一种基于top-down的机件表达方法的三维模型及其制备方法

一种基于top-down的机件表达方法的三维模型及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型及其制备方法，具体是基于TOP-DOWN设计方法学，应用Pro/TOP-DOWN设计系统，针对机件表达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，根据学习不同类型的机械零件表达方法的需要，由顶层三维骨架模型拆分出多个机械零件三维模型，再将机械零件三维模型进行剖切，得到29个单体三维模型，29个单体三维模型可以组装成30种机械零件三维模型，主要包括齿轮类、轴套类、支座类、支架类和阀体类等机械零件三维模型。基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型及其制备方法符合产品设计与制造过程、便于实现产品并行设计与协同制造、并为机件表达方法理论知识的学习提供实用的三维模型。
【专利说明】-种基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型及其制备 方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，具体为基 于TOP-DOWN设计方法学设计供机件表达方法理论知识学习的三维模型。

【背景技术】
[0002] 机件表达方法的三维模型主要用于机械制图、机械零件测绘和计算机绘图等理论 与实践课程的教学，市场上主要有立体示教模型和零件测绘模型，一般采用工程塑料、木 材、钢材制作，主要特点是种类繁多、结构单体、价格昂贵。
[0003] 传统的机件表达方法的三维模型设计方法一般采用B0TT0M-UP设计方法，一般是 先设计好各个零件，然后将这些零件拿到一起进行装配，如果在装配过程中发生零件干涉 或不符合设计意图时就要对零件进行修改。这样，不断重复这个修改过程，直到设计满意为 止。由此可见，如果在设计阶段没有做出很好的规划，没有一个全局考虑，使设计过程重复 工作很多，造成时间和人员的浪费，工作效率降低。这种方法也不能完全利用三维数字化设 计技术进行机件表达方法的三维模型设计。


【发明内容】

[0004] 为克服上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种基于TOP-DOWN的机件 表达方法的三维模型设计方法，基于TOP-DOWN设计方法学设计多个单体三维模型，各所述 单体三维模型的配合端面设有容纳孔，所述容纳孔中安装有磁铁，不同单体三维模型之间 通过所述磁铁相互装配成多种不同的三维模型。三维模型用于机械制图、机械零件测绘和 计算机绘图等专业课程的理论与实践教学，不仅能有效地激发学生探究学习的兴趣，而且 可以提高机件表达方法的学习效果，即根据机件的结构和形状特点，灵活选择合适的表达 方法，将机件正确、完整、清晰地表达出来，从而有效地培养学生的工程图形表达能力和三 维数字化建模能力。
[0005] 为实现上述目的，本发明的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法， 基于三维数字化技术设计三维数字化模型。首先应用Pr 〇/T0P-D0WN设计系统，针对机件表 达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，然后根据学习不同类型的 机械零件表达方法的需要，由对顶层骨架三维模型进行拆分，拆分出单体三维模型，再使用 所创建的单体三维模型组装成机械零件模型，考虑不同零件之间的装配，在零件配合端面 合理位置开若干cp3.5X2.5孔，然后在.cp3.5 X 2.5孔里面采用AB胶安装X 2小磁铁。通 过磁铁实现不同零件之间的装配。
[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，提供了 一种基于 TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤， SS1.基于三维数字化技术的TOP-DOWN设计方法，在装配模式下设计机件的顶层三维骨架 模型；SS2.根据学生学习机件表达方法时要有不同表达方法需要，由顶层三维骨架模型拆 分出多个机械零件三维模型，再将机械零件三维模型进行剖切得到29个单体三维模型，不 同的单体三维模型可以组合成齿轮类、轴套类、支座类、支架类和阀体类30个机械零件三 维模型；SS3.然后将各个模型的3D模型数据导入至3D打印机，分别制作各个机械零件的 3D打印模型；SS4.再将小磁铁装配在3D打印模型里，根据教学需要组合成机械制图教学模 型，来满足机械制图课程中机件表达方法的教学需求。
