用FreeCAD为“快造”CNC生成刀路_freecad cam

用 FreeCAD 为“快造” CNC 生成刀路

1. 概述

  在设备实验开发过程中，需要使用CNC雕刻机对机壳等机械部件进行简单加工，如开异形孔、挖槽等。我们使用了“快造”（Snapmaker）A350多功能3D打印机的CNC雕刻功能加工这些塑料部件。
  在使用过程中，我们发现厂家提供的软件 Snapmaker Luban的功能有限，导入其他软件生成的STL、DXF等文件时，无法在 Snapmaker Luban 中进行尺寸控制、对象选择等操作。厂家的售后技术支持人员敷衍了事，答所非问，不能解决问题。因此只好花功夫摸索使用厂家建议的外部软件生成“快造”的CNC刀路文件，然后复制到A350上进行加工。
  厂家建议了四种外部CAD/CAM软件：
   Fusion 360
   FreeCAD
   Aspir
   Carveco Maker
  上述软件中，Fusion 360 和 FreeCAD 偏重于工程建模，Aspir 和 Carveco Maker 偏重于艺术建模。
  四种软件中只有 FreeCAD 是开源软件，虽然它有各种的不足，但因为开源，且我们的加工比较简单，所以在试用的 Fusion 360 过期后，我们最终还是选用了Free CAD。
  对于不是专门从事机械加工的初学者来说，通过使用 CAD/CAM 软件建模、定义加工代码、进行加工的整个过程不是一件易事，会遇到很多问题和困扰。为此，在摸索的基础上，记录了一个零件的生成和加工的过程，供备忘以及其他有同样需求者参考。
  本篇的主要目的是理清操作步骤和各种对象之间的关系，并不具体描述作图的操作技巧和过程，相关内容可以参见网上的有关资料。

2. FreeCAD 入门 - 建立一个圆柱体

2.1 关于 FreeCAD 的版本

  由 Fusion360 转到 FreeCAD 以后，我们最先使用的是 0.21.1 版本，用这个版本作图、建模都没有问题，但生成刀路时，使用“快造”的后处理程序报错，错误是找不到所需的模块。因为 0.21.1 版的目录结构、功能模块等发生了变化造成上述问题。找了“快造”的技术支持，他们不认可这一问题。由于 FreeCAD 是开源软件（Python语言编程），实际上可以通过阅读和测试程序修改这个问题，但需要花费一些功夫。为了省时省力，我们试用了旧的版本，其中 0.19.4 依然不行，后退到 0.18.4，这一问题不复存在。

2.2 建立圆柱体概要

  FreeCAD 里有众多的工作台，能够生成不同的文件，其中的关系也比较复杂。本文中，我们只使用了 FreeCAD 功能的一小部分，目的在于能够生成一个用于“快造 ”CNC 加工开孔的刀路文件。它的基本过程是：生成零件 – 画出 2D 草图 – 草图拉伸成凸台（3D） – 生成刀路 – 导出G代码文件。
  其中比较关键的是画出 2D 草图，并用草图生成 3D 零件的过程。本节以一个圆柱体的生成为例，显示 FreeCAD 这一建模过程的基本操作。

2.3 过程描述

  以下时建立圆柱体的具体步骤：
  1. 打开 FreeCAD，在 Start Page 选择 Create New…，进入工作台界面（根据设置会进入不同的工作台）；
  2. 进入 Part 或Part Design 工作台（在工具栏的工作台下拉框中选择，视频中没有显示出来）；
  3. 在 Combo View（左侧面板）的 Task 栏点击 Create Body，生成实体；
  4. 在 Start Body 下点击 Create Sketch，生成草图；
  5. 选择视图平面（一般是X-Y）后，进入草图工作台；
  6. 在草图工作台上作一个圆形（可以设置参数）；
  7. 完成以后，在 Combo View 的 Task 栏按 Close，进入 Model 栏；
  8. 进入 Part Design 工作台；
  9. 在工具栏中，选 Pad a selected sketch 图标；
  10. 一个圆柱体就形成了，通过修改参数可以调整其高度。
  上述步骤在0.18.4和0.21.1中都有效。由于 SnapMaker 只能用0.18版生成刀路文件，所以本文后续描述操作都是在0.18.4版上完成的。下面链接中的录屏(https://live.csdn.net/v/338786)显示了圆柱体生成的步骤。

图1

图2.

