制備創(chuàng)新型學具的裝置及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，該裝置包括模型提供模塊和打印模塊，其中模型提供模塊能夠提供所有的在教學中能夠應用到的學具模型的三維立體圖，并且將上述三維立體圖傳遞給所述打印模塊，通過打印效率極高的打印模塊將上述學具模型及時地打印出來，從而達到隨時打印制備的效果，以增強學生的學習興趣，提高學習效率。
【專利說明】制備創(chuàng)新型學具的裝置及制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種學具的3D打印制備裝置和方法，具體涉及一種制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法。

【背景技術】
[0002]學具是以傳播科技、教育人為目的的實物，是完全的科技傳媒，是青少年科技活動中不可缺少的器材?？萍蓟顒又杏玫膶W具有實物學具和復制品學具。具體有來自自然界的標本或樣品:如用于科技教育活動中的生物標本、礦物標本、化石、巖石及珍稀動物樣品等。還有標本的仿制品和模型:有些標本十分珍貴(如北京猿人頭蓋骨化石)，不宜到處傳播，于是人們制作了各種仿制品以及模型，用以傳播科技信息，又如人體解剖模型、航、海、車三模所用的模型等。但現(xiàn)有的學具制作周期較長，很難適應隨堂制作并使用的目的。
[0003]由于上述原因，本發(fā)明人基于3D打印技術，提出一種能夠解決上述技術問題的技術方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述問題，本發(fā)明人進行了銳意研究，設計出一種制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，該裝置包括模型提供模塊和打印模塊，其中模型提供模塊能夠提供所有的在教學中能夠應用到的學具模型的三維立體圖，并且將上述三維立體圖傳遞給所述打印模塊，通過打印效率極高的打印模塊將上述學具模型及時地打印出來，從而達到隨時打印制備的效果，從而完成本發(fā)明。
[0005]具體來說，本發(fā)明的目的在于提供以下方面:
[0006](I) 一種制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，該裝置包括提供學具模型的模型供給模塊和執(zhí)行模型打印作業(yè)的打印裝置，
[0007]其中，所述數(shù)據(jù)供給模塊包括本地數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連接模塊，所述數(shù)據(jù)供給模塊提供的學具模型包括本地數(shù)據(jù)庫中存儲的模型和網(wǎng)絡連接模塊從網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫或其他網(wǎng)站下載的模型，所述數(shù)據(jù)供給模塊還用于修改或編輯上述提供的學具模型，并將所述學具模型的信息傳遞給所述打印裝置；
[0008]所述打印裝置包括物料選擇模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)分層處理模塊和用于接收模型供給模塊傳遞出的學具模型信息并將該信息轉換為打印裝置能夠識別格式的數(shù)據(jù)接收轉換模塊，所述數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)轉換格式得到的信息計算出制備該模型所需要的物料信息、溫度信息和該模型的結構信息，并將上述信息分別傳遞給物料選擇模塊、溫度選擇模塊和數(shù)據(jù)分層處理模塊。
[0009]所述數(shù)據(jù)分層處理模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的學具模型的結構信息，并對上述學具模型進行切片處理，即根據(jù)學具模型信息計算出制備該學具模型所需的加工層數(shù)以及加工每一層所需的加工參數(shù)信息，
[0010]所述打印裝置還包括有運動模塊，所述運動模塊根據(jù)所述數(shù)據(jù)分層處理模塊計算出的加工參數(shù)信息做進給運動，所述運動控制模塊包括機頭固定裝置1，在所述機頭固定裝置I的底部分別設置有機頭一 11和機頭二 13，在所述機頭固定裝置I上分別可相對滑動地安裝有沿X軸方向移動的X軸橫桿2和沿Y軸方向移動的Y軸橫桿3，所述X軸橫桿2的軸線方向與所述X軸方向垂直，所述Y軸橫桿3的軸線方向與所述Y軸方向垂直。
[0011](2)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述學具模型的結構信息包括學具模型的3D模型圖；所述制備學具模型所需的物料信息包括噴嘴一和噴嘴二中噴出物料的顏色；所述制備學具模型所需的溫度信息包括噴嘴一的溫度、噴嘴二的溫度和熱床的溫度，
[0012]所述物料選擇模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的制備學具模型所需的物料信息，并根據(jù)上述物料信息將適當?shù)奈锪咸畛渲翆膰娮熘校?br> [0013]所述溫度控制模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的制備學具模型所需的溫度信息，并根據(jù)上述溫度信息分別控制噴嘴一、噴嘴二以及熱床的溫度。
[0014](3)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述打印裝置還包括
