Creating a simple part with Part WB/ru

Введение
Это руководство является введением в 3D моделирование с использованием верстака Part в системе FreeCAD. После его прочтения вы сможете создавать простые 3D модели с использованием таких примитивов как кубы, цилиндры, и т.д. с применением техники Constructive Solid Geometry, сокращенно CSG моделирование. Другим способом создать 3D модели можно с использованием двумерных фигур путем вращения и движения этих фигур в 3D пространстве. Подробнее об этой технике читайте, пожалуйста, в руководстве Creating a simple part with PartDesign. В этих двух руководствах специально рассматривается одна и та же модель для того, чтобы начинающие на собственном опыте изучили две разные техники их создания и то, как они реализованы в системе FreeCAD. Эти техники различаются концептуально, но при создании моделей их можно использовать одновременно. Есть некоторые ограничения при одновременном использовании двух техник моделирования, но они касаются встроенного языка программирования FreeCAD. Существует руководство Creating a simple part with Draft and Part WB, которое является примером использования двух техник моделирования одновременно. Оно использует верстак Draft и 2D фигуры, с помощью которых затем в верстаке Part создаётся 3D модель такая же, как в этом руководстве.

Перед тем как мы начнем, пожалуйста, посмотрите, как осуществлять навигацию в 3D пространстве. При наведении указателя мыши на иконку с изображением мыши в нижнем правом углу окна FreeCAD, появляется подсказка как на картинке ниже.



Многие новички в CAD системах застревают на решении тех или иных проблем при их изучении. Если это произошло с вами, пожалуйста, ищите решение в wiki или на форуме – возможно другие уже сталкивались с такой проблемой ранее и уже нашли её решение. Или создайте на форуме сообщение с вашим вопросом или решением проблемы. Форум имеет множество тем, где пользователи могут помочь найти решение по всем проблемам, эти темы бывают похожи на руководства и часто имеют полезные фотографии.



Содержание руководства

 * Создаваемая модель
 * Применение верстака Part для создания модели с использованием примитивов
 * Изменение цвета и прозрачности
 * Другой способ размещения отверстий
 * Создание отверстия с фаской
 * Создание полой детали
 * Другой способ создания фаски
 * Редактирование размеров
 * Организация дерева немного по-другому
 * Подведение итогов



Создаваемая модель






Применение верстака Part для создания модели с использованием примитивов
Создайте новый документ и сразу же сохраните его под новым именем. Возьмите хорошую привычку регулярно сохранять документ, или сохраняйте его хотя бы перед большими изменениями. Затем включите верстак Part используя либо переключатель верстаков (помечен числом 10 на картинке по ссылке), либо через главное меню. FreeCAD запустится с панелями инструментов вверху, комбинированным видом слева и 3D видом справа.



Создание основного твердого тела
Кликните мышкой на иконке Создать твердотельный куб чтобы создать исходный куб. Он появится в окне 3D вид и в виде нового объекта в Дереве проекта на боковой панели.

Нажмите Установить изометрический вид чтобы видеть куб в 3D пространстве.



Выберите куб в Дереве проекта, в окне 3D вида он окрасится в зелёный цвет. Ниже в дереве проекта вы теперь сможете увидеть, что по умолчанию куб создан с размерами Длина x Ширина x Высота в 10 x 10 x 10 mm. Измените эти размеры на 100 x 30 x 50, это будут исходные размеры модели.



Для изменения свойств объекта, таких как Длина можно воспользоваться спинбоксом, можно непосредственно ввести числовое значение или изменить его с помощью колесика мышки. Клавиши со стрелками вверх и вниз так же можно использовать. В самом правом окне на картинке выше, свойство Высота изображено в режиме редактирования, и если в таком режиме покрутить колесико мышки, то значение свойства можно изменить.

Кликните мышкой на иконке Уместить все содержимое на экране чтобы поместить модель в центр окна 3D вида.





Создание скругления
Для того, чтобы создать скругление ребра модели, на панели инструментов выберите иконку Скругление выбранного края формы, которая откроет панель задач для скруглений в Комбо панели. Указателем мыши выберите верхний правый угол модели и установите значение Радиус в 20 мм, и нажмите кнопку.



Панель задач закроется и на дереве проекта появится объект Fillet вместо прежнего куба.



