建筑工程设计典型零件数字化设计及测量江苏大学工程训练中心工业中心.docx

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建筑工程设计典型零件数字化设计及测量江苏大学工程训练中心工业中心

【建筑工程设计】典型零件数字化设计及测量江苏大学工程训练中心工业中心

典型零件数字化设计及测量实验指导书徐红兵2007.4.

一、实验目的

1．掌握零件的测绘过程，熟悉零件的表达方法；

2．熟悉通用量具的使用；

3．熟悉CAD（PRO/E、UG、CATIA等）软件；

4．学会手动式三坐标测量机的使用；

5．熟悉Global三坐标测量机的使用。

二、实验内容

1．箱体零件测绘，画草图；

2．用CAD软件（PRO/E、UG、CATIA等）绘制箱体三维图；

3．在CAD软件中生成箱体的二维零件图；

4．对箱体零件进行尺寸和形位误差的传统精度测量等；

5．应用手动式三坐标测量机，测量箱体零件中的部分尺寸和精度；

6．应用CAD模型在Global三坐标测量机上，进行自动检测。

三、主要实验设备及技术规格

1．HC2000手动式三坐标测量机：

HC2000手动式三坐标测量机由HC系列数显系统和YH2000测量软件组成。

测量范围为2000×1200×1500mm；单轴精度X=±0.0075mm，Y=±0.0075mm，Z=±0.0075mm，测量范围超过1500mm时，测量精度为±0.025mm+0.03L（L为测量长度，单位为米）。

2．Global三坐标测量机

GLOBALSTATUSHAWK777活动桥式三坐标测量机由PCDMIS接触式测量系统、HAWK激光扫描非接触测量系统、控制箱、操纵盒、气源等部分组成。

接触式测量的行程为700×700×660mm；测量精度：

TP20测头的测量精度可达2.5+4L/1000um（L为测量长度，单位为米）；被测工件最大重量可达900kg；HAWK非接触测量最大扫描速度为100mm/s，采点速度为40点/s，扫描景深±5mm，测头焦距50mm，重复性2um。

四、仪器简介

1．手动式三坐标测量机

（1）HC系列数显系统

磁栅数显表的基本原理：

磁栅数显表由磁信号传感器和信号处理器两部分组成。

磁信号传感器包括磁尺和磁头，在磁尺上均匀地录有磁信号，当磁头与磁尺有相对运动时，通过磁头的磁通发生变化，使磁头线圈感应出来的电动势也随之相应的变化。

感应的信号被送到信号处理器进行信号放大、数模转换、数据运算，得到磁头与磁尺相对位置的数据，在数显表上进行数据显示或通过串行口将数据传送给上位计算机进行高级数学运算。

磁栅数显表的组成：

磁栅数显表的前后面板如图1中（a）（b）所示。

开机后应首先按一下复位键，确认机器正常启动。

图1磁栅数显表的面板

1-X轴数据显示窗口2-Y轴数据显示窗口3-Z轴数据显示窗口4-N值数据显示窗口

5-状态显示灯6-键盘7-串行通讯口8-传感器接口9-打印机接口

10-电源插座11-电源开关12-复位键13-保险丝

磁栅数显表的功能与操作：

坐标轴清零:

直接按“C”键，可将三轴数据同时清零。

单轴清零，可按某轴符号键，再按“C”键；

坐标轴置数：

按某轴符号键，输入预定值，再按“E”键进行确认；

N值置数：

按“N”键，输入预定值，再按“E”键进行确认；

采点值重显：

按“D”键可将上一次采点值显示出来；

重现时间设定：

按“N”键，输入0~7个数字，再按“S”键队重显时间进行修正，开机时重显时间是上一次关机的重显时间，N0S采点速度最快，N7S采点速度最慢；

分辨率切换：

按“F”键，再按“D”键，可实现0.01mm和0.05mm分辨率的切换；

坐标轴极性变换：

按某轴符号键，再按“F”键；

找基准点：

基准点可按置数方法进行输入，然后按“F”键再按“N”键；

打印功能：

按“P”键，可将上一次采点的数据由打印机输出，按“F”键，再按“P”键，可设置采点自动打印输出；

通讯功能:

