实操 Lab：用 FreeCAD 建一个带孔矩形板

本 Lab 带你完成第一个 CAD 建模实践：在 FreeCAD 中创建一个带孔的矩形板，导出 STEP 和 STL 两种格式，并对比它们的差异。

实验目标

1. 熟悉 FreeCAD 的 Part Design 工作区基本操作

2. 理解"基于特征的参数化建模"流程

3. 掌握 STEP 和 STL 的导出方法

4. 直观感受两种格式的文件结构差异

5. 为后续阅读 Mini-Lab：STEP 与 STL 格式对比实验 建立实践基础

准备环境

软件：FreeCAD <https://www.freecad.org/downloads.php>`_（免费开源，支持 Windows/macOS/Linux）

建议版本 ： 0.20 或更新版本

预计时间 ： 30-45 分钟（首次使用 FreeCAD 可能需要额外时间熟悉界面）

零件规格

几何参数：

• 外形：100 mm × 60 mm × 10 mm 矩形板

• 通孔：直径 20 mm，位于板中心（距两边各 50 mm × 30 mm）

• 材料：不限（本次练习仅关注几何形状）

FreeCAD 建模步骤

步骤 1：新建文档并进入 Part Design 工作区

1. 打开 FreeCAD

2. 点击 File → New（或 Ctrl+N）新建一个空白文档

3. 在工作区选择器（界面中央上方或左侧面板）中选择 Part Design

4. 点击 Create body 按钮创建一个 Body（实体容器）

步骤 2：创建基础草图（Sketch）

1. 在左侧的 Tasks 面板中，点击 Create sketch

2. 选择 XY_Plane（或 Base Plane 中的 XY 平面）作为草图平面，点击 OK

3. 现在进入了 Sketcher 工作区

绘制矩形：

1. 点击工具栏上的 Create rectangle 图标

2. 在原点附近点击一下确定第一个角点

3. 移动鼠标，在右上方再点击一下确定对角点

4. 按 Esc 键结束矩形绘制

标注尺寸：

1. 点击 Dimension（约束尺寸）图标

2. 点击矩形底边，输入 100 mm，按 Enter

3. 点击矩形左边，输入 60 mm，按 Enter

4. 点击矩形的两个相邻顶点，然后点击原点，选择 Symmetric constraint（对称约束），使矩形中心与原点重合

备注

如果对称约束操作不熟悉，可以：先画矩形 → 标注 100 mm 和 60 mm → 选择矩形中心和原点 → 添加 Coincident constraint（重合约束），使矩形中心位于原点。

关闭草图：

点击 Close 按钮（或按 Esc 后点击左上角的 Close），退出 Sketcher 回到 Part Design。

步骤 3：拉伸为三维实体（Pad）

1. 确保左侧模型树中选中了刚创建的 Sketch

2. 点击工具栏上的 Pad（拉伸）图标

3. 在弹出的任务面板中： - Type ： Dimension - Length ： 输入 10 mm

4. 点击 OK

现在你应该看到一个 100×60×10 mm 的蓝色矩形块。

步骤 4：在顶面创建孔的草图

1. 点击 Create a new sketch 图标

2. 选择矩形块的**顶面**（Z 轴正方向的面）作为草图平面，点击 OK

3. 进入 Sketcher 工作区

绘制圆：

1. 点击 Create circle 图标

2. 点击原点（矩形中心）作为圆心

3. 移动鼠标确定半径，再点击一下

标注直径：

1. 点击 Dimension 图标

2. 点击圆周

3. 输入 20 mm，按 Enter

关闭草图：

点击 Close 退出 Sketcher。

步骤 5：创建通孔（Pocket / Hole）

方法一：使用 Pocket

1. 选中刚创建的圆的 Sketch

2. 点击工具栏上的 Pocket（挖槽）图标

3. 在任务面板中： - Type ： Through all（贯穿全部）

4. 点击 OK

现在你应该看到矩形板中心有一个直径 20 mm 的通孔。

方法二：使用 Hole 特征（推荐）

1. 选中顶面的圆形草图

2. 点击工具栏上的 Hole 图标

3. 在任务面板中： - Profile ： Drilled（钻孔） - Diameter ： 20 mm - Depth ： Through all（贯穿）

4. 点击 OK

保存文件

点击 File → Save，将文件保存为 plate-with-hole.FCStd。

导出 STEP 格式

STEP 格式保留了精确几何和拓扑信息，适合 CAD 系统间的数据交换。

导出步骤

1. 点击 File → Export

2. 在文件类型下拉框中选择 STEP with colors (*.step *.stp) 或 STEP (*.step *.stp)

3. 输入文件名 plate.step

4. 点击 Save

验证导出

用文本编辑器（如 VS Code、Notepad++）打开 plate.step，观察以下内容：

ISO-10303-21;
HEADER;
  FILE_DESCRIPTION((''), '2;1');
  FILE_NAME('plate.step', '2024-...', ...);
ENDSEC;
DATA;
  #1 = CARTESIAN_POINT('', (0., 0., 0.));
  #2 = DIRECTION('', (0., 0., 1.));
  ...
END-ISO-10303-21;

检查清单：

• [ ] 文件以 ISO-10303-21; 开头

• [ ] 包含 HEADER 和 DATA 两个主要部分

• [ ] 能找到 CARTESIAN_POINT、DIRECTION 等几何实体

• [ ] 能找到描述圆柱面（孔）的相关实体

导出 STL 格式

STL 格式将实体表面近似为三角面片，是 3D 打印机的标准输入格式。

导出步骤

1. 先切换到 Mesh Design 工作区（工作区选择器）

2. 在模型树中选中 Body（或最终的实体）

3. 点击菜单 Meshes → Create Mesh from Shape...

