FreeCAD：FreeCAD草圖繪制與編輯技術教程.Tex.header

FreeCAD：FreeCAD草圖繪制與編輯技術教程1FreeCAD基礎介紹1.1FreeCAD軟件概述FreeCAD是一個開源的3D參數化建模軟件，它允許用戶設計和修改復雜的3D模型。FreeCAD特別適合機械工程和產品設計，因為它提供了強大的草圖繪制工具，可以創(chuàng)建精確的2D草圖，這些草圖可以被用作3D模型的基礎。FreeCAD的參數化特性意味著模型的任何部分都可以通過修改其參數來調整，這使得設計過程更加靈活和高效。1.2FreeCAD界面與工具欄1.2.1界面布局FreeCAD的界面由幾個主要部分組成：菜單欄：位于窗口頂部，提供文件、編輯、視圖、工具、窗口和幫助等選項。工具欄：包含常用的工具按鈕，如創(chuàng)建新的草圖、添加幾何形狀、約束等。3D視圖：顯示當前的3D模型或草圖。任務面板：在創(chuàng)建草圖或應用約束時出現，提供相關的選項和設置。模型樹：顯示當前項目的所有對象和它們的層次結構。屬性編輯器：顯示和編輯選定對象的屬性?？刂婆_：顯示命令行輸出和錯誤信息。1.2.2工具欄功能草圖工具：包括創(chuàng)建草圖、添加幾何形狀（如直線、圓、矩形等）、編輯草圖、添加約束等工具。3D建模工具：用于創(chuàng)建和編輯3D對象，如拉伸、旋轉、切割等。視圖工具：用于控制3D視圖的顯示，如旋轉、平移、縮放等。1.3草圖工作臺簡介草圖工作臺是FreeCAD中用于創(chuàng)建和編輯2D草圖的模塊。草圖是3D建模的基礎，通過草圖，用戶可以定義模型的形狀和尺寸。草圖工作臺提供了以下主要功能：創(chuàng)建草圖：在選定的平面上創(chuàng)建新的草圖。添加幾何形狀：在草圖中添加各種幾何元素，如直線、圓、弧、多邊形等。添加約束：應用幾何約束（如平行、垂直、固定長度等）和尺寸約束（如指定長度、角度等）來精確控制草圖的形狀和尺寸。編輯草圖：修改草圖中的幾何形狀和約束。草圖分析：檢查草圖的完整性和約束狀態(tài)，確保草圖是完全定義的。1.3.1創(chuàng)建草圖示例以下是一個使用FreeCAD草圖工作臺創(chuàng)建一個矩形草圖的示例：importFreeCAD

importDraft

importSketcher

#創(chuàng)建一個新的文檔

FreeCAD.newDocument("MySketch")

#激活草圖工作臺

FreeCADGui.activateWorkbench("SketcherWorkbench")

#創(chuàng)建一個草圖

Sketch=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch')

Sketch.MapMode="Deactivated"

#添加一個矩形

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(100,0,0)))

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(100,0,0),FreeCAD.Vector(100,50,0)))

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(100,50,0),FreeCAD.Vector(0,50,0)))

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(0,50,0),FreeCAD.Vector(0,0,0)))

#添加約束

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',0,2,1,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',1,2,2,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',2,2,3,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',3,2,0,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Horizontal',0))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Vertical',1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Horizontal',2))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Vertical',3))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('DistanceX',0,1,0,2,100))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('DistanceY',1,1,1,2,50))

