CN113160619A - 一种计算机图形学教学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算机图形学教学装置，包括上柜体、投影机构、调节机构和展示装置，所述上柜体的一侧安装有PLC控制器；本发明在实际环境下，利用投影机构模拟实现一组空间平面坐标系，并以三组LED点阵屏分别作为V面、H面以及W面，通过由调节机构装载展示装置中的棱柱体、棱锥体等标准立体模型，由投影机构进行三面投射，通过模型本身遮光后所达到的投影效果反馈于LED点阵屏，并与PLC控制器进行信号交互，利用三点汇聚法将LED点阵屏中所感光及每个棱边的LED点进行点亮与汇聚，并进行反向点亮及熄灭，最终在LED点阵屏上展示出每个空间假象面上的投影外廓，帮助学生更直观、更便捷、更有效的了解图形学投影法的原理与效果。

Description

一种计算机图形学教学装置
技术领域
本发明涉及三维建模教学工具技术领域，具体为一种计算机图形学教学装置。
背景技术
计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)是计算机图形学最广泛、最重要的应用领域，它使近百年来的工程设计的方法发生了巨大的改变，利用交互式计算机图形生成技术进行土建工程、机械结构和产品的设计正在迅速取代绘图板加工字尺的传统手工设计方法，担负起繁重的日常出图任务以及总体方案的优化和细节设计工作；事实上，一个复杂的大规模或超大规模集成电路板图根本不可能手工设计和绘制，近现代科学技术的飞速发展也与CAD/CAM及计算机图形学的发展有着密不可分的关系；
现有的计算图形建模通常为投影法，而对于学生教学而言，如何帮助学生有效地在思维层面建立投影的位置与空间感知（即传统意义上的“线动成面，面动成体”），是一个值得研讨与发展的方向，没有相应的空间感知体系，则学生无法以计算机为基础进行图形学设计；而传统的教学方法通常为教师进行板绘，或是用计算机图形设计本身进行演示，这类教学方法存在诸多弊端，首先前者用平面反馈立体教学本身并不科学直接，对于没有接触过类似学科的学生而言难以接受，而后者在学生没有建立空间思维的情况下进行计算机演示过于超前，对于部分空间思维能力较差的学生而言，其教学效果并不理想。
为此，提出一种计算机图形学教学装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算机图形学教学装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种计算机图形学教学装置，包括上柜体、投影机构、调节机构和展示装置，所述上柜体的一侧安装有PLC控制器，所述投影机构包括四个固定壳体、四个伺服电缸、三个连接框、三个LED点阵屏、两个投影灯具、投影灯环和六个支撑基座，所述伺服电缸通过螺栓螺纹连接于所述固定壳体的内侧壁，两个所述固定壳体焊接于所述上柜体的另一侧，另两个所述固定壳体焊接于所述上柜体的后表面，两个所述伺服电缸的活塞杆与两个所述连接框的外表面固定连接，另一个所述连接框的外表面通过销轴与一个所述连接框的外表面铰接，所述LED点阵屏的外表面安装于所述连接框的内侧壁，两个所述投影灯具均安装于所述上柜体的上表面，所述投影灯环的外表面安装于所述上柜体的上表面中部，所述调节机构安装于所述上柜体的内侧壁。
作为本技术方案的进一步优选的：所述上柜体的下表面焊接有下柜体，所述下柜体的下表面通过螺栓螺纹连接有四个万向轮，所述下柜体的外表面通过销轴铰接有门体。
作为本技术方案的进一步优选的：所述展示装置包括棱柱体、棱锥体、圆柱体、圆锥体、球体和齿轮，所述棱柱体、所述棱锥体、所述圆柱体、所述圆锥体、所述球体和所述齿轮的下表面分别与一个所述支撑基座的上表面粘接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述支撑基座的下表面环形均匀焊接有插销。
