一种用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统的制作方法

本发明属于纸板打孔技术领域，尤其涉及一种用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统。

背景技术：

工业设计分为产品设计、环境设计、传播设计、设计管理4类；包括造型设计、机械设计、电路设计、服装设计、环境规划、室内设计、建筑设计、ui设计、平面设计、包装设计、广告设计、动画设计、展示设计、网站设计等。工业设计又称工业产品设计学，工业设计涉及到心理学，社会学，美学，人机工程学，机械构造，摄影，色彩学等。工业发展和劳动分工所带来的工业设计，与其它艺术、生产活动、工艺制作等都有明显不同，它是各种学科、技术和审美观念的交叉产物。然而，现有用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统不能充分的利用电机转子的空间打孔，没有充分的考虑到转子打孔对电机的性能的影响，并不能准确的给出对电机性能，不能实现对电机转子打孔的灵活性和针对性设计；同时，现有的打孔为在待打孔物体的打孔处画上记号，然后使钻头对齐记号进行打，该打孔方式容易产生打孔位置移位导致孔位准确度低。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统不能充分的利用电机转子的空间打孔，没有充分的考虑到转子打孔对电机的性能的影响，并不能准确的给出对电机性能，不能实现对电机转子打孔的灵活性和针对性设计；同时，现有的打孔为在待打孔物体的打孔处画上记号，然后使钻头对齐记号进行打，该打孔方式容易产生打孔位置移位导致孔位准确度低。

(2)现有技术中，设定打孔的标准参数操作的过程中，需要将打孔的相关参数输入到打孔装置的控制平台，控制平台需要对所输入的参数数据进行处理过程中所采用的算法，不会只对新增的数据聚类，浪费了大量的资源和时间，降低了工作效率。

(3)现有技术中利用摄像器采集纸板打孔过程的视频数据时，在对在短时间内运动物体保持不动的目标进行跟踪，采用的传统算法，不能实现实时性的要求，降低了跟踪的精确度。

(4)现有技术中钻头在打孔的过程中，进行钻头的移动，采用现有的算法控制运动轨迹，降低了运动轨迹的直线度和精确度，容易打偏，同时降低了工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统。

本发明是这样实现的，一种用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔方法，所述用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔方法包括：

定位模块通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；具体包括：

选用spm8软件对fmri数据进行预处理：包括打孔位置图片校正、空间校正、配准图像、图像标准化和平滑处理步骤；

数据的分组：将预处理后的图像数据按照扫描时间序列以及认知行为实验类别进行重新组合，每个类别选取一定的样本点构成试验数据，即为训练数据，剩下的样本点作为测试数据。

构建近邻图g及相应的关联矩阵s；

计算训练样本集的特征分解，并求出相应的特征变换矩阵，最后计算训练样本的低维嵌入；

分类识别，计算测试样本集的低维嵌入，利用基于张量距离的近邻分类器进行判别分类，获得待打孔位置的准确定位。

进一步，构建近邻图g及相应的关联矩阵s，其具体步骤如下：

假设有n个样本点a1,...,an,其中ik是张量的k模式维数，采用k近邻方式构建近邻图g来表示m的局部几何结构；根据构造的近邻图g，得到其相应的关联矩阵s＝[si,j]n×n，其中s是基于热核方法来定义的。