[0015]加工控制模塊，其用于接收數(shù)據(jù)分層處理模塊傳遞的加工層數(shù)信息和加工每一層所需的加工參數(shù)信息，將加工每一層所需的加工參數(shù)信息分別傳遞給機頭一控制模塊和機頭二控制模塊，并在每層加工完成后通過熱床控制模塊控制熱床6移動；
[0016]機頭一控制模塊，其用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭一運動，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制噴嘴一開始噴料或停止噴料；和
[0017]機頭二控制模塊，其用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭二運動，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制噴嘴二開始噴料或停止噴料；
[0018]所述數(shù)據(jù)分層處理模塊計算出的加工每一層所需的加工參數(shù)信息包括加工每一層所需的機頭一運動參數(shù)信息、機頭二運動參數(shù)信息、噴嘴一噴料參數(shù)信息和噴嘴二噴料參數(shù)信息。
[0019](4)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述噴嘴一 12可拆卸地安裝在機頭一 11的底部，所述噴嘴二 14可拆卸地安裝在機頭二 13的底部，且噴嘴一和噴嘴二的最底端位于同一個水平面內(nèi)。
[0020](5)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，在所述X軸橫桿的兩端分別設置有X軸滑塊一 21和X軸滑塊二 22，所述X軸滑塊一 21和X軸滑塊二 22分別套設在沿著X軸方向設置的X軸滑桿一 23和X軸滑桿二 24上；在所述Y軸橫桿的兩端分別設置有Y軸滑塊一 31和Y軸滑塊二 32，所述Y軸滑塊一 31和Y軸滑塊二 32分別套設在沿著Y軸方向設置的Y軸滑桿一 33和Y軸滑桿二 34上。
[0021](6)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，X軸滑桿一 23和X軸滑桿二 24共同撐緊沿著Y軸方向設置的Y軸皮帶齒輪一 51和Y軸皮帶齒輪二 52，Y軸滑桿一 33和Y軸滑桿二 34共同撐緊沿著X軸方向設置的X軸皮帶齒輪一 41和X軸皮帶齒輪二 42 ；
[0022]所述X軸皮帶齒輪一 41帶動X軸滑塊一 21沿著X軸滑桿一 23移動，所述X軸皮帶齒輪二 42帶動X軸滑塊二 22沿著X軸滑桿二 24移動，且X軸滑塊一 21和X軸滑塊二22同步運動；所述Y軸皮帶齒輪一 51帶動Y軸滑塊一 31沿著Y軸滑桿一 33移動，所述Y軸皮帶齒輪二 52帶動Y軸滑塊二 32沿著Y軸滑桿二 34移動，且Y軸滑塊一 31和Y軸滑塊二 32同步運動。
[0023](7)根據(jù)上述(I)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，X軸電機通過X軸皮帶齒輪三43帶動Y軸滑桿一 33或Y軸滑桿二 34旋轉，進而帶動X軸皮帶齒輪一 41和X軸皮帶齒輪二 42同步轉動；Y軸電機通過Y軸皮帶齒輪三53帶動X軸滑桿一 23或X軸滑桿二 24旋轉，進而帶動Y軸皮帶齒輪一 51和Y軸皮帶齒輪二 52同步轉動。
[0024](8)根據(jù)上述(7)所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，機頭一控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置I上的機頭一按照加工參數(shù)信息進行移動，機頭二控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置I上的機頭二按照加工參數(shù)信息進行移動，且在加工時機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作。
[0025](9) 一種制備創(chuàng)新型學具的方法，該方法是通過如上述(I)至上述(8)中任意一項所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置實現(xiàn)的，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0026]步驟1:通過模型供給模塊選擇需要制備的學具模型；
[0027]步驟2:通過模型供給模塊修改或調整已選擇的學具模型；
[0028]步驟3:將學具模型信息傳遞至打印裝置；
[0029]步驟4:數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)接收到的信息計算出制備該學具模型所需的加工參數(shù)信息；
[0030]步驟5:在噴嘴一和噴嘴二中添加物料，加熱噴嘴一、噴嘴二和熱床；
[0031]步驟6:通過數(shù)據(jù)分層處理模塊對學具模型進行分層處理，得到每層的加工參數(shù)，并將計算得到的加工參數(shù)信息傳遞給加工控制模塊；
[0032]步驟7:加工控制模塊逐層地將每層的加工參數(shù)分別輸入至機頭一控制模塊和機頭二控制模塊；
[0033]步驟8:對機頭一進行零點定位并校準；
[0034]步驟9:通過機頭一控制t旲塊控制機頭一移動至嗔料加工的起始位直，機頭一控制模塊控制機頭一上的噴嘴一噴料，機頭一控制模塊控制機頭一沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴一停止噴料；