#重新計算草圖

FreeCAD.activeDocument().recompute()1.3.2解釋在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個新的FreeCAD文檔，并激活了草圖工作臺。然后，我們創(chuàng)建了一個名為’Sketch’的草圖對象，并在草圖中添加了四個線段來形成一個矩形。接下來，我們添加了幾何約束（如線段的端點重合）和尺寸約束（如線段的長度），以確保矩形的形狀和尺寸是精確的。最后，我們重新計算了草圖，以應用所有的約束和修改。通過這個示例，我們可以看到FreeCAD草圖工作臺的強大功能，它允許我們創(chuàng)建精確的2D草圖，這些草圖可以作為3D建模的基礎。草圖的創(chuàng)建和編輯是通過添加幾何形狀和約束來實現的，這使得設計過程更加直觀和精確。2FreeCAD草圖繪制與編輯教程2.1草圖繪制基礎2.1.1創(chuàng)建草圖環(huán)境在開始草圖繪制之前，首先需要在FreeCAD中創(chuàng)建一個草圖環(huán)境。這一步驟是所有草圖繪制工作的基礎，確保了后續(xù)操作在一個平面內進行，便于精確控制幾何形狀。步驟說明打開FreeCAD軟件。選擇菜單欄中的Sketcher->Newsketch。在彈出的對話框中，選擇一個工作平面。通常，選擇XY平面作為起點。點擊OK，草圖環(huán)境即被創(chuàng)建。2.1.2基本形狀繪制：直線與圓在FreeCAD中，繪制基本形狀如直線和圓是草圖繪制中最常見的操作。這些形狀的創(chuàng)建不僅直觀，而且可以通過約束工具進行精確控制。繪制直線直線的繪制可以通過Sketcher模塊中的Line工具完成。在草圖環(huán)境中，點擊Line工具，然后在工作平面上點擊并拖動鼠標，即可繪制出直線。繪制圓圓的繪制則通過Sketcher模塊中的Circle工具。點擊Circle工具后，首先點擊圓心的位置，然后拖動鼠標或輸入半徑值，即可完成圓的繪制。2.1.3使用約束工具約束工具是FreeCAD草圖繪制中非常重要的功能，它允許用戶通過定義幾何關系和尺寸來精確控制草圖。約束可以是尺寸約束（如長度、半徑、角度等），也可以是幾何約束（如平行、垂直、同心等）。應用尺寸約束例如，假設我們已經繪制了一條直線，現在想要將其長度固定為100mm。操作步驟如下：1.選擇直線。2.點擊Sketcher模塊中的Length約束工具。3.在彈出的對話框中輸入100mm，然后點擊OK。應用幾何約束如果我們想要繪制一個與現有直線垂直的直線，可以使用Sketcher模塊中的Perpendicular約束工具。操作步驟如下：1.選擇第一條直線。2.繪制第二條直線。3.選擇第二條直線。4.點擊Perpendicular約束工具。2.2示例：繪制一個帶有尺寸和幾何約束的矩形下面是一個具體的示例，展示如何在FreeCAD中繪制一個矩形，并應用尺寸和幾何約束。#導入FreeCAD和Sketcher模塊

importFreeCAD

importSketcher

#創(chuàng)建一個新的文檔

doc=FreeCAD.newDocument("RectangleExample")

#創(chuàng)建草圖環(huán)境

Sketch=doc.addObject('Sketcher::SketchObject','RectangleSketch')

Sketch.MapMode="FlatFace"

#繪制第一條直線

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(100,0,0)))

#繪制第二條直線，與第一條直線垂直

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(100,0,0),FreeCAD.Vector(100,50,0)))

#繪制第三條直線，與第二條直線垂直

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(100,50,0),FreeCAD.Vector(0,50,0)))

#繪制第四條直線，與第三條直線垂直

Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(FreeCAD.Vector(0,50,0),FreeCAD.Vector(0,0,0)))

#應用尺寸約束

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('DistanceX',0,100))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('DistanceY',1,50))

#應用幾何約束

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',0,2,1,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',1,2,2,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',2,2,3,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',3,2,0,1))

#應用垂直約束

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Perpendicular',0,1))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Perpendicular',1,2))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Perpendicular',2,3))

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Perpendicular',3,0))

