Let's FreeCAD ตอน 1 – Parametric Modeling, Sketch, Constraints

หลังจากเคยแนะนำโปรแกรม FreeCAD กันไปแล้ว วันนี้จะมาอธิบายการใช้งาน FreeCAD เบื้องต้นกันครับ เริ่มจากติดตั้งโปรแกรมกันก่อน ดาวน์โหลดโปรแกรมได้ที่ FreeCAD Website แล้วก็ทำการติดตั้งโปรแกรมลงเครื่องได้เลยครับ

หน้าตาโปรแกรม

โปรแกรมจะประกอบไปด้วยส่วนประกอบ 11 ส่วนดังนี้ครับ

1. main view area ซึ่งอาจมีหลาย Tab ได้ จะเป็นส่วนแสดง Part มิติที่เรากำลังทำงานด้วยอยู่
2. 3D view เป็นพื้นที่แสดงผล Part 3 มิติ
3. tree view แสดงลำดับคำสั่งของ Part และลำดับของวัตถุในไฟล์ที่กำลังเปิด และเป็นส่วนแสดง task panel ซึ่งใช้ป้อนค่าต่างๆสำหรับคำสั่งที่กำลังใช้งานอยู่
4. property editor เป็นส่วนที่กำหนดค่า property ของ Part ที่เลือก
5. selection view เป็นส่วนที่เอาไว้สำหรับเลือก part และส่วนประกอบของ part (เช่น เส้น,พื้นผิว)
6. report view ส่วนสำหรับแสดงผล messages, warnings และ errors
7. Python console ส่วนแสดงผลคำสั่งโปรแกรม Python เป็นส่วนที่แสดงคำสั่ง python ที่ใช้ทั้งหมด และสามารถพิมพ์เพื่อเรียกใช้คำสั่งภาษา Python ได้ด้วย
8. status bar ส่วนแสดงข้อความและ tips
9. toolbar area ส่วนแสดงผลเครื่องมือและคำสั่งสำหรับการสร้าง Sketch และ Model และเป็นส่วนที่ใช้สำหรับเลือก Workbench
10. workbench selector เป็นส่วนที่เอาไว้ใช้เลือก Workbench สำหรับทำงานต่างๆกับ Part ของเรา
11. standard menu เมนูบาร์ที่แสดงคำสั่งของโปรแกรม

โดยคอนเซปต์การทำงานของ FreeCAD คือจะแบ่งงานเป็น Workbench ต่างๆ เพื่อให้เลือกใช้งานเครื่องมือได้สะดวก เช่น งานสำหรับการร่างแบบก็จะมี 2D Workbench หรืองานสร้างแบบสามมิติ ก็จะใช้ Part Workbench โดย Workbench ต่างๆนี้เราสามารถปรับแต่งหรือสร้างขึ้นมาเองก็ได้ (Custom Workbench)

สำหรับ Workbench ที่เริ่มต้นใช้งานกันบ่อยๆ สำหรับการเริ่มสร้าง Part สามมิติ คือ PartDesign Workbench และ Part Workbench

ก่อนเริ่มสร้าง Part แรก มีเรื่องที่อยากจะให้ทำความเข้าใจก่อนครับ

ความแตกต่างของ Parametric Modeling และ Direct Modeling

Parametric Modeling ใช้การสร้าง Part สามมิติ ตามประวัติของลำดับของคำสั่งที่เก็บเอาไว้ ดังนั้นผลลัพธ์สุดท้าย จะอัพเดทตามประวัติคำสั่งเสมอ เช่น หาก Part ของเราใช้ 3 คำสั่งในการสร้าง หากเราแก้ไขค่าความยาวในคำสั่งที่ 2 จะทำให้ผลลัพธ์สุดท้ายเปลี่ยนไปด้วย ดังนั้น Parametric Modeling จะสนใจ “ลำดับคำสั่ง” เป็นหลัก