进一步，所述用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔方法具体包括：

供电模块为教学的工业设计模型制作用纸板打孔装置供电操作；

摄像模块通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据；

操作模块通过操作按键控制纸板打孔操作；

中央控制模块通过单片机控制各个模块正常工作；

参数设定模块于设定打孔的标准参数操作；

打孔模块通过打孔电机的钻头对纸板进行打孔操作；

移动模块通过滑动导轨对钻头进行移动；

定位模块通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；

显示模块通过显示器显示采集的打孔过程视频。

进一步，所述打孔模块打孔方法如下：

(1)获取电机转子的磁场分布信息；

(2)根据所述磁场分布信息和预设打孔磁场值，确定打孔区域；

(3)在所述打孔区域进行打孔；

所述确定打孔区域的方法为判断所述磁场分布信息中磁密度值是否小于或者等于所述预设打孔磁场值，如果是，则确定为所述打孔区域。

进一步，所述获取电机转子的磁场分布信息的方法为，

根据所述电机转子的结构和尺寸，建立所述电机转子的有限元模型；

根据所述电机的额定数据，获取所述电机转子的磁场分布信息。

进一步，所述建立所述电机转子的有限元模型为利用有限元分析软件建立所述电机转子的二维有限元模型。

进一步，所述定位模块定位方法如下：

1)在待打孔物体需要打孔的面上划两条十字交叉的标识线，且两条标识线的交叉点位于待打孔处；

2)通过吸盘将待打孔物体固定横架子上；

3)通过平移基座和转动定位轴使得两条标识线的交叉点同第一比对条和第二比对条的交叉点沿导向孔的轴向对齐，取出第一比对条和第二比对条；

4)将钻头经导向孔穿入而对待打孔处进行打孔。

进一步，所述第2)步和第1)步之间还有以下步骤：

使基座通过比对平面覆盖在待打孔处上的方式支撑在待打孔物体上，开启镭射灯并记录下镭射灯射出的光线照射在坐标盘上的坐标、以下将该坐标称为定位坐标；

第2)步中为通过转动顶丝，顶丝驱动限位头而顶出固定吸盘来使得吸盘吸附在待打孔物体上；

在第3)步和第4)步之间还有以下步骤：通过平行度调整螺纹柱将基座支撑在待打孔物体上，改变平行度调整螺纹柱伸出比对平面的长度调整比对平面和待打孔物体需要打孔的面的平行度到镭射灯射出的光线照射在坐标盘上的坐标同定位坐标相同。

本发明另一目的在于提供一种用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统，所述用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统包括：

供电模块，与中央控制模块连接，用于为教学的工业设计模型制作用纸板打孔装置供电操作；

摄像模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据；

操作模块，与中央控制模块连接，用于通过操作按键控制纸板打孔操作；

中央控制模块，与供电模块、摄像模块、操作模块、参数设定模块、打孔模块、移动模块、定位模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

参数设定模块，与中央控制模块连接，用于设定打孔的标准参数操作；

打孔模块，与中央控制模块连接，用于通过打孔电机的钻头对纸板进行打孔操作；

移动模块，与中央控制模块连接，用于通过滑动导轨对钻头进行移动；

定位模块，与中央控制模块连接，用于通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；

显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器显示采集的打孔过程视频。

本发明另一目的在于提供一种搭载所述用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统教学的工业设计模型制作用纸板打孔设备。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过打孔模块采用基于转子的磁场分布进行打孔，充分利用了转子的空间结构，考虑了转子打孔对电机性能的影响，减小了转子打孔对电机磁密的畸变率的影响，易于找到最优的打孔位置和排列方式，提高电机的性能，实现对电机转子打孔的灵活性和针对性设计；并且在不影响电机磁密分布的情况下，进一步减小了电机转子的铁芯重量，节省了材料，保持了转子的动平衡，转子的机械强度没有降低；同时也增大了电机转子的散热面积；同时，通过定位模块能够有效防止打孔时钻头产生移位而导致孔的位置的准确性差，打出的孔的垂直度好。

本发明中的参数设定模块在设定打孔的标准参数操作的过程中，需要将打孔的相关参数输入到打孔装置的控制平台，控制平台需要对所输入的参数数据进行处理，采用基于特征向量的聚类算法，可以只对新增的数据聚类，节省大量的资源和时间，提高工作效率。

本发明中的述摄像模块通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据时，需要对电机的钻头的位置进行目标跟踪进行获取摄像，采用卡尔曼滤波算法对在短时间内运动物体保持不动的目标进行跟踪，实现了实时性的要求，提高了跟踪的精确度。

本发明中的移动模块中通过滑动导轨对钻头进行移动的过程中，采用遗传方法对运动轨迹进行控制，提高了运动轨迹的直线度和精确度，达到全局的最优选择路径，提高工作效率。

定位模块通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；具体包括：

选用spm8软件对fmri数据进行预处理：包括打孔位置图片校正、空间校正、配准图像、图像标准化和平滑处理步骤；

数据的分组：将预处理后的图像数据按照扫描时间序列以及认知行为实验类别进行重新组合，每个类别选取一定的样本点构成试验数据，即为训练数据，剩下的样本点作为测试数据。

构建近邻图g及相应的关联矩阵s；

计算训练样本集的特征分解，并求出相应的特征变换矩阵，最后计算训练样本的低维嵌入；

分类识别，计算测试样本集的低维嵌入，利用基于张量距离的近邻分类器进行判别分类，获得待打孔位置的准确定位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统结构框图。

图2是本发明实施例提供的用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统使用方法流程图。

图中：1、供电模块；2、摄像模块；3、操作模块；4、中央控制模块；5、参数设定模块；6、打孔模块；7、移动模块；8、定位模块；9、显示模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统，包括：供电模块1、摄像模块2、操作模块3、中央控制模块4、参数设定模块5、打孔模块6、移动模块7、定位模块8、显示模块9。

供电模块1，与中央控制模块4连接，用于为教学的工业设计模型制作用纸板打孔装置供电操作；

摄像模块2，与中央控制模块4连接，用于通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据；

操作模块3，与中央控制模块4连接，用于通过操作按键控制纸板打孔操作；

中央控制模块4，与供电模块1、摄像模块2、操作模块3、参数设定模块5、打孔模块6、移动模块7、定位模块8、显示模块9连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