按“T”键，可将上一次采点的数据通过串行口向上位计算机发送，如果按“F”键后再按“T”键，可设置自动通讯模式。

终止计数功能：

按“B”键，三轴停止坐标数据的变化，再按“B”键，将恢复正常计数；

存储功能：

存储量为256个点，存储的计数值用N值表示，按“F”键后再按“S”键可设置机器为自动存储状态。

（2）YH2000测量软件

YH2000测量软件是北京丰台宇航新技术研究所最新研究开发的，运行在Windows平台环境下的，HC系列三坐标划线测量机的测量软件。

该软件使用VisualC++6.0编写，具备各种几何元素测量功能、文件（数据）存储与打印、实时数显（实时显示测头空间坐标值）、联机文档帮助、支持鼠标右键以及良好的Windows用户界面。

测头半径补偿：

使用三维测头与星型测头测量工件时，实际测量结果与理论测量值之间存在一个测头半径误差D/2（D为测头直径，具体如图2所示）。

为修正该误差使之不影响测量结果的准确性，用户在测量工件之前需要根据被测物体的几何特征与所用测量方式确定测头半径的补偿方法。

YH2000测量软件中定义有3种测量方式分别为内侧测量、外侧测量和同向测量（具体方式如图3所示：

），相应的误差补偿方式分别为：

（a）内侧补偿（b）外侧补偿（c）同向补偿。

图2测头直径图3测头补偿的3种方式

内测补偿用于补偿测量内圆（孔）时的误差，即用所得的结果加上测头直径。

外测补偿用于补偿测量外圆、圆球时的误差，即用所得的结果减去测头直径。

同向补偿主要用于测量台阶高度与台阶深度，该测量方法没有测头半径补偿问题。

几何元素测量：

YH2000测量软件的测量元素共分为形体测量、相交测量、投影测量、距离测量、公差测量五个部分。

形体测量用来计算几何元素的特征值与特征向量。

主要包括：

点、线（空间）、面、圆（空间）、球、圆柱、圆键槽。

相交测量用来计算几何元素间的交点与夹角。

主要包括：

线夹角、线面夹角、面夹角、面交点、连心线夹角、圆圆相交。

投影测量用来计算投影元素的特征值与特征向量。

主要包括：

点到直线、点到平面、直线到平面、圆到平面、基准线到平面。

距离测量用来计算几何元素间的距离。

主要包括：

点到点、点到直线、点到平面、圆心距、球心距、圆到直线、圆到连心线、量块。

公差测量用来计算几何元素的公差值。

主要包括：

直线度、圆度、同轴度、键槽偏差。

平面测量、球面测量和圆柱测量的步骤：

平面测量：

在形体测量栏中选择平面测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式，打开串行口开关，按下编辑栏中的串行口加入按钮，从串行口输入3点得到图4（a）结果，从面栈中选中一条基准测量面，作为该面的代号，如图4（b），在工具栏中按下保存按钮，此时测量结果存入面栈中，程序同时显示如图4（c）。

（a）输入3点后的结果（b）选择平面代号（c）程序显示结果

图4平面测量结果

球体测量：

在形体测量栏中选择球体测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式（当测量一个内球时使用内侧补偿，当测量一个外球时使用外侧补偿。

），打开串行口开关，检查串行口加入按钮当前状态是否为按下，从串行口输入4点得到图5（a）结果，从基准测量栏的点栈中选择基准测量点2（任意选定），如图5（b），从工具栏中选择保存按钮，此时测量结果存入点栈中，程序同时显示如图5（c）。

（a）输入4点后的结果（b）选择球心代号（c）程序显示结果

图5球面测量结果

圆柱测量：

在形体测量栏中选择圆柱测量按钮，在测头标定中选择适当的测头半径补偿方式（内补、外补），从面栈中选择基准测量平面5（任意选定），从工具条中选择取面按钮，得到如图6（a）显示，打开串行口开关，检查串行口加入按钮当前状态是否为按下，从串行口输入6点得到以下结果，如图6（b），从线栈中选择一条基准测量线，从工具栏中选择保存按钮，此时测量结果存入线栈中，程序同时显示如图6（c）。