作为本技术方案的进一步优选的：所述调节机构包括支撑架、三个伺服电机、三个蜗杆、三个蜗轮、第一铰盘、第二铰盘、第三铰盘、三个铰爪和连接盘，所述伺服电机的外表面环形安装于所述支撑架的外表面，所述蜗杆的内侧壁与所述伺服电机的输出轴键连接，所述蜗杆的轮齿与所述蜗轮的轮齿啮合，一个所述蜗轮的上表面与所述第一铰盘的下表面固定连接，另一个所述蜗轮的上表面与所述第二铰盘的下表面固定连接，另一个所述蜗轮的上表面与所述第三铰盘的下表面固定连接，三个所述铰爪通过销轴分别与所述第一铰盘、所述第二铰盘和所述第三铰盘的外表面铰接，三个所述铰爪的内侧壁通过销轴与所述连接盘的外表面铰接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述支撑基座通过插销与所述连接盘的上表面插接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述支撑架的外表面通过螺栓与所述上柜体的内侧壁螺纹连接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述PLC控制器的电性输入端与所述LED点阵屏的电性输出端电性连接，所述PLC控制器的电性输出端与所述伺服电缸、所述投影灯具、所述投影灯环和所述伺服电机的电性输入端电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明在实际环境下，利用投影机构模拟实现一组空间平面坐标系，并以三组LED点阵屏分别作为V面、H面以及W面，通过由调节机构装载展示装置中的棱柱体、棱锥体等标准立体模型，由投影机构进行三面投射，通过模型本身遮光后所达到的投影效果反馈于LED点阵屏，并与PLC控制器进行信号交互，利用三点汇聚法将LED点阵屏中所感光及每个棱边的LED点进行点亮与汇聚，并进行反向点亮及熄灭，最终在LED点阵屏上展示出每个空间假象面上的投影外廓，帮助学生更直观、更便捷、更有效的了解图形学投影法的原理与效果；
二、本发明的调节机构通过三组伺服电机分别驱动三组蜗轮，由第一铰盘、第二绞盘与第三绞盘配合铰爪，实现对展示装置中每一个模型的任意角度调节，从而配合投影教学进行更多维、更多面的投影展示，帮助学生更直观、更便捷、更有效的了解图形学投影法的原理与效果。
附图说明
图1为本发明的一视角立体结构示意图；
图2为本发明的另一视角立体结构示意图；
图3为本发明的另一视角立体结构示意图；
图4为本发明的上柜体立体结构示意图；
图5为本发明的调节机构一视角立体结构示意图；
图6为本发明的调节机构另一视角立体结构示意图；
图7为本发明的调节机构另一视角立体结构示意图；
图8为本发明的支撑基座立体结构示意图；
图9为本发明的电路图。
图中：1、上柜体；101、PLC控制器；2、投影机构；201、固定壳体；202、伺服电缸；203、连接框；205、LED点阵屏；206、投影灯具；207、投影灯环；208、支撑基座；2081、插销；3、调节机构；301、支撑架；302、伺服电机；303、蜗杆；304、蜗轮；305、第一铰盘；306、第二铰盘；307、第三铰盘；308、铰爪；309、连接盘；4、下柜体；401、万向轮；402、门体；5、展示装置；501、棱柱体；502、棱锥体；503、圆柱体；504、圆锥体；505、球体；506、齿轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种计算机图形学教学装置，包括上柜体1、投影机构2、调节机构3和展示装置5，上柜体1的一侧安装有PLC控制器101，投影机构2包括四个固定壳体201、四个伺服电缸202、三个连接框203、三个LED点阵屏205、两个投影灯具206、投影灯环207和六个支撑基座208，伺服电缸202通过螺栓螺纹连接于固定壳体201的内侧壁，两个固定壳体201焊接于上柜体1的另一侧，另两个固定壳体201焊接于上柜体1的后表面，两个伺服电缸202的活塞杆与两个连接框203的外表面固定连接，另一个连接框203的外表面通过销轴与一个连接框203的外表面铰接，LED点阵屏205的外表面安装于连接框203的内侧壁，两个投影灯具206均安装于上柜体1的上表面，投影灯环207的外表面安装于上柜体1的上表面中部，调节机构3安装于上柜体1的内侧壁。
本实施例中，具体的：上柜体1的下表面焊接有下柜体4，下柜体4的下表面通过螺栓螺纹连接有四个万向轮401，下柜体4的外表面通过销轴铰接有门体402；下柜体4通过万向轮401为整体装置提供可移动性需求，为多角度展示投影效果提供了便捷式方案，同时门体402用于开启下柜体4，取出其他的展示装置5。
