2023年9月26日 星期二

FreeCAD使用簡介(002) 工作區與草繪


要使用FreeCAD就必須知道其工作區(Workbench)的概念


安裝完成之後,打開FreeCAD,(特別是第一次看到這個程式)可能會對於該在甚麼地方點選甚麼、無法馬上找到想要使用的功能而感到困惑。因為要使用FreeCAD這套軟體,就先要有「工作區(Workbench)」的概念才行。


圖3 工作區的種類




從視窗上方的下拉選單中,可以看到滿滿、各式的「工作區」(如圖3)。在本文中,主要是介紹「Part Design」「Sketcher」「Drawing」「Raytracing」「FEM」這幾個工作區(模組)。一開頭,就是以Part Design的基本功能為中心來說明。


其實所有3D建模的功能基本上全部整合到了這個Part Design工作區當中,包含草繪器(Sketcher)在定位上也是其中的一個功能。


另外在下拉式選單中也可以看到「Part」這個工作區,這是以前舊版的3D建模模組。選擇這個工作區,其實也是能建立出3D模型,但是卻有著能夠長出(Pad)卻無法切除(Pocket)的有趣現象,明顯在功能上有很多使用限制。乍看之下,也不具有可以作為輔助Part Design工作區的效果,所以完全不需要考慮使用這個工作區。


切換各種視角的方法


啟動FreeCAD之後,首先就是要確認在3D CAD操作中不可或缺的「放大(Zoom)」、「平移(Pan)」、「旋轉」等等切換視角的方法。


圖4 FreeCAD的滑鼠操作方法



平移的話,就是按下滑鼠中鍵滾輪來拖曳;放大縮小的話,就是滑動中央的滾輪。而旋轉視角則是中央滾輪和左鍵同時按下、或是中央滾輪與右鍵一起按下再拖曳即可。


另外,視窗右上角還有一個看起來像骰子一樣的視角控制器、周圍還有三角形與箭頭,只要按下面的名稱,就可以直接切換到那個面的視角。


圖5 視角控制器



從草繪開始建立模型


FreeCAD也和其他3D CAD軟體的作業方式一樣,是劃出平面的封閉草繪(Sketch)圖形,再從草繪長出實體3D形狀。所以這裡先以最簡單的長方形輪廓為例,然後長出10mm高的3D模型。


當選擇好「Part Design」工作區,建立一個新檔案(如下圖)


圖5b 建立新檔案



接下來就會在Part Design工作區的左邊複合頁面(Combo View),看到要你建立稱為「本體(Body)」、相當於「3D模型的基座」的連結,請點下這個連結。順帶一提,要建立一個實體零件的模型之前,一定要執行這個建立本體的動作。而在複合頁面中,也會顯示出當時選擇指令的相關輸入畫面。


圖6 建立新的本體



接著點選複合頁面中顯示的「建立草繪(Create Sketch)」指令。


圖7 選擇「建立草繪(Create Sketch)」



下一步是選擇要繪製草繪的平面。繪圖視角是由X(橫向)、Y(縱向)與Z(高)等三個軸向所定義出來的。這個軸向又能定義出三個方向的平面,例如「XY_Plane」就是X軸與Y軸定義出來的。這裡就請選擇「XY_Plane」作為草繪的平面,然後按下OK即可。如果觀察視窗右上的視角控制器圖示,其實就會明白XY_Plane相當於「上視角(Top View)」。 


圖8 XY_Plane相當於上視角(Top View)



這時候應該會發現視窗上方,會發現工作區已經自動切換成「草繪器(Sketcher)」,指令也跟著切換成繪製草繪用的相關功能。


圖9 工作區切換成「草繪器(Sketcher)」,指令也變成草繪相關



要建立出一個板狀長方體的模型,就是要先在草繪模式下完成一個相當模型輪廓的長方形。圖10圈起來處,就是建立長方形的指令。另外將滑鼠點在指令之上時,就會浮現這個指令的各種語言說明(視程式的安裝語言而定)。(想要知道其他指令的功能時,也可以用同樣的方法來確認)


圖10 繪製長方形的指令圖示(藍色框框圈起者)



這裡就請按下長方形的圖示,然後在接近X軸和Y軸交會處、也就是圓點附近點一下,然後再用滑鼠往右上角大約點一處,畫出一個長方形


圖11 實際繪出長方形草繪的樣子



輸入尺寸或幾何限制條件


在FreeCAD中也能輸入尺寸或幾何限制條件。其中幾何限制條件在繪製圖11的長方形時已經由程式自動加入了。在圖11中左側的複合頁面的「限制(Constraints)」視窗中可以看到四個點與各兩條紅色橫線直線已經定義了限制條件,就可明白這是程式自動加上去的。而這些橫線或直線,就分別代表著線條限定為水平或垂直擺放。


沒有完全被限制住的線會顯示呈白色、而完全限制住的線則是綠色。參數式建模方法的基本,就是以所有的幾何線條都變成綠色的完全限制狀態為目標。只要將草繪中所有的幾何線條都變成完全限制狀態,就能做成以後修改不容易失敗的3D模型(當然,就算沒有完全限制住,也還是能夠繼續建立模型,只是未來修改時很可能出現意外的失敗狀態)


圖11繪製的圖形雖然已經有了一些幾何限制條件,但還必須加上尺寸才能完全限制住。所以接下來要加入橫方向與直方向的尺寸。不過程式不像中高階的3D CAD軟體會自動判斷直方向和橫方向的尺寸,而是分別用不同的指令來輸入,所以必須逐一切換指令來加入尺寸。


接下來就選擇加入直方向尺寸的指令,滑鼠再點在長方的直邊上,就會跳出「輸入長度」的對話視窗,接下來可以輸入想要的數值、也可以接受程式自己抓取的數值。橫向的尺寸也是用同樣的程序加入。


圖12 標註直方向尺寸



在此例中,輸入寬度「50mm」、長度「40mm」。


圖13 輸入完長寬尺寸的樣子



如圖13所示,雖然加上了水平、垂直的幾何限制;又加上了長與寬的尺寸定義,這個長方形仍然是白色的,而不到完全限制的狀態。這是因為即便定義好了長方形的尺寸,它還是可以在空間中任意亂飄的關係。


圖13的長方形在做圖時雖然示點選在原點附近,但一開始就算放大視角,盡量將滑鼠點在原點附近,程式也不見得會自動將長方形的端點固定在原點上,這就造成了這個長方形雖然已經標完尺寸,仍然是可以漂浮在空間中的狀態。因此有必要自己手動將長方形的端點和原點設成「對齊」才能變成完全限制的狀態。(註:最新的0.21版相對起來容易自動對齊一些,就不需要手動對齊了)


圖14 「對齊」的指令



然後使用「對齊」的限制,將長方形端點固定在原點上,長方形就會變成綠色的完全限制狀態了。


圖15 完全限制住的長方形



畫這個長方形後,會在複合頁面的「Model」頁面中,多了一個「Sketch」的紀錄(如下圖),也會看到視窗左側的複合頁面的「Constrainst」中,看到對應的尺寸限制或對齊限制也顯示出來了。



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