（a）基准测量面下取面的结果（b）输入6点后的结果（c）程序显示结果

图6圆柱测量结果

（注：

图6（b）显示测量结果框中（L、M、N、Xo、Yo、Zo、D、α）的L、M、N为轴线法向量,Xo、Yo、Zo为轴线上一点，此点位于基准平面上，D为圆柱的直径，α为轴线法向量与基准平面法向量夹角。

）

2．Global三坐标测量机

（1）GLOBAL三坐标测量机简介

GLOBAL三坐标测量机是一种集光、机、电、算为一体的精密光学测量仪器，可用于各种几何元素——点、线、面、圆、圆锥、圆柱、阶梯轴和球，形位公差——直线度、平面度、平行度、垂直度、位置度、倾斜度、跳动度、配合公差等方面的三维测量，也可以进行计算机数控（CNC）测量，所以在国外称为测量中心。

GLOBALSTATUS系列三坐标测量机是美国Brown&Sharpe集团最新一代高性能活动桥式测量机。

  独特的TRICISIONTM式（精密三角梁）横梁设计，提供了良好的刚性质量比。

可以配置多种测头、测座，提高了检测效率、测量精度，增加了操作的可靠性，降低了维修保养费用。

GLOBALSTATUS测量机可广泛用于工业中的首件检测、最终检验，过程和夹具检验，过程控制以及逆向工程应用。

（2）PC-DMIS通用测量软件

PC-DMIS是功能强大的CAD功能的通用测量软件，为几何量测量的需要提供了完美的解决方案。

从简单的箱体类工件一直到复杂的轮廓和曲面，PC-DMIS软件使测量过程始终以高速、高效率和高精度进行。

PC-DMIS功能介绍：

几何量及形位误差测量与评价；

智能测量，该软件能自动识别测量特征，减少人机交互操作；

通过标准协议（如IGES、DXF、DES、VDA-FS、ASCII等），与CAD系统实现双向连接；

可对轮廓类，薄壁类等特殊工件进行测量与分析；

可直接读入理论数模，不需中间转换，不损失精度；

可输出强大文字，图形分析报告；

多视图显示功能；

用不同的颜色显示误差曲线的分布；

脱机编程，节省测量时间；

仿真运行，保证编制程序的正确性，避免碰撞，减少损失。

（3）GLOBAL三坐标测量机的组成及操纵盒按键说明

GLOBAL三坐标测量机的组成由机械主体、电器控制柜、计算机、测头和控制软件。

操纵盒按键说明，如图7所示。

（4）测头校验

测头校正是三坐标测量机进行零件测量时必不可少的一个重要步骤，目的是要正确得到被测零件的测量参数。

即是为了精确测头的半径值，便于测量机延矢量方向延长一个半径补偿，也是为了建立各角度之间的关系。

因此使用三坐标测量机检测零件时，首先要校正所用测头系统。

测头系统常有测座、适配器、传感器及不同类型的测杆组成。

测杆类型常根据检测零件的不同而改变，如有球形测杆、柱形测杆、盘形测杆和星形测杆等。

实验时选用测座PH10MQ、适配器PAA1、传感器TP20和球形测杆（测杆直径φ4测杆长度20mm）。

测头定义及校验步骤：

1从“插入”下拉菜单中选“硬件定义”，进入“测头”选项如图8所示；

图8测头选项

2在加亮当前的“测头文件”方框中，键入新的文件名；

3在测头说明窗口加亮“没有测头定义”选项，然后点击下拉菜单的箭头；

④按测量机现有配置情况，在描述窗口中按“测座至测杆”依次选择相应的配置。

即PROBEPH10MQ、CONVERT30MMTOM8THRD（PAA1转接头）、PROBETP20、TIP4BY20MM（TIP指测杆,4指测杆直径,BY指球型测杆,20MM指测杆长度）。

5选择添加角度，打开添加角度所需要的A、B角度（A角绕X轴旋转，范围0～105°，每格7.5°；B角绕Z轴旋转，范围-180°～+180°，每格7.5°，逆时针为正），然后确定；

