自動(dòng)擦黑板機(jī)總體設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)擦黑板機(jī)裝置的總體設(shè)計(jì)張輝 馮松 張微 袁偉內(nèi)容提要：1任務(wù)分配2設(shè)計(jì)創(chuàng)新性3市場(chǎng)調(diào)研及需求分析4概念設(shè)計(jì)5方案結(jié)構(gòu)化6方案評(píng)估7可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)分配：張輝：總體概念設(shè)計(jì)，基于CATIA有限元分析，公理設(shè)計(jì)，VB動(dòng)畫演示制作，PPT演示文稿制作，任務(wù)報(bào)告整理。馮松：基于CATIA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PPT演示文稿整理。張微：可靠性設(shè)計(jì)，有限元分析，PPT演示文稿的整理。袁偉：市場(chǎng)調(diào)研，PPT演示文稿的整理。一、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性：第一：本次設(shè)計(jì)的核心裝置齒輪連桿的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是創(chuàng)新點(diǎn)。尤其是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，巧妙地運(yùn)用了不完全齒輪實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的往復(fù)擺動(dòng)，并且達(dá)到了結(jié)構(gòu)的布局合理和緊湊。另外執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度

2、模擬了人體的運(yùn)動(dòng)，巧妙地設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品的效果。第二：另外本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是市場(chǎng)上目前很少見的產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了這個(gè)空缺，市場(chǎng)前景看好。產(chǎn)品的開發(fā)流程分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)四個(gè)部分。本設(shè)計(jì)進(jìn)行到技術(shù)設(shè)計(jì)部分，很多細(xì)節(jié)問題并沒有涉及，也有很多地方值得改進(jìn)，其具體的價(jià)值還有待市場(chǎng)的考驗(yàn)。目前類似的產(chǎn)品主要還是一些專利和設(shè)想，真正投入市場(chǎng)的幾乎沒有。另外這些專利和設(shè)計(jì)在我們看來有明顯的缺陷和不足之處?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流行一種“電動(dòng)吸塵黑板擦”，這種產(chǎn)品和本設(shè)計(jì)有一定的相似之處，但二者還是有明顯不同之處?！半妱?dòng)吸塵黑板擦”如下圖（右）所示，它算是一個(gè)半自動(dòng)產(chǎn)品，而本設(shè)計(jì)是全自動(dòng)產(chǎn)品。 另

3、外還有一些專利也是設(shè)計(jì)了全自動(dòng)的擦黑板機(jī)，但在我們看來他們的設(shè)計(jì)有很多不足之處，這正是這一類的產(chǎn)品遲遲不能投入市場(chǎng)的原因。比如有一種專利，它的擦黑板原理僅僅是利用了旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，這樣擦拭效果會(huì)很不好，粉筆末不是擦下黑板，而是涂抹在黑板上，效果很差，另外這種方法會(huì)有明顯的擦拭死角，即長方形黑板的很多地方是無法擦到的。比如還有一種專利是利用了簡單的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來擦拭，這種運(yùn)動(dòng)形式不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜成本高，而且需要很高的運(yùn)動(dòng)速度。所以本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵創(chuàng)新之處就在于它的良好的擦拭效果，和簡單可靠的動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)計(jì)，這個(gè)具體的創(chuàng)新性大家可以在后面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)講解的時(shí)候清楚的看到。二、市場(chǎng)調(diào)研及需求分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功與否最終

4、是由市場(chǎng)所決定的，而產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)劃需要結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際情況，進(jìn)行調(diào)研與分析。由于各種原因我們只能借由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)資料的收集，企業(yè)信息也無法獲得，所以調(diào)研結(jié)果具有不完整性，分析帶有一定的主觀性。 雖然現(xiàn)在多媒體教學(xué)得到了廣泛應(yīng)用，但很多學(xué)科教學(xué)還需要大量的板書，如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)的公式推導(dǎo)過程等。而目前手動(dòng)擦黑板效率低，粉筆末飛揚(yáng)，對(duì)教師的健康有很大傷害。尤其是對(duì)于一些需要大量板書的教學(xué)更是如此。 根據(jù)國家有關(guān)報(bào)告1993年統(tǒng)計(jì)資料顯示：我國教師每年因上課吸入的粉筆灰約200克/人，死于肺部疾病、癌癥的約20%/年?？梢姺酃P灰可怕的吞嚼著教師的生命，因此急需一種產(chǎn)品減少或避免此類情況的發(fā)生

