CN104260356B - 制备学具的装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备创新型学具的装置及方法，该装置包括模型提供模块和打印模块，其中模型提供模块能够提供所有的在教学中能够应用到的学具模型的三维立体图，并且将上述三维立体图传递给所述打印模块，通过打印效率极高的打印模块将上述学具模型及时地打印出来，从而达到随时打印制备的效果，以增强学生的学习兴趣，提高学习效率。

Description

制备学具的装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种学具的3D打印制备装置和方法，具体涉及一种制备创新型学具的装置及方法。

背景技术

学具是以传播科技、教育人为目的的实物，是完全的科技传媒，是青少年科技活动中不可缺少的器材。科技活动中用的学具有实物学具和复制品学具。具体有来自自然界的标本或样品：如用于科技教育活动中的生物标本、矿物标本、化石、岩石及珍稀动物样品等。还有标本的仿制品和模型：有些标本十分珍贵(如北京猿人头盖骨化石)，不宜到处传播，于是人们制作了各种仿制品以及模型，用以传播科技信息，又如人体解剖模型、航、海、车三模所用的模型等。但现有的学具制作周期较长，很难适应随堂制作并使用的目的。

由于上述原因，本发明人基于3D打印技术，提出一种能够解决上述技术问题的技术方案。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种制备创新型学具的装置及方法，该装置包括模型提供模块和打印模块，其中模型提供模块能够提供所有的在教学中能够应用到的学具模型的三维立体图，并且将上述三维立体图传递给所述打印模块，通过打印效率极高的打印模块将上述学具模型及时地打印出来，从而达到随时打印制备的效果，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

(1)一种制备创新型学具的装置，其特征在于，该装置包括提供学具模型的模型供给模块和执行模型打印作业的打印装置，

其中，所述模型供给模块包括本地数据库和网络连接模块，所述模型供给模块提供的学具模型包括本地数据库中存储的模型和网络连接模块从网络数据库或其他网站下载的模型，所述模型供给模块还用于修改或编辑上述提供的学具模型，并将所述学具模型的信息传递给所述打印装置；

所述打印装置包括物料选择模块、温度控制模块、数据分层处理模块和用于接收模型供给模块传递出的学具模型信息并将该信息转换为打印装置能够识别格式的数据接收转换模块，所述数据接收转换模块根据转换格式得到的信息计算出制备该模型所需要的物料信息、温度信息和该模型的结构信息，并将上述信息分别传递给物料选择模块、温度选择模块和数据分层处理模块。

所述数据分层处理模块用于接收数据接收转换模块传递出的学具模型的结构信息，并对上述学具模型进行切片处理，即根据学具模型信息计算出制备该学具模型所需的加工层数以及加工每一层所需的加工参数信息，

所述打印装置还包括有运动模块，所述运动模块根据所述数据分层处理模块计算出的加工参数信息做进给运动，所述运动控制模块包括机头固定装置1，在所述机头固定装置1的底部分别设置有机头一11和机头二13，在所述机头固定装置1上分别可相对滑动地安装有沿X轴方向移动的X轴横杆2和沿Y轴方向移动的Y轴横杆3，所述X轴横杆2的轴线方向与所述X轴方向垂直，所述Y轴横杆3的轴线方向与所述Y轴方向垂直。

(2)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，所述学具模型的结构信息包括学具模型的3D模型图；所述制备学具模型所需的物料信息包括喷嘴一和喷嘴二中喷出物料的颜色；所述制备学具模型所需的温度信息包括喷嘴一的温度、喷嘴二的温度和热床的温度，

所述物料选择模块用于接收数据接收转换模块传递出的制备学具模型所需的物料信息，并根据上述物料信息将适当的物料填充至对应的喷嘴中；

所述温度控制模块用于接收数据接收转换模块传递出的制备学具模型所需的温度信息，并根据上述温度信息分别控制喷嘴一、喷嘴二以及热床的温度。

(3)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，所述打印装置还包括

加工控制模块，其用于接收数据分层处理模块传递的加工层数信息和加工每一层所需的加工参数信息，将加工每一层所需的加工参数信息分别传递给机头一控制模块和机头二控制模块，并在每层加工完成后通过热床控制模块控制热床6移动；

机头一控制模块，其用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头一运动，根据接收到的加工参数信息控制喷嘴一开始喷料或停止喷料；和

