专利名称：一种物体表面程序排板成型方法
一种物体表面程序排版成型方法涉及到物体表面立体宏观信息的测取、记录、处理、储存、传递、输入、执行的物体立体原型的再现方法，属于物体表面立体原型再现的成型技术领域。
现有技术测取物体表面立体信息的方法分为直接接触法和间接非接触法。直接接触法是利用计量工具直接测取物体表面数据，由人工或计算机处理后绘制在图纸上或显示在屏幕上。常用的间接非接触法有摄影技术、激光全息摄影技术、立体座标摄影计算机解析技术、激光测距扫描技术、X光CT断层扫描技术。非接触法主要取声、光、电、磁信号，经过电子技术、机算机技术处理后转换成影视信号或数字信号储存在照片、底片、电视屏幕、磁带、光盘、芯片或图纸上。而从图纸、机算机内存信号、电子仪器内部中间信号转换成影视信息或数字信息，最后再现为立体原型的常用方法有机械去除成型法；利用现有技术做出相应的模具，再用模具复制成立体原型方法；用计算机和数控执行机构，使用机械去除的程控自动加工法；扫描热熔局部去除成型法；手工雕塑成型法。信息的传递常用有直接长度信息机械传递法及转换成其它信号的有线、无线电子传递法，然后再通过仪器转换成运动信号、长度信号、数字信号、影视信号。上述现有技术为人们提供了各种物体表面立体信息的测取、记录、处理、储存、转换、传递、最后成型的物体表面原型再现成型技术。而对于象立体地形图、工艺雕塑品这一类复杂的物体立体表面复制，如采用上述的手工雕塑成型法，则要求操作者有高的技术水平及灵感，需要大量手工劳动，且制造时间长、成本高、重复制造的准确性差、不能实现批量工业化生产。
本发明的目的是提供一种物体表面程序排版成型法，实现工业化批量生产复制复杂的物体立体表面及工艺雕塑品，减少操作者手工劳动，降低制造成本。
本发明是这样实现的参见附图1至图12(图中含义详见
部分)。一种主要包括物体表面信息的测取、处理、储存、转换、传递、最后成型的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序借助计算机辅助排版成型的使物体再现的排版块由基础块和表面块组成，按物体表面程序确定的能表示物体曲面特征的表面块布置在做为物体内部支柱的按物体表面程序确定的基础块的外表面，排版块的结合面有定位的座标线，基础块与基础块、基础块与表面块、表面块与表面块之间用粘结剂连接。本发明主要包括采用现有技术测取物体表面信息，经过电子技术、计算机技术处理后转换成影视信号或数字信号，通过已知的信息传递技术及电子仪器转换成运动信号、长度信号、数字信号及影视信号，最终完成按物体表面程序借助计算机辅助排版成型使物体再现。而本发明特有的排版块即类似于印刷活字制版的铅字，它由基础块和表面块组成。基础块构成物体内部支柱结构做为骨架。能表示物体表面曲面特征的表面块布置在基础块的外表面。排版块结合面有定位座标线。基础块、表面块的种类、结构尺寸、数量、排版位置均由物体表面按三维座标系分解的程序(以下简称表面程序)确定。这样按物体表面程序借助计算机辅助排版将排版块布置在相应位置，排版块用粘结剂连接，最后稍加表面修整，实现了物体表面程序排版成型使物体表面信息得以再现。
本发明是一种按着三维立体座标图用数据表达的物体表面立体信息再现的方法。它采用按计算机提供的立体三维信息的最终数据，在一种有座标的版上用积木的方法把予先制造好的有一定几何尺寸的排版块，按物体被分解的断层借助计算机辅助指导作用按予定的分解程序逐一提供分解图及数据，按三维座际予定位置、数据排进适合的排版块。这些排版块的集合就成了原物体一个断层的三维立体信息的再现。排版过程中按着在每一个断层中要一部分一部分的排版，排完一个断层后再进行下一个断层的排版工作。要做好断层内及断层间排版块的配合连接工作。这种排成的版面凸凹不平是由物体表面程序确定的，它正好体现了原物体表面的结构特征。所有断层排版完成后，局部排版块间小的缝隙用相应材料的粉沫与粘结剂的混合物填充使表面圆滑过渡。各种结构的排版块按着规定的工程制造予定尺寸公差成批制造。这样就为雕塑品及其它复杂物体批量复制创造了条件，并克服了手工制造雕塑时的随意性。