[0035]步驟10:機頭二控制模塊控制機頭二移動至噴料加工的起始位置，機頭二控制模塊控制機頭二上的噴嘴一噴料，機頭二控制模塊控制機頭二沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴二停止噴料；
[0036]步驟11:機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作，直至加工完一層學具模型，并控制機頭一移動至坐標原點；
[0037]步驟12:加工控制模塊控制熱床沿著Z軸方向向下移動預定距離，所述預定距離為每一層的厚度；
[0038]步驟13，重復步驟8?12，直至加工完成整個學具模型。
[0039](10)根據(jù)上述(9)中所示的制備創(chuàng)新型學具的方法，其特征在于，步驟I中所述的學具模型包括在教材中出現(xiàn)過的人、物和幾何圖形的立體模型。
[0040]本發(fā)明所具有的有益效果包括:
[0041](I)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其能夠提供足夠多的教學用具，將課本中的人物及圖形立體化，使得學生在學習中的感知、理解和記更為形象，提高學習效率；
[0042](2)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有兩個交替控制的機頭，使得模型制備的效率更高，減少了機頭的不必要行程；
[0043](3)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有兩個機頭，使得制備出的學具上具有兩種色彩；
[0044](4)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有呈十字型交叉的兩條橫桿，使得機頭在水平面上能夠以任意速度和角度進行移動，進給速度快，制備效率高，能夠滿足課堂使用的要求；
[0045](5)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其機頭的運動控制模塊中設置有成對的滑桿和滑塊，使得機頭運動更為平穩(wěn)，運動精度更高，打印出的學具更為形象逼真；

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的制備創(chuàng)新型學具的裝置的邏輯電路圖；
[0047]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的制備創(chuàng)新型學具的裝置的運動控制模塊結構示意圖；
[0048]圖3示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的制備創(chuàng)新型學具的裝置的機頭固定裝置結構示意圖；
[0049]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實施方式的制備創(chuàng)新型學具的方法制備步驟流程圖。
[0050]附圖標號說明:
[0051]I—機頭固定裝置
[0052]11-機頭一
[0053]12-噴嘴一
[0054]13-機頭二
[0055]14-噴嘴二
[0056]15-高度調節(jié)螺栓
[0057]2-X軸橫桿
[0058]21-X 軸滑塊一
[0059]22-1 軸滑塊二
[0060]23-X 軸滑桿一
[0061]24-X 軸滑桿二
[0062]3-Y軸橫桿
[0063]31-Y 軸滑塊一
[0064]32-Y 軸滑塊二
[0065]33-Y 軸滑桿一
[0066]34-Y 軸滑桿二
[0067]41-X軸皮帶齒輪一
[0068]42-X軸皮帶齒輪二
[0069]43-X軸皮帶齒輪三
[0070]51-Y軸皮帶齒輪一
[0071]52-Y軸皮帶齒輪二
[0072]53-Y軸皮帶齒輪三
[0073]6-熱床
[0074]7-擠絲機構

【具體實施方式】
[0075]下面通過附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點和優(yōu)點將變得更為清楚明確。
[0076]在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實施例。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。
[0077]根據(jù)本發(fā)明提供的一種制備創(chuàng)新型學具的裝置，如圖1中所示，該裝置包括提供學具模型的模型供給模塊和執(zhí)行模型打印作業(yè)的打印裝置，其中，所述數(shù)據(jù)供給模塊包括本地數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連接模塊，所述數(shù)據(jù)供給模塊提供的學具模型包括本地數(shù)據(jù)庫中存儲的模型和網(wǎng)絡連接模塊從網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫或其他網(wǎng)站下載的模型，所述數(shù)據(jù)供給模塊還包括數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊包括人工可視的窗口，能夠人工實時控制，對上述提供的學具模型進行修改或編輯，如改變模型的顏色伸、大小和部分結構形式等；
[0078]所述模型供給模塊提供的學具模型包括與現(xiàn)有主流的小學課本、中學課本、大學課本相匹配的學具模型，如語文課本中的人物模型、建筑模型，數(shù)學課本中的平面圖形的模型、立體圖形的模型，以及其他課本中的能夠對教學起到積極作用的相關人物或事物的模型等；所述模型供給模塊還用于將模型供給模塊提供的學具模型信息傳遞給打印裝置。
