Sketcher Tutorial/de

Einleitung
Im Arbeitsbereich Zeichnen werden zweidimensionale Zeichnungen wie beim Zeichnen auf einem Blatt Papier angefertigt. Sie sind die Vorarbeit für dreidimensionale Objekte, die z.B. im Arbeitsbereich Körper-Entwurf (partDesign) modelliert werden.

Das Zeichnen mit einem CAD-Programm, insbesondere mit einem parametrischen 3D-Programm - z.B mit FreeCAD - unterscheidet sich vom traditionellen Anfertigen z.B. einer technischen Zeichnung deutlich und ist gewöhnungsbedürftig. Die Unterschiede sollen in dieser Übung an einem Dreieck und anderen geometrischen Figuren gezeigt werden.

Vorbereitungen zum Zeichnen in FreeCAD
Die FreeCAD-Arbeit erfolgt innerhalb eines Dokumentes (File-Endung .FCStd). Das Zeichnen geschieht vorwiegend im Arbeitsbereich Zeichnen (Sketch), aber auch in anderen Arbeisbereichen.


 * Falls noch kein Dokument geöffnet ist, muss eine neues Dokument erzeugt werden: Menü Datei > Neu.
 * Arbeitsbereich Zeichnen (Sketcher) einstellen: Menü Ansicht > Arbeitsbereich > Zeichnen (Sketcher)
 * leeres Blatt erzeugen: auf Zeichnung (Sketch) erstellen[[Image:Sketcher_NewSketch.png‎‎|24px]]  klicken (alternativ über das Menü Zeichnen (Sketch) > Zeichnung (Sketch) erstellen)

Im daraufhin erscheinenden Dialog wird die Zeichenebene festgelegt. Sie kann durchaus im Raum liegen. I.d.R. wird aber eine Ebene des xyz-Koordinatensystems gewählt.
 * vorgeschlagene xy-Ebene  (keine Richtungsumkehr, kein Offset) annehmen >  OK

Als Zeichnungs-Unterlage erscheinen ein Gitter und die x- und die y-Achse (Nullpunkt = roter Punkt in Mitte des Zeichnungsfensters).

An open document is needed in order to make a sketch. When there is no open document, a new one will be created by clicking on The sketcher workbench has to be selected:

traditionelle Konstruktion
Die traditionelle zeichnerische Konstruktion bei Vorgabe der drei Seiten-Längen ist im folgenden Bild gezeigt.




 * Grundlinie (Baseline) zeichnen
 * an beiden Enden der Grundlinie je einen Kreisbogen (Construction Arc) mit den Radien gleich der beiden anderen Dreiecksseiten zeichnen
 * zwischen Schnittpunkt der  Kreise und  Endpunkten der Grundlinie je eine andere Seite zeichnen

Konstruktion in FreeCAD
Die Besonderheit gegenüber der traditionellen Methode ist, dass zunächst nur prinzipiell ein Dreieck angefertigt wird. Die Eigenschaften des Dreiecks (hier: die Seiten-Längen) werden erst anschließend festgelegt. Als schnellstes Werkzeug wird das zum Zeichnen eines Linienzugs verwendet.


 * auf Linienzug erstellen[[Image:Sketcher_CreatePolyline.png|36px]] klicken und mit 4 Klicks auf beliebige Stellen der Zeichenebene ein Dreieck zeichnen (4. Klick auf oder nahe beim ersten Punkt); beenden mit rechtem Mausklick
 * mit der Maus über 1. und 4. Punkt ziehen (Auswahl der Punkte auch durch einzelnes Anklicken der Punkte möglich) und auf Punkt zu Punkt [[Image:Constraint_PointOnPoint.png|24px]] klicken.

Die letzte Maßnahme bewirkte, dass das Dreieck tatsächlich geschlossen ist und nicht die Enden zweier Geraden an dieser Stelle nur aufeinander liegen.



