一种立体造型实验教学系统

本发明涉及教学设备领域，具体涉及一种立体造型实验教学系统。

背景技术：

1、现有立体成型教学实验设备，存在针对性和系统性欠缺、理论分析难以有效测试或验证、演示性实验技术要求高、非演示性实验缺乏规范化条件、实验教学反馈迟滞、创新型实验项目开发平台欠缺等问题。本发明采用模块化设计理念、图形链码进化算法和产品数字化设计技术，研发了一种集成生成设计、三维测绘、仿形复刻、镜像成型、特征融合、多模式加工演示功能的立体造型实验教学系统。基于freeman链码和遗传算法开发了廓形生成设计模块，结合可变更组合的仿形模块和造型模块，可对立体造型的廓形进行变型设计和自动生成，可对立体造型进行三坐标测量和横断面绘制，可对立体造型进行形态解构和单元重组，可对非对称造型进行镜像成型，可对经典造型进行完整复制和创意重塑，可对多种常用材料的减材成型工艺进行演示；可模拟人类设计思维的发散和收敛过程，可模拟汽车油泥模型等大型工件的减材制造过程和走刀模式。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种立体造型实验教学系统，以解决上述背景技术中提出的现有实验教学中的立体成型设备，存在的针对性和系统性欠缺、理论分析难以有效测试或验证、演示性实验技术要求高、非演示性实验缺乏规范化条件、实验教学反馈迟滞、创新型实验项目开发平台欠缺等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种立体造型实验教学系统，成形工具包括底座支架1、横杆2、纵杆3、纵杆支撑架4、滑块5、探杆7、雕刻机9、连杆12、转向器13和工作台18，所述底座支架1的两对边上设有所述横杆2，所述横杆2上设有所述滑块5，所述滑块5被所述纵杆支撑架4包裹，所述纵杆支撑架4的另一端与所述纵杆3固定，所述纵杆3上设有两个所述滑块5，两个所述滑块5上设有转向器13，两个所述转向器13的一端通过连杆12连接，所述转向器13与内杆8连接，所述内杆8设置在悬臂6内，所述悬臂6端部分别固定有探杆7和抱箍10，所述抱箍10上设有所述雕刻机9，底座支架1上设有所述工作台18，所述工作台18的边缘处设有定位槽19；

4、横杆2和纵杆3上设有滑块，用于探杆7和雕刻机9在横向和纵向位置移动。

5、所述转向器13为日本进口kompass转向器型号为kb-101，实现镜像角度联动。

6、所述纵杆3上设有两个所述滑块5，所述滑块5上设有所述转向器13，所述转向器13通过销轴固定矩形管14内，所述内杆8穿过所述矩形管14与所述转向器13连接，所述悬臂6固定在所述矩形管14上。

7、9.所述探杆7和抱箍10通过悬臂6与内杆8连接，所述悬臂6一端设有弧形槽23，倾角仪11穿过所述弧形槽23固定在所述内杆8上，所述倾角仪11连接杆上设有螺母20，通过螺母20将所述内杆8和所述悬臂6固定在一起；

8、所述工作台18下方设有升降支架16，所述升降支架16固定在工作台底座15上，所述升降支架16通过液压杆17实现升降，所述工作台18的边缘处设有定位槽19；

9、所述矩形管14的后端固定有配重块23；方便前端雕刻机9和探杆7的抬高和平衡。

10、所述纵杆3的两个所述滑块5之间设有锁块24；锁块24在雕刻机9镜像成型时使用，可锁定两个滑块5在纵杆3上的位置，从而确保镜像成型具有固定的镜像对称基准面。

11、所述连杆12两端设有锁紧件21，锁紧件21锁紧后连杆12所述转向器13联动配合，所述锁紧件21松开后连杆12和所述转向器13不联动，在开展镜像成型实验时，锁紧锁紧件21，探杆7和雕刻机9的旋转角度间形成反向联动关系，在仿形复刻实验时，需松开锁紧件21，使得探杆7和雕刻机9各自可以独立旋转。

12、所述三维测绘是在所述雕刻机9上安装有笔架25，在工作台18上安装有网格图板，通过笔架25上的画笔在网格图板上完成绘画，此时旋紧螺母20，使所述探杆7和所述雕刻机9相对位置固定且各自轴线都与网格图板保持平行，通过手工移动所述探杆7，画笔在网格图板上跟踪描绘出探杆所接触的特征点位置，通过调整立体造型素材的位置与角度，得到由不同视角投影出的立体造型廓形图。

13、所述仿形复刻是松开锁紧件21，所述探杆7和所述雕刻机9不联动，在将探杆7旋转并对准至立体造型素材的某一侧面后，旋紧倾角仪11上的螺母20，将内杆8与悬臂6固定在一起，使得探杆7不再能够旋转。调整雕刻机9的角度使之与所述探杆7相同，之后同样旋紧螺母20使得所述雕刻机9也不再能够旋转。探杆7和所述雕刻机9相对位置得以固定，此时可实现某一侧面的仿形复刻。重复以上操作，直至完成造型样本不同侧面的仿形复刻。

