三維曲面的條形構造的製作方法

2024-02-24 05:42:15

專利名稱：三維曲面的條形構造的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用二維(2D )條形構造三維(3D )曲面，所述二維(2D ) 條形能夠得以變形並得以對齊以便生成期望的3D表面的離散近似體。
背景技術：
具有拋物面形狀或其它形狀的3D曲面用於各種目的，例如建築學中 的非平面反射鏡等。可以利用例如注射模製或7JC形成等製造技術來形成3D 曲面。然而，在拋物面或其它3D曲面上保持或應用高JL^射的鏡面加工 會很困難，有可能使得這種技術非常昂責。下文公開近似於所選擇的3D 曲面的3D結構的相對節約成本的構造。


圖l示意性地示出了拋物面。
圖2示意性地示出了一系列2D條形，所述一系列2D條形能夠得以 簡單變形並彼此相鄰地對齊以近似於3D曲面。
圖3示意性地示出了由經過簡單變形的對齊的2D條形形成的拋物面 的3D近似體。
圖4是等軸測圖，示出了安裝在支撐框架上的圖3中的條形。 圖5示意性地示出了現有技術的網格球頂。
圖6示意性地示出了由經過簡單變形的對齊的2D條形形成的球面的 3D近似體。
具體實施例方式
在整個下列說明中，對具體的細節進行解釋以便提供對本發明更徹底的理解。在一些情況下，沒有示出或詳細描述公知元件，以避免對本發明產生不必要的誤解。因而，說明書和附圖應該看做是示例性的，而非限制性的。
回憶以下內容是有用的即，曲面上一點處的"高斯曲率，，是該點處的兩個主曲率的乘積。例如，在球的表面上的任意點處，沿兩個方向具有曲率，因而球的高斯曲率是非零值。圓柱僅沿一個方向具有曲率，所以圓柱的高斯曲率是零。圓錐是具有零高斯曲率的曲面的另一個示例。許多其它曲面具有零高斯曲率。
下列公開內容涉及與在表面一部分上具有非零高斯曲率的所選3D曲面(即，拋物面)形狀相近似的3D結構的形成。如下文所i兌明的，所述結構可以由多個細直2D條形形成，每個2D條形具有零高斯曲率。所述條形得以簡單變形並彼此相鄰地對準以近似於所選擇的3D曲面。細條形的"簡單變形"指的是變形後細條形的高斯曲率保持為零。"直"指的是當條形發生簡單變形以近似於所選擇的3D曲面時，在從優選的觀察方向觀察變形後的條形時，條形的邊緣是直的。
具有期望形狀一一例如聚光形，如拋物面(即，如圖l所示的拋物線迴轉形成的表面)一一的3D曲面可以由例如拋光的鋁片之類的相對廉價的高度反射材料形成的獨立條形10製成。可以從德國的AlanodAluminium國Veredlung GmbH & Co. KG of Ennepetal公司得到商標為MIRO㊣的合適材料。
每個條形10 (圖2-4 )具有最理想的2D形狀，使得在對條形10進行筒單變形、使它們的相鄰邊緣對齊、以及將簡單變形的對齊的條形10如圖4所示並如下文所說明地那樣附連至剛性框架12後，得到期望的連續但仍分立的3D彎曲形狀近似體。
由於條形僅僅發生簡單變形，所以每個條形在一個方向保持平坦。因而，由簡單變形後的條形形成的3D彎曲形狀近似體會具有多個平坦立面，其中一個條形形成一個立面。每個條形10的寬度應該足夠小，使得彼此相鄰的平坦條形的放置情況近似於足夠好的期望曲面形狀，與分立的平坦條
形尺寸相關的角誤差小於最大誤差。例如，考慮這種情況，即，拋物面由少數幾個寬的條形近似形成，例如，極端的情況，即，只使用了兩個寬的
條形。由兩個寬的條形形成的3D彎曲形狀近似體會很明顯地基本偏離所近似的理想拋物線，從而導致大的角誤差。相反，多個較窄的條形會更加準確地近似形成理想的拋物線，從而導致小的角誤差。更一般地，如果期望的曲面形狀是要作為反射鏡的拋物面，則最大誤差會依賴於引入反射鏡的系統的期望光學效率。通常以不超過反射鏡寬度5%的條形寬度可以得到合適的結果(即，角誤差小於最大誤差1。)。
條形10還應該具有大致一致的寬度。在圖2-4所示的近似拋物面的條形10的情況下，條形寬度一致(即，沿著任何條形10的長度沒有寬度變化)。然而，用於近似其他曲面形狀的條形也可以具有沿著條形的縱軸線變化不超過土 10%的條形寬度。
如果條形具有大致一致的寬度，則人們可以選擇這樣一個優選條形寬度，該條形寬度既足夠小以便近似期望的彎曲形狀又足夠大以便可行。例如，如果圖2-4所示的條形所近似的拋物面具有很小的條形寬度，則條形的簡單變形會很準確地近似出拋物面。然而，鑑於需要如下所^製作、操作、安裝並且結合相對多的條形，使用這種條形形成拋物面近似體可能並不實際。而且，通過減小條形寬度而增加條形數目使得相鄰條形之間的間隙數目或者縫數目增加。由於間隙或g本不^^射，所以^^射條形形成
減小條形寬度而增加條形數目還可能增加成本，這是由於如下所述需要製作、操作、安裝並且結合條形所需的時間增加以及由此引起的勞動成本增加。
每個條形的長度應該大大大於條形的寬度(例如大5倍)，因而在條形簡單變形後條形會提供期望3D曲面的良好近似。每個條形的厚度應該大大小於條形的長度或寬度，使得每個條形能夠簡單變形為期望的形狀。例如，0.5mm厚的鋁形成的條形容易變形成近似於範圍在大約1米並且具有大約lm焦距的反射鏡。