机头二控制模块，其用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头二运动，根据接收到的加工参数信息控制喷嘴二开始喷料或停止喷料；

所述数据分层处理模块计算出的加工每一层所需的加工参数信息包括加工每一层所需的机头一运动参数信息、机头二运动参数信息、喷嘴一喷料参数信息和喷嘴二喷料参数信息。

(4)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，所述喷嘴一12可拆卸地安装在机头一11的底部，所述喷嘴二14可拆卸地安装在机头二13的底部，且喷嘴一和喷嘴二的最底端位于同一个水平面内。

(5)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，在所述X轴横杆的两端分别设置有X轴滑块一21和X轴滑块二22，所述X轴滑块一21和X轴滑块二22分别套设在沿着X轴方向设置的X轴滑杆一23和X轴滑杆二24上；在所述Y轴横杆的两端分别设置有Y轴滑块一31和Y轴滑块二32，所述Y轴滑块一31和Y轴滑块二32分别套设在沿着Y轴方向设置的Y轴滑杆一33和Y轴滑杆二34上。

(6)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，X轴滑杆一23和X轴滑杆二24共同撑紧沿着Y轴方向设置的Y轴皮带齿轮一51和Y轴皮带齿轮二52，Y轴滑杆一33和Y轴滑杆二34共同撑紧沿着X轴方向设置的X轴皮带齿轮一41和X轴皮带齿轮二42；

所述X轴皮带齿轮一41带动X轴滑块一21沿着X轴滑杆一23移动，所述X轴皮带齿轮二42带动X轴滑块二22沿着X轴滑杆二24移动，且X轴滑块一21和X轴滑块二22同步运动；所述Y轴皮带齿轮一51带动Y轴滑块一31沿着Y轴滑杆一33移动，所述Y轴皮带齿轮二52带动Y轴滑块二32沿着Y轴滑杆二34移动，且Y轴滑块一31和Y轴滑块二32同步运动。

(7)根据上述(1)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，X轴电机通过X轴皮带齿轮三43带动Y轴滑杆一33或Y轴滑杆二34旋转，进而带动X轴皮带齿轮一41和X轴皮带齿轮二42同步转动；Y轴电机通过Y轴皮带齿轮三53带动X轴滑杆一23或X轴滑杆二24旋转，进而带动Y轴皮带齿轮一51和Y轴皮带齿轮二52同步转动。

(8)根据上述(7)所述的制备创新型学具的装置，其特征在于，机头一控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置1上的机头一按照加工参数信息进行移动，机头二控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置1上的机头二按照加工参数信息进行移动，且在加工时机头一控制模块和机头二控制模块交替工作。

(9)一种制备创新型学具的方法，该方法是通过如上述(1)至上述(8)中任意一项所述的制备创新型学具的装置实现的，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：通过模型供给模块选择需要制备的学具模型；

步骤2：通过模型供给模块修改或调整已选择的学具模型；

步骤3：将学具模型信息传递至打印装置；

步骤4：数据接收转换模块根据接收到的信息计算出制备该学具模型所需的加工参数信息；

步骤5：在喷嘴一和喷嘴二中添加物料，加热喷嘴一、喷嘴二和热床；

步骤6：通过数据分层处理模块对学具模型进行分层处理，得到每层的加工参数，并将计算得到的加工参数信息传递给加工控制模块；

步骤7：加工控制模块逐层地将每层的加工参数分别输入至机头一控制模块和机头二控制模块；

步骤8：对机头一进行零点定位并校准；

步骤9：通过机头一控制模块控制机头一移动至喷料加工的起始位置，机头一控制模块控制机头一上的喷嘴一喷料，机头一控制模块控制机头一沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴一停止喷料；

步骤10：机头二控制模块控制机头二移动至喷料加工的起始位置，机头二控制模块控制机头二上的喷嘴一喷料，机头二控制模块控制机头二沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴二停止喷料；

步骤11：机头一控制模块和机头二控制模块交替工作，直至加工完一层学具模型，并控制机头一移动至坐标原点；

步骤12：加工控制模块控制热床沿着Z轴方向向下移动预定距离，所述预定距离为每一层的厚度；

步骤13，重复步骤8～12，直至加工完成整个学具模型。

(10)根据上述(9)中所示的制备创新型学具的方法，其特征在于，步骤1中所述的学具模型包括在教材中出现过的人、物和几何图形的立体模型。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其能够提供足够多的教学用具，将课本中的人物及图形立体化，使得学生在学习中的感知、理解和记更为形象，提高学习效率；

