FreeCAD Path Workbench 入门：从 Job 到 G-code

本页面介绍 FreeCAD Path Workbench（CAM 模块）的基本概念和工作流程，帮助你理解从 CAD 模型到 G-code 输出的完整数据流转路径。

A. 什么是 Path Workbench

FreeCAD Path Workbench 是 FreeCAD 内置的 CAM（计算机辅助制造）模块。它接收你已经建好的 Part Design 3D 模型，让你在 FreeCAD 内部完成 CAM 规划，最终输出机床可识别的 G-code。

它和独立 CAM 软件（如 Mastercam、Fusion 360 CAM）的区别：

  • 优点：免费、开源、与 FreeCAD 无缝集成

  • 缺点：功能相对简单，适合教学和小批量，不适合复杂工业场景

  • 定位：学习 CAM 概念的入门工具，不是生产工具

B. Path Workbench 的核心概念

FreeCAD Path Workbench 数据流转

B.1 Job（任务）

Job 是 Path Workbench 中所有 CAM 操作的容器。

创建 Job 时需要设置：

  • 毛坯（Stock）：定义被加工件的初始尺寸（如 80×50×8 mm 板料）

  • 基准面（Base）：选择加工的参考面（通常是底面）

  • 后处理输出（Post Processor Output）：选择 G-code 输出格式

教学示例：

  • 毛坯尺寸：80 × 50 × 8 mm

  • 基准面：模型底面

  • 后处理器：grbl（教学用）

B.2 Tool（刀具）

Tool 定义加工用的刀具，包括：

  • 几何参数：直径、长度、刃数

  • 切削参数：主轴转速、进给速度

  • 类型：平底铣刀、球头铣刀、钻头、倒角刀等

教学示例：

  • T1：Ø8 mm 平底立铣刀，2 刃

  • T2：Ø12 mm 钻头

B.3 Operation（工序）

Operation 定义具体的加工动作。常见类型：

  • Profile（轮廓铣削）：沿外轮廓走刀

  • Pocket（型腔铣削）：挖空内部区域

  • Drilling（钻孔）：钻一个或多个孔

  • Face Milling（面铣）：加工一个大面

  • Adaptive（自适应）：高效粗加工

教学示例：本项目使用 Profile（外轮廓）和 Drilling（钻孔）

B.4 Toolpath（刀路）

Toolpath 是 Operation 计算出来的刀具运动轨迹。

参数：

  • 步距（Step Over）：相邻刀路之间的距离

  • 切削深度（Step Down）：每层下刀的深度

  • 进退刀方式：如何进入和离开切削区域

  • 安全高度（Safe Height）：刀具快速移动的高度

教学示例：步距 2 mm，切削深度 1 mm/层，安全高度 5 mm

B.5 Post Processor（后处理器）

Post Processor 把 FreeCAD 内部的刀路转换为特定机床能识别的 G-code 格式。

常见后处理器：

  • grbl：适用于 GRBL 控制器（小型 CNC、雕刻机）

  • linuxcnc：适用于 LinuxCNC 系统

  • smoothie：适用于 Smoothieware 控制器

  • ** Haas、Fanuc、Siemens**：工业机床专用

教学示例：选择 grbl 后处理器

B.6 G-code（数控代码）

G-code 是机床最终识别的指令序列。详细解释见 G-code 路径可视化：从指令到动作。

C. 工作流程示例

以 L 型支架底板为例：

步骤 1：准备 CAD 模型

确保你已经有 FreeCAD Part Design 创建的 3D 模型（参考 支架零件 Capstone 综合项目）。

步骤 2：切换到 Path Workbench

在 FreeCAD 下拉菜单中选择 "Path" 工作区。

步骤 3：创建 Job

点击工具栏的 "Job" 按钮，设置：

  • Stock：80 × 50 × 8 mm（毛坯尺寸）

  • Base：模型底面

步骤 4：添加刀具

