跳转到内容
Jason's Study

FreeCAD — 参数化 CAD

待复核

是什么

Section titled “是什么”

FreeCAD 是一个开源的参数化 3D CAD：你不是只画出一个最终形状，而是保留“这个孔为什么在这里、这个台阶多高、这个零件依赖哪张草图”的设计历史。

日常类比：普通图片像一张拍好的照片，改尺寸只能重新修；FreeCAD 更像一份带公式的装修图，墙厚、门宽、孔距都写在表里，改一个数字，相关结构会重新计算。

最小例子可以从 Python 控制台开始：

import FreeCAD as App
doc = App.newDocument("demo")
box = doc.addObject("Part::Box", "Block")
box.Length = 80
box.Width = 30
box.Height = 10
doc.recompute()

这段代码做了一块 80×30×10 的长方体。你以后把 box.Length 改成 120，FreeCAD 会重新算几何，而不是要求你手动拉伸每个面。

它的定位接近“开源版工程 CAD”：能做 PartDesign 零件建模、Assembly 装配、TechDraw 工程图，也能通过 Python 和命令行自动化。

为什么重要

Section titled “为什么重要”

不理解 FreeCAD，下面这些事很难解释：

  • 为什么 CAD 文件不只是“一个 3D 网格”，而是一串可回放、可修改的建模步骤
  • 为什么机械设计里常说“参数化”比“画得像”更重要，因为后期改孔距和壁厚是常态
  • 为什么开源硬件、3D 打印、机器人小项目需要 STEP / STL / DXF / PDF 等格式互相转换
  • 为什么 FreeCAD 有约 32k GitHub stars，却仍会被人说“上手慢”：它面对的是工程约束，不是单纯拖形状

核心要点

Section titled “核心要点”

FreeCAD 的核心可以拆成三件事：

  1. 参数化历史树。类比：做菜时不只保存成品照片，还保存菜谱步骤。FreeCAD 的对象依赖上游草图和特征，改上游参数会触发下游重新计算。

  2. 工作台分工。类比：工厂里有钣金工、装配工、制图员，各做一段流程。PartDesign 做实体零件，Assembly 处理零件关系，TechDraw 把 3D 模型变成能交给别人加工的 2D 图纸。

  3. 几何内核 + 脚本外壳。类比：发动机负责真正算形状，方向盘和仪表盘负责让人操作。OpenCASCADE / OCCT 负责 BRep、布尔、倒角等几何计算，Qt 和 Coin3D 负责界面与显示，Python API 负责自动化。

实践案例

Section titled “实践案例”

案例 1：用脚本生成一个 3D 打印支架

Section titled “案例 1：用脚本生成一个 3D 打印支架”

真实场景：做传感器、开发板或相机支架时，外形经常类似，只是孔距、板宽、壁厚不同。FreeCAD 可以用 Python 生成零件，再导出 STEP 给别人改，或导出 STL 直接切片打印。

import FreeCAD as App
import Part


doc = App.newDocument("bracket")
plate = Part.makeBox(80, 30, 5)


for x in (15, 65):
    hole = Part.makeCylinder(3, 8, App.Vector(x, 15, -1))
    plate = plate.cut(hole)


obj = doc.addObject("Part::Feature", "Bracket")
obj.Shape = plate
doc.recompute()
obj.Shape.exportStep("bracket.step")
doc.saveAs("bracket.FCStd")

逐部分解释：

  • Part.makeBox() 先做一块底板，尺寸就是设计参数
  • Part.makeCylinder() 做两个“负形状”，再用 cut() 从底板里挖孔
  • exportStep() 导出工程交换格式，saveAs() 保留 FreeCAD 的建模文件

命令行运行：

Terminal window
FreeCADCmd make_bracket.py

案例 2：把 3D 模型变成工程图

Section titled “案例 2：把 3D 模型变成工程图”

真实场景：一个零件不能只给 STL，因为加工厂、同事或未来的你还需要看尺寸、投影视图、中心线和标注。FreeCAD 的 TechDraw 工作台就是把 3D 模型整理成 PDF / SVG / DXF 图纸。

import FreeCAD as App
import TechDraw


doc = App.openDocument("bracket.FCStd")
part = doc.getObject("Bracket")
page = doc.addObject("TechDraw::DrawPage", "Page")
view = doc.addObject("TechDraw::DrawViewPart", "TopView")
view.Source = [part]
view.Direction = (0, 0, 1)
view.Scale = 1
page.addView(view)
doc.recompute()
TechDraw.writeDXFPage(page, "bracket.dxf")