[0008] 创建整体三维模型的三维装配模型，在模型中建立产品装配结构，直观反映装配 模型的装配关系和层次关系等信息。在Pro/ENGINEER系统中，使用公制模板新建鼠标装配 体文件，构建该产品的装配模型。
[0009] 针对机件表达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，顶层 三维骨架模型是零件，它可包含特征，关系，层及视图等。顶层三维骨架模型的作用是捕捉 并定义设计意图和产品结构，建立装配设计的三维空间布局，构成产品各个子装配体及零 部件之间的拓扑关系及其主要运动功能，并将重要设计信息传递至产品子装配体或零部件 中，实现产品设计的管理及设计变更的控制。在装配模式下创建顶层三维骨架模型文件，再 在顶层三维骨架模型中，应用三维建模工具创建顶层三维骨架模型的所有特征。
[0010] 创建单体三维模型是基于设计意图和设计信息，用详细设计的零件或者子装配来 充实整个产品装配结构，由于顶层三维骨架模型具备了足够的设计信息，依赖于所定义组 元的属性及与周边装配的关系，直接在装配环境中建立组元，即可以通过发布几何特征来 收集设计参照信息，复制几何特征来创建实体零件中的几何信息，使零件组元与骨架模型 之间的信息实现最有效交流传递。
[0011] 单体三维模型的设计变更可以快速实现，可以直接在顶层三维骨架模型中完成主 要的产品设计更改，然后藉助于装配关系所建立的零部件之间的约束或连接装配关系进行 设计变更。由于尺寸的驱动和父子关系的继承，顶层三维骨架模型的变更会完全反映到每 个相关三维零件模型上，从而达到了以一个主模型来控制产品设计和变更的目的，实现了 具有真正创新意义的Top-Down设计。在装配机械零件模型的过程中，我们在发现单体三维 模型组装过程中存在干涉问题、装配定位问题、尺寸不吻合等实际问题时，在在顶层三维骨 架模型中完成主要的产品设计更改，单体三维模型也将随之变更，从而保证3D打印模型的 装配要求。
[0012] 机件表达方法的三维模型包括多个单体三维模型，其特征在于，各所述单体三维 模型的配合端面设有容纳孔，所述容纳孔中安装有磁铁，不同单体三维模型之间通过所述 磁铁相互装配成多种不同的三维模型。
[0013] 本发明的三维模型中，所述单体三维模型为基本机械结构体。
[0014] 本发明的三维模型中，所述容纳孔的尺寸为tp3.5X2.5mm，磁铁的尺寸为午3 X 2 mm〇
[0015] 本发明的三维模型中，所述机械制图教学模型包括29个单体三维模型，所述多种 不同的机械制图教学模型包括齿轮类、轴套类、支座类、支架类和阀体类机械制图教学模 型。
[0016] 本发明的三维模型中，所述29个单体三维模型分别为上底座零件a、上底座零件 b、上底座零件c、上底座零件d、上底座零件e、上底座零件f、上底座零件g、斜齿轮零件、上 底座零件h、上底座零件i、上底座零件j、上底座零件k、下底座零件a、下底座零件b、下底 座零件c、三通管零件a、三通管零件b、三通管零件c、三通管零件d、左法兰零件a、左法兰 零件b、右法兰零件a、右法兰零件b、连接轴套零件a、连接轴套零件b、连接轴套零件c、连 接轴套零件d、三通管塞零件、直齿轮零件。
[0017] 本发明的三维模型中，所述的29个单体三维模型全部组装在一起，形成一单体阀 体零件。
[0018] 本发明效果是：
[0019] 本发明的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计及其制备方法符合产品 设计过程。设计初期考虑的是产品应实现的功能，最后才考虑实现这些功能的零部件的几 何结构、拓扑关系和装配关系。便于实现协同并行设计。在概念设计阶段将产品的主要功 能、装配关系等重要信息确定下来，再将关键设计信息传递给产品各子系统，各子系统才能 保证其和顶级系统的关联性和一致性。为面向装配和制造的设计提供基础。将设计前期的 重要信息传递到后续设计阶段，在后续设计中就可根据前期设计信息和要求进行可行性 评价，从而实现面向装配的设计和面向制造的设计。
[0020] 在机械制图"机件表达方法"一章中，结合机械零件三维模型可以系统学习全剖视 图、半剖视图、局部剖视图、阶梯剖视图、旋转剖视图、复合剖视图、断面图等机件表达方法， 使得学生根据机件的结构和形状特点，能够灵活选择合适的表达方法，将机件正确、完整、 清晰地表达出来。同时也可以培养学生掌握典型机械零件图样的画法，正确分析零件的结 构，合理、灵活地运用各种表达方法来表达零件结构。
[0021] 在机械零件测绘教学中，本教学模型不仅可以大大降低教学模型的购置成本，为 学生提供多样化的教学模型进行测绘。学生通过自己动手组装不同类型的零件模型，可以 激发学生的学习兴趣，加深对零件模型的感性认知，从而更有效地培养学生的机械零件测 绘能力和工程意识。