Видимость дочерних объектов
Кликните мышкой на плюсике/стрелочке вниз в дереве проекта чтобы посмотреть дочерние объекты Fillet. Это в нашем случае будет объект Cube, который мы создали ранее. Но он сейчас стал не активным, серым. Выберите его и нажмите пробел – это переключит видимость объекта Cube и он сейчас снова станет видимым и его иконка уже не будет серой. Чтобы зафиксировать изменения кликните мышкой в пустом пространстве дерева проектов или окна 3D вида.





Создание фаски
Теперь создадим 30-ти градусную фаску, предварительно сделав видимым дочерний объект Куб объекта Скругление. В верстаке Part имеется специальный инструмент для создания фасок, но мы сейчас сделаем фаску с помощью другого примитива и булевой операции обрезания.

Создайте новый объект Твердотельный куб и дайте ему размеры 60 x 30 x 30. В свойстве Placement установите угол в -30 градусов.



Угол положения объекта использует  координатные оси как оси вращения. Осью вращения по умолчанию является ось Z, которая нам не подходит. Поэтому смените ось вращения на ось Y, установив значение z свойства объекта Ось в 0, а значение y в 1.



Того эффекта можно достичь, если угол вращения мы установим в +30 градусов, а значение у объекта Ось в -1.



Консоль Python
Если посмотреть на чертеж готовой детали, то положение тела, которое мы сейчас добавили, нужно скорректировать. Но нет точной величины, на которую мы должны поднять его вверх. Её мы должны вычислить. Давайте вычисления сделаем в Консоли Python, это основы тригонометрии. Если консоль Python системы FreeCAD у вас не отображается, то в пустом месте панели инструментов нажмите правую кнопку мыши, а затем поставьте галочку в строчке Консоль Python. Консоль появится в рабочем пространстве FreeCAD. То же самое сделайте с консолью Отчет. На ней обычно выводится полезная информация или сообщения о том, что нужно делать дальше для некоторых комманд.



В консоли Python прежде всего мы должны загрузить стандартную библиотеку math, после чего по формуле (50 - math.tan(math.radians(30)) * 50) мы можем вычислить величину, на которую нужно поднять тело в направлении оси Z. Скопируйте результат вычислений из консоли Python и вставьте его в значение z свойства Положение объекта Cube001. Инструмент для снятия фаски теперь правильно ориентирован и расположен.



Выражения
Для вычислений не обязательно использовать консоль Python, в большинстве случаев при работе с числовыми значениями можно обойтись встроенным калькулятором FreeCAD. Во FreeCAD это называется Выражения. В режим Выражения вы можете войти по первому нажатию левой кнопки мыши на значении z свойства Положение в дереве проекта, после которого справа появится маленький круглый голубой значок.



Если мы нажмем на этот значок, появится маленькое окно Редактор формул, где, как показано ниже, можно вводить формулы и выражения. Выражения - это мощный инструмент, т.к. они могут оперировать параметрами модели, используя их как переменные при вычислениях. Короче, в нашей формуле вместо числа 50 мы могли бы ввести Имя параметра, содержащего высоту основного тела. Тогда бы при изменении высоты основного тела автоматически изменялось бы положение фаски. 50 - это высота исходного куба, на которую можно ссылаться как Cube.Height, т.е. свойство Height объекта Cube. Более подробную информацию вы можете найти на wiki.



Чтобы снять фаску, нажмите и держите нажатой кнопку, затем левой кнопкой мыши кликните на объекте Fillet в дереве проекта, потом на объекте второго добавленного куба (называется Cube001) и, наконец, в панели инструментов кликните на иконке Обрезать две фигуры. На вашем дереве проекта теперь должен оказаться единственный объект под названием Cut.





Панели инструментов
Поговорим о панелях инструментов, т.к. они являются самым распространенным способом выполнения команд. Расположение панелей инструментов по умолчанию может быть далеким от идеала на мониторе вашего компьютера. Но, к счастью, их расположение легко настроить. Посмотрите на верхнюю часть картинки ниже. На ней два ряда панелей инструментов, но видно только ограниченное количество кнопок инструментов верстака Part. Простейший путь сделать видимым большее количество кнопок инструментов - это расширить окно FreeCAD, если это еще не сделано.

Обычно расположение панелей инструментов настраивается под свой вкус и возможности монитора. Для перемещения панели необходимо нажать левую кнопку на левом крае панели и не отпуская кнопку перенести панель в нужное место, затем кнопку отпустить. В нижней части картинки расположение панелей инструментов было скорректировано, для того, чтобы показать их полное содержание. Расположение панелей инструментов запоминается.