Das Dreieck ist noch veränderbar. Die Eckpunkte können angeklickt und verschoben werden. Die Seiten werden dabei gedehnt oder gestaucht.

Wenn gewollt, so kann man die untere Seite wird wie folgt horizontal gemachen:
 * untere Seite anklicken
 * auf horizontal machen [[Image:Constraint_Horizontal.svg|12px]] klicken



Festlegen der Seiten-Längen: Das nachfolgende Bild zeigt das obige Dreieck mit jetzt gewählten Seitenlängen 35 mm, 27 mm und 25 mm.
 * 3 Seiten nacheinander anklicken (Farbwechsel)
 * jeweils auf Distanz festlegen[[Image:Constraint_Length.png|12px]] klicken
 * jeweils Länge im Dialog-Fenster wählen > OK

Each length of the side is now easily defined by selecting it with the mouse: selected item turns into green. When clicking on the length tool, a dialog opens and the desired length can be put in. The picture below shows a triangle with side lengths set to 35 mm, 27 mm and 25 mm. The baseline was set horizontally by selecting it and clicking on the horizontal constraint tool.

Das Dreieck selbst ist damit vollständig bestimmt. Die Zeichnung wäre aber erst "fertig" (fully constrained), wenn Lage und Drehrichtung relativ zum Koordinatensystem bestimmt wären.

allgemeines Dreieck

 * zwei benachbarte Seiten des Dreiecks nacheinander anklicken; auf Winkel festlegen [[Image:Constraint_InternalAngle.png|16px]] klicken und Winkel eintragen; Vorgang für zweiten Winkel wiederholen



Eine Seitenlänge noch festlegen (s.o.).

rechtwinkliges Dreieck
Ein Winkel sei bereits festgelegt (s.o.).
 * zweiter Winkel sei 90°: Nach Auswahl der Seiten, zwischen denen der Winkel 90° sein soll, auf Orthogonalität [[Image:Constraint_Perpendicular.png|16px]] klicken.



Eine Seitenlänge noch festlegen (s.o.).

gleichseitiges Dreieck

 * alle drei Seiten auswählen und auf  Gleichheit[[Image:Constraint_EqualLength.png|16px]] klicken



Eine der 3 Seitenlängen noch festlegen (s.o.).


 * Isoscales triangle (two identical length) with given height: Select first the two sides with the equal length. A click on [[Image:Constraint_Symmetric.png|32px]] sets a equality between the two sides. Then select the base line and the top vertex and click the [[Image:Constraint_Length.png|32px]] length tool.


 * gleich lang zu machende Seiten auswählen; auf  Gleichheit festlegen [[Image:Constraint_EqualLength.png|16px]] klicken.
 * dritte Seite und den ihr gegenüberliegenden Eckpunkt auswählen und auf Distanz festlegen  [[Image:Constraint_Length.png|16px]] klicken und Höhen-Wert eintragen



Eine Seitenlänge oder einen Dreieckswinkel noch festlegen (s.o.).

Beschränkungen (constraints)
Das nachträgliche Festlegen von Längen, Winkeln, Horizontalität, Rechtwinkligkeit und Gleichheit werden als Beschränkungen (constraints) bezeichnet. Dabei wird vorwiegend zwischen dimensionalen (dimensional, z.B. die Seitenlängen) und geometrischen (geometric, z.B. die Horizontalität) unterschieden, s.a. Kurzanleitung zum Parametrisieren.

Das oben angefertigten Dreiecke sind zwar vollständig bemaßt, aber die Gesamt-Zeichnung ist noch nicht komplett be- oder eingeschränkt (fully constraint), denn die Lage (Abstände vom Koordinatenursprung und Winkel zu einer Koordinatenachse) der Dreiecke ist noch unbestimmt.