แต่ Direct Modeling นั้นไม่สนลำดับการทำงานของคำสั่ง โดย Direct Modeling จะเก็บข้อมูลของ Part เอาไว้ และแสดงผลลัพธ์ตามคำสั่งที่เราสั่งดำเนินการกับ Part โดยเราไม่สามารถแก้ไขค่าต่างๆของคำสั่งที่ทำไปก่อนหน้าได้ โดยสรุปคือ Direct Modeling นั้นสนใจ “ข้อมูลของ Part” เป็นหลัก

งงล่ะสิ

อ่ะ ตัวอย่าง สมมุติว่าเราต้องการสร้างทรงกระบอกตัดเฉียง ในมุมมองของ Parametric Modeling และ Direct Modeling จะทำได้ประมาณนี้ครับ

Parametric Modeling

1. สร้าง 2D Sketch เป็นวงกลม มี เส้นรัศมีภายใน 2mm และ รัศมีภายนอก 3mm
2. ทำการ Extrude เพื่อให้เป็นทรงกระบอก ยาว 10mm
3. ทำการตัดเฉียงจากเป็นมุม 45 องศาที่บริเวณปลาย

Direct Modeling

1. สร้างทรงกระบอกขนาดรัศมี 3mm
2. ตัดไส้ตรงกลางออก ด้วยการ Substrac ด้วยทรงกระบอกรัศมี 2mm
3. ตัดเฉียงปลาย 45 องศา

ผลลัพธ์ที่ได้ของการทำงานทั้งสองแบบนั้นเหมือนกัน แต่ข้อแตกต่างสำหรับ Parametric Modeling ก็คือเราสามารถทำการแก้ไขค่า parameter ของคำสั่งได้ และเมื่อแก้ไขแล้วตัว Part เราจะ build ใหม่ตามลำดับคำสั่งและแสดงผลลัพธ์ใหม่ เช่น หากเราแก้ Sketch ในขั้นตอนที่ 1 โดยแก้รัศมีภายนอกเป็น 5mm ก็จะทำให้ตัว Part สามมิติของเราเปลี่ยนไปด้วย ซึ่งเราไม่สามารถแก้ไขแบบนี้ได้กับ Direct Modeling

ดังนั้นการออกแบบแบบ Parametric Modeling จึงเหมาะกับการออกแบบทางวิศวกรรม เนื่องจากแก้ไขได้ง่าย แต่อาจต้องอาศัยการวางแผนขั้นตอนในการสร้าง Part เนื่องจากหากวางแผนไม่ดี เวลาแก้จะทำให้ Part ไม่เป็นไปตามที่ต้องการได้ (แก้ parameter คำสั่งแล้ว Part แหว่งเป็นต้น)

Sketch, Constrain และ Degree Of Freedom (DoF)

โดยทั่วไปการสร้าง Part แบบ Parametric Modeling นั้นจะใช้การสร้างแบบสามมิติ จากภาพร่างสองมิติ (2D Sketch) โดยเริ่มวาดภาพ Sketch แล้วกำหนดขนาด จากนั้นจึงทำการสร้าง Part สามมิติด้วยคำสั่งต่างๆ (เช่น Extrude, Revolve เป็นต้น) ซึ่งในขั้นตอนการสร้างภาพสองมิตินั้น เราสามารถจะกำหนด Constrain ต่างๆเพื่อให้ง่ายต่อการสร้างแบบได้ เช่น ต้องการให้เส้นนี้เป็นแนวนอนเท่านั้น หรือกำหนดระยะของเส้นและมุมต่างๆในแบบ จะสามารถทำได้โดยการใส่ Constrain ให้กับวัตถุสองมิติ

โดยการกำหนด Constrain นี้ หากเรากำหนดไม่ครบ จะทำให้จุดหรือเส้นของเราขยับได้ เรียกว่า Degree Of Freedom ไม่เป็น 0 ซึ่งจะทำให้มีปัญหาในอนาคตหากมีการแก้ไข ดังนั้นการสร้าง Sketch ที่ดี จึงควรกำหนด Constrain ต่างๆให้ครบ จน Degree Of Freedom เป็น 0 จากนั้นจึงเริ่มใช้คำสั่งสร้าง Part สามมิติ

