问题：如何在FreeCAD中精确绘制PCB草图？

Question

在使用FreeCAD进行PCB设计时，如何确保草图的精确绘制是一个常见且关键的技术问题。用户常遇到的问题包括：如何设置正确的网格精度、如何对齐和约束各个电子元件引脚、如何保证线条正交与尺寸准确等。此外，由于FreeCAD并非专门针对PCB设计开发，因此在层管理、电气连接检查以及导出为标准PCB文件格式（如Gerber）方面也存在挑战。本文将围绕这些问题展开，深入探讨在FreeCAD中实现高精度PCB草图绘制的最佳实践方法。

Answer 1

使用 FreeCAD 进行 PCB 设计时的高精度草图绘制最佳实践

1. 理解 FreeCAD 的工作台与 PCB 设计的关系

FreeCAD 本身是一个通用的 3D CAD 软件，其默认的工作台如 Part Design 和 Sketcher 主要用于机械设计。虽然没有专门的 PCB 工作台，但通过 Sketcher Workbench 可以实现二维草图的精确绘制。

• Sketcher Workbench 提供了强大的几何约束系统，适合进行高精度布线。
• 结合 Spreadsheet Workbench 可以实现参数化设计。
• 借助第三方插件（如 PCBmodE 或 Freerouting）可以增强 PCB 功能。

2. 设置正确的网格精度与单位系统

在进行 PCB 设计前，合理设置网格和单位是确保精度的基础。

设置项	建议值	说明
单位系统	Metric (mm)	PCB 通常使用毫米为单位
网格大小	0.1 mm	满足大多数元件引脚间距需求
捕捉到网格	启用	确保所有点对齐网格

// 示例：在 FreeCAD 中通过 Python 控制网格
import FreeCADGui
FreeCADGui.activeDocument().activeView().setGridSize(0.1)

3. 利用约束工具实现元件引脚的精确对齐

在绘制 PCB 元件封装时，引脚之间的相对位置必须严格对齐，避免电气连接错误。

1. 使用水平/垂直距离约束设定引脚间距。
2. 利用对称约束快速复制对称结构。
3. 添加点对点重合约束确保焊盘中心对齐。

graph TD A[开始绘制元件] --> B[放置第一个焊盘] B --> C[添加水平约束] C --> D[复制焊盘并应用对称约束] D --> E[检查所有点是否对齐网格]

4. 保证线条正交与尺寸准确的技术手段

在 PCB 布线中，导线应尽量保持正交，以减少干扰并提高可读性。

• 开启正交模式（Ortho Mode）来限制线段方向。
• 使用角度约束固定线段为 0°、90°、180° 等。
• 通过尺寸标注工具验证每一段走线长度。

// 示例：创建一条正交线段
App.ActiveDocument.Sketch.addGeometry(Part.LineSegment(App.Vector(0,0,0), App.Vector(5,0,0)), False)

5. 层管理与多层 PCB 的模拟实现

虽然 FreeCAD 没有原生支持多层 PCB 的功能，但可以通过以下方式模拟：

• 为每一层创建独立的 Sketch，并命名为 Top Layer、Bottom Layer 等。
• 使用颜色标记区分不同层的走线。
• 将多个 Sketch 导出为图像后，导入专业软件进行后续处理。

层名称	用途	颜色
Top Layer	顶层铜箔
Bottom Layer	底层铜箔
Silkscreen	丝印层

6. 导出为标准 Gerber 文件的方法与挑战

由于 FreeCAD 不直接支持 Gerber 输出，需借助外部工具转换：

1. 将每个 Sketch 导出为 SVG 格式。
2. 使用开源工具如 svg2gerber 或 Inkscape + Gcodetools 转换。
3. 验证 Gerber 文件是否符合行业标准（如 RS-274X）。

// 示例：导出 Sketch 为 SVG
__objs__ = []
__objs__.append(FreeCAD.ActiveDocument.Sketch)
Import.export(__objs__, "output_sketch.svg")