CNC-AG Projekt 2

Wir konstruieren mit Hilfe des frei verfügbaren CAD-Programms FreeCad dieses einfache Teil:

Mit ihm wollen wir zwei kleine Linienlaser an der CNC-Fräse befestigen, sodaß man mit dem Kreuzungspunkt der Linien einfach einen bestimmten Punkt auf dem Fräswerkstück anfahren kann.

FreeCad Arbeitsbereiche (Workbenches)

Mit FreeCad können viele unterschiedliche Aufgaben erledigt werden. Dafür verfügbare Werkzeuge sind in Arbeitsbereichen gruppiert.
Wir verwenden den Arbeitsbereich Part Design , der seinerseits auf 2D-Skizzen des Bereichs Sketcher basiert. Später werden wir den Arbeitsbereich Path benutzen, um den Steuercode (g-code) für die CNC-Maschine zu erzeugen.

In der FreeCad Grafikoberfläche kann man den gewünschten Arbeitsbereich in einer Scrollbar auswählen:

Darunter sind in mehreren Abschnitten Darstellungs- bzw. Bearbeitungsoptionen per Icon aufzurufen. Die Optionen werden wählbar, sobald sie farbig hinterlegt sind.
Unten rechts gibt es eine Auswahlmöglichkeit für verschiedene Operationsmodi der Maus. Wir benutzen die Handhabung, die in Blender üblich ist.

Part Design

Mit den Part Design Werkzeugen ist es möglich, aus 2D Sketches 3D-Körper zu erzeugen.
Sobald man das Symbol „Neues Dokument erstellen“ oben links anklickt, erscheint in der sogenannten Combo-Ansicht die Aufgabe „Körper erstellen“.

Durch Klicken auf „Körper erstellen“ wird ein Datenblock für einen Körper erzeugt und die nächste Aufgabe „Skizze erstellen“ angezeigt.

Nach dem Klick auf „Skizze erstellen“ müssen wir entscheiden, auf welcher Ebene der zu konstruierende Körper ruhen soll.
Wir wählen die xy-Ebene:

Die Optionen können wir ignorieren.
Durch Klicken auf OK gelangen wir nun in den Sketcher-Arbeitsbereich:

Sketcher

Unter den Symbolen für die Ansichtsoptionen in der zweiten Symbolzeile erscheinen jetzt in Zeile drei die wichtigsten Sketcher-Funktionen.
In der linken Hälfte die Skizzengeometrien, rechts die Skizzenbeschränkungen, darunter weitere Skizzierwerkzeuge. Eine vollständige Liste der Optionen erhält man durch Aufklappen von „Sketch“ in der obersten Zeile. Die Symbolzeilen können angepasst werden.
Die Combo-Ansicht zeigt unter dem Reiter „Aufgaben“ den Status der Zeichnung und die Möglichkeiten Werte zu verändern.
Alle Details der Bedienung sind ausführlich in der Sketcher-FreeCad-Dokumentation beschrieben. Die Links dahin findet man unter „Hilfe“.

Wir beginnen jetzt mit der Konstruktion unseres Werkstücks. Die Zeichnung wird so gestaltet, dass später in einem Zug mit der Part-Design-Funktion „Aufpolstern“ ein Körper erzeugt werden kann. Die Bemassungen der Geometrie sind überschlägig, sie können später verändert werden.

Das schrittweise Vorgehen zeigen wir in unserer Veranstaltung: Ein Aussenkreis beschreibt den Umfang des Werkstücks. Zwei kleine Kreise erzeugen die Aussparungen für die beiden Strichlaser. Einige weitere Aussparungen ermöglichen den Einbau einer waagerechten Spannschraube zur Befestigung des Laserträgers an der Frässpindel:

Sobald die Skizze vollständig eingeschränkt ist, wird sie hellgrün dargestellt. Das Sketcher-Fenster kann geschlossen werden. Das würde ggf. auch mit unvollständiger Einschränkung gehen.
Durch das Schließen gelangen wir zurück zur Part-Design-Funktion.

Aus den angebotenen Aktionen wählen wir die Aufpolsterung durch Anklicken aus.