参数设定模块5，与中央控制模块4连接，用于设定打孔的标准参数操作；

打孔模块6，与中央控制模块4连接，用于通过打孔电机的钻头对纸板进行打孔操作；

移动模块7，与中央控制模块4连接，用于通过滑动导轨对钻头进行移动；

定位模块8，与中央控制模块4连接，用于通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；

显示模块9，与中央控制模块4连接，用于通过显示器显示采集的打孔过程视频。

所述摄像模块2通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据时，需要对电机的钻头的位置进行目标跟踪进行获取摄像，为了在短时间内运动物体保持不动的目标进行跟踪，为了能实现实时性的要求，采用卡尔曼滤波算法，包括以下步骤：

步骤一，通过已有的状态或者上一个时刻的状态预测下一时刻可能出现的状态，将当前的状态作为输入，通过状态公式的计算，输出预料出的下一时刻的状态，假设使用k表示当前的系统状态时刻；

状态向量预测方程：

其中是上一状态的最优结果，现在状态的控制量uk则利用上一状态预测的结果如果控制量不存在，uk取0；

步骤二，将使的用状态方程计算出的下一时刻的状态更新为当今的状态，同时也要更新对应的协方差误差协方差预测方程：

其中pk，k-1为的协方差，pk-1为的协方差，主要完成对系统状态的预测；

步骤三，通过步骤一和步骤二中的公式，可以得到当前状态的预测值；只有预测值不够，要对系统的观察值进行获取，将获取的值代入步骤一和步骤二的公式中，得出的结果在对预测值进行修改，使得预测值能够更加的准确，最后得出的就是得到的最终的值，该值是最优化的；卡尔曼滤波增益kk的计算是必须要做的；

卡尔曼滤波增益：

步骤四，目前状态的最优估计值可以通过利用状态修正方程得到；

修正方程：

步骤五，通过更新k状态下的最优化估计值能够让卡尔曼滤波器迭代不会中断，协方差修正方程：

pk＝pk，k-1-kkhkpk，k-1；

当系统进入k+1状态时pk，的由于这种算法具有的性质，要保证当前的状态可以返回下一个状态，只有这样这种算法才能正确的运行下去。

所述参数设定模块5在设定打孔的标准参数操作的过程中，需要将打孔的相关参数输入到打孔装置的控制平台，控制平台需要对所输入的参数数据进行处理，为了只对新增的数据聚类，节省大量的资源和时间，提高工作效率，采用基于特征向量的聚类算法，包括以下步骤：

