult Systems для автоматизации работ на этапах конструкторской и технологической подготовки производства объектов.
Это ПО давно стало стандартом в индустрии и для работы с ним пишутся многие продукты других издателей.
В SOLIDWORKS CAM есть два способа создания объектов: автоматический и интерактивный. В автоматическом режиме программа самостоятельно создает объекты по заданным данным, что экономит время в процессе подготовки.
В интерактивном режиме можно гибко определять любые элементы, используя как основу ребра, грани или эскизы. Такая гибкость позволяет быстро и легко создавать параметрические элементы, которые обновляются при внесении изменений в модель.
Бесплатные пакеты CAM
Может ли бесплатное ПО стать хорошим выбором? Это может показаться странным вопросом, но к нему стоит отнестись со всей серьезностью. Иногда бесплатное ПО совершенно потрясающее и нет никаких дополнительных условий. В других случаях приходится потратить больше времени на его настройку, и совсем необязательно, что оно будет работать именно так, как хотелось бы. Порой приходится пользоваться несколькими бесплатными программами, чтобы добиться нужного результата.
У бесплатного ПО есть один неоспоримый плюс: вы не потеряете ни копейки, если по каким-то причинам оно вам не подойдёт или просто не понравится.
Большинство производителей платного ПО предоставляет полнофункциональную версию своих продуктов для бесплатного тестирования в течение ограниченного срока, либо функционально ограниченную пробную версию на неопределенное время. Имейте это в виду, выбирая лучшее бесплатное ПО для станков с ЧПУ.
Estlcam
Estlcam — удобный инструмент создания G-кода для пользователей начального уровня.
Estlcam имеет множество интересных функций, в том числе — возможность работать как с метрическими, так и с английскими единицами измерения, импортировать и экспортировать множество различных форматов файлов и переносить данные 2.5 и 3D CAD в g-code.
Цена: формально эта программа для ЧПУ стоит 50$, но пока прекрасно работает и без оплаты.
Free Mill
FreeMILL — часть коммерческого программного обеспечения от компании Mecsoft, которая представляет собой бесплатный CAM-модуль создания G-code для фрезерных станков с ЧПУ. FreeMILL — абсолютно бесплатное программное обеспечение без ограничений по времени, по числу попыток, количеству сохранений или количеству строк кода.
С FreeMILL вы сможете:
DeskProto
Бесплатная версия DeskProto предлагает базовую функциональность CAM. Доступны функции:
Векторная обработка DXF, EPS или AI;
В бесплатной версии DeskProto можно создавать проекты с одной деталью и одной операцией, используя ограниченное количество параметров. Нет ограничений по размеру или сложности файла. Это позволяет создавать различные типы деталей и для многих пользователей этого вполне достаточно.
HSMExpress
Бесплатный Autodesk HSMXpress — это 2,5-осевой CAM разработанный для работы с SOLIDWORKS.
Программное обеспечение включает в себя:
Fusion 360
В отличие от любого другого инструмента такого рода, Autodesk Fusion 360 объединяет CAD, CAM и CAE в единую облачную платформу, которая работает как на Mac, так и на PC. Fusion 360 позволяет проектировать как отдельные узлы и детали, так и целые агрегаты, тестировать продукт с помощью моделирования, визуализации, анимации, программировать станки с ЧПУ и создавать подробные чертежи — и все это, одновременно изучая отраслевые навыки, охватывающие весь процесс цифрового производства.
Fusion 360 доступен бесплатно по некоммерческой образовательной лицензии на неограниченный срок, либо по тестовой лицензии на срок до 30 дней.
G-Simple
G-Simple — это простая САМ для 3-осевых станков с ЧПУ.
Heeks
HeeksCNC является CAD/CAM программой с полностью открытым исходным кодом. Вы можете изменить его в соответствии с потребностями вашей компании. Код NC можно настроить, отредактировав файлы, написанные на популярном языке программирования Python.
Калькуляторы оптимального режима инструмента
G-Wizard
Глубина, ширина и скорость реза — важнейшие параметры станков с ЧПУ. Неверно заложенные в станок, эти параметры приведут к поломке дорогостоящего инструмента. Калькуляторы оптимального режима инструмента позволяют найти лучшую комбинацию, чтобы контролировать прогиб инструмента при максимизации скорости обработки материала. Позволяют работать с таблицами в формате CSV, использовать рекомендуемые данные производителя, определять геометрию инструмента. Имеют в библиотеке десятки типов инструментов для фрезерных и токарных станков.
Программы оптимизации раскроя (nesting sowtfare)
В основе каждого пакета программного обеспечения для автоматического раскроя лежит алгоритм раскроя, который ориентирует несколько изготавливаемых деталей таким образом, чтобы уместить их как можно больше на одном листе материала. Благодаря программному обеспечению для оптимизации раскроя, пользователь может использовать различные стратегии вложения, такие как временное вложение, вложение набора или пакетное вложение, чтобы получить экономию материала, уменьшение времени работы станка, сокращение времени программирования и т.п.
Например, оптимально разместив вырезаемые детали, вы можете выточить 2 кромки за один проход инструмента, или изготовить сначала более мелкие детали на тех участках более крупных изделий, которые в ином случае пошли бы в отходы.
SVGnest
Полностью бесплатная программа с открытым кодом. Если есть какие-то детали, которые нужно вырезать из куска металла/пластика/дерева и т. п., необходимо расположить детали так, чтобы они использовали как можно меньше материала. Это типичная задача, когда вы используете лазерный резак, плазменный резак или станок с ЧПУ. Программа будет постоянно искать лучшее решение, пока вы не нажмете кнопку «Стоп». После этого можно загрузить файл SVG с результатами.
Deepnest
Приложение для раскроя с открытым исходным кодом, которое отлично подходит для лазерных, плазменных и других станков с ЧПУ. Deepnest компактно упаковывает ваши детали в одну область, чтобы сэкономить материал и время. Он автоматически объединяет общие линии, поэтому лазер не пересекает один и тот же путь дважды. Это не только экономит время, но и улучшает качество деталей, уменьшая тепловые деформаций от нескольких проходов лазера. Использует современный механизм компоновки деталей, с размещением деталей по частям и возможностью вложения растровых изображений для лазерной гравировки. Поддерживает файлы форматов DXF, SVG, Corel CDR.
Рекомендуемое ПО
Fusion 360
Mastercam
Mecsoft (RhinoCAM, Visual Mill, AlibreCAM)
Заключение
Рынок ПО для работы на станках с ЧПУ претерпевает изменения — появляются облачные альтернативы, многие выбирают бесплатное ПО с открытой лицензией, но большинство профессионалов все еще предпочитает программы проверенных издателей, с высокой степенью проработанности и интеграции — существуют стандарты, на которых держится качество работы крупных компаний, отточенность техпроцессов и устойчивость бизнеса.
В Top 3D Shop вы можете приобрести самое современное программное обеспечение для работы со станками с ЧПУ. Наши специалисты помогут выбрать наиболее подходящее именно вам ПО, обращайтесь!