(2)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有两个交替控制的机头，使得模型制备的效率更高，减少了机头的不必要行程；

(3)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有两个机头，使得制备出的学具上具有两种色彩；

(4)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有呈十字型交叉的两条横杆，使得机头在水平面上能够以任意速度和角度进行移动，进给速度快，制备效率高，能够满足课堂使用的要求；

(5)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其机头的运动控制模块中设置有成对的滑杆和滑块，使得机头运动更为平稳，运动精度更高，打印出的学具更为形象逼真；

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的制备创新型学具的装置的逻辑电路图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的制备创新型学具的装置的运动控制模块结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的制备创新型学具的装置的机头固定装置结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的制备创新型学具的方法制备步骤流程图。

附图标号说明：

1--机头固定装置

11-机头一

12-喷嘴一

13-机头二

14-喷嘴二

15-高度调节螺栓

2-X轴横杆

21-X轴滑块一

22-X轴滑块二

23-X轴滑杆一

24-X轴滑杆二

3-Y轴横杆

31-Y轴滑块一

32-Y轴滑块二

33-Y轴滑杆一

34-Y轴滑杆二

41-X轴皮带齿轮一

42-X轴皮带齿轮二

43-X轴皮带齿轮三

51-Y轴皮带齿轮一

52-Y轴皮带齿轮二

53-Y轴皮带齿轮三

6-热床

7-挤丝机构

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的一种制备创新型学具的装置，如图1中所示，该装置包括提供学具模型的模型供给模块和执行模型打印作业的打印装置，其中，所述模型供给模块包括本地数据库和网络连接模块，所述模型供给模块提供的学具模型包括本地数据库中存储的模型和网络连接模块从网络数据库或其他网站下载的模型，所述模型供给模块还包括数据处理模块，该模块包括人工可视的窗口，能够人工实时控制，对上述提供的学具模型进行修改或编辑，如改变模型的颜色伸、大小和部分结构形式等；

所述模型供给模块提供的学具模型包括与现有主流的小学课本、中学课本、大学课本相匹配的学具模型，如语文课本中的人物模型、建筑模型，数学课本中的平面图形的模型、立体图形的模型，以及其他课本中的能够对教学起到积极作用的相关人物或事物的模型等；所述模型供给模块还用于将模型供给模块提供的学具模型信息传递给打印装置。

所述打印装置包括物料选择模块、温度控制模块、数据分层处理模块和用于接收模型供给模块传递出的学具模型信息并将该信息转换为打印装置能够识别格式的数据接收转换模块，所述数据接收转换模块根据转换格式得到的信息计算出加工该模型所需要的物料信息、温度信息和该模型的结构信息，并将上述信息分别传递给物料选择模块、温度选择模块和数据分层处理模块。

在一个优选的实施方式中，所述模型的结构信息包括学具模型的3D模型图，该3D模型图可以模型供给模块提供的，也可以是自己通过绘图软件绘制的；

所述加工该模型所需的物料信息包括喷嘴一和喷嘴二中喷出物料的颜色，该信息一般由人工输入或选择的，也可以是模型图信息中附带的，通过物料选择模块接收数据接收转换模块传递出的加工待加工工件所需的物料信息，并根据上述物料信息将适当的物料填充至对应的喷嘴中；

所述加工该学具模型所需的温度信息包括喷嘴一12的温度、喷嘴二14的温度和热床6的温度，该信息在制备学具模型前确定的，可以人工通过输入按钮进行输入，也可以系统根据物料信息自动生成，在加工开始前输入该温度信息以便于系统在加工开始前进行预热，通过温度控制模块接收数据接收转换模块传递出的加工待加工工件所需的温度信息，并根据上述温度信息分别控制喷嘴一、喷嘴二以及热床的温度。

在一个优选的实施方式中，所述数据分层处理模块用于接收数据接收转换模块传递出的学具模型的结构信息，优选地，还可以在接收到的数据基础上对其进行修改或调整，并对上述学具模型进行切片处理，即学具模型的结构信息计算出制备该学具模型所需的加工层数以及加工每一层所需的加工参数信息，将所述加工层数信息和所述加工每一层所需的加工参数信息传递给加工控制模块；所述数据分层处理即为在立体图的基础上计算出各个加工层的加工参数信息，所述加工参数信息包括每一层的形状、构造，机头一和机头二的加工行进路线以及机头一和机头二的工作顺序。