#重新計算草圖以應用所有約束

Sketch.recompute()2.2.1示例解釋在上述代碼中，我們首先導入了必要的模塊，并創(chuàng)建了一個新的FreeCAD文檔。接著，我們創(chuàng)建了一個草圖對象，并在其中繪制了四條直線來構成矩形。通過addConstraint方法，我們應用了尺寸約束和幾何約束，確保了矩形的精確尺寸和形狀。最后，我們調用了recompute方法來更新草圖，確保所有約束都被正確應用。通過這個示例，我們可以看到FreeCAD草圖繪制與編輯的靈活性和精確性，以及如何通過編程方式來自動化這一過程。這為復雜設計的快速原型制作提供了強大的工具。3FreeCAD草圖編輯技巧3.1修改草圖尺寸在FreeCAD中，修改草圖尺寸是一個直觀且強大的功能，允許用戶在不破壞草圖幾何結構的情況下調整其大小。這在設計過程中非常有用，特別是在需要微調或調整比例時。3.1.1步驟選擇草圖：首先，確保你處于草圖工作臺，并選擇你想要修改的草圖。顯示尺寸：在草圖編輯器中，使用“顯示所有尺寸”功能，這將顯示草圖中所有已定義的尺寸。選擇尺寸：點擊你想要修改的尺寸，它將被高亮顯示。修改尺寸：在屬性面板中，找到該尺寸的數值，并直接輸入新的數值。按Enter鍵確認修改。3.1.2示例假設你有一個矩形草圖，其長度為100mm，寬度為50mm。你想要將長度調整為150mm，寬度調整為75mm。選擇草圖：在工作區(qū)中選擇矩形草圖。顯示尺寸：在菜單中選擇“顯示所有尺寸”。選擇尺寸：點擊長度尺寸，它將被高亮顯示。修改尺寸：在屬性面板中，將長度尺寸從100mm修改為150mm。然后，選擇寬度尺寸，將其從50mm修改為75mm。3.2草圖的幾何約束與尺寸約束3.2.1幾何約束幾何約束確保草圖的幾何元素（如點、線、圓等）保持特定的幾何關系。這些約束可以是平行、垂直、共線、同心、固定等。示例創(chuàng)建一個矩形，并應用“平行”和“垂直”約束，以確保矩形的邊保持正確的幾何關系。繪制矩形：使用矩形工具繪制一個矩形。應用約束：選擇矩形的一邊，然后在約束工具欄中選擇“平行”約束，將其應用于另一邊。接著，選擇“垂直”約束，確保矩形的邊相互垂直。3.2.2尺寸約束尺寸約束用于定義草圖元素的精確尺寸，如長度、寬度、半徑等。這些約束可以動態(tài)調整，以適應設計變化。示例在上述矩形草圖中，添加尺寸約束以精確控制其大小。選擇邊：選擇矩形的一條邊。添加尺寸約束：在約束工具欄中，選擇“長度”約束，輸入具體的長度值，例如150mm。添加寬度約束：選擇矩形的另一條邊，添加“寬度”約束，例如75mm。3.3草圖的鏡像與陣列3.3.1鏡像鏡像功能允許你創(chuàng)建草圖的對稱副本，這對于構建對稱設計非常有用。示例假設你有一個簡單的圓形草圖，你想要創(chuàng)建一個關于X軸的鏡像。選擇草圖：在工作區(qū)中選擇圓形草圖。鏡像操作：在草圖工作臺菜單中，選擇“鏡像”工具。選擇X軸作為鏡像軸。確認操作：點擊確認，圓形草圖的鏡像將被創(chuàng)建。3.3.2陣列陣列功能用于創(chuàng)建草圖元素的重復副本，可以是線性陣列或圓形陣列，適用于需要重復結構的設計。示例創(chuàng)建一個線性陣列，以復制一個矩形草圖。選擇草圖：選擇矩形草圖。陣列操作：在草圖工作臺菜單中，選擇“線性陣列”工具。設置陣列的數量和方向，例如在X軸方向上創(chuàng)建5個副本，間距為20mm。確認操作：點擊確認，矩形草圖的線性陣列將被創(chuàng)建。通過這些草圖編輯技巧，你可以更高效地在FreeCAD中進行設計和修改，確保你的草圖既準確又符合設計需求。4高級草圖繪制4.1復雜形狀繪制：多邊形與樣條線在FreeCAD中，繪制復雜形狀如多邊形和樣條線是構建精確3D模型的基礎。這些工具允許用戶創(chuàng)建自定義的幾何形狀，用于更高級的設計和工程應用。4.1.1多邊形繪制多邊形可以通過Sketcher工作臺中的RegularPolygon工具來創(chuàng)建。此工具允許用戶指定多邊形的邊數和中心點，從而輕松地生成正多邊形。示例代碼importFreeCAD,Draft,Sketcher

#創(chuàng)建一個新的草圖

Sketch=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch')

#設置草圖平面

Sketch.Placement=FreeCAD.Placement(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Rotation(0,0,0))

#繪制一個正六邊形

Sketch.addGeometry(Part.makePolygon([FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(10,0,0),FreeCAD.Vector(10,8.66,0),FreeCAD.Vector(5,17.32,0),FreeCAD.Vector(0,8.66,0),FreeCAD.Vector(5,0,0),FreeCAD.Vector(0,0,0)]),False)

