Topological data scripting/it

Questa pagina descrive i diversi metodi per creare e modificare gli oggetti di tipo Parte tramite Python.

Se non si conosce ancora Python, prima di leggere questa pagina, è meglio leggere la pagina di introduzione a Python e quella in cui si descrive come funzionano gli script in FreeCAD.

Introduzione
Qui si spiega come controllare il Modulo Parte direttamente tramite l'interprete Python di FreeCAD, o tramite degli script esterni.

Se avete bisogno di ulteriori informazioni su come funzionano gli script in FreeCAD, potete consultare la sezione Script e la sezione Concetti base sugli script in FreeCAD.

Diagramma delle classi
Questa è una panoramica delle classi Linguaggio di Modellazione Unificato (UML) più importanti del modulo Parte:



Geometria
Gli oggetti geometrici sono le fondamenta per la costruzione di tutti gli oggetti topologici:


 * Geom Classe base degli oggetti geometrici
 * Line Linea retta in 3D, definita dal punto iniziale e dal punto finale
 * Circle Cerchio o arco definito dal centro, dal punto iniziale e dal punto finale
 * ...... E presto ancora altro

Topologia
Sono disponibili i seguenti tipi di dati topologici:


 * compound Un gruppo di qualsiasi tipo di oggetto topologico.
 * compsolid Un solido composito è un insieme di solidi collegati dalle loro facce. E' una estensione dei concetti wire e shell ai solidi.
 * solid Una parte di spazio limitato da shell. E' tridimensionale
 * shell Una serie di facce connesse nei loro bordi. Una shell (guscio) può essere aperta o chiusa.
 * face In 2D è una parte di un piano; in 3D è una parte di una superficie. La sua geometria è vincolata (delimitata/tagliata) dai suoi bordi.
 * wire Una serie di bordi (una polilinea) collegati tra di loro nei vertici. Può essere un profilo aperto o chiuso, secondo se i bordi sono interamente concatenati oppure no.
 * edge Un elemento topologico corrispondente ad una curva limitata. Un bordo è generalmente delimitato dai vertici. Ha una dimensione.
 * vertex Un elemento topologico corrispondente ad un punto. Esso non ha dimensioni.
 * shape Un termine generico che comprende tutti i precedenti.

Veloce esempio: Creare una topologia base


Creeremo ora una topologia tramite la costruzione della semplice geometria. Come caso di studio, utilizzeremo una forma come quella che si vede nella figura, composta da quattro vertici, due cerchi e due linee.

Creare la geometria
Per prima cosa dobbiamo creare le singole parti geometriche di questo contorno (wire). È necessario che i vertici delle parti geometriche siano nella stessa posizione. In caso contrario, in seguito potremmo non essere in grado di collegare le parti geometriche in una topologia!

Quindi creiamo prima i punti:

Arco


Per creare un arco di cerchio prima creiamo un punto di supporto poi creiamo l'arco di cerchio tramite tre punti:

Linea


La linea (segmento) può essere creata molto semplicemente tramite i punti:

Nota: in FreeCAD 0.16 è stato utilizzato Part.Line, per FreeCAD 0.17 deve essere utilizzato Part.LineSegment

Unire tutto
L'ultimo passaggio consiste nell'unire tutti gli elementi geometrici di base e produrre una forma topologica:

Creare un prisma
Ora si può estrudere il contorno nella direzione voluta e creare una forma 3D reale:

Creare forme di base
Con i metodi "make..." del Modulo Parte è possibile creare facilmente oggetti topologici di base (chiamati anche forme primitive). Ad esempio, si può creare un cubo con:

Altri metodi make... disponibili sono:
 * makeBox(l,w,h) -- Produce un box situato in p e rivolto nella direzione d con le dimensioni (l,w,h)
 * makeCircle(raggio) -- Crea un cerchio con un raggio dato
 * makeCone(raggio1,raggio2,altezza) -- Restituisce un cono con raggio e altezza dati
 * makeCylinder(raggio,altezza) -- Crea un cilindro con raggio e l'altezza prestabilite
 * makeLine((x1,y1,z1),(x2,y2,z2)) -- Crea una linea tra due punti
 * makePlane(lunghezza,larghezza) -- Crea un piano con lunghezza e larghezza
 * makePolygon(lista) -- Restituisce un poligono da una serie di punti
 * makeSphere(raggio) -- Crea una sfera di raggio dato
 * makeTorus(raggio1,raggio2) -- Crea un toro con raggi determinati

Per avere un elenco completo dei metodi disponibili con il modulo Parte consultare la pagina API di Parte (Part API in inglese).

