LinuxCNC: свободная система ЧПУ для точного управления станками

[kirilljsx]

LinuxCNC — это открытая система управления ЧПУ-станками на базе Linux. Она позволяет точно контролировать до девяти осей движения и подходит для фрезерных, токарных или плазменных станков. С ее помощью решается проблема дорогих проприетарных контроллеров — все бесплатно и гибко настраивается под задачи.

Если вы занимаетесь металлообработкой или станкостроением, LinuxCNC упростит автоматизацию. Она интегрируется с шаговыми двигателями, сервоприводами и датчиками через стандартный компьютер. Это экономит деньги и дает полный контроль над процессом без лицензионных ограничений.

Принципы работы LinuxCNC

LinuxCNC строится вокруг модульной архитектуры, где ключевую роль играет ядро реального времени. Оно использует патчи вроде RTAI или PREEMPT-RT для Linux, обеспечивая минимальные задержки в управлении. Это значит, что импульсы на двигатели приходят строго по расписанию, без сбоев даже под нагрузкой. Система делится на GUI для интерфейса, HAL для связи с железом и контроллеры вроде EMCMOT для траекторий движения.

Представьте типичный 3-осевой фрезерный станок: компьютер через параллельный порт шлет STEP/DIR-сигналы на драйверы шаговиков. Каждый двигатель получает сигнал направления и частоту шагов. Если нужно больше скорости, подключают Mesa-платы — они расширяют ввод-вывод и ускоряют обработку. Такая схема работает стабильно на старом ПК, но джиттер (задержка) проверяют заранее, чтобы избежать рывков.

Вот основные компоненты системы:

• Графический интерфейс (GUI): Axis, Gmoccapy или Touchy — для визуализации, jog и запуска G-кода.
• HAL (Hardware Abstraction Layer): Соединяет софт с пинами LPT, датчиками и ЧРП шпинделя.
• Контроллеры: EMCTASK планирует задачи, EMCMOT генерирует движение, EMCIO — ввода/вывода.

Компонент	Функция	Пример подключения
GUI	Визуализация и ввод	Axis для 3D-просмотра пути
HAL	Связи сигналов	net xstep => parport.0.pin-02-out
EMCMOT	Траектории	До 9 осей, кинематика forward/inverse

Режимы управления и настройка осей

В LinuxCNC три режима: ручной, автоматический и MDI. В ручном джойстиком или клавишами двигаете оси, проверяете пределы. Автоматический запускает полный G-код-файл для серийной обработки. MDI — для быстрых команд вроде G0 X100, без редактора. Перед работой всегда homing: станок едет к концевым выключателям, определяет машинный ноль.

Настройка осей идет в .ini-файлах: шаг/мм, ускорение, скорость. Для X-оси пишете net xstep => parport.0.pin-02-out, задаете инверсию setp parport.0.pin-02-out-invert 1. Шпиндель на PWM: net spindle-pwm => parport.0.pin-14-out. Домой по Z ставите скорость -10 мм/с, чтобы не бить в упор. Тестируйте джиттер — если >50 мкс, меняйте ПК или патч ядра.

Ключевые параметры настройки:

• Шаг/мм: 200 шагов/оборот * 16 микростепов / 5 мм ШВП = 640 шагов/мм.
• Ускорение: 100 мм/с² для плавного разгона, без пропусков шагов.
• Скорость поиска дома: -20 мм/с по Z, направление по датчику.

Ось	Пин STEP	Пин DIR	Скорость макс (мм/с)
X	02-out	03-out	500
Y	04-out	05-out	500
Z	07-out	08-out	200

HAL: гибкая связка софта и железа

HAL — как схема реле, но в софте: pins, nets, components. Сигнал по net home-z <= parport.0.pin-12-in идет от датчика в контроллер. Компоненты знают ЧПУ: motion читает энкодеры, servo — обратную связь. Нет жесткой логики ПЛК — сигналы обновляются циклами, избегая осцилляций.

Пример для шпинделя: net spindle-cw => parport.0.pin-16-out с инверсией для ЧРП. PWM на пин 14 регулирует обороты. Для сложных станков добавляете ПЛК-компоненты или Mesa. HAL масштабируется: от самодельного фрезера до 5-осевого портала.

Элементы HAL в действии:

• Pins: Входы/выходы вроде axis.0.amp-enable-out.
• Nets: Связывают, net enable => axis.0.amp-enable-out.
• Компоненты: hal_pixture для датчиков, siggen для тестов.

Кинематика и расширения для станков

LinuxCNC поддерживает тривиальную (XYZ) и обратную кинематику для роботов или поворотных столов. Forward kinematics вычисляет позицию по углам, inverse — углы по цели. Для робота-руки задаете joint до 9 штук. Это полезно в металлообработке для нестандартных машин.

Расширения: Mesa-платы для Ethernet-подключения, без LPT-лимитов. Интеграция с CAD/CAM — генерация G-кода в FreeCAD или HeeksCNC. Система бесплатна, комьюнити живое — форумы полны конфигов под разные железки.

Поддерживаемые типы:

• Тривиальная: Стандартные порталы.
• Роботизированная: 5+ осей с inverse kinematics.
• Плазменная: THC (torch height control) через HAL.

Тип станка	Кинематика	Оси
Фрезер	Трив.	3-5
Токарный	Triv/XYZ	2-4
Робот	Inverse	6+

Почему LinuxCNC меняет подход к ЧПУ

С LinuxCNC вы избегаете вендорлоков — все исходники открыты, доработки просты. Осталось за кадром глубокая интеграция с ROS для роботов или симуляция в PyVCP. Стоит подумать о производительности: для скоростей >1000 мм/с нужен мощный ПК с Mesa.

Система масштабируется от хобби до производства, но требует времени на HAL-конфиги. В металлообработке она заменяет Fanuc или Siemens при меньших затратах. Дальше — эксперименты с мультиосью и кастомными GUI.