#設置多邊形為封閉

Sketch.addConstraint(Sketcher.Constraint('Coincident',6,1,0,1))

#更新草圖

FreeCAD.ActiveDocument.recompute()4.1.2樣條線繪制樣條線是一種平滑的曲線，可以精確地控制其形狀。在FreeCAD中，可以使用BSpline工具來繪制樣條線。示例代碼importFreeCAD,Draft,Sketcher,Part

#創(chuàng)建一個新的草圖

Sketch=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch')

#設置草圖平面

Sketch.Placement=FreeCAD.Placement(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Rotation(0,0,0))

#定義樣條線的控制點

points=[FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(10,0,0),FreeCAD.Vector(15,10,0),FreeCAD.Vector(10,20,0),FreeCAD.Vector(0,10,0)]

#繪制樣條線

Sketch.addGeometry(Part.BSplineCurve(points),False)

#更新草圖

FreeCAD.ActiveDocument.recompute()4.2草圖的布爾運算布爾運算允許用戶通過組合不同的草圖來創(chuàng)建復雜的形狀。FreeCAD支持三種基本的布爾運算：并集（Union）、差集（Cut）和交集（Intersection）。4.2.1并集（Union）并集運算將兩個或多個草圖合并為一個單一的形狀。4.2.2差集（Cut）差集運算從一個草圖中減去另一個草圖的形狀，留下剩余的部分。4.2.3交集（Intersection）交集運算只保留兩個或多個草圖重疊的區(qū)域。示例代碼importFreeCAD,Draft,Sketcher,Part

#創(chuàng)建兩個草圖

Sketch1=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch1')

Sketch2=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch2')

#設置草圖平面

Sketch1.Placement=FreeCAD.Placement(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Rotation(0,0,0))

Sketch2.Placement=FreeCAD.Placement(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Rotation(0,0,0))

#繪制形狀

Sketch1.addGeometry(Part.makeCircle(10,FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(0,0,1)),False)

Sketch2.addGeometry(Part.makeRectangle(20,20,FreeCAD.Vector(-10,-10,0)),False)

#執(zhí)行并集運算

Compound=Part.makeCompound([Sketch1.Shape,Sketch2.Shape])

Union=Compound.fuse()

#執(zhí)行差集運算

Cut=Sketch1.Shape.cut(Sketch2.Shape)

#執(zhí)行交集運算

Intersection=Sketch1.Smon(Sketch2.Shape)

#創(chuàng)建并集、差集和交集的實體

UnionObj=FreeCAD.activeDocument().addObject('Part::Feature','Union')

CutObj=FreeCAD.activeDocument().addObject('Part::Feature','Cut')

IntersectionObj=FreeCAD.activeDocument().addObject('Part::Feature','Intersection')

#設置實體的形狀

UnionObj.Shape=Union

CutObj.Shape=Cut

IntersectionObj.Shape=Intersection

#更新文檔

FreeCAD.ActiveDocument.recompute()4.3草圖與3D模型的交互草圖可以被用作3D模型的基面，從而在三維空間中創(chuàng)建復雜的幾何體。通過將草圖與3D實體結合，可以實現更高級的設計功能。4.3.1創(chuàng)建3D實體使用草圖作為基面，可以創(chuàng)建3D實體，如拉伸（Extrude）或旋轉（Revolve）。示例代碼importFreeCAD,Draft,Sketcher,Part

#創(chuàng)建一個新的草圖

Sketch=FreeCAD.activeDocument().addObject('Sketcher::SketchObject','Sketch')

#設置草圖平面

Sketch.Placement=FreeCAD.Placement(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Rotation(0,0,0))

#繪制一個圓形草圖

Sketch.addGeometry(Part.makeCircle(10,FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(0,0,1)),False)

#拉伸草圖創(chuàng)建3D實體

Extrude=Sketch.Shape.extrude(FreeCAD.Vector(0,0,50))

#旋轉草圖創(chuàng)建3D實體

Revolve=Sketch.Shape.revolve(FreeCAD.Vector(0,0,0),FreeCAD.Vector(0,0,1),360)

#創(chuàng)建3D實體對象

ExtrudeObj=FreeCAD.activeDocument().addObject('Part::Feature','Extrude')

RevolveObj=FreeCAD.activeDocument().addObject('Part::Feature','Revolve')