Die vorgeschlagenen 10mm können wir übernehmen, unser Fräsmaterial ist ähnlich dick.
Durch Klicken auf OK wird der Körper erzeugt.

Wenn wir die Ansicht im rechten Grafikfenster mit dem Navigationswürfel 45° um die y-Achse kippen, erkennen wir die erfolgreiche Aufpolsterung.

Für die folgende Ansicht schalten wir ausserdem die Combo-Ansicht auf den „Modell“-Reiter um.
In dem Bereich „BezeichnungenEigenschaften“ klicken wir das Element „Pad“(Aufpolsterung) an. Jetzt sehen wir in dem Elementenbaum die unterliegende Skizze.
Durch Markieren (Anklicken) eines Elements und anschließendes Betätigen der Leertaste kann man das Element im Grafikenster sichtbar oder unsichtbar machen.

Jetzt wäre Gelegenheit den Elementen sprechende Namen zu geben. Dazu kann für jedes Element mit der rechten Maustaste ein Kontextmenü aufgerufen werden.

In der untere Hälfte der Combo-Ansicht werden für das aktive Element Daten zur Ansicht (z.B. Farbe, Transparenz) und zu den Element-Eigenschaften angezeigt. Die Werte können hier geändert und in das Grafikfenster übernommen werden.

Eine Sicherungskopie der FreeCad-Datei sichern wir unter dem Namen „LaserträgerV0“. Die Arbeitsdatei sichern wir als „LaserträgerV1“.

Path

Nun können wir auf den Arbeitsbereich „Path“ umschalten.

Durch Klicken auf den Körper(Body) im Modell-Bereich der Combo-Ansicht oder Doppelklicken auf die Darstellung im Grafikfenster wählen wir unser Werkstück zur Bearbeitung mit den Path-Werkzeugen aus.
Nun Erstellen wir eine Path-Operation (Job), indem wir von den Path-Werkzeugsymbolen das erste links anklicken. In der Benutzerdokumentation finden wir die detaillierte Beschreibung der Funktion (noch in Englisch).

Im Popup Window bestätigen wir die Auswahl unseres Körpers „Body“ mit OK:

Als Nächstes müssen wir weitere Job-Parameter spezifizieren.
Unter dem Reiter Setup beschreiben wir, wie das Fräsmaterial aussieht. Wir tun so, als hätten wir einen Klotz, der an den Seiten 1mm größer ist als das Werstück. Oben und unten setzen wir den Zuschlag auf null.

Der Reiter „General“ beinhaltet noch einmal den Job-Namen und das Basis-Modell und eine Schaltfläche zum Abspeichern der Job-Parameter als Vorlage.

Unter dem Reiter „Output“ wird festgelegt, mit welchem g-code-Postprocessor der FreeCad-interne g-code nachbearbeitet werden soll.
Centroid ist eine funktionierende Wahl.

Die Angaben zur Output File bewirken, dass der g-code im gleichen Verzeichnis und mit dem gleichen Namen wie die FreeCad-Datei abgelegt wird.

Unter dem Reiter „Tools“ werden dem Job die benötigten Fräswerkzeuge (Fräser, Toolbits) zugeordnet.
Die vorhandenen Werkzeuge können aus einer Tool-Tabelle manuell gewählt werden, die für die Installation einmal erstellt worden ist (in FreeCad 018 mit dem Icon „Tool Manager“, dem fünften in der Path-Werkzeug-Leiste. Verbesserungen des Tool-Managers sind in neueren FreeCad-Versionen enthalten) .
Der erste Fräser der Tool-Tabelle wird als Default vorgeschlagen.

Wir klicken auf Add, um für unser Projekt den Fräser T5 aus der Tool Library auszuwählen.

Wir kreuzen Tool 5 an, drücken „Create Tool Controller(s)“ und verlassen die Tool-Library mit OK.