Importare i moduli necessari
In primo luogo è necessario importare il modulo Parte per poter utilizzare i suoi contenuti in Python. Inoltre, importiamo anche il modulo Base dall'interno del modulo FreeCAD:

Creare un vettore
Per la costruzione di forme, i Vettori sono una delle parti di informazione più importanti. Di solito, ma non necessariamente sempre, essi contengono 3 numeri che sono le coordinate cartesiane x, y e z. È possibile creare un vettore nel modo seguente:

Abbiamo appena creato un vettore nelle coordinate x=3, y=2, z=0. Nel modulo Parte, i vettori sono usati in tutte le parti. Le forme Parte usano anche un altro tipo di rappresentazione del punto, chiamato Vertex (Vertice), che in realtà non è altro che un contenitore per un vettore. Si accede al vettore di un vertice in questo modo:

Creare un bordo
Un bordo non è altro che una linea con due vertici:

Nota: È anche possibile creare un bordo passando due vettori:

È possibile trovare la lunghezza e il centro di un bordo in questo modo:

Mostrare la forma sullo schermo
Con le operazioni precedenti abbiamo creato un oggetto bordo, ma esso non è visibile da nessuna parte sullo schermo. Questo perché la scena 3D di FreeCAD mostra solo quello che gli si chiede di visualizzare. Per farlo, usiamo questo semplice metodo:

La funzione show crea un oggetto nel nostro documento FreeCAD e gli assegna la forma "edge". Utilizzare questo metodo ogni volta che si vuole visulizzare il proprio prodotto sullo schermo.

Creare un contorno
Un contorno è una polilinea e può essere creato da una serie di bordi o anche da una serie di contorni:

Part.show(wire3) serve per visualizzare i 4 bordi che compongono il nostro contorno. Si possono facilmente recuperare altre informazioni utili con:

Creare una faccia
Sono valide solo le facce create da contorni chiusi. Nell'esempio, wire3 è un contorno chiuso, ma wire2 non è un contorno chiuso (vedi esempio precedente)

Solamente le facce hanno un'area, non i contorni né i bordi.

Creare una circonferenza
Un cerchio può essere creato in questo semplice modo:

Se si vuole crearlo in una determinata posizione e con una direzione prestabilita:

ccircle verrà creato a distanza 10 dall'origine di x e sarà rivolto verso l'asse x. Nota: makeCircle accetta solo Base.Vector per la posizione e le normali, ma non tuple. È inoltre possibile creare una parte di cerchio fornendo un angolo iniziale e un angolo finale come:

Unendo arc1 con arc2 (sono due semicerchi) si ottiene un cerchio completo. Gli angoli devono essere forniti in gradi; se avete angoli in radianti convertirli usando semplicemente la formula: gradi = radianti * 180/PI o utilizzando il modulo matematico di Python (ovviamente, dopo aver importato il modulo math):

Creare un arco attraverso dei punti
Purtroppo, per creare un arco lungo tre punti non esiste una funzione makeArc ma si deve usare la funzione Part.Arc. Fondamentalmente si può pensare come un arco che unisce il punto iniziale e finale passando per il punto medio. Part.Arc crea un oggetto arco nel quale deve essere chiamato .toShape per ottenere un oggetto bordo, allo stesso modo di quando si usa Part.LineSegment al posto di Part.makeLine.

Arc accetta solo punti Base.Vector, ma non tuple. arc_edge è ciò che vogliamo e che possiamo visualizzare con Part.show(arc_edge). Inoltre è possibile ottenere un arco utilizzando una porzione di un cerchio:

Gli archi sono bordi validi, come le linee, quindi possono essere usati anche nei contorni.

Creare un poligono
Un poligono è semplicemente un contorno composto da diversi bordi diritti. La funzione makePolygon prende una lista di punti e crea un contorno attraverso questi punti:

Creare una curva di Bézier
Le curve di Bézier sono utilizzate per modellare delle curve morbide utilizzando una serie di Poles (punti) e weight (pesi) opzionali. La funzione sottostante crea una Part.BezierCurve da una serie di punti FreeCAD.Vector. (Notare che gli indici di pole e di weight partono da 1, non da 0.)