14、所述特征融合是将若干立体造型素材的造型特征相继仿形复刻于模型毛坯上，使最终模型具有造型特征相互融合的视觉效果。具体而言，通过与所述仿形复刻同样的操作，可先后选取不同造型样本，将欲保留的造型特征复刻于同一模型毛坯，也可选取单独造型样本，先后变换其位置、角度，将造型特征重复复刻于模型毛坯。此外，在仿形复刻过程中，更换不同形状、大小、构造的探杆7，可实现仿形路径的变化，由雕刻机9加工出的造型特征将有别于原始特征，利于丰富特征并提升融合质量。

15、所述镜像成型是在模型毛坯上雕刻出原始面待镜像面镜像的操作，待镜像面可位于立体造型素材或模型半成品上。通过将锁紧件21锁紧，所述探杆7和所述雕刻机9为联动旋转，在校准完后将所述倾角仪11上的螺母20松开，通过转向器13实现镜像角度变化，使得雕刻机9随着所述探杆7反方向旋转并实时联动。镜像成型过程中，通过锁块24限制纵杆3上的两个滑块5的横向位置，并通过旋转、移动探杆7来连续采集待镜像面上特征点的空间位置，雕刻机9可同时在模型毛坯上实时加工出镜像面。

16、所述生成设计是扫描所述三维测绘出的图纸并保存为jpg格式，输入基于链码和遗传算法的廓形生成设计软件，一键生成多个随机变化的轮廓备选方案，将满意的轮廓方案以eps矢量图形格式保存并将之打印于卡纸，用于制作后续所需立体造型素材的轮廓模板。

17、一种立体造型实验教学系统的使用方法，其特征在于，以仿形复刻实验项目为例，模型材料为pu泡沫时，包括以下步骤；

18、s1：器材准备；降低工作台18至最低位，安装雕刻机9。准备好pu泡沫块材已绘制中心线及待复刻的立体造型素材，通过热熔胶将两者固定于工作台18，使两者中心距与悬臂6中心距一致。将16mm球形刀具安装于雕刻机9上，同时安装20mm球形探头于探杆7上。

19、s2：角度校准；同向分别旋转抱箍10和探杆7，使倾角仪11读数一致，旋紧固定螺丝以固定抱箍10和探杆7，完成两者的角度一致性校准；

20、s3：位置校准；松开探杆7的固定夹具，将探杆向上抽出一定距离。移动雕刻机9端的悬臂6，使16mm球形刀具落于落入工作台18前端的定位槽19相应孔位的底部。下压探杆7，使20mm球形探头落入定位槽19相应孔位的底部，旋紧探杆7的固定螺丝，完成刀具与探头的位置校准；

21、s4：配重及其他调整；微调配重块23位置使悬臂6轻微上扬后固定，以利于控制在操作过程中施力的力度。将工作台18抬升至利于后续操作和观察的合适位置并固定。

22、s5：横向粗加工；将拱形磁铁吸附于横杆2和纵杆支撑架4之间，以限制悬臂6的纵向单次位移幅度。启动雕刻机9并调至低速，开始横向多层粗加工，层厚控制在10mm以内以提高刀路的稳定性，往复走刀直至完成。然后松开拱形磁铁，沿立体造型素材外轮廓环形走刀结束后关毕雕刻机。

23、s6：纵向精加工；更换为6mm球形刀具和6mm球形探头，将两者落入工作台18前端的定位槽19相应孔位的底部，旋紧探杆7的固定螺丝。将拱形磁铁吸附于纵杆3和锁块24之间，以限制悬臂6的横向单次位移幅度。启动雕刻机9并调至中低速，往复走刀直至完成。

24、与现有技术相比，本发明有益效果如下：

25、1、提供一种快速获取复杂曲面造型其廓形信息的低成本技术方案，能够对复杂曲面造型的任意横断面进行轮廓绘制和测量，可供后续分析造型工程数据，对接生成设计模块。

26、2、能够完成立体造型的1:1实物复制和镜像成型，无需借助数字化技术即能得到符合预设标准的复杂造型实物，低年级学生亦能快速掌握技术进行原型试制。

27、3、能够完成立体造型的特征提取和融合，通过变更仿形模块和造型模块(包括模板、探头、支架等)组合，可分别提取立体造型的整体特征(比例、结构等)和局部特征(曲面、图形等细节)，通过模板(即立体造型素材)的组合或替换，可融合来自不同造型的特征。基于上述手段，可开展造型特征的解构、重组和重塑实验。

28、4、采用经典龙门移动式结构，机构精简、运行稳定、精度良好。功能分区得当、警示标识明显，高速旋转部位远离人体接触面，安全可靠。

29、5、集生成设计、三维测绘、仿形复刻、镜像成型、特征融合、多模式加工演示功能于一体，实验条件充足全面、内容科学新颖、手段丰富多样，有效促进教学方法改进。

30、6、功能模块多样、造型素材来源广、diy改装余地大、教学场景易拓展，契合现行实验教学模块组织框架，保证实验内容的科学性和新颖性，以及实验项目设计开发的高自由性，促进实验教学改革和创新。