图3

3. 实操：机壳挖孔

3.1 概述

  这一章展示了在机壳上挖一个电源座的全过程，作为一个实例，讲解用“快造” CNC 雕刻功能加工步骤。图1.是这个电源座的实物，图2.是加工后在机壳上挖出的安装孔，图3.是安装以后的情况。
  本章的内容涉及以下步骤：
  1. 用 Part Design 工作台生成零件和相应的草图；
  2. 用 Skecher 工作台绘制草图；
  3. 在 Part Design 工作台下，用绘制的草图建立凸台；
  4. 在 FreeCAD 下配置“快造”后处理程序和加工工具；
  5. 进入 Path 工作台，建立 Job；
  6. 对 Job 进行设置并导入“快造”配置的道具；
  7. 用 Profile based on face or faces 设置和生成刀路；
  8. 导出 G 代码文件，拷贝到“快造”并进行加工。
  上述步骤并不是唯一的选择，可以用其他不同步骤实现。但我们认为，这是比较直观的易理解的步骤。
  在进行上述步骤以前，首先要对 FreeCAD 进行一些偏好设置，这里不对此进行描述，可以参见网上相关的资料。

3.2 第一、二步，进入FreeCAD，生成零件，绘制草图

  打开 FreeCAD，在“起始页”（Start Page）中选择“新建”（Create New …）生成一个新的文件。选择新建后，出现以下界面：

图4.
  打开图4. 中红色圈出的工作台下拉框，选择“Part Design”，程序会跳到“任务”属性页，如下图所示：

图5.

  点击“创建实体”（Create Body），创建零件实体，任务属性页又会出现以下内容：

图6.
  点击“创建草图”（Create Sketch），出现下列选择基准平面的界面（因为草图是2D的）。

图7.

  一般选择XY_Plane，符合一般的习惯并方便后续的刀路生成和加工操作。完成后点击“OK”，就会进入草图（Sketcher）工作台，如图8.所示。

图8.

  草图作图的过程这里不多描述，一般涉及以下操作：
   绘制图形（矩形、椭圆、多边形等）；
   图形整理（修剪等）
   施加限制（尺寸、位置、水平、垂直等）。
  下图是本例中绘制完成的草图：

图9.

3.3 第三步 用绘就的草图建立 3D 凸台

   草图绘制完成后，在“任务”属性页中点击“Close”按钮，返回Part Design工作台。工作台上会出现一个扁平的图形，如下图所示。

图10.

  在工具条中点选“基于选定草图创建凸台”图标按钮，就建立了一个3D零件实体，如下图所示。

图11.

  在“任务”属性页里可以调整凸台的厚度（“长度”编辑框）。完成后，点击“OK”退回Part Design界面。

3.4 第四、五步 配置“快造”插件，进入Path工作台

   建立凸台，调整厚度后，就可以生成刀路了。
  FreeCAD 的 Path 工作台用以生成 CNC 加工设备的 G-代码加工文件。由于不同的加工设备有不同的 G-代码方言，因此，需要用设备厂家的后处理程序对 G-代码进行后处理。为此，在进入 Path 工作台以前，必须将“快造”的提供的后处理代码加入到 FreeCAD 的目录中。如前所述，这里描述的步骤仅在FreeCAD 0.18中有效。
  “快造”提供的后处理代码和刀具文件的下载地址是：（https://s3-us-west-2.amazonaws.com/snapmaker.com/download/cnc_post/assets-20210120.zip），下载后解压缩后为一个 assets-xxxx 目录，下有四个子目录，其中 snapmaker-freecad-configuration 中是用于 FreeCAD 的后处理文件和刀具文件。将其中的 Python 程序 snapmaker_freecad_post.py（后处理程序插件）复制到 FreeCAD 安装目录下的 Mod\Path\PathScripts\post 子目录中即可。
  接下来，进入Path工作台，如下图所示（图中的零件已经调整了厚度）：

图12.

  在工作台的工具条中，点击生成刀路（ ）图标，出现如下选择实体对话框，选择实体（这里是唯一的），点击“OK”生成针对该实体的作业（Job）。接下来，就可以对 Job 进行设置。

图13.

