一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法及系统与流程

1.本专利属于虚拟现实技术领域，具体而言涉及一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法。


背景技术：

2.目前，众多高校的印刷类专业都普遍开设有与涂布相关的课程。在教学过程中，教师往往通过以下的方式进行教学：以文字、图片或视频的形式向学生介绍涂布相关内容，包括涂布的工作流程。上述教学方法不能将不图集内部的运转状况以及涂布试验操作步骤的细节充分的展现出来。
3.即便是在实验室内进行教学，也会由于时间紧张、人员安全、空间拥挤、教师精力有限、实验步骤繁琐等问题影响教学效果，无法达到期望的教学目标。此外，使用实验室中的涂布设备进行多次操作演示，会导致器材耗损并造成一定程度的经济损失，而实际运行涂布设备也存在一定的风险。所述实验室教学方式依旧不能使学生真实客观理解涂布过程。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法及系统，能够基于模拟实验准确反映打印纸涂布的效果。
5.本发明的目的时这样实现的：
6.一方面，提供一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法，包括：步骤100，接收实验者输入的制备参数，仿真制备打印纸涂布所需的涂料；所述制备参数包括涂料配料的制备参数和涂料的制备参数。所述实验过程均通过人机交互实现。
7.步骤200，基于胶颜比确定涂料的粘度。其中，基于胶颜比来确定涂料粘度的方法采用数学模型实现。
8.步骤300，将仿真模拟制备的涂料在仿真模拟设备上对喷墨打印纸进行涂布，并根据材料性能和涂布操作参数输出实验结果。
9.进一步地，制备涂料的各组分配料配方份数通过数据库进行管理，基于实验者从数据库中选择的配料份数，数据库自行根据存储的查找表建立配料间的联系。
10.进一步地，所建立的胶颜比与涂料粘度之间的数学模型表示为：
11.y＝
‑
23.333x4 319.26x3‑
1433.9x2 2673.5x
‑
1283.3
12.r2＝0.9925
13.其中，y为涂料粘度，x为胶颜比，r2为拟合优度。
14.进一步地，建立所述数学模型的原始数据来源于历史中对涂布实验的统计数据结果且参考类似实验数据资料，基于上述数据构建二维曲面图以对胶颜比和涂料粘度之间的关系进行拟合得到上述模型。
15.进一步地，实验者对实验结果进行微观观测能够看到涂料粒子情况，包括：粒子大
小、粒子的渗透效果及其分布情况。
16.另一方面，还提供一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真系统，包括：
17.制备模块，使用接收到的实验者输入的制备参数制备打印纸涂布所需涂料，涂料的制备过程通过人机交互实现；
18.介绍模块，包括多个页面，页面间通过链接相连。所述页面的内容包括对使用设备的介绍和整体外观的三维展示，所述设备包括恒温水浴锅、砂磨多用机、涂布机和恒速搅拌机；
19.涂布机模块，支持以人机交互的形式使用制备完成的涂料进行涂布，同时还包括涂布机的装配与拆解动画。
20.进一步地，介绍模块中进行三维展示的设备模型拥有与实际设备相一致的尺寸大小、内部构造、材质与外观。
21.进一步地，介绍模块能够实现模型的180
°
旋转以及缩放。
22.进一步地，涂布机模块中涂布机的装配与拆解动画通过装配顺序算法以及混合层次包围检测算法实现。
23.进一步地，涂布机模块中涂布机的装配与拆解动画通过装配顺序算法以及混合层次包围检测算法实现。
24.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
25.a)本发明通过人机交互的方式进行涂布实验，避免使用实物进行试验由器材损耗导致的经济损失，规避进行实验存在的风险。
26.b)本发明根据采集到的大量实验数据建立的胶颜比与涂料粘度的数学模型能够准确反映打印纸涂布效果。
