基于Python的参数化建模：如何用FreeCAD脚本实现机械设计自动化与效率提升

在芯片设计领域，工程师其实已经很少“画电路”了。现代的设计更多是通过 RTL（如 Verilog） 来描述设计意图，后续的布局、布线等繁琐工作则由工具自动化完成。最终我们看到的物理版图，更像是源代码经过“编译”后的产物。

工程师的核心工作，已经从处理具体的几何细节，转变为关注规则、约束和结构关系。一个有趣的现象是，近几年的机械设计领域，似乎也在发生着类似的变化。不同的工程领域在复杂度提升后，往往会走向相近的方法论。

SoC 设计	机械设计
RTL	Python
P&R	OCCT
Floorplan	装配
EDA	CAD

设计重心：从 CAD 操作转向代码表达

借鉴芯片设计的思路，在一个机械设计项目中，我们可以将各个工具的角色进行清晰划分：

• Python 用来表达设计意图：包括尺寸、结构关系和工程假设，这是设计的核心逻辑。
• OCCT 负责几何计算：将代码中定义的规则，转换成具体的三维实体。
• 装配采用明确的空间位置：直接计算零件的摆放坐标，尽量避免依赖复杂且可能不稳定的约束求解。
• CAD 主要用于执行和查看结果：它不再承载核心的设计逻辑，而是作为一个强大的几何计算与可视化引擎。

这样一来，最终的模型文件（如 .FCStd）更像是程序运行后的输出结果，而真正蕴含了设计智慧和知识产权的部分，其实存在于代码之中。这本质上是一种系统设计思想的体现。

项目实践：用脚本驱动设计

这个实践项目的目标很明确：尽可能避免通过 FreeCAD 的 GUI 进行交互式建模，而是全部通过 Python 脚本来生成零件和完成装配。

整个流程更接近程序开发：

1. 定义参数：集中管理所有的设计变量。
2. 执行几何生成逻辑：调用函数，根据参数创建几何体。
3. 计算装配位置：通过明确的数学计算确定每个零件的位置。
4. 由 CAD 工具输出模型文件：将计算结果交给 FreeCAD 导出为所需格式。

相比传统的交互式建模，这种参数化方式的可重复性极高，调整和回溯设计也变得异常简单——只需修改参数或逻辑，然后重新运行脚本即可。

核心实现解析

1. 参数：集中表达设计假设

设计的第一步是将所有假设和约束整理成参数。这组参数本身就是一份重要的设计文档。

params = {
    "L": 120.0,
    "W": 80.0,
    "T": 6.0,
    "corner_r": 6.0,
    "hole_d": 5.5,
    "hole_edge": 12.0,
}

从这组参数中，我们能解读出尺寸范围、结构安全余量、甚至加工习惯（如标准孔距）。它们不仅仅是给软件用的数字，更是对设计前提的一种清晰声明。

2. 零件：用函数描述几何规则

在代码驱动的思路下，一个零件就是一个函数。输入是参数，输出是确定的几何结果。

def make_base_plate(L, W, T, corner_r, hole_d, hole_edge):
    # 此处简化了圆角、钻孔等具体实现逻辑
    plate = Part.makeBox(L, W, T)
    return plate

这种方式不依赖特征树的历史记录，也不关心建模的先后顺序。只要函数的规则（代码逻辑）不变，给定相同的输入，就一定能得到完全相同的输出，保证了设计的稳定性和可预测性。

3. 装配：直接计算空间关系

装配阶段，我们摒弃“添加同轴、重合约束”的交互方式，转而采用直接计算并赋值位置矩阵的方法。

# 直接计算零件在装配体中的坐标
obj.Placement.Base = App.Vector(x, y, z)

这种方法逻辑极其直观，所有关系都是显式定义的，更容易调试和排查问题。装配结果来源于我们明确编写的计算逻辑，而非CAD软件内部的隐式求解器。

CAD 作为执行引擎

整个过程可以在无图形界面的环境下完成，这清晰地表明了CAD工具在此模式下的角色。

freecadcmd build.py

生成效果

这说明 CAD 工具并不必须“参与设计过程”，它可以退居幕后，成为一个可靠的几何计算和结果输出引擎。最终得到的 .FCStd、STEP 或 STL 文件，只是脚本运行后生成的“制品”。

这个实践想验证什么？

这个项目并非为了展示某种特殊的 FreeCAD 使用技巧，而是试图探索一个更根本的问题：

机械设计能否像芯片设计那样，将工程师的主要精力从重复的几何建模中解放出来，更多地投入到更高层次的设计规则、架构和约束定义上？

在这个项目所覆盖的范围内，答案是肯定的。一旦你习惯了这种用代码思考设计的方式，再回到完全依赖手动点击和拖拽的建模环境时，可能会感到些许不适，因为抽象层次和自动化程度明显降低了。

小结

• Python 是表达设计规则的理想语言，它清晰、灵活且易于维护。
• FreeCAD / OCCT 负责底层几何计算，提供强大的造型能力。
• 最终的 CAD 文件是代码的运行结果，而非设计本身。

这种模式的核心在于：设计的知识、意图和智慧，更多地被固化在代码和规则描述中，而不是散落在难以追溯的模型文件特征树里。它为我们提升机械设计的效率、质量和可复用性，提供了一条值得深入探索的路径。

对于对此类自动化设计和跨界工程思维感兴趣的朋友，可以在 云栈社区 找到更多相关的讨论和资源。