通过 Tool 编辑器创建：

  • T1：Ø8 mm 平底立铣刀

  • T2：Ø12 mm 钻头

步骤 5：创建 Operation

  • Operation 1：Profile（外轮廓） - 使用 T1 - 切削深度：8 mm（全厚） - 步距：2 mm

  • Operation 2：Drilling（中心孔） - 使用 T2 - 位置：(40, 25) - 深度：8 mm（贯穿）

步骤 6：生成 G-code

点击 "Post Process" 按钮，选择 grbl 后处理器，输出 .gcode 文件。

D. 教学型 G-code 样例

本仓库提供了教学型 G-code 样例：

  • 文件路径：assets/bracket-capstone/gcode/bracket-demo-teaching.gcode

样例内容：

教学型 G-code 结构

包含的指令：

  • 程序头：G21, G90, G94, G17, G54

  • 操作 1：粗加工：M03, G00, G01

  • 操作 2：精加工：G01（低进给）

  • 操作 3：钻孔：M05, M00, M03, G81

  • 程序尾：M05, G00, M30

样例结构：

G21          ; 设置单位为毫米
G90          ; 绝对坐标模式
...
M03 S8000    ; 主轴正转 8000 RPM
G00 Z5       ; 快速抬刀
G01 Z-2 F100 ; 下刀
G01 X80 Y50  ; 走刀
...
G81 R2 Z-8 F100  ; 钻孔循环
M30          ; 程序结束

E. 重要警告

警告

本页面提供的 G-code 样例是**教学示例**，不可直接用于真实机床加工。

原因：

  1. 刀具参数为假设值：转速、进给、切削深度均为教学假设，未针对具体刀具、材料、机床优化

  2. 坐标系未验证：G54 工件坐标系和对刀操作未经过实际验证

  3. 安全高度不够：实际加工需要考虑夹具、压板等

  4. 无冷却液控制：实际加工需要 M08/M09 控制切削液

  5. 无错误处理：实际 G-code 应包含错误检测和回退逻辑

实际加工前：

  • 必须经过 CAM 工程师审核

  • 必须在仿真软件中验证刀路

  • 必须用试切件验证参数

  • 必须遵守机床操作安全规程

F. 常见问题

F.1 为什么要学 FreeCAD Path Workbench？

  • 概念一致：所有 CAM 软件（Mastercam、Fusion 360 CAM）都有 Job/Tool/Operation 概念

  • 概念验证：可以快速验证自己的工艺思路

  • 数据流理解：看到从 CAD 到 G-code 的完整转换

  • 教学友好：免费、开源、容易上手

F.2 FreeCAD Path 生成的 G-code 质量如何？

对于简单零件（外轮廓、孔、简单型腔）质量足够。对于复杂零件（多面加工、5 轴联动）需要使用专业 CAM 软件。

F.3 如何选择 Post Processor？

根据你的机床控制器选择：

  • 桌面 CNC（GRBL、Smoothie）：选 grbl 或 smoothie

  • LinuxCNC 系统：选 linuxcnc

  • 工业 CNC：选对应品牌（Haas、Fanuc 等）

F.4 FreeCAD Path 输出的 G-code 是绝对坐标还是相对坐标？

默认是绝对坐标（G90），但可以在 Post Processor 中切换。

F.5 如何在 FreeCAD 中预览刀路？

在 Toolpath 列表中点击某个 Operation，会在 3D 视图中高亮显示刀路。

G. 学习建议

  • 先理解概念：先看完本页所有概念（Job/Tool/Operation/Toolpath/Post）

  • 再上手操作：用 支架零件 Capstone 综合项目 的零件，尝试在 FreeCAD 中生成 G-code

  • 再深入学习：阅读 G-code，逐行理解每个指令的含义

  • 再扩展应用：尝试更复杂的 Operation（Pocket、Adaptive）

H. 相关页面

I. 参考资源