FreeCAD 参数化 3D 建模上手实例

FreeCAD 是一款面向计算机辅助设计CAD,Computer Aided Design)的 3D 参数化建模工具软件,该工具基于 LGPL 开源协议,同时提供有适配 Linux、Mac OS、Windows 操作系统的跨平台版本,其底层采用了 OpenCascade 来提供二维与三维几何体的生成显示与分析。这里所谓的参数化建模就是指通过一系列的参数来控制 3D 模型的形状,例如一个立方体可以由长度宽度高度三个参数共同决定,这些参数可以随时进行修改。除此之外,FreeCAD 还可以使用其它模型作为参数;例如将一个立方体作为输入参数,FreeCAD 就能够基于它创建出一个柱状的 3D 模型。

FreeCAD 并非只是为了完成某一项特定的工作,或者仅用于生成某一类特定的模型。使用者可以利用它创作小到电子元件与 3D 打印部件,大到建筑物的不同尺寸模型。由于每一种任务的工作流程并不完全相同,所以 FreeCAD 分别提供了相应的工作台。目前网络上关于 FreeCAD 的应用资料较少,所以尝试利用本文记录一些日常使用的技巧,全文基于 2022 年 9 月份发布的 FreeCAD 0.20.1 版本撰写,文中所涉及的实例已经共享至我的 FreeCAD-Tutorial-Example

基本设置

依次选择 FreeCAD 顶部菜单栏上面的【Edit -> Preference...】,打开首选项窗口

首先,依次在【General】界面进行 语言界面风格默认工作台 的设置:

然后,再切换至的【Display】界面,在【Navigation】选项卡下面将 3D 导航模式设置为 Blender

最后,继续切换到【Display】界面内的【Colors】选项卡,选择背景色为简单颜色,并在弹出的颜色选择对话框中将其设置为 #3C3C3C

保存上述设置之后,FreeCAD 界面的语言格式会自动切换为中文,并且界面颜色调整为暗黑风格,此时将工作台切换至 【Part Design】:

鼠标再次选中顶部菜单栏上面的【编辑 -> 首选项...】,选择弹出窗口中的【草绘】界面,勾选显示 1mm 的网格:

接下来,再打开弹出窗口上的【Part / Part Design】界面,点选下图当中的所有 3 个选项:

快速入门

FreeCAD 的工作台提供了一系列针对不同模型用途的工具集,通过选择不同的工具集,可以制作不同种类的模型:

  • Part 工作台:用于处理实体零件的基础几何体,例如立方体球体等;
  • Draft 工作台:用于 2D 绘图的基本工具,例如直线
  • Sketcher 工作台:包含用于构建和编辑复杂 2D 图形的工具,这些图形可以通过约束来进行精确的定位;
  • Part Design 工作台:包含构建实体零件的高级工具集,其中包含了 Sketcher 工作台当中的所有工具;
  • Arch 工作台:用于处理土木工程与建筑模型,其中包含有 Draft 工作台当中的所有工具;
  • Drawing 工作台:创建与操作 2D 工程图纸,可以在 2D 平面上面展示 3D 的模型;

FreeCAD 的 3D 空间拥有 XYZ 三个轴以及一个原点,其中 X 轴指向右侧,Y 轴指向后面,Z 轴指向上方,这三条轴线相交的位置就是原点,也就是 XYZ 坐标值均为零的点。

首先,依次点击工具栏上的【新建 -> 创建实体 -> 创建草图】,鼠标选择 XY_Plane (基准平面)

然后,FreeCAD 就会自动进入到 Sketcher 工作台,此时就可以开始着手在屏幕中间的区域进行草图的绘制工作:

接下来,使用右侧工具栏上的【创建圆】工具绘制出一个圆形,并且使用约束工具,将其直径约束为 50mm,同时将其圆心与坐标原点进行【重合约束】对齐:

最后,点击左侧的【Close】退出 Sketcher 工作台,重新返回到【Part Design】工作台的【模型】视图,并且鼠标点击右侧工具栏上的【凸台】工具:

此时,FreeCAD 自动切换至【Part Design】工作台的【任务】视图,在这里同样将凸台的高度设置为 50mm,然后点击左侧的【OK】按钮:

此时,FreeCAD 再次切换回【Part Design】工作台的【模型】视图:

在【Part Design】工作台的【模型】视图当中,根据当前采用的鼠标 3D 导航设置(前面已经设置为 Blender 模式),就可以对 3D 模型进行全方位的观察:

完成上述操作之后,将文件保存到 FreeCAD-Tutorial-ExampleExample-1-Cylinder 目录下名为 Cylinder 的文档。除此之外,还可以通过如下的键盘快捷键组合,更加便捷的对 3D 模型进行查看:

