Как написать программу для станка ЧПУ на Python

[Kirilljs]

Тема написания программ для станков с ЧПУ на Python действительно обширна, но я постараюсь кратко и структурированно объяснить, как это сделать. Разберем ключевые этапы, инструменты и примеры кода. Приступим!

Основные виды оборудования и сфера применения

Python используется для программирования:

• Токарных станков (изготовление валов, втулок).
• Фрезерных станков (3D-фрезеровка сложных поверхностей).
• Лазерных/плазменных резаков (раскрой листового металла).
• Гибочных и сварочных роботов (автоматизация сборки металлоконструкций).

Сферы применения:

• Машиностроение.
• Производство металлоконструкций (фермы, каркасы зданий).
• Автомобильная и аэрокосмическая отрасли.

---

Инструменты и библиотеки Python для ЧПУ

Инструмент	Назначение
VS Code	Редактор кода с подсветкой синтаксиса и отладкой.
PySerial	Обмен данными со станком через COM-порт.
Python-GCODE	Генерация G-кода для управления ЧПУ.
NumPy	Расчет траекторий и математическая обработка.
Matplotlib	Визуализация траекторий резания.

---

Как установить редактор VS Code

Скачайте VS Code:

• Перейдите на официальный сайт: https://code.visualstudio.com.
• Выберите версию для вашей операционной системы (Windows, macOS, Linux).

Установите VS Code:

• Запустите скачанный файл и следуйте инструкциям установщика.

Настройте VS Code для Python:

• Установите расширение Python из Marketplace (нажмите Ctrl+Shift+X, найдите “Python” и установите его).
• Убедитесь, что Python установлен на вашем компьютере. Если нет, скачайте его с https://www.python.org.

Проверьте работу:

• Откройте терминал в VS Code (Ctrl+) и выполните команду:

python --version  

Если вы видите версию Python, все работает корректно.

---

Как установить библиотеки

Для работы с ЧПУ потребуются библиотеки PySerial , Python-GCODE, NumPy и Matplotlib. Вот как их установить:

Установите PySerial:

• Откройте терминал в VS Code или командную строку.
• Выполните команду:

pip install pyserial  

Установите Python-GCODE:
Эта библиотека может быть менее распространенной, поэтому проверьте её наличие в PyPI:

pip install python-gcode  

Если её нет, используйте альтернативные библиотеки для генерации G-кода (например, gcode).

Установите NumPy:
NumPy — это стандартная библиотека для научных вычислений. Установите её так:

pip install numpy

Установите Matplotlib:
Для визуализации траекторий используйте Matplotlib:

pip install matplotlib

Проверьте установку:
Создайте файл test.py и добавьте следующий код:

import serial  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt  

print("Все библиотеки успешно импортированы!")  

Запустите файл:

python test.py  

Если вы видите сообщение “Все библиотеки успешно импортированы!”, значит, установка прошла успешно.

---

Пошаговый процесс создания программы

Этап 1: Проектирование детали

• Используйте CAD-системы (AutoCAD, Fusion 360) для создания 3D-модели.
• Экспортируйте данные в формате STEP/IGES для интеграции с Python.

Экспорт данных в формате STEP/IGES
В большинстве CAD-систем экспорт выполняется через меню File → Export или File → Save As.
Выберите формат файла:

• STEP (.stp или .step) — универсальный формат, поддерживающий 3D-геометрию.
• IGES (.igs или .iges) — старый, но широко используемый формат для обмена данными между CAD/CAM-системами.
  Укажите путь сохранения файла и нажмите Save.

Интеграция с Python
После экспорта файл можно импортировать в Python для дальнейшей обработки. Например:
Используйте библиотеку PythonOCC для работы с STEP/IGES файлами:

from OCC.Core.STEPControl import STEPControl_Reader  
from OCC.Core.IFSelect import IFSelect_RetDone  

# Чтение STEP-файла  
step_reader = STEPControl_Reader()  
status = step_reader.ReadFile("model.step")  

if status == IFSelect_RetDone:  
    step_reader.TransferRoots()  
    shape = step_reader.OneShape()  
    print("Файл успешно загружен!")  

Это позволит вам анализировать геометрию и генерировать траектории резания.

Этап 2: Генерация G-кода
Пример кода для создания простого G-кода:

import gcode  

program = gcode.GCode()  
program.add("G21")  # Установка единиц измерения (мм)  
program.add("G90")  # Абсолютные координаты  
program.add("G00 X0 Y0 Z5")  # Быстрый подвод фрезы  
program.add("G01 Z-2 F100")  # Рабочее перемещение с подачей  
program.add("G02 X10 Y10 I5 J0")  # Круговая интерполяция  
program.save("toolpath.nc")  # Сохранение программы  

Этап 3: Подключение к станку
Используйте PySerial для отправки команд:

import serial  

ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=1)  
ser.write(b"G21\n")  # Отправка команды на станок  
response = ser.readline()  
print(response.decode())  # Проверка ответа  
ser.close()  

Этап 4: Тестирование и отладка:

• Проверьте программу в симуляторе (например, LinuxCNC).
• Убедитесь, что траектории не приводят к коллизиям.