本实施例中，具体的：展示装置5包括棱柱体501、棱锥体502、圆柱体503、圆锥体504、球体505和齿轮506，棱柱体501、棱锥体502、圆柱体503、圆锥体504、球体505和齿轮506的下表面分别与一个支撑基座208的上表面粘接；棱柱体501、棱锥体502、圆柱体503、圆锥体504、球体505和齿轮506作为标准立体模型，用于展示其各自的投影效果。
本实施例中，具体的：支撑基座208的下表面环形均匀焊接有插销2081；支撑基座208用于连接每个展示装置5，插销2081用于固定支撑基座208。
本实施例中，具体的：调节机构3包括支撑架301、三个伺服电机302、三个蜗杆303、三个蜗轮304、第一铰盘305、第二铰盘306、第三铰盘307、三个铰爪308和连接盘309，伺服电机302的外表面环形安装于支撑架301的外表面，蜗杆303的内侧壁与伺服电机302的输出轴键连接，蜗杆303的轮齿与蜗轮304的轮齿啮合，一个蜗轮304的上表面与第一铰盘305的下表面固定连接，另一个蜗轮304的上表面与第二铰盘306的下表面固定连接，另一个蜗轮304的上表面与第三铰盘307的下表面固定连接，三个铰爪308通过销轴分别与第一铰盘305、第二铰盘306和第三铰盘307的外表面铰接，三个铰爪308的内侧壁通过销轴与连接盘309的外表面铰接；调节机构3中，PLC控制器101控制三组伺服电缸202驱动三组蜗杆303旋转，每一组蜗杆303驱动其蜗轮304旋转，三组蜗轮304的旋转分别带动第一铰盘305、第二铰盘306和第三铰盘307进行位置调节，从而带动铰爪308对连接盘309的角度配合关系，通过PLC控制器101对每一组伺服电缸202进行不同转速或旋数的调节，即可驱动连接盘309相较于铅垂面、水平面及正平面的角度关系，从而为其所搭载的展示装置5进行不同的角度展示，从而满足不同的空间模拟投影效果。
本实施例中，具体的：支撑基座208通过插销2081与连接盘309的上表面插接；连接盘309由铰爪308进行角度调节的过程中，展示装置5中的每一个部件均可以通过其所搭载的支撑基座208与连接盘309进行配合，从而满足模拟投影效果的需求。
本实施例中，具体的：支撑架301的外表面通过螺栓与上柜体1的内侧壁螺纹连接；支撑架301通过螺栓使得调节机构3整体与上柜体1的内侧壁进行配合固定。
本实施例中，具体的：PLC控制器101的电性输入端与LED点阵屏205的电性输出端电性连接，PLC控制器101的电性输出端与伺服电缸202、投影灯具206、投影灯环207和伺服电机302的电性输入端电性连接；PLC控制器101的具体型号为FX3GA；LED点阵屏205的具体型号为ENHDG128064-114；伺服电缸202的具体型号为HFF80B4B5。
工作原理或者结构原理：将整体装置由万向轮401驱动至展示位置，选择展示装置5中的棱柱体501、棱锥体502、圆柱体503、圆锥体504、球体505和齿轮506的其中一个，通过其所搭载的支撑基座208与连接盘309进行配合；
随后通过PLC控制器101启动伺服电缸202驱动三组连接框203及其LED点阵屏205上升，并将一个连接框203通过销轴与另一个连接框203进行铰接展开，此时三组LED点阵屏205分别代表空间平面坐标系的V面、H面及W面，随后通过PLC控制器101启动两组投影灯具206及投影灯环207，对目标展示装置5进行投射投影，光源与阴影均被三组LED点阵屏205所接收，此时三组LED点阵屏205的光敏传感器接收信号，判断出感光的LED节点与未感光的LED节点，将电信号反馈至PLC控制器101处，PLC控制器101则控制所有未感光的LED节点点亮（即被展示装置5所遮盖的阴影投射部位），并通过三点汇聚法将每条楞点的未感光的LED节点进行衍射交互，其所形成的棱边上的所有LED节点熄灭，从而模拟展示装置5的棱边投影；
此时，三组LED点阵屏205上所展示出的便是展示装置5使用投影法在模拟空间平面坐标系的投影效果，调节机构3中，PLC控制器101控制三组伺服电缸202驱动三组蜗杆303旋转，每一组蜗杆303驱动其蜗轮304旋转，三组蜗轮304的旋转分别带动第一铰盘305、第二铰盘306和第三铰盘307进行位置调节，从而带动铰爪308对连接盘309的角度配合关系，通过PLC控制器101对每一组伺服电缸202进行不同转速或旋数的调节，即可驱动连接盘309相较于铅垂面、水平面及正平面的角度关系，从而为其所搭载的展示装置5进行不同的角度展示，从而满足不同的空间模拟投影效果；