所述打印装置还包括加工控制模块、机头一控制模块、机头二控制模块和运动控制模块。

在一个优选的实施方式中，所述加工控制模块用于接收数据分层处理模块传递的加工层数信息和加工每一层所需的加工参数信息，将加工每一层所需的加工参数信息分别传递给机头一控制模块和机头二控制模块，并在每层加工完成后通过热床控制模块控制热床移动；加工控制模块将接收到的信息转换成二进制码，优选地，二进制码高位存储机头一的加工参数数据，二进制码低位存储机头二的加工参数数据，以便于将机头一和机头二的加工参数数据分别发送至机头一控制模块和机头二控制模块；当机头加工完成一个层时，两个机头都停止工作，此时，热床控制模块将作业指令发送给Z轴运动电机，Z轴运动电机通过齿轮齿条带动热床向下移动，其移动的距离为一个层的厚度，其移动距离很小，移动的时间也很短，移动完成后，机头一控制模块和机头二控制模块都分别接收到了加工下一层的加工参数信息，即可继续进行加工。

在一个优选的实施方式中，机头一控制模块用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头一11运动，所述机头一运动包括机头一从原点位置移动至加工起始位置和进给加工，所述进给加工是指机头从加工起始位置沿着预定轨迹移动至加工结束位置的运动过程；所述加工参数信息还包括喷嘴的喷料和停止，具体来说，机头移动到加工起始位置时，控制喷嘴一开始喷料，随着机头一的移动，喷嘴一在机头一的运动轨迹上喷满物料，当机头一运动至加工结束位置时，控制喷嘴一停止喷料，从而形成一个或半个或一部分层结构；

相对应地，机头二控制模块用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头二13运动，根据接收到的加工参数信息控制喷嘴二开始喷料或停止喷料；机头一控制模块和机头二控制模块交替工作，使得机头一和机头二交替工作，最终形成一个完整的层，并将机头移动至坐标的原点位置。

在一个优选的实施方式中，在机头一和机头二的喷料加工运动中，机头一或机头二沿着每一层轮廓的边缘运动，一般呈“小方框”型，走过的线型没有交叉点，以便节省加工时间，各个线条以互相平行的为主，另外，尽量使得各个线条方向与X轴方向或Y轴方向一致，以便于控制加工。

在一个优选的实施方式中，机头一控制模块和机头二控制模块都通过运动控制模块控制机头运动，所述运动控制模块包括机头固定装置1，机头一和机头二分别设置在所述机头固定装置的底部，即机头一和机头二一起随着机头固定装置移动，两个机头控制模块都是通过控制机头固定装置来控制相应的机头，在所述机头固定装置上分别可相对滑动地安装有沿X轴方向移动的X轴横杆2和沿Y轴方向移动的Y轴横杆3，所述X轴横杆的轴线方向与所述X轴方向垂直，所述Y轴横杆的轴线方向与所述Y轴方向垂直，X轴横杆移动时，如果Y轴横杆不动，X轴横杆带着机头固定装置沿着X轴方向移动，如果Y轴横杆同时也移动，X轴横杆和Y轴横杆共同带着机头固定装置做复合运动，该运动可以是直线运动，也可以是弧线运动，具体为何种运动形式取决于X轴横杆和Y轴横杆的运动速度。

在进一步优选的实施方式中，如图2中所示，在机头固定装置上部开设有两个轴线互相垂直的通孔，且两个通孔不连通，两个通孔直径刚好使得X轴横杆和Y轴横杆能够通过并滑动，通孔内壁光滑，一般可以涂布有润滑剂层，以减少摩擦和磨损。

在一个优选的实施方式中，在所述X轴横杆的两端分别设置有X轴滑块一21和X轴滑块二22，如图2中所示，所述X轴滑块一和X轴滑块二分别套设在沿着X轴方向设置的X轴滑杆一23和X轴滑杆二24上；在所述Y轴横杆的两端分别设置有Y轴滑块一31和Y轴滑块二32，所述Y轴滑块一和Y轴滑块二分别套设在沿着Y轴方向设置的Y轴滑杆一33和Y轴滑杆二34上，且上述四根滑杆在空间上并不相接触，可以两根X轴滑杆在两根Y轴滑杆的上方，也可以两根X轴滑杆在两根Y轴滑杆的下方，且各个滑杆之间要留有预定的间隙，以避免摩擦。