27.c)本发明在不需要实际实验设备的情况下实现涂料制备，在节省教学资源的同时提高教学效果
附图说明
28.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的喷墨打印纸涂布教学模拟仿真方法流程示意图；
30.图2为本发明的基于aabb与obb混合层次包围盒算法流程图；
具体实施方式
31.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
32.为便于对本技术实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本技术实施例的限定。
33.实施例1
34.本专利的实施例1提供了一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法，其步骤参照图1。
35.本实施例1中所述的喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法基于仿真的方法来实现。在本实施例中，所述基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真方法包括如下步骤：
36.步骤100，接收实验者输入的制备参数，仿真制备打印纸涂布所需的涂料；所述制备参数包括涂料配料的制备参数和涂料的制备参数。所述实验过程均通过人机交互实现。
37.在本步骤中，涂料配料的制备包括聚乙烯醇(pva)的溶解和胶体二氧化硅的分散。
38.在上述涂料制备阶段中，各组分的涂料配方份数通过数据库进行管理，基于实验者从数据库中选择的配料份数，数据库自行根据存储的查找表建立配料间的联系。
39.通过数据库中的数据查找的方式来确定与实验者输入的配方数据对应的涂料特性数据，这样可以帮助实验者通过尝试不同配比的配方，找出适宜的配比。由以上方式通过交互手段使实验者了解不同原料制备涂料拥有的不同性能。并能够根据需要确定适宜的涂料配方。
40.在确定了涂料配方之后，在本步骤中，通过仿真系统实现对于制备涂料过程的仿真，其具体内容包括：
41.仿真模拟聚乙烯醇的溶解。通过仿真模拟，将聚乙烯醇粉末和去离子水装入合适的烧杯中，浸润30min，配制成质量份数为20％的悬浮液，然后设置水浴锅的温度为95℃，将烧杯放置在水浴锅中，水浴锅内的水位应没过烧杯中的聚乙烯醇溶液，随后选用合适大小的搅拌杆，使溶液在恒速搅拌器的连续搅拌下加热至95℃，并在此温度下持续搅拌40～60min，直至溶液呈透明状态，制备完成后，进行冷却，将温度降至室温。
42.仿真模拟胶体二氧化硅的分散。通过仿真模拟，将预先确定的分散剂聚丙烯酸钠添加到去离子水中，使砂磨多用机低速搅拌预定时间，待聚丙烯酸钠充分溶解在水中后，调高砂磨多用机的速度，在连续高速的研磨下，分批加入称量好的胶体二氧化硅粉末，直到形成均匀分散的胶体二氧化硅分散液。
43.仿真模拟涂料的制备。通过仿真模拟，演示将制备好的胶体二氧化硅的分散液和聚乙烯醇胶粘剂倒入砂磨多用机中，恒速搅拌40～60min，使涂料变成均匀的分散体系，制备完成后，过滤待用。
44.通过上述涂料制备操作的仿真模拟步骤，使得实验者在不需要实际实验设备的情况下掌握相关设备的操作规范以及相关涂料制备的方法，能够在节省教学资源的同时提高教学效果。
45.步骤200，基于胶颜比确定涂料的粘度。其中，基于胶颜比来确定涂料粘度的方法采用数学模型实现。
46.所述胶颜比为胶粘剂和颜料的质量份数比。
47.所述数学模型表示如下：
48.y＝
‑
23.333x4 319.26x3‑
1433.9x2 2673.5x
‑
1283.3
49.r2＝0.9925
50.其中，y为涂料粘度，x为胶颜比，r2为拟合优度。
51.在打印纸涂布实验中，涂料的用量一般为颜料用量(重量百分比)的 0.1％～
3.0％。而颜料是涂布纸涂层的主要成分，约占涂层体积分数的70％以上，占质量分数的80％～90％，因此，它会对涂层性能产生很大影响。