3.5 第六步 设置Job和导入刀具

  选择实体，点击“OK”后，任务属性页中，出现如下图的 Job 设置界面，它也是由几个属性页组成的，选择实体后出现的是“Setup”属性页。在本例中，仅仅针对对 Output 和 Too 两个属性页进行设置，包括Setup在内的其他属性页我们都不作处理。

图14.

  点选“Output”，出现以下界面：

图15.

  其中，在Output File编辑框中，编辑输出G代码文件的路径和文件名，旁边 “…”按钮用于选择路径，文件名则要在其中键入。“快造”的合法G代码文件的后缀为.cnc。
  Processor下拉框中，选择snapmaker_freecad。注意：这一选择很重要，如果不选择而输出G代码文件，拿到“快造”上加工，轻则损坏工件和刀具，重则会给CNC雕刻机造成损伤。能够选择这一选项的前提是3.4节的步骤中，已经将snapmaker_freecad_post.py复制到post目录下。
  上述步骤完成以后，在任务属性页中点击“OK”，返回模型属性页。
  接下来步骤是导入“快造”提供的刀具。在Job Edit对话框中，点选“Tools”属性页，出现如下对话框：

图16.
  点击Add按钮，出现如下对话框。

图17.

  点击Import…按钮，在“快造”提供的snapmaker-freecad-configuration目录下，选择Snapmaker-2.0-CNC-Tools.json，导入“快造”提供的刀具。（图16.的界面中是导入后的效果）
  选择一个刀具，点击“Create Tool Controler(s)”按钮，就完成这个刀具的导入。在图15.对话框中，选中这个刀具，点击“Edit”按钮，在弹出的对话框中可以设置这个刀具的加工速度和进刀速度。如果不设置，则按缺省的速度加工。实际操作中发现如果使用缺省参数，可以用于加工，但速度显得略高了些。
  完成后点击“OK”按钮，回到“模型”属性页。
  接下来，我们就可以生成一个或多个刀路了。

3.6 第七步 生成刀路

  本实例中，只是在一个平面上挖出三个孔，所以，生成刀路中，仅使用了Profile based on face or faces（基于面进行剖面）一种方式加工。这种方式是沿着指定的面走刀，到一定的深度就可以形成一个沿封闭面的孔。
  挖三个孔必须重复列步骤三次，形成三个刀路。
  在Path工具栏中，选择Profile based on face or faces 图标，进入下图所示“任务”对话框。如果任务中添加了多个刀具，在进入下列对话框前，还会出现工具选择对话框，可以在其中选择该刀路使用的刀具。

图18.

  这个对话框中有“基本几何图形”、“深度”、“高度”和“操作”几个部分，进入时显示的是“操作”部分。这部分给出以下选择：
   工具选择：这里选择的是1.5mm平头铣刀；
   加工边缘：沿内圈还是外圈加工，我们选择的是沿内圈（inside）；
   加工方向：CW/CCW（正反向），选择正向；
   在复选按钮中，我们用了缺省的Use Compensation（使用补偿，考虑工具半径）和Process Perimeter（沿剖面的周边加工）。
  接下来，点击“基本几何图形”选择要加工的面，应当注意的是，所选择的面必须形成一个封闭的区间。我们需要加工三个孔，每个孔都要进行一次完整的剖面操作。这里详细介绍的是中间的一个孔，因为它是由多个面组成的。其他两个圆孔只有一个面，比较简单，就不再赘述。
  点击“基本几何图形”后，出现下列界面：

图19.

  在右侧图中，选中一个面，然后在对话框中点击“添加”，就可以在其中加入一个面，沿周边继续点击和添加，就可以完成整个形状的定义。应当注意的是，挖孔加工时，形状必须封闭。
  选择时，也可以用control键结合鼠标一次选中和添加多个面。
  添加几何图形完毕后，基本几何图形对话框中显示选中的四个面。

图20.

  任务对话框的深度部分选择铣刀加工的起始高度（Z轴坐标）、终止高度和进刀的步长，这种调整可以结合“快造”的加工原点的设置，使得加工深度能够适合材料（机壳）的厚度；高度部分设置的则是铣刀的安全高度和空闲高度位置（Z轴坐标）。
  设置完成以后，点击“OK”，回到“模型”属性页，这时的界面如图21.所示。

图21.

