Topological data scripting/ru

На этой странице описаны несколько методов создания и изменения Part shape из python. Перед прочтением этой страницы, если вы новичок в python, полезно прочитать о скриптинге на python и Как работает скриптинг на Python во FreeCAD.

Введение
Здесь мы объясним вам, как управлять модулем Part непосредственно из интерпретатора Python FreeCAD или из любого внешнего сценария. Основы создания сценариев топологических данных описаны в объяснение концепции модуля Part. Обязательно просмотрите раздел Scripting и страницы Основы скриптинга FreeCAD, если вам нужна дополнительная информация о том, как работает python-скриптинг во FreeCAD.

Диаграмма Классов
Это обзор наиболее важных классов модуля Part через Unified Modeling Language (UML):

Геометрия
Геометрические объекты являются строительными блоками для всех топологических объектов:
 * GEOM Базовый класс геометрических объектов
 * LINE Прямая линия в 3D, задается начальной и конечной точкой
 * CIRCLE Окружность или дуга задается центром, начальной и конечной точкой
 * ...... И вскоре еще немного

Топология
Доступны нижеследующие топологические типы данных:
 * COMPOUND Группа из топологических объектов любого типа.
 * COMPSOLID Составное твердое тело, как набор твердых тел соединенными гранями. Он расширяет понятие Ломаной кривой(WIRE) и оболочки(SHELL) для твердых тел.
 * SOLID Часть пространства ограниченная оболочкой. Она трехмерная.
 * SHELL Набор граней соединенных между собой через ребра. Оболочки могут быть открытыми или закрытыми.
 * FACE В 2D это часть плоскости; в 3D это часть поверхности. Это геометрия ограничена (обрезана) по контурам. Она двухмерная.
 * WIRE Набор ребер соединенных через вершины. Он может быть как открытым, так и закрытым в зависимости от того связаны ли крайние ребра или нет.
 * EDGE Топологический элемент соответствующий ограниченной кривой. Ребро как правило ограничивается вершинами. Оно одномерное.
 * VERTEX Топологический элемент соответствующий точке. Обладает нулевой размерность.
 * SHAPE общий термин охватывающий все выше сказанное.

Примеры: Создание простейшей топологии


Теперь мы создадим топологию из геометрических примитивов. Для изучения мы используем деталь(part), как показано на картинке состоящую из четырех вершин, двух окружностей и двух линий.

Создание Геометрии
Cначала мы должны создать отдельную деталь из данной ломаной. И мы должны убедиться что вершины геометрических частей расположены на тех же позициях. В противном случае позже мы не смогли бы соединить геометрические части в топологию!

Итак, сначала мы создаем точки:

Дуга


Для создания дугу окружности нам нужно создать вспомогательную точку и провести дугу через три точки:

Линия


Линия может быть очень просто создана из точек:

«Примечание: в FreeCAD 0.16 использовалась команда Part.Line, для FreeCAD 0.17 необходимо использовать Part.LineSegment»

Соединяем все вместе
Последний шаг - собираем все основные геометрические элементы вместе и получаем форму:

Создание призмы
Теперь вытягиваем ломанную по направлению и фактически получаем 3D форму:

Создание основных фигур
Вы легко можете создать базовый топологический объект с помощью методов "make..." содержащихся в модуле Part:

Доступные make... методы:
 * makeBox(l,w,h,[p,d]) : создает прямоугольник, с началом в точке p и вытянутый в направлении d с размерами (l,w,h) По умолчанию p установлен как Vector(0,0,0) и d установлен как Vector(0,0,1)
 * makeCircle(radius,[p,d,angle1,angle2]) -- Создает окружность с заданным радиусом. По умолчанию p=Vector(0,0,0), d=Vector(0,0,1), angle1=0 и angle2=360
 * makeCone(radius1,radius2,height,[p,d,angle]) -- Создает конус с заданным радиусами и высотой. По умолчанию p=Vector(0,0,0), d=Vector(0,0,1) и angle=360
 * makeCylinder(radius,height,[p,d,angle]) -- Создает цилиндр с заданным радиусом и высотой. По умолчанию p=Vector(0,0,0), d=Vector(0,0,1) и angle=360
 * makeLine((x1,y1,z1),(x2,y2,z2)) -- Создает линию проходящую через две точки
 * makePlane(length,width,[p,d]) -- Создает плоскость с заданной длинной и шириной. По умолчанию p=Vector(0,0,0) и d=Vector(0,0,1)
 * makePolygon(list) -- Создает многоугольник из списка точек
 * makeSphere(radius,[p,d,angle1,angle2,angle3]) -- Создает сферу с заданным радиусом. По умолчанию p=Vector(0,0,0), d=Vector(0,0,1), angle1=0, angle2=90 и angle3=360
 * makeTorus(radius1,radius2,[p,d,angle1,angle2,angle3]) -- Создает тор по заданными радиусам.По умолчанию p=Vector(0,0,0), d=Vector(0,0,1), angle1=0, angle2=360 и angle3=360

На странице Part API приведен полный список доступных методов модуля Part.

Импорт необходимых модулей
Сначала нам нужно импортировать модуль Part, чтобы мы могли использовать его содержимое в python. Также импортируем модуль Base из модуля FreeCAD:

Создание вектора
Векторы являются одними из самых важных частей информации при построении фигур. Они обычно содержат три числа (но не всегда): декартовы координаты x, y и z. Для создания вектора введите:

Мы только что создали вектор с координатами x = 3, y = 2, z = 0. В модуле Part векторы используются повсеместно. Формы детали также используют другой тип представления точек, называемый Vertex, который является просто контейнером для вектора. Вы можете получить доступ к вектору вершины следующим образом:

Как создать Ребро?
Ребра не что иное как линия с двумя вершинами:

Примечание: Вы можете создать ребро передав два вектора.

Вы можете узнать длину и центр ребра, вот так:

Вывод фигуры на экран
До сих пор мы создали объект ребро, но не увидели его на экране. Это связано с тем, что 3D-сцена FreeCAD отображает только то, что указано для отображения. Для этого мы используем этот простой метод:

Функция show создает объект "shape" в нашем FreeCAD документе. Используйте это всякий раз, когда пришло время показать свое творение на экране.

Как создать ломанную кривую?
Ломаная представляет собой многогранную линию и может быть создан из списка ребер или даже из списка ломаных:

Part.show(wire3) пакажет 4 ребра, из которых состоит наша ломаная линяи. Другая полезная информация может быть легко найдена:

Как создать Грань?
Только грани, созданные из замкнутых ломаных, будут действительными. В этом примере wire3 является замкнутой ломаной, но wire2  не является замкнутым (см. выше)

Только грани обладают поверхностью, а не ломанные и ребра.

Как создать окружность?
Круг можно создать просто введя:

Если вы хотите создать её с определенным положением и в определенном направлении

ccircle будет создана на расстоянии 10 от начала координат x и будет направлена вдоль оси x. Примечание: makeCircle принимает только тип Base.Vector в качестве позиции и нормали. Вы также можете создать часть окружности, задав начальный и конечный угол:

Обе arc1 и arc2 вместе составляют окружность. Углы задаются в градусах, если вы хотите задать радианами, просто преобразуйте используя формулу: degrees = radians * 180/PI или используя math модуль python-а (прежде, конечно, выполнив import math): degrees = math.degrees(radians)

Как создать Дугу по точкам?
К сожалению нет функции makeArc, но у нас есть функция Part.Arc для создания дуги через три точки. Она создает объект дуги, соединяющий начальную точку с конечной точкой через среднюю точку. Функция .toShape объекта дуги должна вызываться для получения объекта ребра, так же, как при использовании Part.LineSegment вместо Part.makeLine.

Arc принимает только Base.Vector для точек. arc_edge - это то, что нам нужно, и мы можем отобразить его с помощью Part.show(arc_edge). Вы также можете получить дугу, используя часть круга:

Дуги являются действительными ребрами, такими как линии, поэтому их можно использовать и в ломаных линиях.