Creare un piano
Un Piano è semplicemente una superficie piana rettangolare. Il metodo utilizzato per crearlo è questo: makePlane(lunghezza, larghezza, [start_pnt, dir_normal]). Per impostazione predefinita start_pnt=Vector (0,0,0) e dir_normal=Vector(0,0,1). Utilizzando dir_normal=Vector(0,0,1) creeremo il piano orientato come l'asse z positivo, mentre con dir_normal=Vector(1,0,0) creeremo il piano orientato come l'asse x positivo:

BoundBox è il parallelepipedo che racchiude il piano e la cui diagonale parte da (3,0,0) e termina in (5,0,2). Qui lo spessore di BoundBox sull'asse y è zero, poiché la nostra forma è totalmente piatta.

Nota: makePlane accetta solo Base.Vector per start_pnt e dir_normal e non tuple.

Creare una ellisse
Per creare un'ellisse ci sono diversi modi:

Crea un'ellisse con raggio maggiore 2 e raggio minore 1 con centro in (0,0,0).

Crea una copia dell'ellisse data.

Crea un'ellisse centrato sul punto Center, in cui il piano dell'ellisse è definito da Center, S1 e S2, il suo asse maggiore è definito da Center e S1, il suo raggio maggiore è la distanza tra Center e S1, e il suo raggio minore è la distanza tra S2 e l'asse maggiore.

Crea un'ellisse con il raggio maggiore e il raggio minore MajorRadius e MinorRadius, e situata nel piano definito da Center e la normale (0,0,1)

Nel codice precedente abbiamo passato S1, S2 e il centro. Analogamente a Arco, Ellisse crea un oggetto ellisse ma non un bordo, quindi, per visualizzarlo è necessario di convertirlo in bordo utilizzando toShape.

Nota: Arc accetta solo Base.Vector per i punti, ma non le tuple.

per il costruttore Ellisse precedente abbiamo passato il centro, MajorRadius e MinorRadius.

Creare un toro
Utilizzando il metodo makeTorus(radius1,radius2,[pnt,dir,angle1,angle2,angle]). Per impostazione predefinita PNT=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1), angle1=0, angle2=360 e angolo=360. Si consideri un toro, come un cerchio piccolo che si muove lungo un cerchio grande. Radius1 è il raggio del cerchio grande, radius2 è il raggio del cerchio piccolo, pnt è il centro del toro e dir è la direzione normale. angle1 e angle2 sono angoli in radianti per il cerchio piccolo cerchio, l'ultimo parametro angolo serve per realizzare una porzione del toro:

Il codice precedente creerà un toro con diametro 20 (raggio 10) e spessore di 4 (raggio del cerchio piccolo 2)

Il codice sopra creerà una fetta del toro.

Il codice precedente creerà un semi toro; solo l'ultimo parametro viene modificato vale a dire l'angolo e gli angoli rimanenti sono predefiniti. Impostare il valore dell'angolo a 180 creerà il toro da 0 a 180, cioè, un mezzo toro.

Creare un cubo o parallelepipedo
Utilizzando makeBox(lunghezza, larghezza, altezza,[pnt,dir]). Per impostazione predefinita pnt=Vector(0,0,0) e dir=Vector(0,0,1).

Creare una sfera
Utilizzando makeSphere(radius,[pnt, dir, angle1,angle2,angle3]). Per impostazione predefinita pnt=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1), angle1=-90, angle2=90 e angle3=360. angle1 e angle2 sono il minimo e il massimo in verticale della sfera, angle3 è il diametro della sfera stessa.

Creare un cilindro
Utilizzando makeCylinder(radius,height,[pnt,dir,angle]). Per impostazione predefinita pnt=Vector(0,0,0),dir=Vector(0,0,1) e angle=360.

Creare un cono
Utilizzando makeCone(radius1,radius2,height,[pnt,dir,angle]). Per impostazione predefinita pnt=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1) e angle=360.

Modificare delle forme
Ci sono diversi modi per modificare le forme. Alcuni sono semplici operazioni di trasformazione come lo spostamento o la rotazione di forme, altri sono più complessi, come ad esempio unire e sottrarre una forma da un'altra.