每個條形具有預定的平坦形狀，使得在條形簡單變形和對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並分隔開非常小的間隙。具有零高斯曲率的曲面的"平坦形狀"指的是當曲面簡單變形為平面時曲面所具有的形狀。"基本平行並分隔開非常小的間隙"指的是條形並非間隙構成絕大部分3D曲面近似體。每個條形的期望3D形狀(即，當條形用於近似所選擇的3D曲面的 一部分時每個條形筒單變形成的形狀)可以利用標準的幾何技術而確定。 例如，在圖2-4中所示出的近似於拋物面的條形的情況下，透鏡設計中通 常使用的光學技術可以用來計算每個條形的形狀，而且計算結果可以由計 算機光追蹤模擬確認。如上所述由選擇為限定合適條形寬度的5巨離所分隔 開的稍微平行的線的排列從預定視圖數學投影到期望3D曲面的理論"完 美"數學模型。投影線在表面上描繪出與近似期望3D曲面所需的條形的 邊緣對應的曲線。投影線不需要平行，但是這樣可能是優選的，以便例如 簡化條形的期望形狀的數理判斷或者實現更美的期望外觀。
因而可以利用這樣的片材構造拋物面形曲面或者3D曲面，即，可以 利用公知的噴水技術或衝切技術將所述片材容易地切割成正確形狀。從圖 4中可知，條形10可以安裝在合適的支撐框架12上，所述支撐框架12具 有多個支撐肋14，所述支撐肋14足夠厚以便能夠保持期望的3D彎曲形狀。 例如，肋14可以由1/8inch (約等於0.3 11)厚的鋁形成。肋14形成為具 有合適的曲率，使得當條形10安裝並附連到肋14上時條形IO可以簡單變 形為正確的形狀。條形10應該足夠厚並且/或者肋14應該足夠多，以便在 條形附連到肋14的點處不扭曲條形的形狀的情況下允許條形10簡單變形 成正確的形狀(即，應該容易使得條形10變形，但是條形10不應該下垂 或以其他方式偏離條形延伸跨過肋14之間的間隙的地方處的期望曲率)。 經過簡單變形的對齊的條形中的相鄰條形的相鄰邊緣可以利用帶、矽樹脂 密封劑、鉚釘或其他類似裝置或者它們的一些結合而結合在一起。例如， 可以最初並臨時地用帶將條形10在框架12上保持就位，直到實現了條形 的期望的筒單變形以及邊緣對齊，隨後可以使用矽樹脂密封劑而將條形更 永久地結合到框架12上。
可以在所選的安裝點處將簡單變形後的對齊的條形附連到剛性的支 撐框架12，使得安裝點之間的自然平衡變形將變形後的對齊的條形保持在 所選擇的3D曲面的期望近似體上。
可以形成用於建築構造的其他3D形狀例如建築物形狀的近似體。例 如，所選擇的3D曲面可以近似於球形或半球形表面。在建築應用中已經 使用網格球頂來近似這些球形表面。網格球頂通常通過互相連接多個三角 形構件(例如，如圖5所示)而形成或者通過互相連接其他合適形狀的構 件而形成。如圖6所示， 一系列2D條形16可以簡單變形並對齊以更加準確地近似於球形或半球形表面。由如圖6所示的一系列2D條形形成的3D 球形表面近似體僅需要在每相鄰一對條形之間的一條縫，例如如圖18所 示，從而排除了圖5中20處所示的縫交叉點。2D條形16可以通過連續拉 拔工序製作，以沿著每個條形16的相反縱向邊^1供能夠互鎖的縫18。 由具有這種縫的2D條形形成的3D結構可能比具有相互交叉的縫的結構更 不受氣候影響，並且還可能在某些情況下更具有美學外觀。
雖然已經在上文討論了幾個示例性方面和實施方式，但是本領域普通 技術人員可以認知其某些變形、置換、增加和子組合。因而，期望的是， 下列所附權利要求以及下文引入的權利要求應該理解為包括所有在其精 神和範圍內的這樣的變形、置換、增加和子組合。
權利要求
1.一種近似所選的三維曲面的方法，所述三維曲面在表面的一部分上具有非零的高斯曲率，所述方法包括提供多個細條形(10)，每個條形具有零高斯曲率；使所述條形簡單變形；並且將變形後的條形彼此相鄰地對齊以近似所述所選的三維曲面。
2. 如權利要求l所述的方法，進一步包括使每個條形形成為具有的條 形寬度沿所述條形的縱軸線改變不超過土 10%。
3. 如權利要求l所述的方法，進一步包括使每個條形成型為預定的平 坦形狀，從而在使簡單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平 行並且間隔開基本上很小的間隙。
4. 如權利要求2所述的方法，進一步包括使每個條形成型為預定的平 坦形狀，從而在使簡單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平 行並且間隔開基本上很小的間隙。
5. 如權利要求2所述的方法，在使筒單變形後的條形對齊後，當從優 選的觀察方向觀察時，所述條形呈現為直的。
6. 如權利要求3所述的方法,進一步包括使簡單變形後的條形對齊後， 將相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
7. 如權利要求l所述的方法，其中簡單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體(12)上簡單變形；並且對齊步驟還包括使所述條形在所述剛性支撐體上對齊。
8.如權利要求2所述的方法，其中簡單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體(12)上簡單變形；並且對齊步驟還包括使所述條形在所述剛性支撐體上對齊；所述方法還包括將所述條形在所選的安裝點處附連到所述剛性支撐體，使得安裝點之間的自然平衡變形將對齊並筒單變形的條形保持為所選 的三維曲面的期望近似體。