52.胶颜比与涂料粘度有一定的规律关系，而涂料的涂布中，涂层的流动性与涂料粘度相关，涂料粘度越小，其流动性越强；涂料粘度越大，其流动性越弱。当涂料粘度过小或者过大时，其流动性都不适宜进行涂布，导致最终涂布效果不理想。
53.在本步骤中，所述数学模型根据历史中对涂布实验的统计数据结果且参考类似实验数据资料，基于上述数据构建二维曲面图以对胶颜比和涂料粘度之间的关系进行拟合得到上述模型。
54.步骤300，将仿真模拟制备的涂料在仿真模拟设备上对喷墨打印纸进行涂布，并根据材料性能和涂布操作参数输出实验结果。
55.在本步骤中，将步骤100制备的涂料放入仿真的涂布机内，对喷墨打印纸涂布过程进行模拟，并基于步骤200得到的涂料粘度结合涂布机的涂布参数对实验结果进行宏观和微观输出。
56.在本步骤中，涂料粘度数据和涂布机涂布参数会影响涂布结果，通过针对不同的数据查找得到实验结果，然后根据不同的实验结果通过仿真模拟的方式进行呈现。
57.所述呈现方式包括宏观和微观两种视角观测涂布效果。对于宏观观测，实验者能够直观的观测到涂布效果是否符合预期，示例性的，实验者能够观测到涂布后喷墨打印纸是否平整，以及涂料是否存在分布不均匀的情况等。对于微观观测，实验者能够看到涂料颗粒大小、涂料分布情况以及其形状等特性。通过观测涂料粒子的渗透效果以及表面覆盖情况，进行配料份数的调整和改善。
58.实施例2
59.本专利的实施例2提供了一种基于喷墨打印纸涂布的教学模拟仿真系统。所述系统包括：制备模块、介绍模块和涂布机模块。
60.制备模块，使用接收到的实验者输入的制备参数制备打印纸涂布所需涂料，涂料的制备过程通过人机交互实现。
61.所述制备参数包括涂料配料的制备参数和涂料的制备参数。制备涂料的各组分配方份数通过数据库进行管理，数据库自行根据存储的查找表建立配料间的联系。实验者从数据库中选择配料份数完成涂料配料制备参数的输入。
62.使用数据库中数据查找的方式确定与实验者输入的配方数据对应的涂料特性数据，能够使实验者通过进行不同配比配方的尝试，找出适宜的配比。
63.在确定了涂料配方参数之后，通过仿真系统实现对于制备涂料过程的仿真，其具体内容包括：
64.仿真模拟聚乙烯醇的溶解。通过仿真模拟，将聚乙烯醇粉末和去离子水装入合适的烧杯中，浸润30min，配制成质量份数为20％的悬浮液，然后设置水浴锅的温度为95℃，将烧杯放置在水浴锅中，水浴锅内的水位应没过烧杯中的聚乙烯醇溶液，随后选用合适大小的搅拌杆，使溶液在恒速搅拌器的连续搅拌下加热至95℃，并在此温度下持续搅拌40～60min，直至溶液呈透明状态，制备完成后，进行冷却，将温度降至室温。
65.仿真模拟胶体二氧化硅的分散。通过仿真模拟，将预先确定的分散剂聚丙烯酸钠添加到去离子水中，使砂磨多用机低速搅拌预定时间，待聚丙烯酸钠充分溶解在水中后，调
高砂磨多用机的速度，在连续高速的研磨下，分批加入称量好的胶体二氧化硅粉末，直到形成均匀分散的胶体二氧化硅分散液。
66.仿真模拟涂料的制备。通过仿真模拟，演示将制备好的胶体二氧化硅的分散液和聚乙烯醇胶粘剂倒入砂磨多用机中，恒速搅拌40～60min，使涂料变成均匀的分散体系，制备完成后，过滤待用。
67.涂料粘度会对最终的涂布效果产生一定影响。胶颜比与涂料粘度有一定的规律关系，所述胶颜比为胶粘剂和颜料的质量份数比。使用涂料进行涂布的过程中，涂层的流动性与涂料粘度相关，涂料粘度越小，其流动性越强；涂料粘度越大，其流动性越弱。当涂料粘度过小或者过大时，其流动性都不适宜进行涂布，导致最终涂布效果不理想。
68.首先通过胶颜比确定涂料的粘度，得到的数学模型如下：
69.y＝
‑
23.333x4 319.26x3‑
1433.9x2 2673.5x
‑
1283.3
70.r2＝0.9925
71.其中，y为涂料粘度，x为胶颜比，r2为拟合优度。
72.所述数学模型根据历史中对涂布实验的统计数据结果且参考类似实验数据资料，基于上述数据构建二维曲面图以对胶颜比和涂料粘度之间的关系进行拟合得到上述模型。