本发明根据了微分学的原理任意曲线被分解后都可以找到对应的近似函数曲线，函数曲线上某点的微分可被近似看做为该点切线处的局部线段。对于任意曲面，其曲面上某点的微分可以用该点切面处的局部平面近似表示，这些局部平面在原分解点按原向量集合，就可获得物体立体表面信息的近似再现。曲面分解的愈多、愈小，按向量集合后所得的再现品与原物体表面愈接近。
为了获得工业化批量生产，把物体立体表面按直角座标系型、圆柱极座标系型、球极座标系型以及这三种座标系型的混合使用的三维座标系分解的程序分解。
一.直角座标系型。如单面浮雕、北海公园九龙壁这一类型的物体立体原型。它的扫描断层可取Y、Z平面方向(见图6)被分解后物体数据图表示方法为X1(Ym、2n)是第一个子集；X2(Ym、2n)是第二个子集；···········；···········；···········；Xk(Ym、Zn)是第K个子集。X1、X2......、Xk共K个子集组成了平面浮雕的数据图。其中k、m、n是予先要分解的设定的自然数。X1、X2...Xk的阶差(即X2-X1，.....，Xk-Xk-1)，Y1-Y2、......、Ym的阶差(即Y2-Y1，......，Ym-Ym-1)都要予先设定。
二.圆柱极座标系型。如圆柱浮雕、华表龙腾图案浮雕这一类物体立体原型。它的扫描断层可取X、R极座标平面(见图7)，W表示圆柱的中心轴高度方向，α表示圆心角，R表示半径，被分解后物体数据图为W1(αm，Rn)是第一个子集；W2(αm，Rn)是第二个子集；···········；···········；···········；Wk(αm，Rn)是第k个子集。W1、W2、......，Wk共k个子集组成了圆柱浮雕的数据图。k、m、n是予先要分解设定的自然数。W1、W2......、Wk的阶差(即W2-W1......，Wk-Wk-1)，α1、α2、......αm的阶差(即α2-α1，......αm-αm-1)都要予先设定。
三.球极座标系型。如凸版地球仪这一类物体立体原型。它的扫描断层可取U、Q平面(见图8)，V表示经度，U表示纬度，Q表示球半径，被分解后物体数据图为V1(Um、Qn)是第一个子集；V2(Um、Qn)是第二个子集；···········；···········；···········；Vk(Um，Qn)是第k个子集。V1、V2、......Vk共k个子集组成了球型浮雕数据图。k、m、n是予先要分解设定的自然数。V1、V2、.......、Vk的阶差(即V2-V1，......…，Vk-Vk-1，U1、U2、......、Um的阶差(即U2-U1，.......，Um、Um-1)都要予先设定。三种座标系是可以互相转换的，混合使用是为了处理某一复杂表面时采用某种座标系表达时比较简明方便。例如石狮子方基座可采用直角座标系，身体可采用圆柱极座标系、头部可采用球极座标系。
按上述每一类型子集的集合选定排版块借助计算机辅助按三维座标系在座标版上排版。排版块又分为基础块和表面块。由物体表面程序确定的基础块可按实际需要做成大尺寸的标准几何体构成物体内部中间支柱，其上连接配合面有定位座标线。基础块可有以下几种结构按物体表面程序要求对于属于按直角座标系分解的物体，基础块由直六面体组成。
按物体表面程序要求对于属于按圆柱极座标系分解的物体，基块由圆柱体22和按圆柱体径向R2及圆心角α1沿圆周方向分解的多个有等厚度的弧块23组成。
按物体表面程序要求对于属于按球极座标系分解的物体，基础块由圆球24和按圆球径向R3按经线24b沿等径曲面分解的多块有等厚度的弧块25及按经线24b、纬线24a沿等径曲面分解的多块有等厚度的弧块26组成。
表面块布置在基础块的外表面构成物体立体表面，表示物体表面细微的变化。表面块与基础块的结合面也有座标线。表面块有以下几种结构按物体表面程序要求确定的表面块可以是直六面体、直圆柱体、斜截直五面体，斜截直六面体。