Измерительный инструмент
Для проверки наших вычислений и верности расположения фаски можно использовать Измерительный инструмент верстака Part. Для этого нажмите на иконку Рулетка, откроется панель задач. Затем мышкой на модели выберите два конца ребра фаски.



Убедившись, что размеры соответствуют вычисленным, можно нажать на кнопку Clear all dimensions и закрыть диалог.



Создание отверстия
Чтобы создать отверстие нажмите на иконку Cylinder, установите радиус в 5 мм и высоту в 50 мм.



Далее нам нужно разместить отверстие согласно размерам на чертеже. Установите  Вид сверху,  нажатием правой кнопкой мыши на объекте Цилиндр в дереве проекта откройте меню и выберите в нем строку  Преобразовать.



Установите Приращение перемещения в 5 мм. Используя красную и зеленую стрелки переместите цилиндр на 15мм по оси y и на 65мм по оси x. Для этого нужно на стрелке нажать на левую кнопку мыши и не отпуская ее вести цилиндр к нужной позиции, затем кнопку отпустить. Нажмите кнопку и закройте диалог Приращения. Чтобы сделать отверстие, нажмите кнопку, левой кнопкой мыши на дереве проекта выберите объекты Cut и Цилиндр, затем нажмите на иконку Обрезать две фигуры в панели инструментов. Теперь на вашем дереве проекта будет один объект Cut001.

Поздравляем, модель готова.



Теперь, когда модель готова, давайте изучим возможности по изменению самой модели, ее внешнего вида, некоторые дополнительные возможности и разные варианты изменений.



Изменение цвета и прозрачности
Внешний вид объекта можно изменить различными способами, например, с помощью вкладки Вид таблицы свойств на комбо панели. Просто выберите объект на дереве проекта и изменяйте свойства объекта - цвет линий, цвет формы или её прозрачность.



К сожалению, когда объект активен, т.е. выделен, не видно, каким будет его внешний вид после изменений. Чтобы увидеть изменения нужно сделать его не активным. Установите изометрический вид, так отверстие в модели будет видно лучше. Другим способом изменить внешний вид можно через меню.





Другой способ размещения отверстия
В меню сохраните проект под новым именем. Удалите объект Cut001 и переместите цилиндр в исходную позицию. Ваша модель должна выглядеть как на картинке ниже. Рассмотрим различные варианты создания отверстия в центре верхней грани модели. Заметьте, что цвет модели опять стал серым и все изменения, которые мы сделали, исчезли.



Для размещения отверстия теперь мы будем использовать верстак Чертеж. Оно по-прежнему должно быть расположено в центре верхней грани модели, т.е. посередине диагональных линий верхней грани.

Включите верстак Draft, в 3D пространстве должна появится сетка. Она включается и выключается кнопкой Toggle Grid на панели инструментов. Используя функции привязок верстака Draft включайте только те типы привязок которые нужны в данный момент. Сейчас нам достаточно оставить включенными конечную точку, среднюю точку и центр круга, т.е. настройки привязок должны выглядеть как на картинке ниже.



Найти точку для размещения центра цилиндра можно сделав диагональ в качестве вспомогательной линии и использовать середину диагонали в качестве точки, в которую переместить центр цилиндра. Однако оказывается, что нам даже не нужно делать вспомогательные линии, мы можем привязать к уже существующей твердотельной геометрии.

Выберите Цилиндр на дереве проекта (он станет зеленым в 3D пространстве) и нажмите иконку Move на панели инструментов. Откроется панель задач для передвигаемых объектов, убедитесь, что чекбокс Копировать выключен.



Затем переместите мышь к верхней грани цилиндра так, чтобы вы увидели белую точку в центре круга, как показано на левом рисунке ниже. Это вместе с символом рядом с указателем мыши означает, что щелчок левой кнопкой мыши приведет к привязке к белой точке.



Когда у вас появится белая точка на верхней грани, щелкните левой кнопкой мыши, повторите то же самое для верхней квадратной грани основного тела, как показано на правом рисунке выше. Функция привязки использует центр масс для любого типа поверхности. В нашем случае центр масс верхней грани совпадает с её геометрическим центром. Вы уже заметили, что движение цилиндра анимировано, поэтому вы видите, что должно произойти.