9.如權利要求2所述的方法，還包括以反射材料形成條形，其中所述 所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
10.如權利要求2所述的方法，所述所選擇的三維曲面具有建築物形狀。
11.如權利要求4所述的方法，進一步包括使簡單變形後的條形對齊 後，將相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
12.如權利要求3所述的方法，還包括以^Jt材料形成條形，其中所 述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
13.如權利要求3所述的方法，所述所選擇的三維曲面具有建築物形狀。
14.如權利要求4所述的方法，其中筒單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體(12)上簡單變形；並且對齊步驟還包括使所述條形在所述剛性支撐體上對齊；並且所述方法還包括將所述條形在所選的安裝點處附連到所述剛性支撐 體，使得安裝點之間的自然平衡變形將簡單變形並對齊的條形保持為所選 的三維曲面的期望近似體。
15. 如權利要求l所述的方法，還包括 以反射材料形成條形；以及在使所述條形簡單變形並對齊後，將相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起；其中所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
16. 如權利要求5所述的方法，其中筒單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體(12)上簡單變形；並且對齊步驟還包括4吏所述條形在所述剛性支撐體上對齊；所述方法還包括將所述條形在所選的安裝點處附連到所述剛性支撐 體，使得安裝點之間的自然平衡變形將簡單變形並對齊的條形保持為所選 的三維曲面的期望近似體。
17. 如權利要求5所述的方法，進一步包括使每個條形成型為預定的平坦形狀，從而在使筒單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上很小的間隙；以及使簡單變形後的條形對齊後，將相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
18. 如權利要求l所述的方法，其中簡單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體(12)上簡單變形；並且對齊步驟還包括使所述條形在所述剛性支撐體上對齊；所述方法還包括 以反射材料形成條形；以及將所述條形在所選的安裝點處附連到所述剛性支撐體，4吏得安裝點之 間的自然平衡變形將簡單變形並對齊的條形保持為所選的三維曲面的期 望近似體，其中所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
19. 如權利要求5所述的方法，進一步包括使每個條形成型為預定的平坦形狀，從而在使簡單變形後的條形對齊 後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上很小的間隙；並且其中筒單變形步驟還包括使所述條形在剛性支撐體上簡單變形；並且對齊步g包括使所述條形在所述剛性支撐體上對齊；所述方法還包括將所述條形在所選的安裝點處附連到所述剛性支撐 體(12 )，使得安裝點之間的自然平衡變形將簡單變形並對齊的條形保持為 所選的三維曲面的期望近似體。
20. 如權利要求5所述的方法，還包括 以>^射材料形成條形；以及使每個條形成型為預定的平坦形狀，從而在使筒單變形後的條形對齊 後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上很小的間隙；並且其中所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
21. —種近似所選的三維曲面的三維結構，所述三維曲面在表面的一部分上具有非零的高斯曲率，所述結構包括多個簡單變形的細條形(10)，所述條形彼此相鄰地對齊以近似所述所選的三維曲面，並且其中每個條形 具有零高斯曲率。
22. 如權利要求21所述的三維結構，其中每個條形具有的條形寬度沿 所述條形的縱軸線改變不超過± 10%。
23. 如權利要求21所述的三維結構，其中每個條形具有預定的平坦形 狀，從而在使筒單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並 且間隔開基本上4艮小的間隙。
24. 如權利要求22所述的三維結構，其中每個條形具有預定的平坦形 狀，從而在使筒單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並 且間隔開基本上4艮小的間隙。
25. 如權利要求22所述的三維結構，其中在筒單變形後的條形對齊後， 當從優選的觀察方向觀察時，所述條形呈現為直的。
26. 如權利要求22所述的三維結構，其中對齊並簡單變形後的條形中 的相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
27. 如權利要求21所述的三維結構，其中對齊並簡單變形後的條形安 裝在剛性支撐體(12)上.