图3是做为表面块的直六面体ABCD-abcd，规定边长AB＝ab＝L，Aa＝Cc＝NL＋KL。
图4是做为表面块的斜截直六面体ABCD-a1b1c2d2、斜截直五面体ABCD-a1b1CD，规定AB＝a1b1＝L，Aa1＝NL，Dd2＝Cc2＝NL-NKL。
图5是做为表面块的另一种结构的斜截直六面体ABCD-a1b2c2d2，ABCD-a1b3Cd3，规定AB＝a1b1＝CD＝L，Aa1＝NL，Cc2＝NL-NKL，
图3、4、5中底平面ABCD一般为正方形，但也可取长方形，侧面垂直底平面，N为自然数，P为有理数(正、负小数)。K值可在-1到1的等差数列(公差为0.05)中选取，即±0.05，±0.1，±0.15......，±1。L值设定为1、2、5、10、20、50、100毫米。所有排版块的单元长度值L、NL、NL-NKL均取负公差。
制造排版块的材料可以选择金属、工程塑料、泡沫塑料、水泥、石膏、工业石腊、木材、石材料、玻璃、泥块、砖材、陶瓷材料、冰。
本发明的优点由于按着物体立体表面程序采用基础块。表面块排版的方式复制雕塑品，实现了工业上的批量生产，减少了手工劳动，缩短了制造周期，降低了成本。排版块可以工业批量生产，尺寸公差容易保证。排版块的种类比较少，且有规律。无论多麽大、复杂的物体都可以分成简单的几何体来拼接。可以按原物体放大或缩小比例制造。可以制造铸造用的阴、阳模。工艺简单，便于推广。
图1至图12是本发明的说明书附图。均为示意图。
图1.是正圆锥体的过其中心线的剖视图；图2.是图正圆锥体的俯视图的半部(因结构对称，只画半部)图3.是表面块直六面体的轴侧图；图4.是表面块斜截直六面体、斜截直五面体的轴侧图；图5.是表面块斜截直六面体的轴侧图；图6.是物体分解的直角座标系；图7.是物体分解的圆柱极座标系；图8.是物体分解的球极座标系；图9.是基础块由圆柱体及等厚度弧块组成的轴侧图；图10.是基础块由圆球及按经线分解的等厚度弧块组成的轴侧图；图11.是图2的圆锥体尖顶部的放大图；图12.是基础块由圆球及按经、纬线分解的等厚度弧块组成的局部轴侧图。
图1至图12中的部分含义已在上述介绍过不再重述。图1、2、11是一个圆锥体的排版复制结构示意图，基础块8、9、10、11、12为不同尺寸的圆柱体，图1中为了清楚基础块8上面的表面块均没有画剖面线，图2是圆锥体的俯视图，为了清楚只在基础块8的顶平面表示了表面块3、4、5、6、7的排版示意，而其它基础块外圆柱处的表面块没有画出，图11是基础块8的顶平面上的表面块3、4、5、6、7的排版放大图，为了清楚只画了局部的排列。图3、4、5是表面块的结构示意图，底面ABCD为相同的正方形，用相同的符号表示，a1b1c1d1用假想线表示斜截前的原直六面体的顶平面。图6、7、8为物体分解的三种座标系，坐标原点O、三维座标方向X、Y、Z，半径R、圆心角a、圆柱中心O2及O21的连线W，球心O1、半径Q、纬线U、经线V。图9表示基础块由圆柱体22及等厚度弧块23组成的结构示意图，圆柱体22的中心线O3-O31圆心角a1，半径R2，同心圆柱体21用假想线表示，其半径为R1，弧块23在圆柱21、22之间，按圆心角分块，图10是基础块由圆球24及等厚度弧块25组成的结构示意图，球心O4，弧块25在半径分别为R3及R4的两个同心球之间，按经线24b分块，24a是纬线。图12中的圆球与图10的相同，为简化清楚只画了球心O4及球半R3，按某一经线24b及纬线24a、球半经R3、R4分解后的等厚度弧块为26，R3、R4同心。图3、4、5中L、NL、KL、NKL含义相同，用同一符号表示，在高度方向有表示高度变化的表示式。
实施例用本发明的方法复制一个正圆锥体，其底圆直径为100毫米，高为100毫米。