[0022] 在计算机绘图教学中，教学模型可以辅助AutoCAD机械制图、PRO/ENGINEER、UG NX、Solidworks等三维数字化技术软件的教学，传统计算机绘图课程仅注重根据二维零件 图纸进行三维数字化建模和二维工程图绘制，而本教学模型可以直观地提供给学生进行实 物测绘，并根据测绘数据进行三维数字化建模，然后再应用三维模型来实现二维工程图的 绘制。本教学模型实现了三维数字化技术与机械制图理论知识教与学的有机融合，这样不 仅可以加深学生对机件表达方法、零件图、组合体等机械制图理论知识的理解和掌握，而且 可以培养学生的三维数字化建模能力和二维工程图的表达能力。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1为本发明的基于TOP-DOWN设计的机件表达方法的三维模型；
[0024] 图中：1-上底座零件a;2_上底座零件b;3_上底座零件c;4_上底座零件d; 5_斜齿轮零件；6-k底座零件e;7_上底座零件f;8_上底座零件g;9_上底座零件h;10_连 接轴套零件a; 11-三通管零件a; 12-三通管零件b; 13-右法兰零件a; 14-右法兰零件b; 15-连接轴套零件b; 16-下底座零件a; 17-下底座零件b; 18-下底座零件c; 19-连接轴套 零件c;20_三通管零件c;21_左法兰零件a;22_左法兰零件b;23_三通管零件d;24_三 通管塞零件；25-连接轴套零件d;26_直齿轮零件；27-上底座零件i;28_上底座零件j; 29-上底座零件k。
[0025]图2 (a)、（b)、（c)与（d)为本发明三维模型单体三维模型组装的支座类零件。
[0026]图2(e)、（f)、（g)与图3(h)为本发明三维模型单体三维模型组装的三通管、四通 管类零件。
[0027]图2 (h)为本发明三维模型单体三维模型组装的板类零件。
[0028] 图2 (i)、（j)为本发明三维模型单体三维模型组装的轴套类零件。
[0029] 图2(k)、（1)为本发明三维模型单体三维模型中的直齿轮、斜齿轮零件。
[0030]图3 (a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（f)与（g)为本发明三维模型单体三维模型组装的阀 体类零件，图3(h)为本发明三维模型单体三维模型组装的四通管类零件。
[0031] 图4(a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（f)、（g)、（h)为本发明三维模型单体三维模型组装 的支座类零件。
[0032]图5 (a)、（b)为本发明三维模型单体三维模型组装的支架类零件。
[0033]图6(a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（f)是图4(a)所示的阀体零件的机件表达方法，根据 机件的结构和形状特点，该阀体零件分别采用局部剖视图A-A、B-B、D-D，阶梯剖视图C-C、 旋转剖与局部剖的复合剖视图E-E，局部剖视图F-F等机件表达方法。
[0034]图7(a)、（b)、（c)、（d)、（e)是图4(b)所示的阀体零件的机件表达方法，根据机 件的结构和形状特点，该阀体零件分别采用局部剖视图A-A、B-B，阶梯剖视图C-C，斜剖视 图D-D，旋转剖视图E-E等机件表达方法。

【具体实施方式】
[0035] 本发明的具体实施过程是：基于TOP-DOWN设计方法学，应用Pro/TOP-DOWN设计 系统，针对机件表达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，根据学 习不同类型的机械零件表达方法的需要，由顶层三维骨架模型拆分出多个机械零件三维模 型，再将机械零件三维模型进行剖切，得到29个单体三维模型，然后将各个模型的3D模型 数据导入至3D打印机，分别制作各个机械零件的3D打印模型。再将小磁铁装配在3D打印 模型里，根据教学需要组合成机械制图教学模型，来满足机械制图课程中机件表达方法的 教学需求。同时，也可以作为机械识图、组合体教学、零件图教学、机械零件测绘、计算机绘 图课程的教学模型。所述的29个单体三维模型如图1所示依次为1-上底座零件a;2_上 底座零件b; 3-上底座零件c;4-上底座零件d;5-斜齿轮零件；6-上底座零件e; 7-上底座 零件f;8_上底座零件g;9_上底座零件h; 10-连接轴套零件a; 11-三通管零件a; 12-三 通管零件b; 13-右法兰零件a; 14-右法兰零件b; 15-连接轴套零件b; 16-下底座零件a; 17-下底座零件b;18_下底座零件c;19_连接轴套零件c;20_三通管零件c;21_左法兰零 件a;22_左法兰零件b;23_三通管零件d;24_三通管塞零件；25-连接轴套零件d;26_直 齿轮零件；27-上底座零件i;28_上底座零件j;29_上底座零件k。
[0036] 本发明所述的基于TOP-DOWN设计的机件表达方法的三维模型，主要由29个单体 三维模型组成，各个模型分别使用ABS工程塑料，通过3D打印机熔融沉积工艺制作。
