Mach3, Mach4 или LinuxCNC: что выбрать для самодельного и старого станка с ЧПУ

Что делает программа, а что плата

Mach3, Mach4 и LinuxCNC читают управляющую программу, планируют движение с разгоном и торможением и показывают оператору экран. Дальше возникает вопрос, как довести команду до драйверов двигателей. Короткий ответ дают три варианта: через порт LPT напрямую, через USB-контроллер или через Ethernet-плату. В первом случае шаги формирует сам компьютер, во втором и третьем их генерирует плата, а компьютер только отправляет ей план движения.

От этого выбора зависит больше, чем от выбора программы: LPT требует стабильного времени отклика системы, а плата с собственным процессором от нагрузки на компьютер зависит слабее.

Пуск шпинделя из программы сводится к замыканию клемм «вперёд» и общего на частотнике выходом платы (на приводах это обычно FOR или FWD и DCM или COM). Это легко проверить перемычкой, а в самом приводе должно быть выбрано внешнее управление пуском и частотой.

На широком портале с двумя моторами на одной оси ставят датчик нуля на каждую ногу и ведут их независимо, а в Mach вторую ось делают подчинённой. Тогда портал выравнивается по датчикам при каждом возврате в ноль, а результат подтверждают равные диагонали вырезанного прямоугольника.

Другой общий момент: ни одна из трёх программ не создаёт управляющие программы из чертежа или модели в полном объёме. LinuxCNC в документации прямо оговаривает, что не умеет ни рисовать, ни генерировать G-код по чертежу. У Mach3 есть модуль LazyCam с импортом DXF, BMP, JPG и HPGL и набор мастеров для простых операций, но для объёмной обработки всё равно нужна CAM-система.

Сравнение Mach3, Mach4 и LinuxCNC

Данные взяты с сайтов разработчиков: страниц Mach3 и Mach4-Hobby в магазине Mach Support и разделов документации LinuxCNC. Mach4 написан заново: по словам разработчика, общего кода с Mach3 у него меньше 1%, поэтому драйверы и плагины от Mach3 к нему не подходят. Перед покупкой Mach4 стоит убедиться, что для вашей платы есть плагин именно под него.

Лицензия Mach4 привязана к конкретному компьютеру: при замене ПК её приходится переоформлять. Для коммерческого использования Mach3 нужна отдельная лицензия на каждый станок, а любителям разрешено использовать одну лицензию на сколько угодно станков. Для мастерской, которая работает на заказ, это значит три лицензии на три станка.

LPT, USB или Ethernet

LPT. Параллельный порт из документации LinuxCNC: 17 физических линий, в режиме вывода 12 выходов и 5 входов. Дёшево и просто, но настольный компьютер с таким портом приходится искать, а ноутбуки Mach3 для работы с портом не поддерживает. Шаги формирует процессор, поэтому важно, как быстро система отвечает на периодический сигнал: чем меньше задержка, тем быстрее и ровнее импульсы. Скорость процессора для этого вторична, по документации LinuxCNC. Влияют материнская плата, видеокарта, USB-порты и системные прерывания SMI.

USB. Контроллер вроде UC100 венгерской компании CNCdrive повторяет распиновку LPT, работает с Mach3 и Mach4 через плагин и, по описанию производителя, управляет до шести осей на частоте до 100 кГц. На сайте производителя есть оговорка, что на торговых площадках продаются поддельные UC100, с которыми программа не работает, и что на Windows 10 и 11 драйвер иногда ставится с ошибкой 39. Для Mach выпускает платы и компания Warp9 Tech: на её сайте представлены USB SmoothStepper и Ethernet SmoothStepper.

Ethernet. В LinuxCNC для этого есть драйвер hm2_eth, который работает с платами Mesa 7I76E, 7I80DB, 7I80HD, 7I92, 7I93, 7I94, 7I95, 7I96, 7I96S, 7I97 и 7I98. Плата подключается к отдельной сетевой карте одним кабелем, беспроводные и USB-сетевые адаптеры для этого не подходят. Адрес платы по умолчанию 192.168.1.121, и эта подсеть часто совпадает с подсетью домашнего роутера, поэтому её меняют заранее.

Расчёт: какую скорость холостых ходов даёт LPT

Возьмём ось с ШВП шагом 5 мм, шаговый двигатель на 200 шагов на оборот и драйвер с микрошагом 1/8. Получаем 200 × 8 / 5 = 320 импульсов на миллиметр. Подробный разбор этой арифметики есть в статье про пропуск шагов, здесь она нужна для сравнения платформ.