Traslare una forma
Traslare è l'atto di spostare una forma da un luogo all'altro. Qualsiasi forma (bordo, faccia, cubo, ecc ..) può essere traslata in questo modo:

Questo sposterà la forma "myShape" di 2 unità nella direzione dell'asse x.

Ruotare una forma
Per ruotare una forma, è necessario specificare il centro di rotazione, l'asse e l'angolo di rotazione:

Il codice precedente ruota la forma di 180 gradi attorno all'asse z.

Trasformazioni generiche, con matrici
Una matrice è un modo molto conveniente per memorizzare le trasformazioni nel mondo 3D. In una matrice singola, è possibile impostare valori di traslazione, rotazione e scala da applicare ad un oggetto. Ad esempio:

Nota. Le matrici di FreeCAD lavorano in radianti. Inoltre, quasi tutte le operazioni di matrici che accettano un vettore possono anche accettare tre numeri, quindi le seguenti due linee fanno la stessa cosa:

Quando la matrice è impostata, possiamo applicarla alla nostra forma. FreeCAD fornisce due metodi per farlo: transformShape e transformGeometry. La differenza è che con il primo, si è sicuri che non si verifichino deformazioni (vedi "scalare una forma" più avanti). Quindi possiamo applicare la nostra trasformazione in questo modo:

oppure

Scalare una forma
Scalare (ridimensionare) una forma è una delle operazioni più pericolose perché, a differenza della traslazione o della rotazione, il ridimensionamento non uniforme (con valori diversi per gli assi x, y, z) può modificare la struttura della forma. Ad esempio, la scalatura di un cerchio con un valore in orizzontale diverso da quello in verticale lo trasformerà in un ellisse, forma che matematicamente si comporta in modo molto diverso. Per il ridimensionamento, non possiamo usare transformShape, ma dobbiamo usare transformGeometry:

Sottrazione
Nel gergo OCC/FreeCAD, la differenza (sottrazione) di una forma da un altra si chiama "cut" taglia e si esegue così:

Intersezione
Allo stesso modo, l'intersezione tra le due forme è chiamato "common" intersezione e viene eseguita in questo modo:

Unione
Unione è chiamata "fuse" fusione e funziona allo stesso modo:

Sezione
Una sezione è l'intersezione tra una forma solida e una forma piana. Restituisce una curva di intersezione, un composto con i bordi:

Estrusione
Estrusione è l'atto di "spingere" una forma piatta in una certa direzione per produrre un corpo solido. Ad esempio, pensate di "spingere" un cerchio e di produrre un tubo:

Se il cerchio è vuoto (sola circonferenza), si ottiene un tubo (cavo). Se il cerchio è in realtà un disco, con una faccia piena, si ottiene un cilindro solido:

Esplorare le forme
Si può facilmente esplorare la struttura dei dati topologici:

Digitando le righe di cui sopra nell'interprete Python, si otterrà una buona descrizione della struttura degli oggetti Parte. Qui, il nostro comando makeBox crea una forma solida. Questo solido, come tutti i solidi Parte, contiene delle facce. Le facce contengono sempre delle linee (polilinee), che sono liste di bordi che delimitano la faccia. Ciascuna faccia ha almeno un contorno chiuso (ne può avere più di uno se la faccia presenta dei fori). Nel contorno, possiamo guardare a ciascun bordo separatamente, e all'interno di ogni bordo, possiamo vedere i vertici. Ovviamente, i bordi diritti hanno solo due vertici.

Analizzare i bordi
Nel caso in cui il bordo è una curva arbitraria, è più probabile che si voglia fare una discretizzazione. In FreeCAD i bordi sono parametrizzati dalle loro lunghezze. Ciò significa che si può percorrere un bordo/curva con la sua lunghezza:

Ora è possibile accedere a un sacco di proprietà del bordo utilizzando la lunghezza come una posizione. Ciò significa che se il bordo è lungo 100 mm la posizione iniziale è 0 e la posizione finale è 100.