[0079]所述打印裝置包括物料選擇模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)分層處理模塊和用于接收模型供給模塊傳遞出的學具模型信息并將該信息轉換為打印裝置能夠識別格式的數(shù)據(jù)接收轉換模塊，所述數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)轉換格式得到的信息計算出加工該模型所需要的物料信息、溫度信息和該模型的結構信息，并將上述信息分別傳遞給物料選擇模塊、溫度選擇模塊和數(shù)據(jù)分層處理模塊。
[0080]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述模型的結構信息包括學具模型的3D模型圖，該3D模型圖可以模型供給模塊提供的，也可以是自己通過繪圖軟件繪制的；
[0081]所述加工該模型所需的物料信息包括噴嘴一和噴嘴二中噴出物料的顏色，該信息一般由人工輸入或選擇的，也可以是模型圖信息中附帶的，通過物料選擇模塊接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的加工待加工工件所需的物料信息，并根據(jù)上述物料信息將適當?shù)奈锪咸畛渲翆膰娮熘校?br> [0082]所述加工該學具模型所需的溫度信息包括噴嘴一 12的溫度、噴嘴二 14的溫度和熱床6的溫度，該信息在制備學具模型前確定的，可以人工通過輸入按鈕進行輸入，也可以系統(tǒng)根據(jù)物料信息自動生成，在加工開始前輸入該溫度信息以便于系統(tǒng)在加工開始前進行預熱，通過溫度控制模塊接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的加工待加工工件所需的溫度信息，并根據(jù)上述溫度信息分別控制噴嘴一、噴嘴二以及熱床的溫度。
[0083]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述數(shù)據(jù)分層處理模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的學具模型的結構信息，優(yōu)選地，還可以在接收到的數(shù)據(jù)基礎上對其進行修改或調整，并對上述學具模型進行切片處理，即學具模型的結構信息計算出制備該學具模型所需的加工層數(shù)以及加工每一層所需的加工參數(shù)信息，將所述加工層數(shù)信息和所述加工每一層所需的加工參數(shù)信息傳遞給加工控制模塊；所述數(shù)據(jù)分層處理即為在立體圖的基礎上計算出各個加工層的加工參數(shù)信息，所述加工參數(shù)信息包括每一層的形狀、構造，機頭一和機頭二的加工行進路線以及機頭一和機頭二的工作順序。
[0084]所述打印裝置還包括加工控制模塊、機頭一控制模塊、機頭二控制模塊和運動控制豐吳塊。
[0085]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述加工控制模塊用于接收數(shù)據(jù)分層處理模塊傳遞的加工層數(shù)信息和加工每一層所需的加工參數(shù)信息，將加工每一層所需的加工參數(shù)信息分別傳遞給機頭一控制模塊和機頭二控制模塊，并在每層加工完成后通過熱床控制模塊控制熱床移動；加工控制模塊將接收到的信息轉換成二進制碼，優(yōu)選地，二進制碼高位存儲機頭一的加工參數(shù)數(shù)據(jù)，二進制碼低位存儲機頭二的加工參數(shù)數(shù)據(jù)，以便于將機頭一和機頭二的加工參數(shù)數(shù)據(jù)分別發(fā)送至機頭一控制模塊和機頭二控制模塊；當機頭加工完成一個層時，兩個機頭都停止工作，此時，熱床控制模塊將作業(yè)指令發(fā)送給Z軸運動電機，Z軸運動電機通過齒輪齒條帶動熱床向下移動，其移動的距離為一個層的厚度，其移動距離很小，移動的時間也很短，移動完成后，機頭一控制模塊和機頭二控制模塊都分別接收到了加工下一層的加工參數(shù)信息，即可繼續(xù)進行加工。
[0086]在一個優(yōu)選的實施方式中，機頭一控制模塊用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭一 11運動，所述機頭一運動包括機頭一從原點位置移動至加工起始位置和進給加工，所述進給加工是指機頭從加工起始位置沿著預定軌跡移動至加工結束位置的運動過程；所述加工參數(shù)信息還包括噴嘴的噴料和停止，具體來說，機頭移動到加工起始位置時，控制噴嘴一開始噴料，隨著機頭一的移動，噴嘴一在機頭一的運動軌跡上噴滿物料，當機頭一運動至加工結束位置時，控制噴嘴一停止噴料，從而形成一個或半個或一部分層結構；
[0087]相對應地，機頭二控制模塊用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭二 13運動，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制噴嘴二開始噴料或停止噴料；機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作，使得機頭一和機頭二交替工作，最終形成一個完整的層，并將機頭移動至坐標的原點位置。
[0088]在一個優(yōu)選的實施方式中，在機頭一和機頭二的噴料加工運動中，機頭一或機頭二沿著每一層輪廓的邊緣運動，一般呈“小方框”型，走過的線型沒有交叉點，以便節(jié)省加工時間，各個線條以互相平行的為主，另外，盡量使得各個線條方向與X軸方向或Y軸方向一致，以便于控制加工。