教师还可以通过投屏线接通PLC控制器101，利用投影仪对投影版进行大面积室内展示，充分满足使用效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种计算机图形学教学装置，包括上柜体（1）、投影机构（2）、调节机构（3）和展示装置（5），其特征在于：所述上柜体（1）的一侧安装有PLC控制器（101），所述投影机构（2）包括四个固定壳体（201）、四个伺服电缸（202）、三个连接框（203）、三个LED点阵屏（205）、两个投影灯具（206）、投影灯环（207）和六个支撑基座（208），所述伺服电缸（202）通过螺栓螺纹连接于所述固定壳体（201）的内侧壁，两个所述固定壳体（201）焊接于所述上柜体（1）的另一侧，另两个所述固定壳体（201）焊接于所述上柜体（1）的后表面，两个所述伺服电缸（202）的活塞杆与两个所述连接框（203）的外表面固定连接，另一个所述连接框（203）的外表面通过销轴与一个所述连接框（203）的外表面铰接，所述LED点阵屏（205）的外表面安装于所述连接框（203）的内侧壁，两个所述投影灯具（206）均安装于所述上柜体（1）的上表面，所述投影灯环（207）的外表面安装于所述上柜体（1）的上表面中部，所述调节机构（3）安装于所述上柜体（1）的内侧壁。
2.根据权利要求1所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述上柜体（1）的下表面焊接有下柜体（4），所述下柜体（4）的下表面通过螺栓螺纹连接有四个万向轮（401），所述下柜体（4）的外表面通过销轴铰接有门体（402）。
3.根据权利要求1所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述展示装置（5）包括棱柱体（501）、棱锥体（502）、圆柱体（503）、圆锥体（504）、球体（505）和齿轮（506），所述棱柱体（501）、所述棱锥体（502）、所述圆柱体（503）、所述圆锥体（504）、所述球体（505）和所述齿轮（506）的下表面分别与一个所述支撑基座（208）的上表面粘接。
4.根据权利要求1所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述支撑基座（208）的下表面环形均匀焊接有插销（2081）。
5.根据权利要求1所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述调节机构（3）包括支撑架（301）、三个伺服电机（302）、三个蜗杆（303）、三个蜗轮（304）、第一铰盘（305）、第二铰盘（306）、第三铰盘（307）、三个铰爪（308）和连接盘（309），所述伺服电机（302）的外表面环形安装于所述支撑架（301）的外表面，所述蜗杆（303）的内侧壁与所述伺服电机（302）的输出轴键连接，所述蜗杆（303）的轮齿与所述蜗轮（304）的轮齿啮合，一个所述蜗轮（304）的上表面与所述第一铰盘（305）的下表面固定连接，另一个所述蜗轮（304）的上表面与所述第二铰盘（306）的下表面固定连接，另一个所述蜗轮（304）的上表面与所述第三铰盘（307）的下表面固定连接，三个所述铰爪（308）通过销轴分别与所述第一铰盘（305）、所述第二铰盘（306）和所述第三铰盘（307）的外表面铰接，三个所述铰爪（308）的内侧壁通过销轴与所述连接盘（309）的外表面铰接。
6.根据权利要求5所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述支撑基座（208）通过插销（2081）与所述连接盘（309）的上表面插接。
7.根据权利要求5所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述支撑架（301）的外表面通过螺栓与所述上柜体（1）的内侧壁螺纹连接。
8.根据权利要求5所述的计算机图形学教学装置，其特征在于：所述PLC控制器（101）的电性输入端与所述LED点阵屏（205）的电性输出端电性连接，所述PLC控制器（101）的电性输出端与所述伺服电缸（202）、所述投影灯具（206）、所述投影灯环（207）和所述伺服电机（302）的电性输入端电性连接。
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