第04章：草图 Sketcher 与约束建模
1. 草图为什么重要
在 FreeCAD 中，草图是大多数参数化实体的二维基础。PartDesign 的 Pad、Pocket、Revolution、Groove、Loft、Pipe 等特征通常都依赖草图。草图不是简单线条，而是一组带有几何约束和尺寸约束的对象。
优秀草图具有三个特点：
- 轮廓清晰，能表达设计意图。
- 约束充分，几何不会因拖动而意外变化。
- 简洁稳定，避免过多不必要元素和复杂交叉。
2. 创建草图
创建草图时需要选择平面。常见方式：
- 在 PartDesign Body 中选择 XY、XZ、YZ 基准平面创建草图。
- 选择实体的平面面创建草图。
- 创建 Datum Plane 后在基准平面上建草图。
建议初学者优先使用基准平面或 Datum Plane，不要过度依赖模型中间生成的面。直接引用生成面更容易遇到拓扑命名问题：上游特征改变后，面编号变化，下游草图可能挂到错误面上。
3. 几何元素
Sketcher 支持常用几何：
- 点、线段、折线。
- 圆、圆弧、椭圆、B 样条。
- 矩形、槽、正多边形。
- 外部几何引用。
- 构造线和构造点。
构造几何不会作为轮廓参与拉伸或切除，但能提供约束参考。复杂草图中应善用构造线表达对称轴、中心线、辅助定位。
4. 几何约束
几何约束定义元素之间的关系：
- 重合：点与点、点与线端点相连。
- 水平/垂直：线段方向固定。
- 平行/垂直：两线关系固定。
- 相等：长度或半径相同。
- 对称：两个点围绕中心线或点对称。
- 切线：圆弧与线或圆弧平滑相接。
- 同心：圆心重合。
几何约束优先表达设计关系，尺寸约束再控制数值。不要一开始就给所有线段标尺寸，否则草图会变得冗余且难修改。
5. 尺寸约束
尺寸约束包括长度、距离、水平距离、垂直距离、半径、直径、角度等。使用原则：
- 先固定位置基准，再定义尺寸。
- 优先使用水平/垂直距离，而不是斜向距离，以减少求解歧义。
- 对对称结构使用对称约束和少量尺寸。
- 关键尺寸命名，便于表达式引用。
命名尺寸后可以在表达式中引用。例如把孔径命名为 HoleDia，后续特征或 Spreadsheet 可以复用这个参数。
6. 完全约束与自由度
Sketcher 会显示草图自由度。完全约束并不意味着草图一定正确，但未完全约束的草图在参数变更时更容易变形。建议正式模型尽量完全约束。
处理自由度的方法：
- 拖动蓝色元素，观察可移动方向。
- 添加几何约束固定关系。
- 添加必要尺寸。
- 避免用锁定约束掩盖设计关系。
- 删除重复或冲突约束。
7. 草图轮廓质量
用于实体特征的草图应满足：
- 闭合轮廓。
- 没有重复线段。
- 没有微小缝隙。
- 没有自交轮廓。
- 内外轮廓关系清晰。
如果 Pad 或 Pocket 失败，优先检查草图是否闭合。可以使用验证草图工具查找缺口、重合点和冗余元素。
8. 外部几何引用
外部几何可以引用其他对象的边或点，便于让草图对齐已有结构。但引用过多会形成脆弱依赖。建议：
- 引用稳定基准，如 Datum Plane、Datum Line、Origin 轴。
- 避免引用复杂特征生成的临时边。
- 对关键位置使用 ShapeBinder 或 SubShapeBinder 管理引用。
- 模型改变后检查外部引用是否仍指向正确对象。
9. 草图建模练习
建议练习一个法兰盘草图：
- 在 XY 平面画中心圆。
- 画外径圆和内孔圆。
- 添加一条构造半径线。
- 在半径线上放置一个螺栓孔圆。
- 约束孔圆心与中心距离。
- 通过极阵列或后续 Pattern 生成多个孔。
这个练习可以理解中心、半径、孔径、对称和阵列之间的参数关系。