6选择测量，打开测量测头对话框如图33所示，进行测头效验；

设定测头参数：

测量点数5，逼近/回退距离2～5mm，运动速度20%～50%，测量速度2%～5%，校验方式DCC（自动）方式，操作类型测尖校验，校验模式选取默认模式（触发测头）；

定义标准球参数：

按“添加工具”，打开添加工具对话框,输入工具名称，校验工具类型为球，输入柱测尖矢量，此矢量通过支撑杆的中心线，方向为通过标准球向外，若用一竖直向上的单球，则典型矢量方式为0，0，1。

7在直径/长度方框里，输入标准球直径；

8点击确认；

9当所有选项均选择完毕，点击“测量”；

10PC-DMIS将提问标准球位置是否被移动过，首次校验应回答“是”；

11自动方式下，T1A0B0测头时PC-DMIS要求在球的垂直方向测一点，测完此点后，PC-DMIS将自动进行校验；

12在测头校验完后，通过测头功能对话框中的“结果”按钮，可以打开结果对话框，显示了测头校验结果，判断校验精度。

说明：

图8中，激活测尖列表中，前有“*”号的测尖指未经过校验的测尖。

（5）工件测量

①工件检测流程图，如图9。

综合分析图纸

手动方式测量建坐标系所需元素（插入—特征）

应用3-2-1法或迭代法建立坐标系（插入—坐标系）

图9-6工件检测流程图

图9工件检测流程图

测量工件前，首先要对工件进行以下的了解

明确工件的设计基准、工艺基准、检测基准，确定建立零件坐标系时，应测量哪些元素来建立基准，并采用何种建立坐标系方法；

确定需要检测的项目，应该测量哪些元素，以及测量这些元素时，大致的先后顺序；

根据要测量的特征元素，确定工件合理的摆放方位，采用合适的夹具，并保证尽可能一次装夹，完成所有元素的测量，避免两次装夹；

根据工件的摆放方位及检测元素，选择合适的测头组件，并确定需要的测头角度；

工件图纸的分析过程，是工件检测的基础,分析完图纸后，应出据一份详细的检测要求。

②测量工件为前面加工中心加工出的产品：

调入模型：

选择文件——导入，出现对话框如图10，选择模型文件数据类型、模型文件所在目录和模型文件名，点击确定；

图10调入模型对话框

3-2-1法建立零件坐标系（新建坐标系原点位置与CAD模型中坐标一致）：

“3”——不在同一直线上的三个点能确定一个平面，利用此平面的法线矢量确定一个坐标轴方向——找正；

“2”——两个点可确定一条直线，此直线可以围绕已确定的第一个轴向进行旋转，以次确定第二个轴向——旋转；

“1”——一个点，用于确立坐标系某一轴向的原点；利用平面、直线、点分别确定三个轴向的零点——“平移”；

当利用CAD模型测量时，坐标系建立后需点击“CAD=工件”，再确定；

3特征参数的测量：

在主菜单中选取自动测量，选取要测量的特征，再在CAD模型中，用鼠标左键点击需测量的特征，勾中测量和创建选项，三坐标进行自动测量。

……具体使用时，看指导教师演示操作。

打印检测报告：

打开“文件——打印——编辑窗口打印”，进入打印选项；

将“编辑”窗口的内容送到指定位置，将其发送打印机；

F4输出。

五、测绘的基本知识

测绘就是对现有的机器或部件进行实物测量，并绘出零件图和装配图的过程。

测绘的基本过程

（1）零件的结构分析及表达方式

零件的结构分析法，就是从零件的设计要求和工艺要求出发，对构成零件的各个结构进行逐一分析，搞清楚它们的作用、形体特点，并进而了解零件的加工方法。

零件是组成机器的基本构件。

它的结构形状、尺寸大小、工艺要求、测量检验要求等，是由它在机器或部件中所起作用而确定的。

一个零件在一部机器或部件中，可以承担支承、容纳、传动、配合、联接、安装、定位、密封、防松和安全保障等一项或几项功用，这些功能要求是设计人员在设计零件时，决定该零件主要结构的依据。

从工艺要求看，为了使零件的毛坯制造、加工、测量以及装配调整工作能顺利、方便地进行，同时尽可能地降低加工成本，应设置出铸造圆角、拔模斜度、倒角、退刀槽、凸台、凹坑等工艺结构，这是决定零件局部的、次要结构的依据。