Как создать многоугольник или линию по точкам?
Линия по нескольким точкам, не что иное как создание ломаной с множеством ребер. функция makePolygon берет список точек и создает ломанную по этим точкам:

Creating a Bézier curve
Bézier curves are used to model smooth curves using a series of poles (points) and optional weights. The function below makes a Part.BezierCurve from a series of FreeCAD.Vector points. (Note: when "getting" and "setting" a single pole or weight, indices start at 1, not 0.)

Как создать плоскость?
Плоскость это ровная поверхность, в смысле 2D грань. Метод создания её это makePlane(length,width,[start_pnt,dir_normal]). По умолчанию start_pnt=Vector(0,0,0) и dir_normal=Vector(0,0,1). Используя dir_normal = Vector(0,0,1) создаёт плоскость, обращённую к положительному направлению оси z, в то время как dir_normal=Vector(1,0,0) создаёт плоскость обращённую к положительному направлению оси х:

BoundBox является параллелепипед вмещающих плоскость с диагональю, начиная с (3,0,0) и концом в (5,0,2). Здесь толщина BoundBoxпо оси y равна нулю, поскольку его форма полностью плоская.

Примечание: makePlane доступны только Base.Vector для задания start_pnt и dir_normal а не кортежи

Как создать эллипс?
Создать эллипс можно несколькими путями:

Создает эллипс с большой полуосью 2 и малой полуосью 1 с центром в (0,0,0)

Создает копию данного эллипса.

Создаст эллипс с центров точке Center, где плоскость эллипса определяет Center, S1 и S2, это большая ось ззаданная Center и S1, это больший радиус расстояние между Center и S1, и меньший радиус это расстояние между S2 и юольшей осью.

Создает эллипс с большим и меньшим радиусом MajorRadius и MinorRadius, расположенными в плоскости заданной точкой Center и нормалью (0,0,1)

В приведенном выше коде мы ввели S1, S2 и center. Аналогично Дуге, Эллипс также создает объект, а не ребро, так что мы должны превратить его в ребро используя toShape для отображения

Примечание: Дуга допускает только Base.Vector для задания точек, а не кортеж.

для вышеуказанного конструктора Ellipse мы передали center, MajorRadius и MinorRadius.

Как создать Тор?
Используя makeTorus(radius1,radius2,[pnt,dir,angle1,angle2,angle]). По умолчанию pnt=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1), angle1=0,angle2=360 и angle=360

Рассмотрим тор как маленький круг, вытянутый вдоль большого круга. Radius1 это радиус большого круга, radius2 это радиус малого круга, pnt это центр тора и dir это направление нормали. angle1 и angle2 углы в радианах для малого круга, последний параметр angle для создания секцию (части) тора:

В коде выше, был создан тор с диаметром 20 (радиус 10) и толщиной 4 (малая окружность радиусом 2)

В приведенном выше коде, создан кусочек тора.

В приведенном выше коде, создан полу-тор, изменен только последний параметр. Т.е. angle а остальные углы установлены по умолчанию. Подстановка угла 180 создаст тор от 0 до 180, т.е. половину тора.

Как создать блок или параллелепипед?
Используя makeBox(length,width,height,[pnt,dir]), создаем блок расположенный в pnt с размерами (length,width,height). По умолчанию pnt=Vector(0,0,0) и dir=Vector(0,0,1).

Как создать Сферу?
Используя makeSphere(radius,[pnt, dir, angle1,angle2,angle3]). По умолчанию pnt=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1), angle1=-90, angle2=90 и angle3=360. angle1 и angle2 это вертикальный минимум и максимум сферы (срезает часть сферы снизу или сверху), angle3 is the sphere diameter (определяет замкнутое ли это тело вращения или его секция).