Jetzt können wir das Default Tool markieren und mit „Remove“ entfernen.
Wie man sieht, müssen wir für den Fräser T5 noch Vorschubgeschwindigkeiten und Spindeldrehzahl angeben.
Mit Hilfe der StepCraft Fräsparameter errechnen wir für einen 3mm Fräser in weichem Holz eine theoretische Drehzahl von 53000 U/min.
Wir setzen statt dessen die maximale Drehzahl unserer Spindel von 20000 U/min ein und erhalten eine Vorschubgeschwindigkeit von 1400 mm/min =23 mm/sec. Die maximale Verfahrgeschwindigkeit der Stepcraft beträgt 3000 mm/min = 50 mm/sec.
Wir selektieren Fräser T5 und klicken auf Edit. Ins Fenster Tool Controller Editor tragen wir die Werte ein und quittieren mit OK.

Leider werden Drehzahl und Schnellverfahrgeschwindigkeiten fälschlich nicht übernommen. Wir müssen die Werte über die Combo-Ansicht für den Job/T5 nachtragen.

Operations

Endlich kommen wir zum Erzeugen der eigentlichen Fräs-Pfade.
Wir beginnen mit der äußeren Kontur. Wegen des Schlitzes gehört auch der innere große Ausschnitt dazu.
Dafür benutzen wir dieses Icon (gelb):

Nun werden uns weitere Optionen der Pfadgestaltung angezeigt.
Deren Details besprechen wir in unserem Arbeitskreis. Wenn wir die Vorgabewerte mit OK akzeptieren, wird uns sofort der Verlauf der Fräs-Pfade angezeigt. Der Spannschlitz wird dabei übergangen, weil er mit 2mm Weite konstruiert wurde und unser Fräser 3mm Durchmesser hat.

Zur besseren Sichtbarkeit habe ich hier den Körper (Body) ausgeblendet. Durch Ein- und Ausblenden des Körpers erkennt man deutlich den Versatz des Fräs-Pfades um den Radius des Fräsers (wegen „Use Compensation“).
Die Fräsrichtung verläuft im Uhrzeigersinn (Direction CW). Das Fräswerkzeug T5 wird benutzt.

Die Werte für Höhen und Tiefen hat FreeCad aus der Werstück-Geometrie sowie Standardannahmen entnommen.

Zu den Höhen und Tiefen gibt es eine Darstellung in der FreeCad-Dokumentation.

Nun müssen noch die beiden Löcher für die Linienlaser gefräst werden.
Dazu blenden wir den Körper wieder ein und selektieren mit linkem Mausklick im Grafikenster die kreisförmige Kante des einen Lochs.
Die Kante wird grün markiert (ist selektiert).

In der Werkzeugleiste klicken wir auf das Icon „profile based on edges“ und erhalten die Parameterlisten für diese Operation.

Diesmal fräsen wir innen. Bei den Tiefen müssen wir etwas nachhelfen. Die final depth setzen wir auf 0mm.
Da beide Löcher mit den gleichen Parametern gfräst werden können, markieren wir nun die Kante der zweiten Öffnung und klicken im Fenster „Basisgeometrie“ auf „Hinzufügen“.

Wenn wir jetzt die Aufgabe mit OK abschließen, werden die Pfade für beide Löcher unter dem Ordner „Profile_Edges“ abgespeicher.

Wenn wir nun die Erstellung des CNC-Steuercodes (g-code) veranlassen würden, würden die Konturen ohne Halt in der Reihenfolge abgefahren werden, in der wir sie erstellt haben. Das heißt, zunächst würde der äußere Umfang ausgefräst. Damit würde natürlich das Werkstück seine Einspannung verlieren und die inneren Pfade könnten nicht gefräst werden.

Das Problem können wir umgehen, indem wir zunächst die Laserträger-Löcher fräsen, einen Stop einbauen, das Werkstück z.B. durch diese Löcher mit Schrauben befestigen und dann die restlichen Konturen fräsen.
In der Job-Baumstruktur aktivieren wir die „Operations“. Jetzt können wir in der obersten Zeile des FreeCad-Fensters die Path Werkzeuge und darin die „Supplemental Commands“ ausklappen. Hier klicken wir auf das „Beenden“ Ikon.

Durch einen Doppelklick auf „Operations“ öffnen wir die Liste der Operationen, die jetzt den Stop enthält. Hier ziehen wir den Eintrag „Contour“ nach unten.