Полное руководство по файлам для ЧПУ и совместимости форматов САПР

В современном производстве при использованием станков с числовым программным управлением важную роль играет корректная передача геометрии и технологических параметров от системы проектирования к оборудованию. Станки ЧПУ не интерпретируют чертежи или абстрактные модели — они работают с программами, описывающими траектории движения инструмента и режимы обработки. Именно это позволяет добиться точности, эффективности и повторяемости результата. Для технических специалистов это означает полную цифровую интеграцию, минимум ошибок и максимум производительности.

Многие пользователи оборудования сталкиваются с такими проблемами как: несовместимость форматов, выбор правильного формата или недостаточная подготовка цифровой модели. Всё это приводит к потерям времени, снижению эффективности и лишним расходам.

Что такое файлы ЧПУ?

Управляющая программа для станка с ЧПУ — это цифровой файл, содержащий набор команд (обычно в формате G-кода), которые определяют траекторию движения инструмента, режимы обработки и последовательность операций, необходимых для автоматизированного изготовления детали на станке. Управляющая программа является итоговым результатом цепочки CAD → CAM → G-code.

Файлы для ЧПУ пишутся на низкоуровневом языке G-кода (джи-код), это основной управляющий язык для станков с ЧПУ.  Он так же известен как RS-274, ISO G-code. Стандарт, который описывает как должны быть записаны команды: ISO 6983 Numerical control of machines. Program format and definitions of address words.

G-код можно сравнить с инструкцией, которая определяют каждое действие оборудования:

• Как перемещаться инструменту;
• С какой скоростью выполнять проход;
• На какой глубине работать;
• Где начинать и заканчивать обработку;
• Как формировать контуры, отверстия, пазы и любые другие элементы детали.

Обычный чертёж описывает геометрию изделия, а G-code описывает траектории и параметры обработки, с помощью которых станок создаёт эту геометрию. На чертеже показаны размеры для человека, в G-code (или в файле, на основе которого он будет генерироваться) размеры не показывают, используется только геометрия. G-code содержит координаты, подачи, скорости, траектории, команды включение и выключение шпинделя, но не содержит допусков, посадок, размеров и технологических условий, которые указываются на обычном чертеже. G-code может быть сгенерирован из CAD/CAM-файла, который уже содержит размеры, но в самом G-code остаются только координаты и команды движения.

Ниже приведены ключевые параметры, которые описывает программа:

• Геометрия: Каждый файл ЧПУ начинается с координат и траекторий: траектории инструмента определяют то, как машина должна двигаться, чтобы достичь желаемой формы. Она включает информацию о том, где должно начинаться движения инструмента, какая его траектория и где он должен остановиться.
• Машинные команды: это специальные команды, которые сообщают станку, как именно работать. Они могут включать такие инструкции, как скорость вращения шпинделя, скорость подачи и глубину резания.
• Параметры обработки: подбираются под материал, но сам материал в G-code не описывается. В зависимости от материала, управляющая программа будет содержать разные инструкции о том, как станок должен с ним обращаться. Например, для сверления стали потребуются разные режимы в зависимости от ее марки. Более твердая сталь – ниже обороты.

Краткая таблица из примеров G-кода по ISO 6983:

Файлы для ЧПУ не содержат:

• размеров для чтения человеком;
• допусков и посадок;
• требований к шероховатости и покрытиям;
• технологических указаний в инженерном смысле.

Все эти данные относятся к этапу проектирования и технологической подготовки производства, а не к управляющей программе.

Передача данных между CAD/CAE/CAM и форматы файлов

Несмотря на использование стандартов, G-code не является универсальным форматом, пригодным для передачи данных между различными CAD/CAM-системами и производственными площадками. Управляющая программа формируется постпроцессором, который учитывает конкретную кинематику станка, тип системы управления (Fanuc, Siemens, Heidenhain, Haas и др.), конфигурацию осей, используемые M-коды, макросы, циклы и особенности реализации стандартных команд. В результате:

• одинаковые траектории могут быть записаны разными командами;
• одни и те же G- и M-коды имеют различное назначение;
• используются фирменные расширения и циклы;
• различается синтаксис дуг, подпрограмм, вызовов инструмента;
• программа, валидная для одного станка, может быть непригодна или опасна для другого.

Поэтому G-code рассматривается как конечный формат выполнения, а не средство обмена инженерными данными.

Для передачи геометрии и инженерной информации между различными CAD и CAM системами применяются нейтральные форматы, сохраняющие точную геометрию и, в некоторых случаях, PMI (Product Manufacturing Information).

Внутри одной платформы (программное обеспечение от одного вендора) проблема форматов почти исчезает, но появляются другие, более тонкие ограничения.  Преимущества:

• CAM работает с тем же объектом, что и CAD, а не с «копией в другом формате»;
• Отсутствие потерь геометрии: нет аппроксимации, нет разрыва поверхностей, нет потери топологии;
• Полная ассоциативность. Если в CAD: изменился размер - траектории автоматически пересчитываются;
• Многие CAD/CAM платформы умеют использовать технические данные CAD платформы при выборе стратегий обработки, что невозможно при работе через STL и ограничено при STEP.

Но реальный мир сложнее, проектируют в NX, а обрабатывают в Mastercam. CAD у заказчика не такой как у подрядчика или часть процессов вынесена на сторону. Некоторые предприятия используют устаревшие системы, одни форматы не совместимы с другими из-за версии. Кто-то просто не хочет быть зависим от одного вендора, история с санкциями нам это наглядно показала. В этих случаях применяются нейтральные форматы.

Развеем некоторые мифы. Точность обработки не определяется форматом файла для ЧПУ, точность сохраняется на уровне геометрической модели и ограничивается:

• точностью числовых вычислений CAM-системы;
• настройками постпроцессора;
• кинематикой станка и компенсациями;
• состоянием инструмента и заготовки.

Фактическая потеря геометрической точности возникает в следующих случаях:

• при экспорте в mesh-форматы (STL) с неверными допусками аппроксимации;
• при ручной правке управляющей программы без понимания геометрии;
• при ошибках в исходной CAD-модели.

Совместимость форматов

Проблемы совместимости возникают не между CAD и станком напрямую, а между:

• CAD-системой и CAM-системой;
• CAM-системой и конкретным постпроцессором;
• универсальными нейтральными форматами и конкретной реализацией ядра CAD/CAE.

Типичные реальные проблемы совместимости:

• импорт IGES с потерей топологии (разорванные поверхности);
• различия в интерпретации STEP AP203 / AP214 / AP242;
• отсутствие поддержки версии формата, например DWG AC1032 появился в 2018 году и старые CAM-системы его не понимают;
• некорректные нормали или ориентация поверхностей;
• различия в поддержке PMI (Product Manufacturing Information) и MBD (Model-Based Definition).

Форматы файлов G-code и их практическое применение

G-code не имеет универсального формата файла. Станок исполняет текст с командами, а расширение файла — это соглашение, исторически связанное c контроллером и CAM-системой. По сути, любой файл G-code обычный текст ASCII (реже UTF-8 без BOM), содержащий построчные команды.  Расширение файла не определяет совместимость. Совместимость определяется постпроцессором и синтаксисом G-code, соответствующим конкретной стойке ЧПУ (аппаратно-программному комплексу управления станком).

Ниже представлена таблица, содержащая распространённые форматы

Российские CAM-системы (как источники G-code)

FAQ