[0089]在一個優(yōu)選的實施方式中，機頭一控制模塊和機頭二控制模塊都通過運動控制模塊控制機頭運動，所述運動控制模塊包括機頭固定裝置1，機頭一和機頭二分別設置在所述機頭固定裝置的底部，即機頭一和機頭二一起隨著機頭固定裝置移動，兩個機頭控制模塊都是通過控制機頭固定裝置來控制相應的機頭，在所述機頭固定裝置上分別可相對滑動地安裝有沿X軸方向移動的X軸橫桿2和沿Y軸方向移動的Y軸橫桿3，所述X軸橫桿的軸線方向與所述X軸方向垂直，所述Y軸橫桿的軸線方向與所述Y軸方向垂直，X軸橫桿移動時，如果Y軸橫桿不動，X軸橫桿帶著機頭固定裝置沿著X軸方向移動，如果Y軸橫桿同時也移動，X軸橫桿和Y軸橫桿共同帶著機頭固定裝置做復合運動，該運動可以是直線運動，也可以是弧線運動，具體為何種運動形式取決于X軸橫桿和Y軸橫桿的運動速度。
[0090]在進一步優(yōu)選的實施方式中，如圖2中所示，在機頭固定裝置上部開設有兩個軸線互相垂直的通孔，且兩個通孔不連通，兩個通孔直徑剛好使得X軸橫桿和Y軸橫桿能夠通過并滑動，通孔內(nèi)壁光滑，一般可以涂布有潤滑劑層，以減少摩擦和磨損。
[0091]在一個優(yōu)選的實施方式中，在所述X軸橫桿的兩端分別設置有X軸滑塊一 21和X軸滑塊二 22，如圖2中所示，所述X軸滑塊一和X軸滑塊二分別套設在沿著X軸方向設置的X軸滑桿一 23和X軸滑桿二 24上；在所述Y軸橫桿的兩端分別設置有Y軸滑塊一 31和Y軸滑塊二 32，所述Y軸滑塊一和Y軸滑塊二分別套設在沿著Y軸方向設置的Y軸滑桿一 33和Y軸滑桿二 34上，且上述四根滑桿在空間上并不相接觸，可以兩根X軸滑桿在兩根Y軸滑桿的上方，也可以兩根X軸滑桿在兩根Y軸滑桿的下方，且各個滑桿之間要留有預定的間隙，以避免摩擦。
[0092]X軸滑桿一和X軸滑桿二共同撐緊沿著Y軸方向設置的Y軸皮帶齒輪一 51和Y軸皮帶齒輪二 52，Y軸滑桿一和Y軸滑桿二共同撐緊沿著X軸方向設置的X軸皮帶齒輪一 41和X軸皮帶齒輪二 42 ；
[0093]所述X軸皮帶齒輪一帶動X軸滑塊一沿著X軸滑桿一移動，所述X軸皮帶齒輪二帶動X軸滑塊二沿著X軸滑桿二移動，且X軸滑塊一和X軸滑塊二同步運動；所述Y軸皮帶齒輪一帶動Y軸滑塊一沿著Y軸滑桿一移動，所述Y軸皮帶齒輪二帶動Y軸滑塊二沿著Y軸滑桿二移動，且Y軸滑塊一和Y軸滑塊二同步運動。上述雖然給出了通過皮帶齒輪傳動動力的方式，但是也只是作為一種最為優(yōu)選的實施方式，以便提高傳遞精度和可操作性，還是可以選用其他的方式進行動力傳遞的，如通過齒輪或絲杠等方式。
[0094]在一個優(yōu)選的實施方式中，如圖2中所示，X軸電機通過X軸皮帶齒輪三43帶動Y軸滑桿一或Y軸滑桿二旋轉，進而帶動X軸皮帶齒輪一和X軸皮帶齒輪二同步轉動；γ軸電機通過Y軸皮帶齒輪三53帶動X軸滑桿一或X軸滑桿二旋轉，進而帶動Y軸皮帶齒輪一和Y軸皮帶齒輪二同步轉動；
[0095]機頭一控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置上的機頭一按照加工參數(shù)信息進行移動，機頭二控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置上的機頭二按照加工參數(shù)信息進行移動，且在加工時機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作。
[0096]所述運動控制模塊的工作過程包括:將運動指令發(fā)送給X軸電機，X軸電機傳遞動力，通過X軸皮帶齒輪三帶動Y軸滑桿一或Y軸滑桿二旋轉，進而帶動X軸皮帶齒輪一和X軸皮帶齒輪二同步旋轉，X軸皮帶齒輪一和X軸皮帶齒輪二同步旋轉時分別帶動X軸滑塊一和X軸滑塊二同步滑動，進而X軸橫桿連同機頭固定裝置一同沿著X軸方向移動，實現(xiàn)了機頭沿X軸方向的進給；同理，運動控制模塊將運動指令發(fā)送給Y軸電機，實現(xiàn)機頭沿Y軸方向的進給，且X軸電機和Y軸電機可以同時工作，其提供的轉速也可以是不同的，即機頭固定裝置沿X軸方向的分速度大小和沿Y軸方向的分速度大小可以不同，也可以相同。
[0097]在一個優(yōu)選的實施方式中，上述四個滑桿在旋轉的同時，其上套設的滑塊仍在滑動，滑桿與滑塊相接觸的位置需經(jīng)過特別處理，如淬火等，以增強其耐磨性，另外，在滑桿外部涂布有潤滑層，以減小摩擦和磨損。
[0098]在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)還包括有定位校準系統(tǒng)，所述定位校準系統(tǒng)包括三個限位開關和三個傳感器，分別設置在沿著X、Y、Z三個坐標軸方向上的機頭移動極限位置，對機頭一進行監(jiān)測，在每一層加工開始前，通過定位校準系統(tǒng)對機頭一進行零點定位校準，以保證機頭加工的精度。
[0099]在一個優(yōu)選的實施方式中，兩個機頭之間的距離確定，根據(jù)上述距離和機頭一在坐標系中的位置能夠實時計算出機頭二在坐標系中的位置，從而便于對機頭二的控制，節(jié)省了機頭二的定位校準工作，使得機頭一和機頭二交替工作更為快捷。
[0100]在一個優(yōu)選的實施方式中，在每個噴嘴附近都安裝有電熱管、溫度傳感器和風扇，在熱床上同樣安裝有電熱管、溫度傳感器和風扇，通過溫度控制模塊根據(jù)接收到的指示，通過電熱管加熱，通過風扇降溫，通過溫度傳感器實時監(jiān)測溫度信息，以使得打印裝置內(nèi)部的溫度保持在預定的范圍內(nèi)，滿足學具制備的需要，優(yōu)選地，噴嘴的工作溫度為180?260攝氏度，熱床的工作溫度為50?100攝氏度，整體打印裝置的工作溫度為15?32攝氏度。
[0101]在一個優(yōu)選的實時方式中，如圖3中所示，所述打印裝置中還設置有兩個擠絲機構7，分別對應兩個機頭上的兩個噴嘴，機頭一控制模塊直接控制其中一個擠絲機構，機頭二控制模塊直接控制另外一個擠絲機構，當需要噴嘴噴料時，控制擠絲機構上的物料電機工作，即可將物料輸送至噴嘴中，使得噴嘴噴料。