---

Сравнительный анализ библиотек

Библиотека	Плюсы	Минусы
PySerial	Универсальность, поддержка всех ОС	Требует ручной настройки порта
Python-GCODE	Простота генерации G-кода	Ограниченная функциональность
NumPy	Мощные математические функции	Не специализирована под ЧПУ

---

Полный код программы

# Импортируем необходимые библиотеки
from OCC.Core.STEPControl import STEPControl_Reader
from OCC.Core.IFSelect import IFSelect_RetDone
import serial
import gcode

# === Шаг 1: Чтение STEP-файла ===
def read_step_file(file_path):
    step_reader = STEPControl_Reader()
    status = step_reader.ReadFile(file_path)

    if status == IFSelect_RetDone:
        step_reader.TransferRoots()
        shape = step_reader.OneShape()
        print("STEP-файл успешно загружен!")
        return shape
    else:
        raise ValueError("Ошибка при чтении STEP-файла.")

# === Шаг 2: Генерация G-кода ===
def generate_gcode():
    program = gcode.GCode()

    # Устанавливаем параметры
    program.add("G21")  # Установка единиц измерения (мм)
    program.add("G90")  # Абсолютные координаты
    program.add("G00 X0 Y0 Z5")  # Быстрый подвод фрезы
    program.add("G01 Z-2 F100")  # Рабочее перемещение с подачей
    program.add("G02 X10 Y10 I5 J0")  # Круговая интерполяция
    program.save("toolpath.nc")  # Сохраняем G-код в файл
    print("G-код успешно сгенерирован и сохранен в toolpath.nc")
    return "toolpath.nc"

# === Шаг 3: Подключение к станку ===
def connect_to_cnc(port, baudrate):
    try:
        ser = serial.Serial(port, baudrate, timeout=1)
        print(f"Успешное подключение к станку через {port}")
        return ser
    except Exception as e:
        print(f"Ошибка подключения: {e}")
        return None

# === Шаг 4: Проверка связи со станком ===
def test_connection(ser):
    try:
        ser.write(b"?")  # Запрос состояния станка
        response = ser.readline().decode().strip()
        if response:
            print(f"Ответ станка: {response}")
        else:
            print("Станок не отвечает.")
    except Exception as e:
        print(f"Ошибка при проверке связи: {e}")

# === Шаг 5: Отправка G-кода на станок ===
def send_gcode_to_cnc(ser, gcode_file):
    try:
        with open(gcode_file, 'r') as file:
            for line in file:
                command = line.strip() + "\n"
                ser.write(command.encode())  # Отправляем команду
                response = ser.readline().decode().strip()
                print(f"Отправлено: {command.strip()} | Ответ: {response}")
        print("G-код успешно отправлен на станок.")
    except Exception as e:
        print(f"Ошибка при отправке G-кода: {e}")

# === Основная программа ===
if __name__ == "__main__":
    # Настройки
    step_file = "model.step"  # Путь к STEP-файлу
    com_port = "COM3"         # COM-порт станка
    baud_rate = 115200        # Скорость передачи данных

    try:
        # Шаг 1: Чтение STEP-файла
        shape = read_step_file(step_file)

        # Шаг 2: Генерация G-кода
        gcode_file = generate_gcode()

        # Шаг 3: Подключение к станку
        ser = connect_to_cnc(com_port, baud_rate)
        if ser:
            # Шаг 4: Проверка связи
            test_connection(ser)

            # Шаг 5: Отправка G-кода
            send_gcode_to_cnc(ser, gcode_file)

            # Закрываем соединение
            ser.close()
            print("Соединение закрыто.")
    except Exception as e:
        print(f"Произошла ошибка: {e}")

Как работает этот код

Чтение STEP-файла:

• Программа читает 3D-модель из файла model.step с помощью библиотеки PythonOCC.

Генерация G-кода:

• Создается простой G-код для фрезерования кругового контура.
• Код сохраняется в файл toolpath.nc.

Подключение к станку:

• Программа подключается к станку через указанный COM-порт (COM3) и скорость передачи данных (115200).

Проверка связи:

• Отправляется тестовая команда ?, чтобы убедиться, что станок отвечает.

Отправка G-кода:

• Каждая строка G-кода из файла toolpath.nc отправляется на станок последовательно.

Завершение работы:

• После отправки всех команд соединение закрывается.

Как использовать этот код

Установите необходимые библиотеки:

pip install pyserial python-gcode pythonocc-core

Подготовьте STEP-файл:

• Создайте 3D-модель в CAD-системе (например, Fusion 360) и экспортируйте её в формате .step.

Настройте параметры подключения:

• Укажите правильный COM-порт (com_port) и скорость передачи данных (baud_rate).

Запустите программу:

python your_script.py