Beschränkungen (constraints) sind nicht allein operative Vorgänge sondern auch mit Namen gekennzeichnete Größen. Der Wert einer solchen Größe ist z.B. der Zahlenwert einer dimensionalen Beschränkung in Verbindung mit einer Einheit (z.B. Dreieck-Seitenlänge a = 25 mm). Eine geometrische Beschränkung heisst zum Beispiel Horizontalität mit den Werten wahr (true) oder nicht wahr (falsch/false). Die in einer Zeichnung geltenden, mit Namen und Wert versehenen Beschränkungen sind das wesentliche Merkmal der sogenannten parametrischen CAD-Programme. Sie werden deshalb anstatt als Größen als Parameter bezeichnet. Die Verallgemeinerung einer bestimmten geometrischen Eigenschaft zu einer Variablen mit Namen (Parameter) macht sie im CAD-Programm leicht auffind- und veränderbar, was den Vorteil parametrischer Modellierung ausmacht.

Der Vorteil ist, dass die geometrischen Eigenschaften eines gezeichneten Entwurfs schnell veränderlich sind. Die mitunter aufwändige Zeichnungsänderung oder -neuanfertigung entfällt. Die Änderung des Wertes eines oder mehrerer Parameter führt sofort zur automatisch durchgeführten Änderung oder Neuanfertigung.

Vollständige Beschränkung
Die oben gezeigten Dreiecke bestehen aus weissen Linien. Dies deutet darauf hin, dass der Freiheitsgrad ihres Entwurfs nicht Null ist. Man kann dies überprüfen, indem man an den Eckpunkten oder den Linien zieht und eine Änderung feststellt. Bei vollständiger Beschränkung bleibt die Figur stabil, und alle Linien sind grün geworden.

Zur vollständigen Beschränkung einer Zeichnung in FreeCAD gehören nicht nur die dimensionalen und geometrischen Festlegungen. Die Positition der Figuren in der Zeichnung müssen auch relativ zum Zeichenblatt, respektive zum Koordinatensystem angegeben sein.

If the triangle properties are defined, it still needed to be fixed in the drawing plane. The sketcher drawing plane has a coordinate system. The origin of the coordinate system is visible as the red dot in the center of the pink x-axis and light-green y-axis. The easiest way to fix it, is selecting a vertex and clicking at. This adds a horizontal and a vertical distance from the vertex to the origin of the coordinate system. The triangle may still have an degree of freedom for rotation. So one sides needs a horizontal or vertical constraint or an defined angle to one of the coordinate system axes. The next picture shows a fully constraint sketch. All lines and vertices have now a green color.



Mehr über Beschränkungen
Die Verwaltung der parametrisierten Zeichnung erfolgt ohne direkten Bezug auf die in ihr enthaltenen geometrischen Figuren. Vorwiegend werden nur die Koordinatenwerte der in ihr enthaltenen Punkte festgehalten. Dass z.B. drei solche Punkte die Ecken eines Dreiecks sind, bleibt offen. Es kann somit passieren, dass nach einer Änderung eines Parameter-Wertes über einen Schwellwert hinaus eine andere, völlig unerwartete andere Zeichnung entsteht. Der Vorteil des parametrischen Arbeitens wird somit etwas geschmälert.

Beispiel: Aneinanderreihen gleich langer Strecken
Ein einfaches Beispiel ist die Aneinanderreihung von fluchtenden, gleich langen Geraden. Im folgenden Bild sind 3 Geraden die Beschränkungen Parallelität und Gleichheit   und  die Gesamtlänge 10 mm zugeordnet.



Das nächste Bild zeigt ein unerwartetes Ergebnis, nachdem die Gesamtlänge zunächst auf 1000 mm erhöht und dann auf 5 mm reduziert wurde: 2 Linien (die rechten) sind jetzt aufeinander gefaltet. Die dritte (die linke) hängt an diesem 2er-Packet. Alle Linien sind wie vorgegeben gleich lang, untereinander parallell und zueinander fluchtend (teils rückwärts). Das Maß zwischen Anfangs- und Endpunkt (der vorherigen Kette) ist wie gefordert 5 mm.