  • SHIFT + 方向左/右键】可以让模型翻转 90 度;
  • 按住【CTRL】键之后,就可以通过鼠标选择多个目标;
  • V + O】进入正交投影模式、【V + P】进入透视模式;
  • CTRL + 减号】缩小模型,【CTRL + SHIFT + 加号】放大模型;
  • 按下数字键【1】查看前面、【2】查看顶部、【3】查看右侧、【4】查看背部、【5】查看底部、【6】查看左侧;

实例一:桌子

首先,在 FreeCAD-Tutorial-ExampleExample-2-Table 目录下新建一个 Table 空白文档。根据前面介绍的方法,使用 FreeCAD 右侧工具栏上的【创建矩形】,绘制出一个长度约束为 100mm 宽度约束为 50mm 的矩形:

FreeCAD 当中设置宽度的快捷键为【L】,设置高度的快捷键为【I】。

矩形的居中对齐

然后,分别选中下图【1】、【2】、【3】位置的点(选中后呈现绿色),并且点击右侧工具栏上的【对称约束】工具。最后,就可以得到一个与原点居中对齐的矩形,此时由于整个矩形处于完全约束状态,所以线条呈现出绿色。

Sketcher 工作台当中绘制的任何图形,都必须使其处于完全约束的状态。

选择一个面作为草图

接下来,使用 FreeCAD 右侧工具栏上的【凸台】工具,将桌面拉伸成为一个厚度为 3mm 的立方体,选中底部(此时导航立方体上面显示为 BUTTON),点击左侧工具栏上的【创建草图】按钮:

建立外部参考线

首先,绘制出 5mm * 5mm 的矩形作为桌脚的基础轮廓,然后再点击 FreeCAD 右侧工具栏上的【外部参考几何体】,并且选择矩形的右侧边框作为外部参考线,最后分别选中 5mm * 5mm 矩形与 100mm * 50mm 矩形的右上角顶点,同时分别点击右侧工具栏上的水平垂直距离约束,将约束距离设置为 3mm

最后,再借助【凸台】工具,将这个 5mm * 5mm 的矩形拉伸成为高度为 50mm 的桌腿。

创建镜像

FreeCAD 右侧工具栏上,选择刚才创建的桌腿凸台 Pad001,然后点击右侧工具栏上的【镜像】按钮。

在镜像参数当中选择【垂直草绘轴】,就可以垂直于草绘时所选择的,自动生成出一条桌腿。

重复刚才的步骤,不过这次选择【水平草绘轴】,从而就可以自动生成出另外一条桌腿。

使用环形特征

仍然选中之前创建的桌腿凸台 Pad001,这次点击右侧工具栏上的【环形阵列】按钮。

这样就可以创建出最后一条桌腿,到这里一张完整的桌子就绘制完成了。

➤ 使用环形阵列功能时,需要注意左侧 角度出现次数 两个参数的设置。

实例二:ISO-PRAC2 零件

选择 XZ_Plane 基准平面

首先,在 FreeCAD-Tutorial-ExampleExample-3-ISO-PRAC2 目录下新建一个 ISO-PRAC2 空白文档。然后,再分别创建一个实体草图,选择右侧工具栏上的【前视图】按钮,切换至 XZ_Plane 平面。最后,鼠标点击【OK】按钮进入 Sketcher 工作台。

创建折线

点击 FreeCAD 右侧工具栏上的【创建折线】工具,绘制出如下的草图,绘制过程当中可以通过按下【M】键循环切换工具的行为,从而得到下图当中的圆弧效果。

绘制完上图的圆弧效果之后,需要选中并且删除位于圆弧左侧的【相切约束】:

使用重合约束闭合两点

使用右侧工具栏上的【重合约束】,让下图当中选中的两个点(绿色)自动进行闭合。

使用鼠标进行拖动调整,然后删除弧形右下角的垂直约束,最终就可以得到下面的图形。

添加更多约束

接下来,再分别为上述图形当中的线条添加水平约束垂直约束宽度约束长度约束相等约束半径约束

完成全部约束之后,分别选中弧形的圆心和草图的原点,然后点击右侧工具栏当中的【重合约束】按钮,使得草图与原点完成对齐。

实现完全约束之后的草图如下面所示,可以看到,所有的线条都呈现出了绿色的效果:

使用凸台拉伸

Sketcher 工作台完成草图的绘制工作之后,就可以切换至 Part Design 工作台,利用工具栏上的【凸台】功能将前面绘制的图形拉伸为 40mm 高度的三维形状,从而就完成了 ISO-PRAC2 零件的全部绘制工作。