Для LinuxCNC при программной генерации шагов в документации сказано, что максимальная частота равна одному шагу на два базовых периода (BASE_PERIOD) при выходе «шаг и направление». Базовый период подбирает мастер StepConf по результатам теста задержки. Значения ниже взяты для примера, а не как результат измерения.

Из таблицы следует несколько выводов. Подача 3000 мм/мин для фанеры укладывается во все варианты, кроме LinuxCNC с базовым периодом 40 мкс и больше, а подача 4000 мм/мин требует Mach3 или LinuxCNC с коротким периодом на очень хорошем компьютере. Для холостых ходов 10 м/мин (53 333 Гц на этой оси) по LPT придётся брать микрошаг 1/4 или более крупный шаг винта. Сравнение не говорит о том, что Mach3 «быстрее»: у LinuxCNC есть режим квадратурного входа, который по документации удваивает потолок, и аппаратная генерация шагов на плате Mesa, где скорость не зависит от задержек компьютера.

Тест задержки в LinuxCNC показывает, годится ли ПК для программных шагов. По рекомендации документации при максимальном джиттере до 15–20 мкс результат получается хорошим, при 30–50 мкс можно работать, но потолок скорости разочарует, а при 100 мкс и выше компьютер для программной генерации шагов не подходит.

Что выбрать

Выбирать проще всего от станка.

1. Станок на шаговиках, три оси, Windows уже есть. Mach3 с USB-контроллером или Mach4 с плагином платы. Порт LPT выбирают, только если уже есть старый настольный ПК и скорости умеренные.
2. Старый промышленный станок с серво и аналоговыми драйверами. LinuxCNC с платой Mesa по Ethernet. Mach3 выдаёт для серво шаги и направление, а сколько оборотов двигателя это даст, ограничивает частота ядра: в руководстве Mach3 для энкодера на 1200 отсчётов на оборот и редуктора 5 при 35 кГц получается около 1750 об/мин.
3. Нужен свободный выбор программы и железа и есть время разбираться. LinuxCNC.
4. Нужны новые функции и современный Windows. Mach4, но сначала проверьте плагин.

Если станок уже куплен готовым, его программа управления, вероятно, другая. Так, в карточках фрезеров по дереву на сайте Wattsan, например A1 1313, A1 1325, M1 1313 и M1 1325, в графе контроллера указан RichAuto A11, а у M3 1325 стоит NC Studio 8. Mach3 и LinuxCNC в этих карточках не названы: у такого станка своя стойка и свой формат файлов, и постпроцессор для CAM выбирают под неё. Если вы выбираете между сборкой и покупкой, сопоставьте цены в статье о самодельном станке, а при покупке б/у машины читайте проверку б/у станка.

Частые ошибки

• Ставят LinuxCNC на обычный Raspbian. Документация LinuxCNC отдельно предупреждает: ядра реального времени там нет, перейти с Raspbian на ядро Debian нельзя. Для Raspberry Pi 4 и 5 есть готовые образы.
• Берут встроенную видеокарту и ноутбук для LPT. Mach3 для порта требует настольный ПК, а для больших файлов, по рекомендации разработчика, видеокарту с отдельной памятью.
• Покупают первый попавшийся UC100. Поддельные контроллеры с Mach-плагином не работают.
• Не проверяют, что IP платы не совпадает с подсетью роутера. Ethernet-плата и интернет используют разные сетевые интерфейсы, и пересечение адресов ломает связь.
• Отключают лимиты, когда Mach3 ругается на них после запуска. Сначала проверяют назначение пинов и инверсию Active Low, а сигналы датчиков смотрят на экране Diagnostics. Программные лимиты включают только после Ref All Home, а чтобы съехать с сработавшего датчика, используют Auto Limit Override или Ref All Home на малой скорости.
• Ищут причину ухода координат только в моторах. Если размеры плывут после реверсов, проверьте инверсию STEP, длительность импульса и задержку между DIR и STEP: у дешёвых драйверов после смены направления бывает потерян первый шаг. Для Mach3 нужен компьютер с настоящим портом LPT, переходник USB-LPT не подходит. LinuxCNC на слабом Celeron даёт джиттер, и это видно в тесте задержки; чтобы силовая часть не работала без живой программы, ставят плату с charge pump.
• Ждут, что программа заменит драйверы и блок питания. Скорость и момент определяются двигателем, драйвером и питанием, подробнее в статье о том, шаговый двигатель или серво.