Für dieses Problem gibt es folgende (für die manche aber keine) Lösung: Statt der Beschränkung auf Parallelität wird zwischen den Linien ein 180°-Winkel festgelegt. Dann ist die nach Parameterwerte-Änderungen im Programm stattfindende Neuberechnung der Zeichnung eindeutig.

Im Beispiel kann das angegebene Maß nun beliebig geändert werden.



Anmerkung: Das Zeichnen aneinanderhängender Linien erfolgt mit Vorteil mittels Werkzeug Linienzug.

Beispiel: Winkel aus zwei Linien
Es folgen ein paar unterschiedliche Beschränkungs-Kombinationen für einen aus zwei Geraden gebildeten rechten Winkel. Die beiden ersten Kombinationen sind nicht resistent gegen Umkippen des Winkels bei größerer Änderung einer Dimension (10 mm horizontaler Abstand vom Koordinatenursprung).

Kombination 1



Die Längen der Winkel-Schenkel sind der der blauen Konstruktionslinie gleich gemacht:. Die Schenkel sind horizontal  bzw. vertikal  vorgeschrieben.

Beim Vergrößern des horizontalen Abstands vom Koordinatenursprung von 10 mm auf mindestens 51 mm kippt der Winkel um (Spiegelung um eine vertikale Achse).

Kombination 2



Die Länge des horizontalen Schenkels ist angegeben. Ihr ist die Länge des vertikalen Schenkels gleich gemacht:. Die Schenkel sind horizontal  bzw. vertikal  vorgeschrieben.

Beim Vergrößern des horizontalen Abstands vom Koordinatenursprung von 10 mm auf mindestens 82mm kippt der Winkel um (Spiegelung um eine horizontale Achse).

Kombination 3



Die Festlegungen sind denen in Kombination 1 gleich mit Ausnahme der Orientierung des horizontalen Schenkels. Sie ist mit dem Winkel 90° gegen den vertikalen Schenkel festgelegt:

Das Vergrößern des horizontalen Abstands vom Koordinatenursprung  bewirkt keine Änderung der Orientierung des Winkels (gestestet bis Abstand = 82 km).

Zusammenfassung
Die Untersuchungen haben folgendes gezeigt: größere Veränderungen der Längenmaße können dazu führen, dass sich die Orientierung einzelner Linien des Entwurfs ändert, weil mehrere Lösungen des dazugehörigen Gleichungssystems existieren. Die einzigen Beschränkungen, die die Orientierung der Linien immer beibehalten, sind die Winkelbeschränkung und die vertikale/horizontale Distanzbeschränkung. Die Unterschiede zwischen den übrigen Beschränkungen bezüglich des Beibehaltens der Orientierung sind geringfügig.

Empfehlung
An kritischen Stellen Winkelbeschränkungen und horizontale/vertikale Distanzbeschränkungen anwenden, um den Entwurf stabiler gegen ungewollte Veränderungen zu machen.

Überbeschränkungen
Weil verschiedenartige Maßnahmen faktisch die gleiche Beschränkung zur Folge haben können, kann es beim Arbeiten passieren, dass man "zu viel des Guten tut". Das FreeCAD-Programm ist grundsätzlich so ausgelegt, dass solche Fälle erkannt und zur Rücknahme einer Maßnahme aufgefordert wird. Dennoch gibt es auch unbemerkte Situationen, die zum Fehlverhalten des Proramms führen können.

Ein Beispiel ist im folgenden Bild gezeigt. Die beiden Geraden sind bereits auf gleiche Länge und horizontal   zueinander fluchtend  festgelegt, was aber beim über den gemeinamen Verbindungspunkt symmetrisch machen nicht als Überbeschränkung erkannt wird.