实例三:三脚椅

选择 XY_Plane 基准平面

FreeCAD-Tutorial-ExampleExample-4-ISO-Chair 目录下新建一个 Chair 空白文档,选择 XY_Plane (基准平面),使用【创建圆】工具, 并将其半径约束为 100mm

让圆心与原点居中对齐

按照上面的操作步骤,分别用鼠标选中圆心原点,再点击右侧工具栏上的【重合约束】,就可以完成圆心与原点的居中对齐。

添加圆形参考线

接下来,鼠标选中上面绘制好的圆形,然后点击工具栏右侧的【切换辅助线】按钮,就可以将其切换为辅助线

参考线用于在 Sketcher 工作台里辅助绘制工作,通常呈现为蓝色,而在 Part Design 工作台当中并不会被显示。

绘制三角形

选择右侧工具栏的【三角形】绘制工具,画出一个三角形,然后分别添加【水平约束】和【重合约束】,最终得到如下的图形。

清除三角形顶点连接关系

首先,清除最外侧较大的那个蓝色圆形。然后,鼠标选择三角形任意两条边的连接点,按下键盘上面的【Delete】键,此时 FreeCAD 会自动断开两条边之间的连接关系。

新增两条参考线

首先,使用 FreeCAD 右侧的【创建线】工具绘制出两条线段。然后,使用【重合约束】将它们连接到草图原点,再使用【夹角约束】将两条线段与垂直坐标轴的夹角设置为 60° 度,同时将两条线段设置为【相等约束】。

设置斜线长度

首先,选中一条之前绘制好的线段。然后,鼠标点击工具栏右侧的【距离约束】按钮。最后,将其长度设置为 250mm

绘制圆弧

利用右侧工具栏上的【圆弧】创建工具,分别绘制出 3 个圆弧。然后分别添加【相等约束】,并且使用【半径约束】将其半径设置为 120mm

➤ 为了更加方便的进行展示,在接下来的示例当中,将 FreeCAD 的网格尺寸调整为 10mm

把圆心约束至对象

首先,分别选中蓝色的圆形参考线,以及每一个弧形的圆心。然后,点击【将点约束至对象】按钮,从而将圆心约束到圆形的参考线上面。

接下来,选择已经被固定至蓝色圆形参考线上面的弧形圆心,以及蓝色参考线段与 Y 轴,继续使用【将点约束至对象】功能,最后就可以得到如下的图形:

使用切线约束进行连接

使用工具栏右侧的【相切约束】,闭合草图最外侧的零散线段。

如下就是草图最外侧零散线段实现完全约束之后的效果。

➤ 注意不要忘记将之前绘制的两条线段切换为参考线模式。

尝试使用快捷键

  1. 将前面的图形,通过【凸台】工具拉伸为一个厚度为 3mm 的三维形状;
  2. 选择其中的一个面绘制如下形状,并且利用【重合约束 C】、【半径约束 SHIFT + R】、【水平约束 SHIFT + H】、【垂直约束 SHIFT + V】对其进行完全约束;

绘制 1 个凹坑

  1. 首先,绘制 4 条圆弧,并且使用【相切约束】将它们连接,然后将它们的圆心固定在参考线上面;
  2. 然后,利用【相等约束】、【半径约束】、【固定点至对象约束】将其完全约束,从而完成草图绘制;

生成另外 2 个凹坑

  1. 通过 FreeCAD 提供的【凹坑】功能,并且将凹坑类型设置为通过所有
  2. 首先在左侧模型当中,选中刚才的凹坑 Pocket,然后在右侧工具栏,选中【环形阵列】,把 产生次数 参数设置为 3 次,从而自动产生出另外 2 个凹坑;

倒斜角与圆角

首先,按住【CTRL】键多选相应的边。然后,分别将内侧的弧形设置为 10mm斜角,外侧的弧形设置为 10mm圆角,最终得到的效果如下所示。

绘制椅脚草图

  1. 选择模型的底部 Bottom 新建草图;
  2. 绘制一个半径为 30mm圆形,并使用【固定点至对象约束】将其圆心与 Y 轴重合;
  3. 通过【垂直距离约束】将圆心原点的距离设置为 160mm,从而完成草图绘制;

生成椅脚

  1. 首先,使用 FreeCAD 的【凸台】功能,自动生成长度为 180mm 的椅脚;
  2. 然后,在左侧的组合浏览器当中,选中上一步产生的椅脚,通过左侧工具栏上的【环形阵列】,将出现次数参数设置为 3,从而自动创建出另外的 2 条椅脚;

操作步骤的显示与隐藏

使用【空格键】,可以切换 FreeCAD 组合浏览器当中的每一个操作步骤的显示与隐藏。