แต่การกำหนด Constrain เกิน ก็ทำให้เกิดปัญหาเช่นกัน เพราะ Constrain จะตีกันได้และจะทำให้เกิด error ในการสร้าง Part สามมิติ ถ้าหากเกิด Over Constrain เราต้องลบ Constrain บางส่วนออกเพื่อให้ DoF ของ Sketch เป็น 0

เริ่มสร้าง Part แรกกันเลยดีกว่า

เวลาเขียนโปรแกรม ชอบเริ่มกันด้วย “Hello World” งั้นในการเริ่มสร้าง Part ผมขอเริ่มด้วยการสร้างตัว H แล้วกันนะครับ โดยแบบร่างของตัว H ที่จะสร้างเป็นดังนี้

โดยการสร้างแบบสามมิติอาจจะทำได้หลายวิธี ซึ่งเป็นเสน่ห์ของ Parametric Modeling เลยก็ว่าได้ บางคนอาจจะร่างแบบเป็นตัว H ขึ้นมาก่อนแล้ว Extrude ทีเดียว หรือบางคนอาจจะสร้างสี่เหลี่ยมต่อๆกันไปจนเป็นรูปตัว H ก็ทำได้เช่นกัน ซึ่งอาจจะมีวิธีอื่นๆอีก แต่ผมจะแสดงแค่สองวิธีนี้นะครับ

วิธีแรก สร้างตัว H ก่อนแล้ว Extrude

1.กดสร้าง Document ขึ้นมาก่อน

2.กด Create Body

3.กด Create Sketch

4.หลังจากกด Create Sketch ให้เราเลือก Plane เป็น XY Plane แล้วกด Ok ได้เลยครับ

5.โปรแกรมจะพามาหน้า Sketcher Workbench ให้อัตโนมัติ และเราสามารถเริ่มสร้างตัว H จาก Tool ด้านบนได้ทันที

สำหรับการควบคุมมุมมองอันนี้เลือกได้ตามถนัด ผมถนัดของ Blender จึงเลือกแบบ Blender ที่มุมขวาล่างครับ (คลิกกลางเมาส์เป็น pan view, กด shift ค้าง+คลิกกลางเป็นการเลื่อน)

6.คลิกที่ Create Line จากนั้นเอาเมาส์ไปจ่อที่จุด Origin (จุดตัดแกนสีแดง) จนจุดมีสีเหลือง แล้วคลิก 1 ครั้ง ขยับขึ้นไปข้างบน 12 นาฬิกา และจ่อเส้นให้เป็นสีเหลือง แล้วคลิกเพื่อสร้างเส้น (โปรแกรมจะสร้าง Constrain ให้จุดล็อคอยู่บนเส้นให้อัตโนมัติ)

7.หลังจากนั้น ใส่เส้นและกำหนดขนาดไปเรื่อยๆ จนครบตัว H

8.จากนั้นกด Close Sketch แล้วเลือก Extrude ด้วยความหนา 2mm ก็จะได้ Part ตามแบบที่เราร่าง Sketch แล้วครับ นอกจากนี้เรายังทำ Fillet หรือ Shamfer ได้เหมือนใน SolidWorks เลย

วิธีที่สอง ต่อสี่เหลี่ยมออกไปเรื่อยๆจนเป็นตัว H

ก็ประมาณนี้สำหรับการสร้าง Part ด้วย FreeCAD ซึ่งยังมีเครื่องมืออื่นๆให้ใช้งานอีก เช่น การเจาะ, การ Revolved ซึ่งสามารถลองเสิจหาวิธีการหรือ Tutorial จาก Google ได้เลยครับ

ก่อนจะจบ เพื่อทบทวนความเข้าใจ ฝากการบ้านไปทำกันนะครับ

ไม่ยากไปใช่ไหม? หากมีข้อสงสัย comment ถามได้เลยครับ 🙂