X轴滑杆一和X轴滑杆二共同撑紧沿着Y轴方向设置的Y轴皮带齿轮一51和Y轴皮带齿轮二52，Y轴滑杆一和Y轴滑杆二共同撑紧沿着X轴方向设置的X轴皮带齿轮一41和X轴皮带齿轮二42；

所述X轴皮带齿轮一带动X轴滑块一沿着X轴滑杆一移动，所述X轴皮带齿轮二带动X轴滑块二沿着X轴滑杆二移动，且X轴滑块一和X轴滑块二同步运动；所述Y轴皮带齿轮一带动Y轴滑块一沿着Y轴滑杆一移动，所述Y轴皮带齿轮二带动Y轴滑块二沿着Y轴滑杆二移动，且Y轴滑块一和Y轴滑块二同步运动。上述虽然给出了通过皮带齿轮传动动力的方式，但是也只是作为一种最为优选的实施方式，以便提高传递精度和可操作性，还是可以选用其他的方式进行动力传递的，如通过齿轮或丝杠等方式。

在一个优选的实施方式中，如图2中所示，X轴电机通过X轴皮带齿轮三43带动Y轴滑杆一或Y轴滑杆二旋转，进而带动X轴皮带齿轮一和X轴皮带齿轮二同步转动；Y轴电机通过Y轴皮带齿轮三53带动X轴滑杆一或X轴滑杆二旋转，进而带动Y轴皮带齿轮一和Y轴皮带齿轮二同步转动；

机头一控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置上的机头一按照加工参数信息进行移动，机头二控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置上的机头二按照加工参数信息进行移动，且在加工时机头一控制模块和机头二控制模块交替工作。

所述运动控制模块的工作过程包括：将运动指令发送给X轴电机，X轴电机传递动力，通过X轴皮带齿轮三带动Y轴滑杆一或Y轴滑杆二旋转，进而带动X轴皮带齿轮一和X轴皮带齿轮二同步旋转，X轴皮带齿轮一和X轴皮带齿轮二同步旋转时分别带动X轴滑块一和X轴滑块二同步滑动，进而X轴横杆连同机头固定装置一同沿着X轴方向移动，实现了机头沿X轴方向的进给；同理，运动控制模块将运动指令发送给Y轴电机，实现机头沿Y轴方向的进给，且X轴电机和Y轴电机可以同时工作，其提供的转速也可以是不同的，即机头固定装置沿X轴方向的分速度大小和沿Y轴方向的分速度大小可以不同，也可以相同。

在一个优选的实施方式中，上述四个滑杆在旋转的同时，其上套设的滑块仍在滑动，滑杆与滑块相接触的位置需经过特别处理，如淬火等，以增强其耐磨性，另外，在滑杆外部涂布有润滑层，以减小摩擦和磨损。

在一个优选的实施方式中，本发明提供的控制系统还包括有定位校准系统，所述定位校准系统包括三个限位开关和三个传感器，分别设置在沿着X、Y、Z三个坐标轴方向上的机头移动极限位置，对机头一进行监测，在每一层加工开始前，通过定位校准系统对机头一进行零点定位校准，以保证机头加工的精度。

在一个优选的实施方式中，两个机头之间的距离确定，根据上述距离和机头一在坐标系中的位置能够实时计算出机头二在坐标系中的位置，从而便于对机头二的控制，节省了机头二的定位校准工作，使得机头一和机头二交替工作更为快捷。

在一个优选的实施方式中，在每个喷嘴附近都安装有电热管、温度传感器和风扇，在热床上同样安装有电热管、温度传感器和风扇，通过温度控制模块根据接收到的指示，通过电热管加热，通过风扇降温，通过温度传感器实时监测温度信息，以使得打印装置内部的温度保持在预定的范围内，满足学具制备的需要，优选地，喷嘴的工作温度为180～260摄氏度，热床的工作温度为50～100摄氏度，整体打印装置的工作温度为15～32摄氏度。

在一个优选的实时方式中，如图3中所示，所述打印装置中还设置有两个挤丝机构7，分别对应两个机头上的两个喷嘴，机头一控制模块直接控制其中一个挤丝机构，机头二控制模块直接控制另外一个挤丝机构，当需要喷嘴喷料时，控制挤丝机构上的物料电机工作，即可将物料输送至喷嘴中，使得喷嘴喷料。