步骤一，新输入的打孔参数数据后，提取新输入的打孔参数数据的特征向量；

步骤二，依据新提取的打孔参数数据特征向量判断该数据属于哪一类，把该类的中心点，作为数据的运行时间；

步骤三，系统监控部件保存分类的结果，并重新调整类的中心点的值；

步骤四，数据运行完后，如果分类与第二步中预测的分类不同，则让计数器k(初始k＝0)加1；

步骤五，如果k≥20时，要重新运行上述的基于特征向量的聚类算法；否则，程序运行结束。

所述移动模块7中通过滑动导轨对钻头进行移动的过程中，为了提高运动轨迹的直线度和精确度，达到全局的最优选择路径，提高工作效率，采用遗传方法，包括以下步骤：

步骤一，由n个随机生成的个体组成初始种群；

步骤二，通过适应度函数计算出当前种群中每一个个体的适应度函数值；

步骤三，判断算法是否满足终止条件，如果满足终止条件则转步骤八；

步骤四，按照个体适应度值的大小进行选择操作；

步骤五，根据交叉概率进行交叉操作；

步骤六，根据变异概率进行变异操作；

步骤七，如果由n个新个体组成的新一代群体已经产生，则转步骤二；否则，转步骤四；

步骤三，输出搜索结果，算法终止。

本发明提供的打孔模块6打孔方法如下：

(1)获取电机转子的磁场分布信息；

(2)根据所述磁场分布信息和预设打孔磁场值，确定打孔区域；

(3)在所述打孔区域进行打孔。

本发明提供的获取电机转子的磁场分布信息的方法为，

根据所述电机转子的结构和尺寸，建立所述电机转子的有限元模型；

根据所述电机的额定数据，获取所述电机转子的磁场分布信息。

本发明提供的建立所述电机转子的有限元模型为利用有限元分析软件建立所述电机转子的二维有限元模型。

本发明提供的确定打孔区域的方法为判断所述磁场分布信息中磁密度值是否小于或者等于所述预设打孔磁场值，如果是，则确定为所述打孔区域。

本发明提供的定位模块8定位方法如下：

1)在待打孔物体需要打孔的面上划两条十字交叉的标识线，且两条标识线的交叉点位于待打孔处；

2)通过吸盘将待打孔物体固定横架子上；

3)通过平移基座和转动定位轴使得两条标识线的交叉点同第一比对条和第二比对条的交叉点沿导向孔的轴向对齐，取出第一比对条和第二比对条；

4)将钻头经导向孔穿入而对待打孔处进行打孔。

本发明提供的第2)步和第1)步之间还有以下步骤：

使基座通过比对平面覆盖在待打孔处上的方式支撑在待打孔物体上，开启镭射灯并记录下镭射灯射出的光线照射在坐标盘上的坐标、以下将该坐标称为定位坐标；

第2)步中为通过转动顶丝，顶丝驱动限位头而顶出固定吸盘来使得吸盘吸附在待打孔物体上；

在第3)步和第4)步之间还有以下步骤：通过平行度调整螺纹柱将基座支撑在待打孔物体上，改变平行度调整螺纹柱伸出比对平面的长度调整比对平面和待打孔物体需要打孔的面的平行度到镭射灯射出的光线照射在坐标盘上的坐标同定位坐标相同。

如图2所示，本发明提供的用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔系统，使用方法，包括以下步骤：

步骤一，通过供电模块为教学的工业设计模型制作用纸板打孔装置供电操作；中央控制模块通过参数设定模块设定打孔的标准参数操作；

步骤二，通过操作模块利用操作按键控制纸板打孔操作；通过打孔模块利用打孔电机的钻头对纸板进行打孔操作；通过移动模块利用滑动导轨对钻头进行移动，并采用遗传方法控制钻头的移动轨迹；

步骤三，通过定位模块利用孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作通过摄像模块利用摄像器采集纸板打孔过程的视频数据，并采用采用卡尔曼滤波算法对钻头的运动进行目标跟踪；

步骤四，通过显示模块利用显示器显示采集的打孔过程视频。

本发明实施例提供的用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔方法，所述包括：

定位模块通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；具体包括：

选用spm8软件对fmri数据进行预处理：包括打孔位置图片校正、空间校正、配准图像、图像标准化和平滑处理步骤；

数据的分组：将预处理后的图像数据按照扫描时间序列以及认知行为实验类别进行重新组合，每个类别选取一定的样本点构成试验数据，即为训练数据，剩下的样本点作为测试数据。

构建近邻图g及相应的关联矩阵s；

计算训练样本集的特征分解，并求出相应的特征变换矩阵，最后计算训练样本的低维嵌入；

分类识别，计算测试样本集的低维嵌入，利用基于张量距离的近邻分类器进行判别分类，获得待打孔位置的准确定位。

构建近邻图g及相应的关联矩阵s，其具体步骤如下：

假设有n个样本点a1,...,an,其中ik是张量的k模式维数，采用k近邻方式构建近邻图g来表示m的局部几何结构；根据构造的近邻图g，得到其相应的关联矩阵s＝[si,j]n×n，其中s是基于热核方法来定义的。

所述的k近邻方式即当且仅当张量空间两点中，一点在另一点的最近的k个点中，两点之间有边相连。

计算训练样本集的特征分解，并求出相应的特征变换矩阵，最后计算训练样本的低维嵌入，其具体步骤如下：

假设为相应的转换矩阵，根据近邻图g和相关矩阵s，基于张量的局部保留映射算法的最优化问题表示为：

基于张量和矩阵迹的特征，将上面的最优化问题重新改写为：

转换矩uf通过求解广义特征值方程对应的lf个最小的特征值所对应的特征向量来获得；其他维度上对应的转换矩阵可以按照此方法依次进行，直到计算出所有的转换矩阵；最后，训练样本的嵌入可以表示为：

分类识别，计算测试样本集的低维嵌入，利用基于张量距离的近邻分类器对其进行判别分类，其具体步骤如下：

假设测试样本数为m个，样本集为(x1,x2,...,xm)，通过步骤3)中所得到的转换矩阵计算测试样本的嵌入：

在得到训练样本和测试样本的嵌入的基础上，利用基于张量距离的近邻分类器进行分类，得到每一个测试样本所属的类别，即预测出认知状态。

所述用于教学的工业设计模型制作用纸板打孔方法具体包括：

供电模块为教学的工业设计模型制作用纸板打孔装置供电操作；

摄像模块通过摄像器采集纸板打孔过程的视频数据；

操作模块通过操作按键控制纸板打孔操作；

中央控制模块通过单片机控制各个模块正常工作；

参数设定模块于设定打孔的标准参数操作；

打孔模块通过打孔电机的钻头对纸板进行打孔操作；

移动模块通过滑动导轨对钻头进行移动；

定位模块通过孔定位器对钻头打孔位置进行定位打孔操作；

显示模块通过显示器显示采集的打孔过程视频。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。