73.该模块能够使实验者在不需要实际实验设备的情况下掌握相关设备的操作规范以及相关涂料制备的方法，节省教学资源的同时提高了教学效果。
74.介绍模块，包括多个页面，页面间通过链接相连。所述页面的内容包括对使用设备的介绍和整体外观的三维展示，所述设备包括恒温水浴锅、砂磨多用机、涂布机和恒速搅拌机，均拥有与实际设备仪器相一致的尺寸大小、内部构造、材质以及外观。设备介绍包括对实验设备的外观、型号以及具体操作方式的说明。整体外观三维展示能够进行模型的180
°
旋转，并支持同时进行放大和缩小操作。
75.涂布机模块，包括涂布机的构造和使用。具体而言，通过对涂布机进行装配和拆卸的动画帮助实验者了解涂布机的构造，且支持以人机交互的形式使用制备好的涂料进行涂布，所述涂料在制备模块中完成制备。
76.对于涂布机的装配拆解动画，通过装配顺序算法以及混合层次包围检测算法实现。就装配顺序算法而言，分析构成设备的各个零部件之间的连接关系，各个零部件由于存在连接关系而相互约束，用有限约束关系表示装配的先后关系，并总结几种常见的连接传动语义来检测有限约束关系是否有遗漏。若有限约束关系没有遗漏，则对其进行总结，得出优先装配顺序的规则，基于有限约束关系和规则设计装配顺序生成算法。采用c#语言，在unity中实现装配顺序生成算法。
77.在装配过程中采用了混合层次包围盒检测算法，算法流程图如图2所示。包围盒的基本思路是使用简化的包围形状来代替本体进行碰撞检测，包围盒可以分为轴对齐包围盒(aabb，axis aligned bounding box)和转向包围盒(obb，oriented bounding box)。
78.aabb在物体旋转过后，其大小可能会发生变化，但每条边依然与坐标系保持平行关系；虽然与物体原有形状贴合效果不是太好，但胜在所用到的碰撞检测算法较为简单。obb在物体旋转过后，大小不发生变化，且能随物体一起旋转；虽更加接近物体本身的形状，但其所用到的碰撞检测的算法也更为复杂。即aabb包围盒对于碰撞检测的速度较快，而obb 包围盒的包围紧密性更好。在所述的装配过程中，将两种包围盒结合起来，在obb包围盒树
的根节点构建aabb包围盒，实现基于aabb与obb 混合层次包围盒的碰撞检测算法。所述碰撞检测包括初级阶段、逐步测试阶段和精确测试阶段。将进行碰撞检测的模型输入，进入初级阶段，构建 aabb包围盒对模型进行初步检测，并将aabb作为树的根节点，若aabb 盒不相交，说明aabb盒所包裹的模型不会发生碰撞，接着进行下一帧的 aabb更新；若aabb盒相交，则说明aabb盒包裹的模型存在碰撞的可能性，需要进一步进行判断，接着进入逐步测试阶段；obb盒具有比aabb 盒更好的包裹紧密性，构建obb盒对所需检测模型进行包裹，形成obb 层次包围盒树，遍历树型结构并完成叶节点的相交测试，若没有相交，则 obb包裹的模型不会发生碰撞，更新下一帧进行碰撞检测；若叶节点相交，说明obb盒包裹的模型存在碰撞的可能性，需要进一步的判断，接着进入精确检测阶段，进行三角形基元的相交测试，如果没有相交，则模型不会发生碰撞，若相交，物体间会发生碰撞，场景中会提示碰撞信息，显示检测效果。
79.对于涂布机的使用，将制备模块中制备好的涂料放入涂布机模块中，对喷墨打印纸涂布过程进行模拟，并基于涂料粘度结合涂布机参数对实验结果进行宏观和微观输出。
80.涂料粘度数据和涂布机涂布参数会影响涂布结果，通过不同的数据查找得到实验结果，再由不同的实验结果通过仿真模拟的方式进行呈现。
81.所述呈现方式包括宏观和微观两种视角观测涂布效果。对于宏观观测，实验者能够直观的观测到涂布效果是否符合预期，示例性的，实验者能够观测到涂布后喷墨打印纸是否平整，以及涂料是否存在分布不均匀的情况等。对于微观观测，实验者能够看到涂料颗粒大小、涂料分布情况以及其形状等特性。通过观测涂料粒子的渗透效果以及表面覆盖情况，进行配料份数的调整和改善。
82.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。