在一个优选的实施方式中，所述热床设置在两个喷嘴下方，热床优选的为上表面平滑的板状，当加工开始前，控制热床向上移动至紧邻着喷嘴的位置，与喷嘴之间的距离约等于一个层的厚度，以便于喷嘴将物料喷洒在热床上，形成加工层，当一个层加工完成后，热床都会向下移动一个层厚的距离，以便于继续喷涂物料，直至待加工工件加工完成。

在一个优选的实施方式中，本发明中所述的X轴电机、Y轴电机、Z轴运动电机和物料电机都是步进电机，本发明中对此没有特别限定，选用控制精度足够高的步进电机即可。

在一个优选的实施方式中，本发明中所述的打印装置上还设置有LED显示屏和输入界面，通过输入界面可以输入所需的温度信息和物料信息，还可以通过输入界面输入信息对三维模型图进行调整和修改，所述LED显示屏用于配合输入界面的信息输入，实时显示输入的信息，另外，还可以实时显示当前的制备状态，以便于监测，如发现问题，可以随时取消作业。

在一个优选的实施方式中，本发明中所述的学具制备装置主要用于塑料材质的学具模型制备，其物料也是塑料类的材料。

在一个优选的实施方式中，所述喷嘴一可拆卸地安装在机头一的底部，所述喷嘴二可拆卸地安装在机头二的底部，且喷嘴一和喷嘴二的最底端位于同一个水平面内，以便于确保两个机头的加工精度。

在一个优选的实施方式中，如图3中所示，所述喷嘴的相对于机头的位置可调节，即可以控制喷嘴从机头中伸出或缩回到机头内，本发明中优选地，在喷嘴上设置有高度调节螺栓15，所述高度调节螺栓拧合在所述机头上，旋转所述高度调节螺栓即可调节喷嘴相对于机头的高度，从而保证两个喷嘴之间的相对位置固定，保证加工精度。

根据本发明提供的创新学具的制备方法，如图4中所示，该方法是通过所述创新学具的制备装置实现的，该方法包括如下步骤：

步骤1：通过模型供给模块选择需要制备的学具模型；

步骤2：通过模型供给模块修改或调整已选择的学具模型；包括修改学具模型的颜色、大小甚至外形结构；

步骤3：将学具模型信息传递至打印装置；

步骤4：数据接收转换模块根据接收到的信息计算出制备该学具模型所需的加工参数信息，包括物料信息、温度信息和该模型的结构信息，并将上述信息分别传递至打印装置的其他部件模块；

步骤5：在喷嘴一和喷嘴二中添加物料，加热喷嘴一、喷嘴二和热床，其中，包括预热、加热以及降温等过程；

步骤6：通过数据分层处理模块对学具模型进行分层处理，得到每层的加工参数，并将计算得到的加工参数信息传递给加工控制模块；

步骤7：加工控制模块逐层地将每层的加工参数分别输入至机头一控制模块和机头二控制模块；

步骤8：对机头一进行零点定位并校准；

步骤9：通过机头一控制模块控制机头一移动至喷料加工的起始位置，机头一控制模块控制机头一上的喷嘴一喷料，机头一控制模块控制机头一沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴一停止喷料；

步骤10：机头二控制模块控制机头二移动至喷料加工的起始位置，机头二控制模块控制机头二上的喷嘴一喷料，机头二控制模块控制机头二沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴二停止喷料；

步骤11：机头一控制模块和机头二控制模块交替工作，直至加工完一层学具模型，并控制机头一移动至坐标原点；

步骤12：加工控制模块控制热床沿着Z轴方向向下移动预定距离，所述预定距离为每一层的厚度；

步骤13，重复步骤8～12，直至加工完成整个学具模型。

在一个优选的实施方式中，所述选取的学具模型包括课本中出现的所有图形的立体模型，人体解剖模型、交通工具及各种机械装置的拆分模型，所述拆分模型为各个部件的最小单元，多个最小单元组合起来能够形成一个部件，多个部件组合起来可以形成一种装置，如多个最小单元组合成发动机，发动机和其他部件组合成汽车，通过上述部件的单独制备并组装，能够使学生对各个部件有一个更为清楚全面的认识，对教学水平和学习效率的提高有着重要的作用。