  重复本节前面的步骤，形成左右两个小孔的刀路。这两个小孔比较简单，只对一个面生成即可。全部生成后，显示如下图，图中的绿色线显示的是加工的刀路。在左侧的模型属性页中，可以看到其中有3个剖面操作：Profile_Fases、Profile_Fase001、Profile_Face002。

图22.

  为了验证刀路的操作，可以点选工具栏中的刀路模拟图标（），对刀路进行模拟。应当注意的是模拟以后要点击“Cancel”而不是“OK”退出，因为后者会引起显示的改变，无法恢复。但不会影响后续的操作，也不会影响对模型和加工刀路的修改。
  接下来，在工具栏中选择后处理图标（）进行后处理（注意，在Job设置的Output项目的后处理选项中，必须选“snapmaker_freecad”一项）。点击后会提示输出文件，确定好输出文件后，就会出现G代码浏览对话框如下：

图22.

  从中可以看出，后处理的结果确是“快造”程序生成的。

3.7 第八步 复制 G 代码文件，进行加工

  在设置Job（见3.5节）时已经确定导出的G代码文件的存放位置和文件名。进行后处理时，进一步确定文件名和后缀并生成文件，对于“快造”来说，文件名的后缀是.cnc。
  加工时，需要先将G代码文件传送到“快造”CNC雕刻机上，我们用的是早期版本，所以使用U盘拷贝后插到“快造”上进行加工。
  “快造”操作步骤在其用户手册中有详细说明，这里不再重复。需要注意的是在定位刀具零点时，由于工件设置在Z轴 0 点以上，所以，无法将刀具直接定位在零点上。这可以有两种解决方法：一是在FreeCAD中，将加工平面放在 Z 轴零点以下；二是加工前，在零点位置钻一个孔，以便对刀时，刀具能够达到零点。后者的前提是零点必须处在某个孔洞位置范围。图23.是加工结束时的情况。
  图中有意在加工终止时留了0.1mm的厚度未切去，以防破坏CNC底座，并避免挖掉的材料位移妨碍刀具。

图23
  图中的夹具并不是“”快造“供应的，是在网上找到的，可以方便快捷地夹持一定尺寸的工件。它的固定孔必须能够适合快造 CNC 底座固定孔的位置尺寸。

4 遇到和解决的问题

  下面是使用FreeCAD 0.18.4时发现的问题。
  1. 草图（sketch）无法捕捉交叉点。
    现象：选择交叉点操作不起作用，总是选到连接交叉点的线段上；
    原因：尚未查明，可能是误触了某些设置；
    解决：退出后重新进入FreeCAD恢复。
  2. 无法从草图生成凸台：
    现象：图中看不到生成的凸台，点击“OK”后报错：failed to validate broken face；
    原因：一般来说，是草图中有不封闭的形状（线段的端点不重合）；
    解决：重回草图，找到不连续的、不封闭的线段，用端点重合限制使其封闭。
  3. 无法生成刀路（模拟加工时刀路不起作用）：
    现象：生成刀路时报错；
    原因：Operation刀路中选了多余或不合适的几何形状；
    解决：删除多余或不合适的几何形状。

5 使用“快造”多功能 3D 打印机（A350）的体会

  “快造”多功能机（A350）具有加工行程大，加工精度高，可以进行 3D 打印、激光雕刻、3轴/4轴 CNC 雕刻的优势，适合进行小批量塑料、木材等材料的加工。但在使用 CNC 雕刻的过程中，觉得它还存在一些不足，例如：
  1. 加工工件的材料类型有限，不能加工铝、铜等金属工件；
  2. 在CNC的底板上固定工件不太方便；
  3. 自带的软件 Snapmaker Luban 的功能有限，难以支持一般加工需要；
  4. 文档、教程等支持文件不够完善，使得入门使用者（一般为非机械加工专业人员）不能很快掌握其操作；
  5. 售后服务人员的服务有待提高，包括服务态度和技术水平两个方面；
  6. 设备贵了些，性价比有待提高。