完全な G-Code ガイド: 初心者からプロフェッショナルまで

G-Codeとは何ですか?

G-Code (幾何学コード) は、CNC マシンを駆動するプレーンテキスト言語です。各ファイル (通常、.gcode、.nc、または.cnc) は、マシンにどこに移動するか、どのくらいの速度で移動するか、いつツールを起動するかを指示する一連の命令です。行は上から下に一度に 1 つずつ実行されます。

デザインを青写真、G-Code をターンバイターンのナビゲーションと考えてください。 3D プリンターでは JPG を処理できません。ペンプロッタは、文字「A」がどのようなものであるかを知りません。 G-Code は、あらゆる形状を基本的な動き (直線、円弧、ツールのオン/オフ コマンド) に分割することでこの問題を解決します。これらの動きは、どのモーション コントローラーでも確実に実行できます。

この規格の起源は 1950 年代の MIT にまで遡り、1963 年に RS-274 として正式に制定され、1982 年に ISO 6983 として国際的に公開されました。その古いものにもかかわらず、G-Code は趣味のデスクトップ プリンターから産業用 5 軸ミルに至るまで、製造の世界共通言語であり続けています。

G-Code はどこで使用されますか?

• ペン プロッタ (AxiDraw、HP 7475A、DIY GRBL): 紙上で物理ペンを動かしてベクター アートワークを再現します。アーティストやメーカーにとって、G-Code への最もアクセスしやすいエントリ ポイントの 1 つです。
• レーザー彫刻機とカッター: パワーを調整しながらビームを操作し、画像を木材に焼き付けたり、アクリルから形状を切断したりします。
• FDM 3D プリンタ (Prusa、Creality、Bambu Lab): フィラメントを送りながらプリント ヘッドを X、Y、Z 全体で調整し、オブジェクトをレイヤーごとに構築します。
• CNC ルーターおよびミル: 回転切削工具を材料に送り込み、彫刻、ポケット加工、およびプロファイリングを行います。
• CNC 旋盤、プラズマ カッター、ウォータージェット、ワイヤー EDM マシン: すべて G-Code またはそれに近い派生製品を使用します。

G-Code ファイルの構造

各行 (ブロックと呼ばれます) は 1 つの完全な命令です。マシンはライン間の状態を記憶します。つまり、ライン 10 で設定された送り速度は、変更しない限りライン 200 でも有効のままです。これをモーダル状態と呼びます。

以下は、50×50mm の正方形を描画するペン プロッタ プログラムです。

G21 ; millimeters

G90;絶対位置決め

G0 Z5.0 ; lift pen

G0 X0 Y0 ; move to origin

M3 S1000 ; pen down

G1 X50.0 Y0 F2000

G1 X50.0 Y50.0

G1 X0 Y50.0

G1 X0 Y0

M5 ; pen up

M2 ; end

G1 X50.0 Y25.3 F1500 の内訳: G1 = 直線を引く、X50.0 Y25.3 = 目的地、F1500 = 1500 mm/分。 G1 は 1 回だけ表示されることに注意してください。G0 または別のモーション コマンドを作成するまで、後続の座標線はすべて自動的に再利用されます。セミコロンの後のものはコメントであり、マシンによって無視されます。

必須の G-Code コマンド

これらのコマンドは、趣味用の GRBL から産業用の Fanuc まで、事実上すべてのファームウェアで機能します。

• G0 — 高速移動: マシンが許す限り速く位置を変更します。レーザーまたはスピンドルがアクティブな状態では絶対に使用しないでください。
• G1 — 直線移動: 設定された送り速度 (F) で直線を描画または切断します。すべての CNC が動作するための主要なコマンドです。
• G2 / G3 — 時計回り / 反時計回りの円弧: I/J 中心オフセットまたは R 半径を使用して、単一のコマンドで滑らかな曲線を生成します。 1 つの G2/G3 が、数十の小さな G1 セグメントを置き換えます。
• G4 — 滞留: 設定された時間の間一時停止します。 ⚠ P 単位は異なります: GRBL = 秒 (G4 P1.5 = 1.5s)、Marlin = ミリ秒 (G4 P1500 = 1.5s)。
• G20 / G21 — インチ / ミリメートル単位。これは常にすべてのファイルの先頭に設定してください。
• G28 — すべての軸をホームにします。動作はファームウェアによって異なります。使用する前に必ず確認してください。
• G90 / G91 — 絶対位置/相対位置。 G90 がデフォルトです。 G91 は、すべての座標を現在位置を基準にします。
• G92 — 現在位置を移動せずに原点として設定します。ジョブの途中で作業原点を定義するために使用されます。
• M3 S[value] — ツール オン: レーザーを発射、スピンドルを回転、またはペン サーボを下げます。 S はパワー、RPM、またはサーボ角度を制御します。
• M5 — ツールがオフです。早送り移動の前には必ず含めてください。
• M104 / M109 — ホットエンド温度を設定します (3D プリント)。 M109 は、目標に達するまで待機してから続行します。
• M140 / M190 — ベッド温度を設定します (3D プリント)。 M190 は待機します — 印刷が開始される前に使用します。
• F — 送り速度 (mm/min)。モーダル: 変更するまで保持されます。
• S — 出力または速度: レーザー出力 (GRBL では 0 ～ 1000)、スピンドル RPM、またはサーボ角度。
• E — 押出機のフィラメント距離 (3D プリントのみ)。
• I、J — 現在の位置からの円弧中心のオフセット。G2 および G3 で使用されます。