逐部分解释：

  • DrawPage 是一张图纸页面，类似 A4 工程图纸
  • DrawViewPart 是从某个方向看到的零件视图
  • writeDXFPage() 把页面导出给 2D CAD、激光切割或文档流程继续使用

案例 3：批量转换供应商模型

Section titled “案例 3：批量转换供应商模型”

真实场景：供应商给你 STEP，3D 打印软件要 STL，网页预览可能要 glTF。FreeCAD 可以当作格式转换器放进脚本里，而不是每个文件都人工打开再另存。

import sys
import FreeCAD as App
import Import
import Mesh


source, target = sys.argv[1], sys.argv[2]
doc = App.newDocument("convert")
Import.insert(source, doc.Name)
doc.recompute()
objects = [o for o in doc.Objects if hasattr(o, "Shape")]
Mesh.export(objects, target)

命令行示例：

Terminal window
FreeCADCmd convert_step_to_stl.py motor_mount.step motor_mount.stl

逐部分解释：

  • Import.insert() 读取 STEP / IGES 等工程模型
  • objects 只挑有 Shape 的几何对象，避免把页面、配置对象也导出去
  • Mesh.export() 输出 STL，适合切片软件或快速预览

踩过的坑

Section titled “踩过的坑”
  1. 拓扑命名会让下游特征断掉：如果草图直接贴在某个面上，上游几何变化后 Face13 可能变成别的面，孔或倒角就跑偏。FreeCAD 1.0（2024-11） 已合入 TNP mitigation，稳定性好很多，但复杂特征链仍可能断，建模习惯仍要尽量少绑临时面号。
  2. 忘记 doc.recompute() 会以为代码没生效：FreeCAD 为了大模型性能，不是每次属性变化都立即重算。
  3. STL 不是可编辑 CAD 源文件：STL 只是三角面片，适合打印，不适合保留草图、约束和参数历史。
  4. 工程图标注不要太早做：模型还在大改时，TechDraw 维度引用可能跟着几何变化失效，最好等主体稳定后再补完整标注。

适用 vs 不适用场景

Section titled “适用 vs 不适用场景”

适用：

  • 机械小零件、支架、外壳、治具、机器人结构件
  • 开源硬件项目，需要别人能复现、修改和导出模型
  • 需要 STEP / STL / DXF / SVG / PDF 互转的个人或小团队流程
  • 会一点 Python，想把 CAD 放进批量生成、测试或 CI 里的场景

不适用：

  • 角色、雕塑、动画资产；这类更适合 Blender / ZBrush 路线
  • 大型商业机械团队强依赖成熟 PDM、供应链插件和行业标准模板
  • 只想快速拖一个视觉概念，不关心尺寸约束和后续加工
  • 初学当天就要稳定产出复杂装配，FreeCAD 的学习曲线会比较陡

历史小故事（可跳过）

Section titled “历史小故事（可跳过）”
  • 2000 年代初：FreeCAD 开始围绕 OpenCASCADE、Qt、Python 这些开源技术搭建通用 CAD。
  • 社区扩展：BIM、CAM、FEM、外部工作台和宏生态逐渐长出来，FreeCAD 不再只是零件建模工具。
  • 2024-11 FreeCAD 1.0：合入拓扑命名缓解（TNP mitigation）、集成 Assembly、材料系统与大量 UI 改进——缓解不是根除，但关键工作流明显稳了。

学到什么

Section titled “学到什么”
  1. CAD 的核心不是画图，而是维护设计关系：尺寸、约束、依赖树才决定后续能不能改。
  2. FreeCAD 把工程建模变成可编程系统：同一个模型既能由 GUI 修改，也能由 Python 生成和导出。
  3. BRep 和 Mesh 要分清：STEP / FCStd 保留工程几何，STL 更像打印用外壳。
  4. 开源 CAD 的价值在长期可复现：文件、脚本、宏、导出命令都能放进 Git，未来还能追溯。

延伸阅读

Section titled “延伸阅读”

关联

Section titled “关联”
  • blender —— Blender 更偏艺术建模和动画，FreeCAD 更偏尺寸约束和工程制造
  • krita —— Krita 处理 2D 绘画，和 FreeCAD 的实体几何形成图形工具对照
  • grbl —— GRBL 控制 CNC 机器，FreeCAD 的 CAM / 导出流程可能成为制造前一步
  • picogl —— PicoGL 解释 3D 几何最终如何被 GPU 画出来
  • raylib —— Raylib 面向游戏和交互图形，FreeCAD 面向工程几何
  • aframe —— A-Frame 可展示 3D 场景，FreeCAD 负责生成可交换的工程模型

反向链接

Section titled “反向链接”
  • kicad —— KiCad — 电子电路 CAD
  • librecad —— LibreCAD — 2D 工程绘图