图1、2、3、4、5、11为本实施例的附图。根据对圆锥体表面取得的信息，沿高度方向分五个断层扫描，按物体表面程序由计算机根据扫描物体处理后给出的数据选择每个断层的基础块与表面块。共选出五种尺寸的圆柱体，尺寸为底圆直径乘高，单位为毫米80×20，60×20，40×20，20×20，10×10。五个直圆柱体按座标线圆心对齐，沿高度方向粘结在一块有座标的版上。
按物体表面程序确定的表面块由计算机给出数据，选择图4所示的结构。底面为正四边形，边长为L。表面块1的L取5毫米，N取2，K取1；表面块2的L取5毫米，N取4，K取0.5；表面块3至7L取1毫米，表面块3的N取2，K取1；表面块4的N取4，K取0.5；表面块5的N取6，K取0.35；表面块6的N取8，K取0.25；表面块7的N取10，K取0.2。将各表面块按座标顺序排入版中并且用粘结剂与基础块连接。排版块材料为工程塑料，最后用工程塑料及粘结剂的混合物表面填缝及修整圆滑。这样一个已知正圆锥体的样品被复制出来，并可用其进一步做铸造用的模具。
权利要求
1.一种主要包括物体表面信息的测取、处理、储存、转换、传递、最后成型的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序借助计算机辅助排版成型的使物体再现的排版块由基础块和表面块组成，按物体表面程序确定的能表示物体曲面特征的表面块布置在做为物体内部支柱的按物体表面程序确定的基础块的外表面，排版块的结合面有定位的座标线，基础块与基础块、基础块与表面块、表面块与表面块之间用粘结剂连接。
2.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是物体立体表面按直角座标系型、圆柱极座标系型、球极座标系型以及这三种座标系型的混合使用的三维座标系分解的程序分解。
3.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是排版块借助计算机辅助按三维座标系在座标版上排版。
4.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序要求对于属于按直角座标系分解的物体，基础块由直六面体组成。
5.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序要求对于属于按圆柱极座标系分解的物体，基础块由圆柱体[22]和按圆柱体径向R2及圆心角α1沿圆周方向分解的多个有等厚度的弧块[23]组成。
6.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序要求对于属于按球极座标系分解的物体，基础块由圆球[24]和按圆球径向R3按经线[24b]沿等径曲面分解的多块有等厚度的弧块[25]及按经线[24b]、纬线[24a]沿等径曲面分解的多块有等厚度的弧块[26]组成。
7.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是按物体表面程序要求确定的表面块可以是直六面体、直圆柱体、斜截直五面体。斜截直六面体。
8.如权利要求1所述的物体表面程序排版成型方法，其特征是制造排版块的材料可以选择金属、工程塑料、泡沫塑料、水泥、石膏、工业石腊、木材、石材料、玻璃、泥块、砖材、陶瓷材料、冰。
全文摘要
一种物体表面程序排版成型方法属于物体成型技术领域。主要包括物体表面信息的测取、处理、储存、转换、传递、排版成型。其特征是按物体表面程序借助计算机辅助排版成型的使物体再现的排版块由基础块和表面块组成，按物体表面程序确定的能表示物体曲面特征的表面块布置在做为物体内部的按物体表面程序确定的基础块的外表面，排版块的结合面有定位的坐标线，基础块与基础块、基础块与表面块、表面块与表面块之间用粘结剂连接。
文档编号B44B1/02GK1161282SQ96103370
公开日1997年10月8日 申请日期1996年4月4日 优先权日1996年4月4日
发明者刘明兰 申请人:刘明兰