Создайте сквозное отверстие повторив булевую операция обрезания, о которой говорилось выше. Модель готова. С помощью рулетки на верстаке Part убедитесь, что отверстие расположено правильно. Измерить расстояние можно только между точками, поэтому измерение надо делать от нулевой точки главного тела до дальнего края отверстия. У нас это расстояние составит 70мм включая радиус отверстия.





Создание отверстия с фаской
Вернитесь на верстак Part и с помощью иконки Создать твердотельный конус на панели инструментов создайте конус. Установите свойство radius1 в 0 мм и radius2 в 7 мм, это даст 2 мм фаски по радиусу. Установите высоту конуса в 7 мм, в результате угол вершины конуса будет 90 градусов, а угол фаски - 45 градусов. Стоит отметить, что можно было бы так же использовать операцию Фаска.

Во время работы с FreeCAD вы постоянно будете иметь возможность достичь одного и того же результата разными путями. Трудно сказать заранее, какой из них более правильный. Некоторые варианты могут оказаться более гибкими, иметь больше возможностей для трансформации и т.д. Ваши подходы к построению 3D моделей будут меняться по мере того, как вы будете узнавать больше о возможностях FreeCAD.



С помощью любого указанного выше метода совместите конус с отверстием.

На рисунке ниже совмещение конуса и отверстия делается командой Преобразовать, которая имеется в меню, доступном при нажатии на правую кнопку мыши. Приращение перемещения установлено в 1 мм т.к. если бы приращение было установлено в 5 мм как было ранее, то это не позволило бы совместить конус и отверстие из-за того, что диаметр конуса у нас 7 мм. Для того, чтобы было легче установить конус в правильную позицию используется Каркасный режим прорисовки модели.



Чтобы закончить модель, давайте будем использовать Булеву операцию с двуми выбранными формами вместо того, чтобы сначала выделить объекты, а потом применить булеву операцию. Выберите ее на панели инструментов и в результате откроется окно как на левом рисунке ниже.



Необходимо указать три параметра: Тип операции, Первая фигура и Вторая фигура. Конус предполагается срезать, в данной команде это называется Разность, а не Вырезать. Первая фигура - это наша Cut001, она находится в группе Соединения, т.к. она является соединением нескольких твердых тел. Вторая фигура - Конус. Указав параметры команды нажмите кнопку, как показано на картинке справа. В группе Соединения должна появиться фигура Cut002, это наша готовая модель. Она должна выглядеть так, как показано ниже.





Создание полой модели
Сохраните модель под новым именем при помощи команды Сохранить как... в главном меню. FreeCAD может выполнять все типичные операции 3D моделирования, одна из них это Смена толщины, которую можно использовать для создания полой детали.

Поверните модель так, чтобы была видна нижняя её поверхность.



Выберите нижнюю поверхность модели, затем на верстаке Part выберите инструмент  Смена толщины и на экране появится фигура как на рисунке ниже.



Нажмите кнопку. Как вы можете видеть теперь наружные углы фигуры имеют скругления.



Кроме того, если сейчас измерить ширину детали, она будет составлять 32 мм, т.к. толщина как бы прикладывается снаружи. Давайте исправим это. Кликните дважды на модели и в дереве проекта измените свойство join на intersection и значение толщины установите в -1.



Теперь ширина детали составляет 30 мм как и было, а наружные углы снова острые.



 Другой способ позиционирования фаски

Сохраните модель под новым именем и удалите последние изменения так, чтобы модель смотрелась как на рисунке ниже.



Сделайте Куб с размерами 30x30x60 как показано ниже.



Поверните его на -120 градусов вокруг оси Y изменив свойство Угол в группе placement.



Измените положение в X=50, Z=50 и выполните операцию Вырезать чтобы получить такую же фаску.



Это еще раз подчеркивает, что в 3D-моделировании часто имеется несколько способов получить один и тот же результат. Когда дело доходит до базовой геометрии или твердых тел, в FreeCAD можно использовать разные верстаки, а также разные команды и при этом иметь ту же внешнюю форму твердого тела. Вам просто нужно найти свой собственный набор предпочтительных инструментов и рабочих процессов, которые вам удобны в использовании. Моделирование в параметрическом 3D — это процесс постоянного обучения, для освоения которого требуется практика.

Editing dimensions, face colors and TNP
FreeCAD is a parametric 3D modeler, this allows you to change any placement or dimension and the model will update accordingly. In general this works, but it is possible to break a model when edited – for example when a fillet is based on an edge that no longer exists due to editing. When a model breaks during editing, it is referred to as TNP, Topological Naming Problem.