28. 如權利要求22所述的三維結構，其中對齊並筒單變形後的條形在 所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12 )，使得安裝點之間的自然平衡變形 將對齊並簡單變形的條形保持為所選的三維曲面的期望近似體。
29. 如權利要求22所述的三維結構，其中 所述條形由反射材料形成；並且 所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
30. 如權利要求22所述的三維結構，所述所選擇的三維曲面具有建築 物形狀。
31. 如權利要求24所述的三維結構，其中對齊並簡單變形後的條形中 的相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
32. 如權利要求23所述的三維結構，其中 所述條形由^Jt材料形成；並且 所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
33. 如權利要求23所述的三維結構，所述所選擇的三維曲面具有建築 物形狀。
34. 如權利要求24所述的三維結構，其中對齊並簡單變形後的條形在 所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12 ),使得安裝點之間的自然平衡變形 將對齊並簡單變形的條形保持為所選的三維曲面的期望近似體。
35. 如權利要求21所述的三維結構，其中 所述條形由>^射材料形成；對齊並簡單變形後的條形中的相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起；並且 所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
36. 如權利要求25所述的三維結構，其中對齊並簡單變形後的條形在 所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12 )，使得安裝點之間的自然平衡變形 將對齊並簡單變形的條形保持為所選的三維曲面的期望近似體。
37. 如權利要求25所述的三維結構，其中每個條形具有預定的平坦形狀，從而在使筒單變形後的條形對齊後，相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上很小的間隙；並且對齊並簡單變形後的條形中的相鄰條形的相鄰邊緣結合在一起。
38.如權利要求21所述的三維結構，其中 所述條形由>^射材料形成；對齊並筒單變形後的條形在所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12 )， 使得安裝點之間的自然平衡變形將對齊並簡單變形的條形保持為所選的 三維曲面的期望近似體；並且所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
39.如權利要求25所述的三維結構，其中每個條形具有預定的平坦形狀，從而在使簡單變形後的條形對齊後， 相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上4艮小的間隙；並且對齊並簡單變形後的條形在所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12 )，三維曲面的期望近似體,
40.如權利要求25所述的三維結構，其中 所述條形由>^射材料形成；每個條形具有預定的平坦形狀，從而在使簡單變形後的條形對齊後， 相鄰條形的相鄰邊緣基本平行並且間隔開基本上很小的間隙；並且所述所選擇的三維曲面具有聚光形狀。
全文摘要
一種近似於3D曲面的3D結構，所述3D曲面在表面的一部分上具有非零的高斯曲率。所述結構由多個細條形(10)形成，所述多個細條形簡單變形並且彼此相鄰地對齊以近似於3D曲面。每個條形具有零高斯曲率；沿著條形的縱軸線改變不超過±10％的條形寬度；以及預定的平坦形狀，使得在簡單變形之後，相鄰條形的相鄰邊緣能夠基本上彼此平行地對齊並分隔開基本上很小的間隙。當從優選的觀察方向觀察時，對齊並簡單變形的條形呈現為直的。條形能夠在所選的安裝點處附連到剛性支撐體(12)，使得安裝點之間的自然平衡變形將對齊並簡單變形的條形保持為3D曲面的期望近似體。
文檔編號E04B1/32GK101688637SQ200880016514
公開日2010年3月31日 申請日期2008年6月16日 優先權日2007年6月22日
發明者洛恩·A·懷特黑德 申請人:不列顛哥倫比亞大學