在本发明中，所述的X轴、Y轴、Z轴都是虚拟的方向向量，三个轴互相垂直，其中，X轴和Y轴都位于水平方向，Z轴位于竖直方向，其具体的指示方向参见附图2。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“一”、“二”、“三”等仅用于描述目的，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件的相对重要性。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其能够提供足够多的教学用具，将课本中的人物及图形立体化，使得学生在学习中的感知、理解和记更为形象，提高学习效率；

(2)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有两个交替控制的机头，使得模型制备的效率更高，减少了机头的不必要行程；

(3)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有两个机头，使得制备出的学具上具有两种色彩；

(4)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其具有呈十字型交叉的两条横杆，使得机头在水平面上能够以任意速度和角度进行移动，进给速度快，制备效率高，能够满足课堂使用的要求；

(5)根据本发明提供的制备创新型学具的装置及方法，其机头的运动控制模块中设置有成对的滑杆和滑块，使得机头运动更为平稳，运动精度更高，打印出的学具更为形象逼真。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种制备学具的装置，其特征在于，该装置包括提供学具模型的模型供给模块和执行模型打印作业的打印装置，

其中，所述模型供给模块包括本地数据库和网络连接模块，所述模型供给模块提供的学具模型包括本地数据库中存储的模型和网络连接模块从网络数据库或其他网站下载的模型，所述模型供给模块还用于修改或编辑上述提供的学具模型，并将所述学具模型的信息传递给所述打印装置；

所述打印装置包括物料选择模块、温度控制模块、数据分层处理模块和用于接收模型供给模块传递出的学具模型信息并将该信息转换为打印装置能够识别格式的数据接收转换模块，所述数据接收转换模块根据转换格式得到的信息计算出制备该模型所需要的物料信息、温度信息和该模型的结构信息，并将上述信息分别传递给物料选择模块、温度控制模块和数据分层处理模块；

所述数据分层处理模块用于接收数据接收转换模块传递出的学具模型的结构信息，并对上述学具模型进行切片处理，即根据学具模型信息计算出制备该学具模型所需的加工层数以及加工每一层所需的加工参数信息，

所述打印装置还包括有运动控制模块，所述运动控制模块根据所述数据分层处理模块计算出的加工参数信息做进给运动，所述运动控制模块包括机头固定装置(1)，在所述机头固定装置(1)的底部分别设置有机头一(11)和机头二(13)，在所述机头固定装置(1)上分别可相对滑动地安装有沿X轴方向移动的X轴横杆(2)和沿Y轴方向移动的Y轴横杆(3)，所述X轴横杆(2)的轴线方向与所述X轴方向垂直，所述Y轴横杆(3)的轴线方向与所述Y轴方向垂直；

在机头固定装置上部开设有两个轴线互相垂直的通孔，且两个通孔不连通，两个通孔直径刚好使得X轴横杆和Y轴横杆能够通过并滑动，通孔内壁光滑，涂布有润滑剂层，以减少摩擦和磨损；

所述制备学具模型所需的物料信息包括喷嘴一和喷嘴二中喷出物料的颜色；

在所述X轴横杆的两端分别设置有X轴滑块一(21)和X轴滑块二(22)，所述X轴滑块一(21)和X轴滑块二(22)分别套设在沿着X轴方向设置的X轴滑杆一(23)和X轴滑杆二(24)上；在所述Y轴横杆的两端分别设置有Y轴滑块一(31)和Y轴滑块二(32)，所述Y轴滑块一(31)和Y轴滑块二(32)分别套设在沿着Y轴方向设置的Y轴滑杆一(33)和Y轴滑杆二(34)上；

X轴滑杆一(23)和X轴滑杆二(24)共同撑紧沿着Y轴方向设置的Y轴皮带齿轮一(51)和Y轴皮带齿轮二(52)，Y轴滑杆一(33)和Y轴滑杆二(34)共同撑紧沿着X轴方向设置的X轴皮带齿轮一(41)和X轴皮带齿轮二(42)；

所述X轴皮带齿轮一(41)带动X轴滑块一(21)沿着X轴滑杆一(23)移动，所述X轴皮带齿轮二(42)带动X轴滑块二(22)沿着X轴滑杆二(24)移动，且X轴滑块一(21)和X轴滑块二(22)同步运动；所述Y轴皮带齿轮一(51)带动Y轴滑块一(31)沿着Y轴滑杆一(33)移动，所述Y轴皮带齿轮二(52)带动Y轴滑块二(32)沿着Y轴滑杆二(34)移动，且Y轴滑块一(31)和Y轴滑块二(32)同步运动，