4. 在弹出的对话框中： - Meshing ： Standard - Surface deviation ： 0.01 mm（越小越精确，文件越大） - 勾选 Apply 然后点击 OK

5. 在模型树中会出现一个新的 Mesh 对象

6. 选中 Mesh 对象

7. 点击 File → Export

8. 选择 Mesh formats (*.stl *.ast *.bms ...)

9. 输入文件名 plate.stl

10. 点击 Save

备注

较新版本的 FreeCAD 也可以在 Part 工作区直接通过 File → Export 导出 STL，系统会自动进行网格化。

验证导出

用文本编辑器打开 plate.stl （ASCII 格式），观察以下内容：

solid plate
  facet normal 0 0 1
    outer loop
      vertex 0 0 10
      vertex 100 0 10
      vertex 100 60 10
    endloop
  endfacet
  ...
endsolid plate

检查清单：

• [ ] 文件以 solid ... 开头，以 endsolid ... 结尾（ASCII STL 格式标志）

• [ ] 包含多个 facet （三角面片）定义

• [ ] 每个 facet 包含 outer loop 和 3 个 vertex

STEP 与 STL 对比

对比维度

STEP vs STL 导出结果对比

对比项	STEP (.step)	STL (.stl)
文件大小	通常较小（精确描述）	通常较大（大量三角面）
几何精度	精确（数学方程描述）	近似（三角面片逼近）
孔的边缘	完美的圆（圆柱面方程）	多边形近似（取决于细分精度）
可编辑性	可导入其他 CAD 继续编辑	难以修改特征和参数
主要用途	CAD 交换、CAM 编程	3D 打印、快速原型

思考题：

1. 你的 plate.step 和 plate.stl 文件大小分别是多少？

2. STL 文件中大约有多少个三角面？（搜索 facet 出现的次数）

3. 如果将 Surface deviation 改为 0.1 mm（更粗糙），STL 文件大小会如何变化？

4. 为什么 3D 打印机需要 STL 而不是 STEP？

练习检查清单

建模完成：

• [ ] FreeCAD 中创建了 100×60×10 mm 的矩形板

• [ ] 矩形板中心有直径 20 mm 的通孔

• [ ] 文件保存为 plate-with-hole.FCStd

STEP 导出：

• [ ] 成功导出 plate.step

• [ ] 能用文本编辑器打开并识别文件结构

• [ ] 能找到描述圆柱面的几何实体

STL 导出：

• [ ] 成功导出 plate.stl

• [ ] 能用文本编辑器打开并识别文件结构

• [ ] 能数出三角面片的大致数量

理解验证：

• [ ] 能解释 STEP 和 STL 的文件大小差异原因

• [ ] 能说出 STEP 的两个主要用途

• [ ] 能说出 STL 的两个主要用途

• [ ] 知道在 FreeCAD 中如何修改孔的位置或直径（回到 Sketch 修改尺寸）

进阶挑战（可选）

完成基础练习后，可以尝试：

挑战 1：改变孔的位置

1. 双击 Hole 特征之前的 Sketch（顶面圆）

2. 修改圆心位置，使孔偏离中心（如 X=30, Y=20）

3. 观察模型如何自动更新

4. 重新导出 STEP 和 STL，对比文件变化

挑战 2：增加倒角

1. 回到 Part Design 工作区

2. 选中顶面的四条边

3. 点击 Chamfer （倒角）图标

4. 设置倒角尺寸为 2 mm

5. 观察导出 STL 后三角面数量的变化

挑战 3：对比不同偏差设置

1. 分别用 Surface deviation = 0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm 导出 STL

2. 记录每个文件的三角面数量和文件大小

3. 思考：更小的 deviation 意味着什么？

相关页面

• FreeCAD 导出 STEP/STL 检查清单：完成建模后，继续阅读导出检查清单，系统验证 STEP/STL 导出结果

• Mini-Lab：STEP 与 STL 格式对比实验：更深入地理解 STEP 与 STL 格式的本质差异

• 工作流路线图：从设计到制造：了解这个练习在整个 CAD/CAM 工具链中的位置

• 案例 A：从 CAD 模型到 G-code：了解从 CAD 模型到加工代码的完整流程

常见问题

Q：FreeCAD 界面全是英文，可以切换中文吗？

A：可以。Edit → Preferences → General → Language，选择 Chinese (Simplified)，重启 FreeCAD。

Q：Sketcher 中约束变红是什么意思？

A：红色表示**过约束**（Over-constrained）——你给同一个几何元素添加了互相冲突的约束。删除多余的约束即可。

Q：为什么我的孔不是通孔？

A：检查 Pocket/Hole 的深度设置。确保选择了 "Through all" 或深度大于板厚（10 mm）。

Q：导出 STL 时提示 "No mesh selected" 怎么办？

A：确保先在 Mesh Design 工作区中通过 Create Mesh from Shape 创建了网格对象，然后选中该网格对象再导出。

Q：可以在 FreeCAD 中直接生成 G-code 吗？

A：FreeCAD 有 Path（CAM）工作区可以生成刀具路径和 G-code，但功能相对基础。对于专业加工，通常使用 Mastercam、Fusion CAM 等专用 CAM 软件。