Как создать Цилиндр?
Используя makeCylinder(radius,height,[pnt,dir,angle]), создается цилиндр с указанным радиусом и высотой. По умолчанию pnt=Vector(0,0,0),dir=Vector(0,0,1) и angle=360.

Как создать Конус?
Используя makeCone(radius1,radius2,height,[pnt,dir,angle]), создаем конус с указанными радиусами и высотой. По умолчанию pnt=Vector(0,0,0), dir=Vector(0,0,1) и angle=360.

Modifying shapes
There are several ways to modify shapes. Some are simple transformation operations such as moving or rotating shapes, others are more complex, such as unioning and subtracting one shape from another.

Translating a shape
Translating is the act of moving a shape from one place to another. Any shape (edge, face, cube, etc...) can be translated the same way:

This will move our shape "myShape" 2 units in the x direction.

Rotating a shape
To rotate a shape, you need to specify the rotation center, the axis, and the rotation angle:

The above code will rotate the shape 180 degrees around the Z Axis.

Generic transformations with matrixes
A matrix is a very convenient way to store transformations in the 3D world. In a single matrix, you can set translation, rotation and scaling values to be applied to an object. For example:

Note: FreeCAD matrixes work in radians. Also, almost all matrix operations that take a vector can also take three numbers, so these two lines do the same thing:

Once our matrix is set, we can apply it to our shape. FreeCAD provides two methods for doing that: transformShape and transformGeometry. The difference is that with the first one, you are sure that no deformations will occur (see "scaling a shape" below). We can apply our transformation like this:

or

Scaling a shape
Scaling a shape is a more dangerous operation because, unlike translation or rotation, scaling non-uniformly (with different values for x, y and z) can modify the structure of the shape. For example, scaling a circle with a higher value horizontally than vertically will transform it into an ellipse, which behaves mathematically very differently. For scaling, we can't use the transformShape, we must use transformGeometry:

Как вырезать одну форму из других?
cut(...) - Вычисление различий задано в топологическом классе shape.

Как получить пересечение двух форм?
Тем же способом, пересечение между двумя фигурами называется "common(...)" (пересечение задано в топологическом классе shape) и делается так:

Как объединить две формы?
fuse(...) - Объединение задано в топологическом классе shape

Как получить сечение тела и заданной формы?
Section это пересечение твердого тела и плоской фигуры (сечение задано в топологическом классе shape). Вернет секущую кривую, составную кривую, состоящую из ребер.

Extrusion
Extrusion is the act of "pushing" a flat shape in a certain direction, resulting in a solid body. Think of a circle becoming a tube by "pushing it out":

If your circle is hollow, you will obtain a hollow tube. If your circle is actually a disc with a filled face, you will obtain a solid cylinder:

Исследование Форм
Вы легко можете исследовать структуру топологических данных:

Если ввести строчку выше в интепритатор python, вы получите хорошее представление об устройстве Part объектов. Здесь, наша команда makeBox создает твердое тело. Это тело, как и все Part тела, содержит грани. Грани, всегда содержат ломанные, которые являются набором ребер ограничивающих грань. Каждая грань обладает ровно одной замкнутой ломаной. В ломанной, мы можем посмотреть на отдельно на каждое ребро, и по краям каждого ребра, мы можем увидеть вершины. Очевидно, что прямые ребра обладают только двумя вершинами. Вершины модуля Part являются OCC(OpenCascade) формами, но они обладают атрибутом Point который возвращает FreeCAD вектор.

Исследование Рёбер
В случае ребра, которое является произвольной кривой, вы наверняка захотите произвести дискретизицию. В FreeCAD ребра задаются с помощью параметра длинны. Это означает что вы можете перемещатся вдоль ребра/кривой задавая длинну:

Теперь вы получить доступ ко всем свойствам ребра, с помощью длинны или позиции. Это означает, что у ребра в 100mm длинной, начальная позиция это 0 а конечная это 100.

Использование выделения(выбора)
Здесь мы увидим как можно использовать "выделение", которое пользователь сделал в программе просмотра. прежде всего мы создадим блок и отобразим его в окне просмотра.