所述学具模型的结构信息包括学具模型的3D模型图；所述制备学具模型所需的温度信息包括喷嘴一的温度、喷嘴二的温度和热床的温度，

所述物料选择模块用于接收数据接收转换模块传递出的制备学具模型所需的物料信息，并根据上述物料信息将适当的物料填充至对应的喷嘴中；

所述温度控制模块用于接收数据接收转换模块传递出的制备学具模型所需的温度信息，并根据上述温度信息分别控制喷嘴一、喷嘴二以及热床的温度，

所述打印装置还包括：

加工控制模块，其用于接收数据分层处理模块传递的加工层数信息和加工每一层所需的加工参数信息，将加工每一层所需的加工参数信息分别传递给机头一控制模块和机头二控制模块，并在每层加工完成后通过热床控制模块控制热床(6)移动；

机头一控制模块，其用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头一运动，根据接收到的加工参数信息控制喷嘴一开始喷料或停止喷料；和

机头二控制模块，其用于接收加工控制模块传递出的加工参数信息，根据接收到的加工参数信息控制运动控制模块带动机头二运动，根据接收到的加工参数信息控制喷嘴二开始喷料或停止喷料；

所述数据分层处理模块计算出的加工每一层所需的加工参数信息包括加工每一层所需的机头一运动参数信息、机头二运动参数信息、喷嘴一喷料参数信息和喷嘴二喷料参数信息，

机头一控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置(1)上的机头一按照加工参数信息进行移动，机头二控制模块通过分别控制X轴电机和Y轴电机来控制机头固定装置(1)上的机头二按照加工参数信息进行移动，且在加工时机头一控制模块和机头二控制模块交替工作；

所述喷嘴一(12)可拆卸地安装在机头一(11)的底部，所述喷嘴二(14)可拆卸地安装在机头二(13)的底部，且喷嘴一和喷嘴二的最底端位于同一个水平面内；

X轴电机通过X轴皮带齿轮三(43)带动Y轴滑杆一(33)或Y轴滑杆二(34)旋转，进而带动X轴皮带齿轮一(41)和X轴皮带齿轮二(42)同步转动；Y轴电机通过Y轴皮带齿轮三(53)带动X轴滑杆一(23)或X轴滑杆二(24)旋转，进而带动Y轴皮带齿轮一(51)和Y轴皮带齿轮二(52)同步转动。

2.一种制备学具的方法，该方法是通过如权利要求1所述的制备学具的装置实现的，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：通过模型供给模块选择需要制备的学具模型；

步骤2：通过模型供给模块修改或调整已选择的学具模型；

步骤3：将学具模型信息传递至打印装置；

步骤4：数据接收转换模块根据接收到的信息计算出制备该学具模型所需的加工参数信息；

步骤5：在喷嘴一和喷嘴二中添加物料，加热喷嘴一、喷嘴二和热床；

步骤6：通过数据分层处理模块对学具模型进行分层处理，得到每层的加工参数，并将计算得到的加工参数信息传递给加工控制模块；

步骤7：加工控制模块逐层地将每层的加工参数分别输入至机头一控制模块和机头二控制模块；

步骤8：对机头一进行零点定位并校准；

步骤9：通过机头一控制模块控制机头一移动至喷料加工的起始位置，机头一控制模块控制机头一上的喷嘴一喷料，机头一控制模块控制机头一沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴一停止喷料；

步骤10：机头二控制模块控制机头二移动至喷料加工的起始位置，机头二控制模块控制机头二上的喷嘴一喷料，机头二控制模块控制机头二沿着预定的路线移动，移动结束后控制喷嘴二停止喷料；

步骤11：机头一控制模块和机头二控制模块交替工作，直至加工完一层学具模型，并控制机头一移动至坐标原点；

步骤12：加工控制模块控制热床沿着Z轴方向向下移动预定距离，所述预定距离为每一层的厚度；

步骤13，重复步骤8～12，直至加工完成整个学具模型。

3.根据权利要求2中所示的制备学具的方法，其特征在于，步骤1中所述的学具模型包括在教材中出现过的人、物和几何图形的立体模型。