SVG から G-Code: 実際に何が起こるか

SVG パスは、Bézier 曲線、円弧、直線を使用します。 G1 は直線のみを描画します。そのため、コンバーターは次の 2 つの方法でギャップを埋める必要があります。

ファセット加工では、曲線を多数の小さな直線セグメントに分割します。より滑らかな曲線には短いセグメントが必要ですが、これはファイルが大きくなり、マシンのコマンド バッファーが追いつかない場合にモーションが途切れる可能性があることを意味します。

円弧フィッティングはよりスマートです。一連の短いセグメントが集合的に円を形成することを検出し、グループ全体を 1 つの G2 または G3 コマンドで置き換えます。 G1 360 行分の円が G-Code の 1 行になります。ファイルは最大 90% 縮小し、動きは完全にスムーズで、マシンは円弧全体にわたって連続速度を維持します。すべての GRBL ビルドが G2/G3 をサポートしているわけではありません。有効にする前に確認してください。

G-Code 方言: 1 つのファイルがすべてのマシンに適合しない理由

コア モーション コマンド (G0、G1、G2、G3) はどこでも機能します。それ以外のすべて (起動シーケンス、ツールの変更、コメント構文) はファームウェア ファミリによって異なります。プロ仕様の CNC マシンで間違ったコントローラーから G-Code を実行すると、間違った出力が生成されるだけでなく、ワークピースへの急速な衝突を引き起こす可能性があります。

• GRBL: 趣味のペン プロッター、レーザー彫刻機、小型 CNC ルーター用の主要なファームウェア。 Arduino ベースで、コンバータおよび CAM ツールによって広くサポートされています。
• Marlin: FDM 3D プリンターで主流。標準のモーション コマンドに加えて、押出機制御、温度 M コード、ベッド レベリングを追加します。
• Klipper: Raspberry Pi 上で実行される最新の 3D プリンターのファームウェア。同じハードウェアを使用する Marlin では実現できない入力シェーピングと高速印刷が可能になります。
• Smoothieware: ミッドレンジ レーザー彫刻機および CNC 用の 32 ビット ARM ファームウェア — Arduino ベースの GRBL よりも高いコンピューティング ヘッドルーム。
• Fanuc: 世界的に支配的な産業用 CNC コントローラー。固定サイクル (G81 ～ G89) とマクロ プログラミングが含まれます。
• Siemens Sinumerik / Heidenhain / Haas: 独自の方言を持つヨーロッパおよび米国の産業用コントローラー。 Fanuc ポストプロセッサは、Sinumeric マシンでは正しく動作しません。

写真をプロット可能なパスに変換する

写真にはピクセルのみが含まれており、パス データは含まれません。写真をプロットしたりベクトル彫刻したりする前に、SVG に変換する必要があります。一般的なアプローチ:

• 線画トレース: 被写体の輪郭と構造エッジを SVG パスとして抽出します。輪郭がはっきりしたロゴ、ポートレート、イラストに最適です。
• ハッチング/クロスハッチング: 画像の明るさを線の密度にマップします。暗い領域では線がより密に詰め込まれます。結果は伝統的な彫刻を思い起こさせ、美しくプロットします。
• 点描: 明るさをドット密度にマッピングします。各ドットは短いペンタッチまたはレーザーの滞留であり、点描画のイラストに似ています。
• 等高線マッピング: 明るさを標高のように扱い、明るさのしきい値で同心円の線を描きます。写真から流れるような有機的な結果を生み出します。
• アルゴリズム スタイル (ボロノイ、フロー フィールド、波形パターン): 抽象的だが認識可能な機械描画アートのための、画像の明るさによって変調された数学的変換。

完全なパイプライン: 写真 → SVG → G-Code と Pixel2Lines

Pixel2Lines は、線画、ハッチング、点描など、ペン プロッターやレーザー彫刻機向けに構築されたプロフェッショナルなスタイルで、写真をきれいな機械対応の SVG に変換します。出力パスは個別のストロークとして構成され、ペンのリフトと移動時間を最小限に抑えます。

SVG を取得すると、SVG-to-G-Code サービスは、マシン プロファイル設定、プリフライト チェック、およびプレビュー アーティファクトを含む最終ファイルを生成します。

この 2 ステップのパイプライン (Pixel2Lines 経由で写真を SVG に、サービス経由で SVG から G-Code に) により、G-Code を手動で記述することなく、ラスター ソースから機械で準備されたレーザーまたはプロッター ファイルに移動します。

よくある問題と解決策

• 図面はミラーリングされます: SVG Y は下に増加します。 G-Code Y は上に増加します。コンバーターで Y 軸反転を有効にします。
• 間違った出力サイズ: DPI が一致しません。 Illustrator = 72、古い Inkscape = 90、最新のツール = 96。コンバーターの DPI をソース アプリに一致させるか、SVG の寸法をミリメートル単位で定義します。
• マシンがカーブを通過すると途切れます。非常に多くの小さなセグメントがモーション バッファーをオーバーフローします。円弧フィッティングを有効にするか、線形化公差を増やすか、送り速度を下げます。
• ペンがドラッグするだけで持ち上げられない: M5 コマンドが欠落しているか、Z クリアランスが小さすぎて紙から物理的に持ち上げることができません。
• ジョブに予想よりもはるかに時間がかかります。パスの順序付けが不十分です。 G-Code を再生成する前に、vpype でパスを再ソートします。
• 開始時に機械が間違った位置に移動します: 作業原点が設定されていません。ホームに戻し、目的の原点までジョグして、開始前に G92 X0 Y0 を実行します。