Теперь выберем грани или ребра. С помощью этого сценария вы можете, поворить все выделенные объекты и их под элементы:

Выделим несколько ребер и этот сценарий подсчитает их сумарную длину:

OCC бутыль
Типовой пример на OpenCasCade Getting Started Page можно узнать как построить бутыль. Также это отличный пример для FreeCAD. В самом деле вы можете последовать нашему примеру изложенному ниже и странице OCC одновременно, вы лучше поймете как реализованы OCC структуры в FreeCAD.

Готовый сценарий описанный ниже, также включен в установленный FreeCAD (в папке Mod/Part ) и может быть вызван интепритатором python, вводом:

Готовый сценарий
Здесь представлен готовый сценарий MakeBottle:

Подробные объяснения
Нам ,конечно, необходимы Part модуль, а также FreeCAD.Base модуль, который содержит основные структуры FreeCAD такие как векторы и матрицы.

Здесь мы задаем нашу функцию makeBottle. Эта функция может быть вызвана без аргументов, как мы делали выше, в этом случае будут использоваться значения по умолчанию для ширины, высоты и толщины. Затем мы определили несколько точек которые будут использоваться для построения базового сечения.

Здесь мы фактически задаём геометрию: дугу, созданую по 3 точкам, и два линейных сегменты, созданные по 2 точкам.

Запомнили раличие между геометрией и формой? Здесь мы создаем форму из нашей строительной геометрии 3 рёбер (ребра могут быть прямыми или кривыми), затем из рёбер создается ломанная.

На данный момент мы построили только половину сечения. Проще, чем строить таким же образом целое сечение, мы можем просто отразить то что мы сделали и склеить две половинки. Сначала создадим матрицу(Нео ау). Матрица является распространенным способом произвести изменения над объектом в 3D пространстве, также она может содержать в одной структуре все базовые преобразования которые позволяют  3D объекты(перемещение, вращение и масштабирование). Здесь, после создания матрицы, мы отражаем её и создаем копию нашеё ломанной, применя к ней преобразование матрицой. Теперь мы получили две ломанные и мы можем создать из них третью ломаную, так как ломанные это всего лишь список ребер.

Теперь мы получили замкнутую ломаную, которую можно обратить в грань. После мы получили грань, мы можем вытянуть её. Сделаа это ,мы действительно получим твердое тело. Теперь мы добавим небольшое скругление к нашему объекту, потому что мы заботимся о качественном дизайне, разве нет?

Теперь когда тело нашей бутыли создано, нам нужно создать горлышко. Так мы создаем новое твердое тело ,это цилиндр.

Очень мощная операция слияния, которая обычно называется в других приложениях объединением. Она заботится о склеивании, о том что должно быть приклено и удаляет детали которые нужно удалить.

Теперь мы получаем нашу твердотельную Деталь как результат нашей функции. Это Деталь - твердотельная, как и любая другая Деталь форма, может быть свзана с объектом в документе FreeCAD, с помошью:

или, ещё проще:

Box pierced
Here is a complete example of building a pierced box.

The construction is done one side at a time; when the cube is finished, it is hollowed out by cutting a cylinder through it.

Загрузка и Сохранение
Есть несколько путей чтобы сохранения вышей работы в Part модули. Вы конечно можете сохранить ваш FreeCAD документ, а также вы можете сохранить Part(Деталь) объект напрямую в обычные CAD форматы, такие как BREP, IGS, STEP и STL.

Сохраненить форму в файл, легко. Есть доступные для всех форм методы exportBrep, exportIges, exportStl и exportStep. Таким образом:

это сохранит наш блок в файл формата STEP. Для загрузки BREP, IGES или STEP файлов, просто сделайте наоборот:

To convert an .stp file to an .igs file:

Примечание этот импорт или открытие BREP, IGES or STEP файлов также можно сделать напрямую с помощью меню File -> Open or File -> Import. На данный момент экспорт ещё не включен, но будет там в ближайшее время.