在设计零件的过程中，要根据零件的作用和工艺要求确定零件的结构。

同样，在零件的结构分析过程中，也是这样。

通过对零件的结构分析，就可以对组成零件的各部分结构的特点及作用加深认识，从而才能更好地灵活运用机件的各种表达方法，完整、清晰、正确、简便地表达出零件的结构形状；完整、清晰与合理地标注出零件的全部尺寸和技术要求。

（2）零件图的视图选择

零件图的视图选择包括主视图的选择和其它视图的选择。

在选择零件图的主视图和其它视图时，应在零件结构分析的基础上，充分运用机件的各种表达方法，完整、清晰表达零件的所有内、外部形状和结构特征。

主视图的选择：

表达零件时，通常以主视图为主，看零件图时通常也先看主视图，所以主视图是零件图的核心。

主视图选择是否得当，将直接影响零件图的表达效果，也影响到看图和画图是否方便。

因此，画零件图时应首先选择好主视图。

在选择主视图时，除了要考虑零件的形状和结构特征，还要考虑零件的加工和工作位置。

零件的工作位置：

零件在机器或部件中有一定的工作位置。

选择主视图时，应尽量使它的摆法与其在机器或部件中的工作位置一致。

根据这个原则选择主视图，便于将零件图与装配图联系起来考虑、分析和想象零件在机器或部件中的工作情况。

同时，在装配、安装调试时，容易和装配图直接对照，有利于看图。

零件的加工位置：

零件在加工制造过程中，特别是在进行机械加工时，要把它们夹在某个夹具上进行切削或磨削等，每一道工序都有一定的加工位置。

选择主视图时，零件的摆放位置也应尽量与该零件主要加工位置相一致。

根据这个原则选择主视图，有利于工人在加工零件是对照实物看图和测量尺寸，从而减少了发生差错的机会。

有些零件的主视图，可以选择得既能满足反映形状特征的要求，又能满足符合加工位置和工作位置的要求。

有些则不能，此时就应根据零件的具体情况进行分析。

一般来说，加工位置比较单一的零件，如轴、轴套、轮盘等，即使零件在工作时，其轴线是竖直的，在绘图时，也是按加工位置选择主视图。

而对于加工位置较多，且很难分清主次的，如形状较为复杂的机器外壳、箱体及支架等，一般是根据工作位置选择主视图。

此外，有一些零件，如手柄等，其工作位置不完全固定或在机器中其工作位置处于倾斜状态，加工位置有没有主次之分。

若按倾斜位置选择主视图，则会绘画图、看图带来不必要的麻烦。

这时，通常是把它们摆正后，主要按反映形状特征的要求选择主视图。

其它视图的选择：

主视图选定之后，还要进行其它视图的选择。

对其它视图的选择应根据零件的结构特征和复杂程度进行考虑。

一般来说，在零件的每一部分都能得到充分反映的前提下，所选用的视图数量应尽可能少，尽量避免多余的视图。

在选用其它视图的过程中，应优先采用基本视图（如俯视图、左视图等）和在基本视图上取剖视，应尽可能在基本视图中将零件主要的内外结构、形状特征表达清楚。

对尚未表达清楚的局部结构以及零件上倾斜部分的形状，可通过选用适当的局部视图、斜视图或其它表达方法表示清楚。

此外，在选用其它视图的过程个，还应考虑合理地布置视图，充分利用图纸幅面等。

（3）零件图的尺寸标注

零件图的尺寸标注，要求做到完整、清晰、合理。

标注尺寸的合理性，主要体现在：

尺寸的标注应能保证达到零件在机器中的作用、性能等设计要求。

在生产和加工零件的过程中，应方便操作人员测量尺寸，生产成本相对要低。

合理标注尺寸的方法与步骤：

合理选择尺寸基准：

在对零件进行结构分析，充分了解零件的工作性能和加工测量的基础上，选择好尺寸基准，特别是主尺寸基准；

标注重要的尺寸根据零件的设计要求，对有关该零件的工作性能、产品的规格、零件在机器中的定位等重要的尺寸，直接标注出来；

标注一般尺寸；考虑工艺要求，逐个标注零件上每一个形体结构的定形、定位尺寸。

检查最后用形体分析法和结构分析法对尺寸标注进行检查，看看是否有遗漏，图上所标注尺寸是否清晰，零件在长、宽、高三个方向上的尺寸链是否正确。

标注尺寸时应注意的几个问题：