[0037] 图2(a)由图1中的上底座零件al、上底座零件b2、上底座零件c3、上底座零件 d4、斜齿轮零件5、上底座零件e6、上底座零件f7、上底座零件g8、上底座零件h9、直齿轮零 件26、上底座零件i27、上底座零件j28、上底座零件k29组装而成。
[0038] 图2(b)由图1中的下底座零件al6、下底座零件bl7、下底座零件cl8组装而成。
[0039] 图2(c)由图1中的右法兰零件al3、右法兰零件bl4组装而成。
[0040] 图2(d)由图1中的连接轴套零件alO与连接轴套零件d25组装而成。
[0041] 图2(e)由图1中三通管零件bl2与三通管零件c20的组装而成。
[0042] 图2 (f)由图1中的三通管零件al1与三通管零件d23组装而成。
[0043] 图2(g)由图1中的左法兰零件a21与左法兰零件b22组装而成。
[0044] 图2(h)由图1中的上底座零件al、上底座零件f7、上底座零件h9与上底座零件 i27组装而成。
[0045] 图2 (i)由图1中的连接轴套零件alO与连接轴套零件d25组装而成。
[0046] 图2 (j)由图1中的连接轴套零件bl5与连接轴套零件cl9组装而成。
[0047] 图3(a)由支座零件图2(a)与支座零件图2(d)组装而成。
[0048] 图3(b)由支座零件图2(b)与支座零件图2(c)组装而成。
[0049] 图3(c)由支座零件图2(b)与支座零件图2(d)组装而成。
[0050] 图3(d)由支座零件图2(a)与支座零件图2(c)组装而成。
[0051] 图3(e)由支座零件图2(a)与支座零件图2(g)组装而成。
[0052] 图3(f)由支座零件图2(a)与支座零件图2(b)组装而成。
[0053] 图3(g)由支座零件图2(b)与支座零件图2(g)组装而成。
[0054] 图3(h)由图1中的三通管零件all、三通管零件bl2、三通管零件c20与三通管零 件d23组装而成。
[0055] 图4 (a)、图4(b)与图4(c)均为图1中的所有29个零件模型组装而成，如图4(a) 所示的阀体零件中的图2(c)法兰零件绕三通管零件bl2大圆筒的轴线逆时针旋转45°而 得到如图4(b)所示的阀体零件。
[0056] 如图4(c)所示的阀体零件是如图4(b)所示的阀体零件去除掉三通管塞零件24 而得到。
[0057] 图4(d)所示的阀体零件是由图4(a)所示的阀体零件去除掉如图2(a)所示的支 座零件而得到。
[0058] 图4(e)所示的阀体零件是由图4(b)所示的阀体零件去除掉如图2(a)所示的支 座零件而得到。
[0059] 图4(f)所示的阀体零件是由图4(a)所示的阀体零件去除掉如图2(b)所示的支 座零件而得到。
[0060] 图4(h)所示的阀体零件是由图4(d)所示的阀体零件去除掉三通管塞零件24而 得到。
[0061] 图5(a)所示的支架零件是由图2(h)所示的座板零件、上底座零件b2、上底座零 件c3、斜齿轮零件5、上底座零件e6、上底座零件g8、直齿轮零件26、上底座零件j28、上底 座零件k29、图2(d)所示的支座零件与图2(c)所示的支座零件组装而成。
[0062] 图5(a)所示的支架零件中图2(c)所示的支座零件绕图2(d)所示的支座零件的 轴线顺时针旋转45°，得到图5(b)所示的支架零件。
[0063]图6(a)、（b)、（c)、（d)、（e)、（f)是图4(a)所示的阀体零件的机件表达方法，根据 机件的结构和形状特点，该阀体零件分别采用局部剖视图A-A、B-B、D-D，阶梯剖视图C-C、 旋转剖与局部剖的复合剖视图E-E，局部剖视图F-F等机件表达方法。
[0064] 图7(a)、（b)、（c)、（d)、（e)是图4(b)所示的阀体零件的机件表达方法，根据机 件的结构和形状特点，该阀体零件分别采用局部剖视图A-A、B-B，阶梯剖视图C-C，斜剖视 图D-D，旋转剖视图E-E等机件表达方法。
[0065] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名 称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包 括于本发明专利的保护范围内。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施 例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本 权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在于，基于 TOP-DOWN设计方法学，应用Pro/TOP-DOWN设计系统，创建整体三维模型的三维装配模型， 针对机件表达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，根据学习不同 类型的机械零件表达方法的需要，由顶层三雏骨架模型拆分出多个机械零件三维模型，再 将机械零件三维模型进行剖切，得到29个单体三维模型，各所述单体三维模型的配合端面 设有容纳孔，所述容纳孔中安装有磁铁，不同单体三维模型之间通过所述磁铁相互装配成 多种不同的机件表达方法的三维模型。