Utilizzare la selezione
Qui ora vediamo come possiamo usare la selezione che l'utente ha nel visualizzatore. Prima di tutto creiamo una scatola e la mostriamo nel visualizzatore:

Selezionate ora alcune facce o bordi. Con questo script è possibile iterare sopra tutti gli oggetti selezionati e i relativi elementi secondari:

Selezionate alcuni bordi e questo script calcolerà la lunghezza:

Esempio completo: La bottiglia OCC
Un esempio tipico si trova nella pagina OpenCasCade Technology Tutorial che spiega come costruire una bottiglia. Questo è un buon esercizio anche per FreeCAD. In effetti, se si segue il nostro esempio qui sotto e la pagina di OCC contemporaneamente, si capisce bene come sono implementate le strutture di OCC in FreeCAD. Lo script completo è anche incluso nell'installazione di FreeCAD (all'interno della cartella Mod/Part) e può essere chiamato dall'interprete python digitando:

Lo script completo
Questo è lo script completo MakeBottle:

Spiegazione dettagliata
Avremo bisogno, naturalmente, del modulo Parte, ma anche del modulo FreeCAD.Base, che contiene le strutture base di FreeCAD come vettori e matrici.

Qui definiamo la nostra funzione makeBottle. Questa funzione può essere chiamata senza argomenti, come abbiamo fatto in precedenza, nel qual caso si utilizzano i valori di default per la larghezza, l'altezza e lo spessore. Poi, si definisce un paio di punti che verranno utilizzati per costruire il nostro profilo base.

Qui definiamo la geometria effettiva: un arco, creato da tre punti, e due segmenti di linea, creati da due punti.

Ricordate la differenza tra geometria e forme? Qui costruiremo forme partendo dalla nostra geometria di costruzione. Prima costruiremo tre bordi (i bordi possono essere dritti o curvi), poi costruiremo un contorno con quei tre bordi.

Prima abbiamo costruito solo metà profilo. È più facile che costruire tutto l'intero profilo nello stesso modo, successivamente possiamo semplicemente rispecchiare quello che abbiamo costruito, e poi unire le due parti. Per prima cosa è necessario creare una matrice. Una matrice è un modo molto comune per applicare trasformazioni agli oggetti nel mondo 3D, in quanto essa può contenere in un'unica struttura tutte le trasformazioni di base che gli oggetti 3D possono subire (spostamento, rotazione e scalatura). Dopo aver creato la matrice, la specchiamo e creiamo una copia del nostro contorno applicando ad esso quella matrice di trasformazione. Ora abbiamo due contorni, e con essi possiamo produrre un terzo profilo, dal momento che i contorni sono in realtà liste di bordi.

Ora che abbiamo un contorno chiuso, esso può essere trasformato in una faccia. Una volta che abbiamo una faccia, possiamo estruderla. In questo modo, abbiamo effettivamente creato un solido. Poi si applica un piccolo arrotondamento al nostro oggetto, perché vogliamo ottenere una forma graziosa, non è vero?

A questo punto, il corpo della nostra bottiglia è creato, ma abbiamo ancora bisogno di creare un collo. Così facciamo un nuovo solido, con un cilindro.

L'operazione di fusione, che in altre applicazioni a volte è chiamata unione, è molto potente. Si prenderà cura di incollare ciò che deve essere incollato e di rimuovere le parti che devono essere rimosse.

Poi, otteniamo il nostro solido Parte come risultato della nostra funzione.

Infine, chiamiamo la funzione per creare effettivamente la parte, e quindi renderla visibile.

Cubo forato
Ecco un esempio completo della costruzione di una scatola perforata.

La costruzione è fatta lato per lato e quando il cubo è finito, viene scavato un foro con cilindro che l'attraversa.

Caricare e salvare
Nel modulo Parte ci sono diversi modi per salvare il proprio lavoro. Naturalmente, è possibile salvare il documento in formato FreeCAD, ma è anche possibile salvare gli oggetti Parte direttamente nei comuni formati CAD, come ad esempio BREP, IGS, STEP e STL.

Salvare una forma in un file è facile. Per tutti gli oggetti di forma sono disponibili i metodi exportBrep, exportIges, exportStl e exportStep. Così, facendo:

salviamo il nostro box in un file STEP. Per caricare un file BREP, IGES o STEP basta fare:

Per convertire un file .stp in un file .igs fare:

Notare che l'importazione o l'apertura di file BREP, IGES o STEP può essere effettuata anche direttamente dal menu File → Apri o File → Importa, mentre l'esportazione si esegue con File → Esporta.