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Zeichnen mit Hilfslinien
Zum Zeichnen lassen sich Hilfslinien - auch Konstruktuionslinien genannt - benutzen. Zu ihrer Anfertigung ist in den Hilfslinien-Modus (Konstruktions-Modus) umzuschalten:  (Alternativ: Zeichnen > Skizzengeometrien > Konstruktionsmodus). Die Linien in den Icons der Zeichen-Werkzeuge werden blau und die im Folgenden gezeicheten Hilfslinien ebenfalls. Diese werden nur während des Zeichnens angezeigt. Nach dem Schließen des Zeichnen-Modus' sind sie ausgeblendet.

Eine bereits gezeichnete Linie kann durch Klicken auf dasselbe Icon zur Hilfslinie gemacht werden, und umgekehrt.

In the first part was shown, that helper constructions are not necessary for the triangle. But nevertheless the sketcher provides construction geometry, which is useful for more complex problems. Any line can be converted to a construction line with the button. The construction lines are shown in the sketch as blue lines. They can be used for constraints in the same way as other lines, but are not shown and not used when the sketch is closed.

Beispiel: Zeichnen eines Rechtecks mit Seitenverhältnis im Goldenen Schnitt
Im folgenden Bild ist eine Vorschrift für die geometrische Konstruktion  des Goldenen-Schnitt-Verhältnisses gezeigt.



Die Konstruktionsschritte sind:


 * 1) eine Linie AB und eine dazu senkrechte, halb so lange Linie BC zeichnen; rechtwinkliges Dreieck vervollständigen: Hypotenuse AC zeichen
 * 2) einen Bogen um Punkt C mit Radius BC zeichnen (Bogen schneidet die Hypotenuse AC im Punkt D)
 * 3) einen Bogen um Punkt A mit Radius AD zeichnen (Bogen schneidet die Linie AB im Punkt E)

Der Punkt E teilt die Linie AB in die Segmente AE und EB im Verhältnis des Goldenen Schnitts (etwa 1,618 : 1).

1/1,618 ist die Hälfte von Wurzel aus 5, abzüglich 1/2. Die zeichnerische Konstruktionsvorschrift nutzt die Tatsache, dass in einem rechtwinkligen Dreieck mit Kathetenlängen 0,5  und 1  die Hypotenusenlänge  die Hälfte von Wurzel aus 5 ist.

Arbeitsschritte in in FreeCAD:


 * ein Rechteck zeichnen: klicken auf Rechteck[[Image:Sketcher_Rectangle.svg|8px]] (zwei diagonale Punkte setzen)

Das folgende Bild zeigt das Ergebnis. FreeCAD hat automatisch Beschränkungen für Horizontalität und Vertikalität an den vier Linien verfügt. Das Rechteck kann deshalb nicht gedreht werden.



The rectangle should stay in the center of the coordinate system. To achieve this, a symmetry constraint is added to a horizontal line. This is done by selecting first the two vertices of the horizontal line and then the vertical axis of the coordinate system. The symmetry constraint is added by clicking on the button. The same is done for a vertical line, but instead now the horizontal axis is selected as symmetry axis. The picture below shows the result. The rectangle stays now at the center and can only be resized but not moved.

Das Rechteck bleibt nun zentriert und kann nur noch in der Höhe geändert werden. Die Ermittlung des Höhen-Werts ist die gestellte Aufgabe.



This was the preparation for the rectangle. The top horizontal line should be the distance AS of the golden ration construction. An additional line is needed to represent the SB-distance. It is drawn a little bit skewed as shown below. This avoids the auto-constraining to horizontal. This line should instead be constrained later with a 180°-angle, in order to avoid the existence of multiple solutions to the constructed constrain-combination. If the line is drawn with an horizontal constrained, the sketcher will complain later at adding the 180°-angle constrained. The horizontal constrained has to be removed in such a case. The picture shows how to add an angle-constraint by selecting two lines and clicking at. After adding a line, it is often advisable to drag at the line with the mouse. This will easily show, if a line is not attached to the other drawn elements. If a line is not connected right to the other lines, problems may arise in later steps of the part construction.



The last line is not part of the rectangle. It is therefore necessary to convert it into a construction line. Selecting the line and clicking at the button does the conversion.