#設置實體的形狀

ExtrudeObj.Shape=Extrude

RevolveObj.Shape=Revolve

#更新文檔

FreeCAD.ActiveDocument.recompute()通過這些高級草圖繪制技巧和與3D模型的交互，FreeCAD用戶可以創(chuàng)建出更加復雜和精確的模型，滿足各種工程和設計需求。5草圖應用實例5.1設計機械零件草圖在FreeCAD中設計機械零件草圖，首先需要理解草圖在機械設計中的核心作用：作為零件幾何形狀的基礎，草圖提供了精確的尺寸和約束，確保零件的準確性和可制造性。以下是一個設計機械零件草圖的步驟示例：啟動FreeCAD并選擇草圖工作臺：打開FreeCAD軟件，選擇“草圖工作臺”作為當前工作環(huán)境。創(chuàng)建草圖：在“草圖工作臺”中，選擇一個平面作為草圖的繪制面，例如XY平面。繪制基本形狀：使用“直線”、“圓”、“矩形”等工具繪制零件的基本輪廓。例如，繪制一個圓和一個矩形作為零件的初步設計。添加尺寸和約束：為草圖添加精確的尺寸和幾何約束，如平行、垂直、相切等。例如，設置圓的直徑為50mm，矩形的長寬分別為100mm和50mm。檢查草圖狀態(tài)：確保草圖完全約束，沒有自由度。在FreeCAD中，草圖狀態(tài)會顯示在屏幕底部，確保狀態(tài)為“完全約束”。退出草圖編輯模式：完成草圖繪制后，退出草圖編輯模式，準備進行3D建模。基于草圖創(chuàng)建實體：使用“拉伸”或“旋轉”工具，將草圖轉化為3D實體。例如，將上述草圖拉伸10mm，創(chuàng)建一個實體零件。5.2創(chuàng)建建筑平面圖FreeCAD不僅適用于機械設計，也廣泛用于建筑行業(yè)，創(chuàng)建詳細的建筑平面圖。以下是一個創(chuàng)建建筑平面圖的步驟示例：選擇草圖工作臺：同機械零件設計，首先切換到“草圖工作臺”。定義建筑平面：選擇一個平面，如XY平面，作為建筑平面圖的繪制面。繪制建筑輪廓：使用“直線”工具繪制建筑的外部輪廓。例如，繪制一個長10m，寬5m的矩形作為建筑的主體。添加內部細節(jié)：繼續(xù)使用“直線”和“圓”工具，添加內部房間、門、窗等細節(jié)。例如，在建筑主體內繪制兩個小矩形，分別表示兩個房間。應用尺寸和約束：為建筑平面圖添加尺寸，如房間的長寬、門的寬度等。同時，應用幾何約束確保平面圖的準確性。檢查草圖狀態(tài)：確保所有草圖元素都完全約束，沒有自由度。導出平面圖：完成繪制后，可以將草圖導出為DXF或SVG格式，便于在其他CAD軟件中繼續(xù)編輯或打印。5.3草圖在FreeCAD中的綜合應用草圖在FreeCAD中的應用遠不止于機械零件和建筑平面圖，它還可以用于創(chuàng)建復雜的3D模型，如機械裝配、建筑結構等。以下是一個綜合應用草圖創(chuàng)建機械裝配的步驟示例：創(chuàng)建多個草圖：在不同的平面上創(chuàng)建多個草圖，每個草圖代表一個零件的輪廓?；诓輬D創(chuàng)建實體：使用“拉伸”或“旋轉”工具，將每個草圖轉化為3D實體。裝配零件：切換到“裝配工作臺”，使用“約束”工具將各個實體零件裝配在一起，確保它們之間的相對位置和運動關系正確。添加運動模擬：在裝配完成后，可以使用“運動工作臺”為裝配體添加運動模擬，如旋轉、平移等，以檢查裝配體的運動性能。導出裝配體：最后，可以將裝配體導出為STL或OBJ格式，用于3D打印或在其他軟件中進行進一步的分析和模擬。5.3.1示例代碼：創(chuàng)建一個簡單的草圖并拉伸importFreeCAD,Draft,Part

#創(chuàng)建一個新文檔

FreeCAD.newDocument("SketchExample")

#切換到草圖工作臺

FreeCADGui.activateWorkbench("SketcherWorkbenc