Go ahead and experiment with changing dimensions and placements to see if you can break the model, do not forget to recalculate the model after changes if required. This can be done with the Refresh button in the toolbar, if the icon is grayed out it is not needed to refresh the object.

Reposition the cylinder
Here is an example of the cylinder moved from the center to one side of the main body by using Transform on the cylinder. As can be seen in the picture, the cone is still in the original position, not affected by the move of the cylinder.



When you move the cylinder and break through the outer surface, in version 0.19 you are loosing part of the color settings on your model. FreeCAD reverts to the user default settings for shape colors and transparency in the 3D view, however the Cut002 shape still shows the colors and transparency that it had before as seen in below picture.

Fixing the colors


Here is one way to get it back. First change transparency one tick up or down and then back, that brings back the transparency. You can do the same trick on shape color. Another way to get the color back is to right-click Cut002 in the Tree view and select Set Colors in the context menu. In the task panel that displays, click, that brings back the color to the one set in the view-properties.



The Set Colors command allows you to select individual faces of a shape and set a unique color on the selected faces.

Multiple solids
Another example where the cube that is making the chamfer has been translated and rotated.



As can be seen when repositioning the chamfer in this way, the end result is 3 disjoint solids. Part Workbench allows this, PartDesign Workbench does not, either you will get an multiple solids error or it will simply not render all solids.

TNP
Going back to the original completed model, let’s explore how the faces are named.

Here the selection view has been made active, just to show clearly what is selected and not, also coloring is adjusted so that the selection is easier to see.



Selecting one side face and the cylinder inner face gives that they are internally called face 2 and 9, where face 2 is the side face. Face numbering can be different for you.

Moving the cylinder so that the cavity ends up on the side face, and doing the selection of faces now gives a different number for the cylindrical face.



Face 2 is the right side of the original face 2, the left side of former face 2 is now face 8. The cylindrical part was face 9, but is now face 7. FreeCAD reassigns the numbering and the order is not necessarily preserved. The total face count in the first model is 10, in the version with the cylindrical face piercing the side face, the total face count is 11. So obviously face numbering has to change when the so called topology changes. This probably feels like a minute detail, but turns out to be quite important in parametric 3D CAD. Imagine that you have used the cylindrical face as reference for another feature, it used to be called face 9, but is now called face 8. The reference to the intended cylindrical surface is lost. Since FreeCAD, at least in currently released versions does not keep track of the intended face, it only keeps track of the numbered face, a model breaks when a reference is made to a face that later is renumbered. This is called TNP, Topological Naming Problem.

You are encouraged to learn how to avoid broken models due to TNP, further reading can be done elsewhere on the wiki, which largely focuses on a sketch driven workflow, the underlying mechanism is the same though. The renumbering described here for faces goes for all geometrical entities, faces, edges and vertexes.

Organizing the tree a bit differently
Do a save-as under a new name. Then delete all the cuts ending up with a model looking like below.



When using the Part Workbench and modelling feature rich solids, the tree structure of a solid can become hard to decipher. So far we have created one primitive / feature and applied a boolean operation. In the Part Workbench one can bundle primitives into one boolean operation. In our case we have the cylinder, cone and cube that are all a cut boolean operation.

Instead of making a cut for each primitive, we can first apply a boolean union, Fuse the primitives intended for the boolean cut, and then make the cut between the Fillet and the Fusion.

Using this approach, the Tree view ends up looking like below, which is just a different way of building the same model. Compare this with the original Tree view, none is better than the other, however when making more complex models, one approach over the other can have benefits in ease of modifying/reorganizing the model if needed.



Wrapping up
Having gone through the tutorial you are now briefly acquainted with the user interface of FreeCAD and you have learned the basics in using the Part Workbench. You should now be able to build simple models after your own liking. The Part Workbench is one of the workbenches that can be used to create solids, the PartDesign Workbench is another. The different workbenches have different capabilities and workflows. Learning FreeCAD in full, especially considering all add-ons and macros takes years, so keep on exploring new and different ways of making models – take different tutorials on the wiki, the learning never stops when working with FreeCAD. It is suggested that you learn sketches and the PartDesign Workbench next if your focus is on creating solids. If your focus is modelling buildings your next learning should be the Draft and Arch workbenches.

At last, FreeCAD is made by volunteers in their spare time. If you want to further advance FreeCAD’s capabilities, consider contributing to FreeCAD, for example by improving the documentation.