零件图中的尺寸，根据其重要性，可以分为主要尺寸和一般尺寸。

主要尺寸是指直接影响产品性能、工作精度和互换性的尺寸，这类尺寸的加工要求，一般都比较严格，在零件设计时，就一定要选择好尺寸基准，直接标注出来。

一般尺寸对产品性能和工作精度影响不大，也不影响零件之间的配合尺寸。

标注这类尺寸时，可根据实际情况从辅助基准标出，并尽量使标注的尺寸，符合零件的加工顺序和方便尺寸的测量。

不应注成封闭的尺寸链。

（4）零件图上技术要求

零件图除了表达零件的结构形状和标注尺寸大小外，还必须在视图上标注及说明制造零件时应达到的一些技术要求。

在零件图上要求注明的技术要求主要有：

零件的表面粗糙度；

尺寸公差与配合；

零件的形状与位置公差；

零件的特殊加工要求及检验说明；

零件的表面处理和表面修饰，如镀、涂等要求的说明；

材料要求与热处理。

这些技术要求与说明，应按国家标准的有关规定，在图样上注写规定的各种符号、代号及文字或数字说明。

对于一些不能标注或需要统一说明的要求，可以在图纸下方的空白处用文字简明、确切地分条注写出来。

六．实验步骤：

1．用坐标方格纸手工绘制箱体零件草图，注意视图的选择原则、视图的表达方案、零件图的完整性；

箱体类零件在长度、宽度、高度方向主要尺寸基准的选取原则是选用孔的中心线、对称平面、轴线以及较大的加工平面。

箱体类零件由于结构比较复杂，尺寸非常多，因此必须非常仔细地进行形体分析和结构分析，逐个注出其定形和定位尺寸，并合理布置各个尺寸，使得尺寸在图面上分布既清晰又合理。

对于一些简单的箱体，一般只用二到三个视图就可以完全表达清楚。

而对某些特别复杂的箱体，常常要采用六、七个视图，有时甚至需要采用十几个视图和各种剖视图。

例如，图11所示的减速箱体，总共用了六个视图分别表达其内、外部的结构和形状。

φ35K7蜗杆孔的轴线即为减速箱体的高度方向尺寸基准，箱体底部到该孔轴线的距离92mm，φ48H7锥齿轮轴孔的轴线到该基准处的距离40mm，都是重要的定位尺寸，均从该基准处直接标注。

而φ35K7和φ40K7两蜗轮孔的轴线则为长度方向的尺寸基准。

图11减速箱体零件图

2．用CAD（PRO/E、UG、CATIA等）软件，根据草图绘制箱体三维立体图；

三维造型时常用以下方法：

（1）对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。

（2）绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。

（3）沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。

（4）从草图入手建模，设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的实体建模。

从草图入手建模，很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是液压支架最理想的建模方式。

（5）利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等，生成的实体模型均采用参数化特征造型。

3．在CAD软件中，生成箱体的二维零件图，注意零件图的完整性等；

零件图的内容有：

一组表达零件结构形状的图形；确定零件大小的尺寸；技术要求（用代号、符号、数字或文字说明注写出零件制造、检验、装配调整时应该达到的一些质量要求）；标题栏（标题栏用来填写零件的名称、图号、材料、比例、数量等内容以及设计、绘图人员的署名和单价等）。

4．对箱体零件进行尺寸和形位误差的传统精度测量；

有配合要求的内孔，可用内径量表检测，孔的形位误差项目测量利用杠杆百分表、检验心轴测量，测量过程中注意测量基准。

5．应用手动式三坐标测量机，测量箱体零件中的部分尺寸和精度；

6．应用CAD模型在Global三坐标测量机上，进行自动检测。

思考题：

1、视图的表达方法有哪几种？

草图、