2. 如权利要求1所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征 在于，创建整体三维模型的三维装配模型，在模型中建立产品装配结构，直观反映装配模型 的装配关系和层次关系等信息。在Pro/ENGINEER系统中，使用公制模板新建鼠标装配体文 件，构建该产品的装配模型。
3. 如权利要求1或2所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其 特征在于，针对机件表达方法的学习需要在装配模式下设计机件的顶层三维骨架模型，顶 层三维骨架模型是零件，它可包含特征，关系，层和视图，顶层三维骨架模型的作用是捕捉 并定义设计意图和产品结构，建立装配设计的三维空间布局，构成产品各个子装配体及零 部件之间的拓扑关系及其主要运动功能，并将重要设计信息传递至产品子装配体或零部件 中，实现产品设计的管理及设计变更的控制；在装配模式下创建顶层三维骨架模型文件，再 在顶层三维骨架模型中，应用三维建模工具创建顶层三维骨架模型的所有特征。
4. 如权利要求1、2或3所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其 特征在于，创建单体三维模型是基于设计意图和设计信息，用详细设计的零件或者子装配 来充实整个产品装配结构，由于顶层三维骨架模型具备了足够的设计信息，依赖于所定义 组元的属性及与周边装配的关系，直接在装配环境中建立组元，即可以通过发布几何特征 来收集设计参照信息，复制几何特征来创建实体零件中的几何信息，使零件组元与骨架模 型之间的信息实现最有效交流传递。
5. 如权利要求4所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在 于，单体三维模型的设计变更可以快速实现，可以直接在顶层三维骨架模型中完成主要的 产品设计更改，然后藉助于装配关系所建立的零部件之间的约束或连接装配关系进行设计 变更；由于尺寸的驱动和父子关系的继承，顶层三维骨架模型的变更会完全反映到每个相 关三维零件模型上，从而达到了以一个主模型来控制产品设计和变更的目的，实现了具有 真正创新意义的Top-Down设计。在装配机械零件模型的过程中，我们在发现单体三雏模型 组装过程中存在干涉问题、装配定位问题、尺寸不吻合等实际问题时，在在顶层三维骨架模 型中完成主要的产品设计更改，单体三维模型也将随之变更，从而保证3D打印模型的装配 要求。
6. 如权利要求5所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在 于，所述单体三维模型为基本机械结构体。所述容纳孔的尺寸为v3.5X2.5mm，磁铁的尺寸 为tp3X2 mm。所述机械制图教学模型包括29个单体三维模型，所述多种不同的机械制图 教学模型包括齿轮类、轴套类、支座类、支架类和阀体类机械制图教学模型。
7. 如权利要求5所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在 于，所述29个单体三维模型分别为上底座零件a、上底座零件b、上底座零件c、上底座零件 d、上底座零件e、上底座零件f、上底座零件g、斜齿轮零件、上底座零件h、上底座零件i、上 底座零件j、上底座零件k、下底座零件a、下底座零件b、下底座零件c、三通管零件a、三通 管零件b、三通管零件c、三通管零件d、左法兰零件a、左法兰零件b、右法兰零件a、右法兰 零件b、连接轴套零件a、连接轴套零件b、连接轴套零件c、连接轴套零件d、三通管塞零件、 直齿轮零件。
8. 如权利要求3所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在 于，所述的29个单体三维模型采用ABS工程塑料，通过3D打印机的熔融沉积制成。
9. 如权利要求3所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计方法，其特征在 于，所述的29个单体三维模型全部组装在一起，形成一单体阀体零件。
10. 根据上述任一项权利要求所述的基于TOP-DOWN的机件表达方法的三维模型设计 方法制备的三维模型。
【文档编号】G06F17/50GK104346491SQ201410209409
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年5月19日 优先权日:2014年5月19日
【发明者】陈鹏 申请人:宜春学院