[0102]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述熱床設置在兩個噴嘴下方，熱床優(yōu)選的為上表面平滑的板狀，當加工開始前，控制熱床向上移動至緊鄰著噴嘴的位置，與噴嘴之間的距離約等于一個層的厚度，以便于噴嘴將物料噴灑在熱床上，形成加工層，當一個層加工完成后，熱床都會向下移動一個層厚的距離，以便于繼續(xù)噴涂物料，直至待加工工件加工完成。
[0103]在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明中所述的X軸電機、Y軸電機、Z軸運動電機和物料電機都是步進電機，本發(fā)明中對此沒有特別限定，選用控制精度足夠高的步進電機即可。
[0104]在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明中所述的打印裝置上還設置有LED顯示屏和輸入界面，通過輸入界面可以輸入所需的溫度信息和物料信息，還可以通過輸入界面輸入信息對三維模型圖進行調整和修改，所述LED顯示屏用于配合輸入界面的信息輸入，實時顯示輸入的信息，另外，還可以實時顯示當前的制備狀態(tài)，以便于監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)問題，可以隨時取消作業(yè)。
[0105]在一個優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明中所述的學具制備裝置主要用于塑料材質的學具模型制備，其物料也是塑料類的材料。
[0106]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述噴嘴一可拆卸地安裝在機頭一的底部，所述噴嘴二可拆卸地安裝在機頭二的底部，且噴嘴一和噴嘴二的最底端位于同一個水平面內(nèi)，以便于確保兩個機頭的加工精度。
[0107]在一個優(yōu)選的實施方式中，如圖3中所示，所述噴嘴的相對于機頭的位置可調節(jié)，即可以控制噴嘴從機頭中伸出或縮回到機頭內(nèi)，本發(fā)明中優(yōu)選地，在噴嘴上設置有高度調節(jié)螺栓15，所述高度調節(jié)螺栓擰合在所述機頭上，旋轉所述高度調節(jié)螺栓即可調節(jié)噴嘴相對于機頭的高度，從而保證兩個噴嘴之間的相對位置固定，保證加工精度。
[0108]根據(jù)本發(fā)明提供的創(chuàng)新學具的制備方法，如圖4中所示，該方法是通過所述創(chuàng)新學具的制備裝置實現(xiàn)的，該方法包括如下步驟:
[0109]步驟1:通過模型供給模塊選擇需要制備的學具模型；
[0110]步驟2:通過模型供給模塊修改或調整已選擇的學具模型；包括修改學具模型的顏色、大小甚至外形結構；
[0111]步驟3:將學具模型信息傳遞至打印裝置；
[0112]步驟4:數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)接收到的信息計算出制備該學具模型所需的加工參數(shù)信息，包括物料信息、溫度信息和該模型的結構信息，并將上述信息分別傳遞至打印裝置的其他部件模塊；
[0113]步驟5:在噴嘴一和噴嘴二中添加物料，加熱噴嘴一、噴嘴二和熱床，其中，包括預熱、加熱以及降溫等過程；
[0114]步驟6:通過數(shù)據(jù)分層處理模塊對學具模型進行分層處理，得到每層的加工參數(shù)，并將計算得到的加工參數(shù)信息傳遞給加工控制模塊；
[0115]步驟7:加工控制模塊逐層地將每層的加工參數(shù)分別輸入至機頭一控制模塊和機頭二控制模塊；
[0116]步驟8:對機頭一進行零點定位并校準；
[0117]步驟9:通過機頭一控制模塊控制機頭一移動至噴料加工的起始位置，機頭一控制模塊控制機頭一上的噴嘴一噴料，機頭一控制模塊控制機頭一沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴一停止噴料；
[0118]步驟10:機頭二控制模塊控制機頭二移動至噴料加工的起始位置，機頭二控制模塊控制機頭二上的噴嘴一噴料，機頭二控制模塊控制機頭二沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴二停止噴料；
[0119]步驟11:機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作，直至加工完一層學具模型，并控制機頭一移動至坐標原點；
[0120]步驟12:加工控制模塊控制熱床沿著Z軸方向向下移動預定距離，所述預定距離為每一層的厚度；
[0121]步驟13，重復步驟8?12，直至加工完成整個學具模型。
[0122]在一個優(yōu)選的實施方式中，所述選取的學具模型包括課本中出現(xiàn)的所有圖形的立體模型，人體解剖模型、交通工具及各種機械裝置的拆分模型，所述拆分模型為各個部件的最小單元，多個最小單元組合起來能夠形成一個部件，多個部件組合起來可以形成一種裝置，如多個最小單元組合成發(fā)動機，發(fā)動機和其他部件組合成汽車，通過上述部件的單獨制備并組裝，能夠使學生對各個部件有一個更為清楚全面的認識，對教學水平和學習效率的提高有著重要的作用。
[0123]在本發(fā)明中，所述的X軸、Y軸、Z軸都是虛擬的方向向量，三個軸互相垂直，其中，X軸和Y軸都位于水平方向，Z軸位于豎直方向,其具體的指不方向參見附圖2。