The line has now a blue color as visible below. The recipe from Wikipedia for the golden ratio requires a line half of the distance AB. In order to get a reference point for this, an additional vertex is set at the line with the tool. This is shown below.



Damit dieser Punkt zu einem der oberen Rechteckseite wird:
 * Punkt und Rechteckseite anwählen und auf Punkt zu Linie Constraint PointOnObject.png en.

The reference point should stay at the center of the distance AB. This will be achieved by selecting first the two endpoints of the distance AB and third selecting the center point. When all three points are selected in the right sequence, the symmetry constraint can be set at clicking at the button, as shown below.



Im unteren Bild ist im Punkt B eine vertikale Linie als Entwurf für die Dreiecksseite BC angehängt worden. Ihre Richtung wurde mittels Winkelangabe (s. oben) relativ zur horizontalen blauen Linie festgelegt.

Ihre Länge wird wie beim Zeichnen mit dem Zirkel gewonnen:
 * Punkt B auswählen und auf  Bogen erstellen Sketcher Arc.png   klicken,
 * Hilfspunkt anklicken und Bogen etwa 90° nach oben ziehen und Endpunkt setzen.



In order to define the length of BC, the line must end at the arc. This will be done by setting a coincidence constraint between the last arc point and the C point as shown below. Both points have to be selected and the create a coincidence button has to be clicked.



Im nächsten Bild ist das Dreieck mit der Hypotenuse AC komplettiert (Schritt 1 der Konstruktionsvorschrift) und der Teilpunkt D (Schritt 2) auf ihr wie folgt gefunden worden.


 * Bogen mit Mittelpunkt C und Radius CB über die Hypotenuse AC zeichnen ( Bogen erstellen Sketcher Arc.png ),
 * Endpunkt des Bogens zu einem Punkt der Hypotenuse machen (Punkt zu Linie Constraint PointOnObject.png ).

Der Schritt 3 der Konstruktionsvorschrift zum Finden des Teilpunktes D wurde vorbereitet:
 * Bogen mit Mittelpunkt A und Radius AD bis nahe zur oberen Rechteck-Seite zeichnen ( Bogen erstellen Sketcher Arc.png )



Die rechte obere Ecke des Rechtecks soll mit dem Teilpunkt E identisch sein.
 * rechte obere Ecke und unteren Endpunkt des Bogens auswählen (anstatt des getrennten Anklickens s. oben gezeigte Alternative mit Überstreichen beider Punkte),
 * auf Punkt zu Punkt[[Image:Constraint_PointOnPoint.svg|16px]] klicken.

Da die Breite des Rechtecks vorgegeben ist, wird sich die Größe des Hilfs-Dreiecks ändern.



Es fehlt noch die Änderung der Rechteck-Höhe auf die Distanz EB, was in nachfolgender Abbildung gezeigt wird:
 * rechte Rechteckseite und blaue Horizontale EB auswählen,
 * klicken auf Gleichheit[[Image:Constraint_EqualLength.svg|8px]].



Das Rechteck ist nun im Verhältnis des Goldenen Schnittes geteilt. Seine Höhe ist 61,8 mm (100mm /1,618). Man kann sie messen, der angezeigte Wert wird aber nicht fixiert, da die Zeichnung unter Beteiligung der Hilfslinien bereits vollständig bestimmt ist (das Rechteck wird in leuchtendem Grün angezeigt).



Now the vertical line has to be made the length of the distance SC. Setting an equality constraint by selecting the button as shown below, will do this.



Das Rechteck steht nun zur weiteren Benutzung (z.B. zum Erzeugen eines Quaders mit dieser Grundbfläche im Arbeitsbereich Körper-Entwurf (partDesign)) zur Verfügung.

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The sketch should look as intended also after changing the key dimensions for example to 2000 mm and back to 30. You may need to use angle constraints at certain places to reach this goal. The picture below shows a sketch, which was not robust against such changes. It is unusable now. In order to get the original state back, the undo-button can be used.

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