[0124]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“一”、“二”、“三”等僅用于描述目的，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件的相對重要性。
[0125]本發(fā)明所具有的有益效果包括:
[0126](I)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其能夠提供足夠多的教學用具，將課本中的人物及圖形立體化，使得學生在學習中的感知、理解和記更為形象，提高學習效率；
[0127](2)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有兩個交替控制的機頭，使得模型制備的效率更高，減少了機頭的不必要行程；
[0128](3)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有兩個機頭，使得制備出的學具上具有兩種色彩；
[0129](4)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其具有呈十字型交叉的兩條橫桿，使得機頭在水平面上能夠以任意速度和角度進行移動，進給速度快，制備效率高，能夠滿足課堂使用的要求；
[0130](5)根據(jù)本發(fā)明提供的制備創(chuàng)新型學具的裝置及方法，其機頭的運動控制模塊中設置有成對的滑桿和滑塊，使得機頭運動更為平穩(wěn)，運動精度更高，打印出的學具更為形象逼真。
[0131]以上結合了優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了說明，不過這些實施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎上，可以對本發(fā)明進行多種替換和改進，這些均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，該裝置包括提供學具模型的模型供給模塊和執(zhí)行模型打印作業(yè)的打印裝置， 其中，所述數(shù)據(jù)供給模塊包括本地數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連接模塊，所述數(shù)據(jù)供給模塊提供的學具模型包括本地數(shù)據(jù)庫中存儲的模型和網(wǎng)絡連接模塊從網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫或其他網(wǎng)站下載的模型，所述數(shù)據(jù)供給模塊還用于修改或編輯上述提供的學具模型，并將所述學具模型的信息傳遞給所述打印裝置； 所述打印裝置包括物料選擇模塊、溫度控制模塊、數(shù)據(jù)分層處理模塊和用于接收模型供給模塊傳遞出的學具模型信息并將該信息轉換為打印裝置能夠識別格式的數(shù)據(jù)接收轉換模塊，所述數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)轉換格式得到的信息計算出制備該模型所需要的物料信息、溫度信息和該模型的結構信息，并將上述信息分別傳遞給物料選擇模塊、溫度選擇模塊和數(shù)據(jù)分層處理模塊； 所述數(shù)據(jù)分層處理模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的學具模型的結構信息，并對上述學具模型進行切片處理，即根據(jù)學具模型信息計算出制備該學具模型所需的加工層數(shù)以及加工每一層所需的加工參數(shù)信息， 所述打印裝置還包括有運動模塊，所述運動模塊根據(jù)所述數(shù)據(jù)分層處理模塊計算出的加工參數(shù)信息做進給運動，所述運動控制模塊包括機頭固定裝置(I)，在所述機頭固定裝置(I)的底部分別設置有機頭一(11)和機頭二(13)，在所述機頭固定裝置(I)上分別可相對滑動地安裝有沿X軸方向移動的X軸橫桿(2)和沿Y軸方向移動的Y軸橫桿(3)，所述X軸橫桿(2)的軸線方向與所述X軸方向垂直，所述Y軸橫桿(3)的軸線方向與所述Y軸方向垂直。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述學具模型的結構信息包括學具模型的3D模型圖；所述制備學具模型所需的物料信息包括噴嘴一和噴嘴二中噴出物料的顏色；所述制備學具模型所需的溫度信息包括噴嘴一的溫度、噴嘴二的溫度和熱床的溫度， 所述物料選擇模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的制備學具模型所需的物料信息，并根據(jù)上述物料信息將適當?shù)奈锪咸畛渲翆膰娮熘校? 所述溫度控制模塊用于接收數(shù)據(jù)接收轉換模塊傳遞出的制備學具模型所需的溫度信息，并根據(jù)上述溫度信息分別控制噴嘴一、噴嘴二以及熱床的溫度。
3.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述打印裝置還包括 加工控制模塊，其用于接收數(shù)據(jù)分層處理模塊傳遞的加工層數(shù)信息和加工每一層所需的加工參數(shù)信息，將加工每一層所需的加工參數(shù)信息分別傳遞給機頭一控制模塊和機頭二控制模塊，并在每層加工完成后通過熱床控制模塊控制熱床(6)移動； 機頭一控制模塊，其用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭一運動，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制噴嘴一開始噴料或停止噴料；和 機頭二控制模塊，其用于接收加工控制模塊傳遞出的加工參數(shù)信息，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制運動控制模塊帶動機頭二運動，根據(jù)接收到的加工參數(shù)信息控制噴嘴二開始噴料或停止噴料； 所述數(shù)據(jù)分層處理模塊計算出的加工每一層所需的加工參數(shù)信息包括加工每一層所需的機頭一運動參數(shù)信息、機頭二運動參數(shù)信息、噴嘴一噴料參數(shù)信息和噴嘴二噴料參數(shù)信息。
4.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，所述噴嘴一(12)可拆卸地安裝在機頭一(11)的底部，所述噴嘴二(14)可拆卸地安裝在機頭二(13)的底部，且噴嘴一和噴嘴二的最底端位于同一個水平面內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，在所述X軸橫桿的兩端分別設置有X軸滑塊一(21)和X軸滑塊二(22)，所述X軸滑塊一(21)和X軸滑塊二(22)分別套設在沿著X軸方向設置的X軸滑桿一(23)和X軸滑桿二(24)上；在所述Y軸橫桿的兩端分別設置有Y軸滑塊一(31)和Y軸滑塊二(32)，所述Y軸滑塊一(31)和Y軸滑塊二(32)分別套設在沿著Y軸方向設置的Y軸滑桿一(33)和Y軸滑桿二(34)上。
6.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，X軸滑桿一(23)和X軸滑桿二(24)共同撐緊沿著Y軸方向設置的Y軸皮帶齒輪一(51)和Y軸皮帶齒輪二(52)，Y軸滑桿一(33)和Y軸滑桿二(34)共同撐緊沿著X軸方向設置的X軸皮帶齒輪一(41)和X軸皮帶齒輪二(42)； 所述X軸皮帶齒輪一(41)帶動X軸滑塊一(21)沿著X軸滑桿一(23)移動，所述X軸皮帶齒輪二(42)帶動X軸滑塊二(22)沿著X軸滑桿二(24)移動，且X軸滑塊一(21)和X軸滑塊二(22)同步運動；所述Y軸皮帶齒輪一(51)帶動Y軸滑塊一(31)沿著Y軸滑桿一 (33)移動，所述Y軸皮帶齒輪二(52)帶動Y軸滑塊二(32)沿著Y軸滑桿二(34)移動，且Y軸滑塊一(31)和Y軸滑塊二(32)同步運動。
7.根據(jù)權利要求1所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，X軸電機通過X軸皮帶齒輪三(43)帶動Y軸滑桿一(33)或Y軸滑桿二(34)旋轉，進而帶動X軸皮帶齒輪一(41)和X軸皮帶齒輪二(42)同步轉動；Y軸電機通過Y軸皮帶齒輪三(53)帶動X軸滑桿一 (23)或X軸滑桿二(24)旋轉，進而帶動Y軸皮帶齒輪一(51)和Y軸皮帶齒輪二(52)同步轉動。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置，其特征在于，機頭一控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置(I)上的機頭一按照加工參數(shù)信息進行移動，機頭二控制模塊通過分別控制X軸電機和Y軸電機來控制機頭固定裝置(I)上的機頭二按照加工參數(shù)信息進行移動，且在加工時機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作。
9.一種制備創(chuàng)新型學具的方法，該方法是通過如權利要求1至權利要求8中任意一項所述的制備創(chuàng)新型學具的裝置實現(xiàn)的，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟1:通過模型供給模塊選擇需要制備的學具模型； 步驟2:通過模型供給模塊修改或調整已選擇的學具模型； 步驟3:將學具模型信息傳遞至打印裝置； 步驟4:數(shù)據(jù)接收轉換模塊根據(jù)接收到的信息計算出制備該學具模型所需的加工參數(shù)信息； 步驟5:在噴嘴一和噴嘴二中添加物料，加熱噴嘴一、噴嘴二和熱床； 步驟6:通過數(shù)據(jù)分層處理模塊對學具模型進行分層處理，得到每層的加工參數(shù)，并將計算得到的加工參數(shù)信息傳遞給加工控制模塊； 步驟7:加工控制模塊逐層地將每層的加工參數(shù)分別輸入至機頭一控制模塊和機頭二控制模塊； 步驟8:對機頭一進行零點定位并校準； 步驟9:通過機頭一控制模塊控制機頭一移動至噴料加工的起始位置，機頭一控制模塊控制機頭一上的噴嘴一噴料，機頭一控制模塊控制機頭一沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴一停止噴料； 步驟10:機頭二控制模塊控制機頭二移動至噴料加工的起始位置，機頭二控制模塊控制機頭_■上的嗔嘴一嗔料，機頭_■控制|旲塊控制機頭~■沿著預定的路線移動，移動結束后控制噴嘴二停止噴料； 步驟11:機頭一控制模塊和機頭二控制模塊交替工作，直至加工完一層學具模型，并控制機頭一移動至坐標原點； 步驟12:加工控制模塊控制熱床沿著Z軸方向向下移動預定距離，所述預定距離為每一層的厚度； 步驟13，重復步驟8?12，直至加工完成整個學具模型。
10.根據(jù)權利要求9中所示的制備創(chuàng)新型學具的方法，其特征在于，步驟I中所述的學具模型包括在教材中出現(xiàn)過的人、物和幾何圖形的立體模型。
【文檔編號】B29C67/00GK104260356SQ201410541796
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權日:2014年10月14日
【發(fā)明者】王瑛, 金哲鎬, 張小龍, 王嘉偉, 何旸, 崔鶴, 魏翠莉, 王春迪, 龐飛 申請人:秦皇島天秦三維數(shù)字化技術有限公司