5、。另學(xué)校數(shù)量從1910年的37888所激增到2003年的70萬所小學(xué)、10071所中學(xué)、2322所高等學(xué)府。可謂市場(chǎng)潛力巨大。黑板擦全國將近10億的市場(chǎng)空間。 根據(jù)我們的調(diào)研目前市場(chǎng)上還很少有類似“自動(dòng)擦黑板機(jī)”的產(chǎn)品，市場(chǎng)約為空白，這樣調(diào)研和分析具有更高的難度。類似的產(chǎn)品主要還是一些專利和設(shè)想，真正投入市場(chǎng)的幾乎沒有?，F(xiàn)在市場(chǎng)上流行一種“電動(dòng)吸塵黑板擦”（如前面所示），它的需求量之大可以給我們一個(gè)參考。據(jù)網(wǎng)上資料的初步統(tǒng)計(jì)這種產(chǎn)品僅學(xué)校市場(chǎng)潛在銷量在1000萬臺(tái)以上，再加上家庭或辦公等場(chǎng)所的需求，市場(chǎng)潛力非常巨大。 另外我們聯(lián)系了一些初中高中及大學(xué)的老師和其他教職工，本次調(diào)研的所有消費(fèi)者均對(duì)

6、我們的自動(dòng)擦黑板機(jī)均表示有興趣，如果價(jià)格合理，實(shí)用性強(qiáng)的話可以考慮購買。我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品雖然不如上述產(chǎn)品成本低，適應(yīng)程度高，但我們的設(shè)計(jì)具有全自動(dòng)的特點(diǎn)，它快捷方便，完全不需要人的控制和參與，不會(huì)打斷使用者的工作，并且成本也不是很高，這是我們?cè)O(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。所以我們初步估計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有很大的潛在市場(chǎng)需求量，是值得開發(fā)和推廣的。三、 概念設(shè)計(jì)總體思路：本次設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能如下： 1.連續(xù)自動(dòng)擦拭黑板。 2.能擦干凈，不留下痕跡 3.整個(gè)黑板都能擦得到，不留死角 4.擦拭要迅速。 5.盡量避免粉塵飛揚(yáng)。 由上述功能可得到以下的行為： 1.需要二維的運(yùn)動(dòng)，即需要一個(gè)沿黑板橫向擦拭的運(yùn)動(dòng)，還需要一個(gè)

7、沿黑板縱向的移動(dòng)。 2.要盡量使擦拭有較高的速度，并且將粉筆末盡量擦向一個(gè)方向（類似人體手臂的動(dòng)作最好） 3.擦拭的軌跡包絡(luò)線要覆蓋整個(gè)長方形的黑板。 4.整個(gè)動(dòng)作過程最好在2分鐘之內(nèi)完成。 5.有條件的話要可以吸塵。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換1. 需要二維的運(yùn)動(dòng)，即需要一個(gè)擦拭的運(yùn)動(dòng)，還需要一個(gè)移動(dòng)。 對(duì)于這種行為我們可以用一個(gè)沿黑板水平移動(dòng)的平臺(tái)，然后在平臺(tái)上 設(shè)計(jì)擦拭動(dòng)作，而這種移動(dòng)可采用齒輪齒條傳動(dòng)。如下圖所示：2.要盡量使擦拭有較高的速度，并且將粉筆末盡量擦向一個(gè)方向（類似人體手臂的動(dòng)作最好）通過聯(lián)想汽車刮雨器的動(dòng)作，我們聯(lián)想到用平行四邊形機(jī)構(gòu)來作這個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣既保證了速度，又使粉筆末擦向兩邊。

8、汽車擦雨器 平行四邊形執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3.擦拭的軌跡包絡(luò)線要覆蓋整個(gè)長方形的黑板。 這就要求橫向齒輪齒條傳動(dòng)在平行四邊形執(zhí)行機(jī)構(gòu)向一個(gè)方向擺動(dòng)的時(shí)間內(nèi)傳動(dòng)的距離不能長于平行四邊形的短桿（兩個(gè)擺桿）的長度。當(dāng)然還要設(shè)計(jì)平行四邊形桿的長度使其能將整個(gè)黑板包括。 4.整個(gè)動(dòng)作過程最好在2分鐘之內(nèi)完成。 這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)的齒輪齒條傳動(dòng)的不僅速度不能過慢，但也要考慮到擦得太快可能會(huì)出現(xiàn)擦不干凈，甚至如3中所述的漏擦。所以設(shè)計(jì)成來回擦兩遍，第一遍為粗擦，要有較快的速度；第二遍為精擦，降低速度，保證質(zhì)量。5.有條件的話要可以吸塵。 我們可以考慮用一個(gè)吸風(fēng)機(jī)來吸塵，也可以考慮用靜電發(fā)生裝置來吸塵?？紤]到經(jīng)濟(jì)型這個(gè)設(shè)

9、計(jì)不詳細(xì)討論。下面具體討論用什么樣的傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)平行四邊形的往復(fù)擺動(dòng)。這個(gè)設(shè)計(jì)既要傳動(dòng)簡單，又要結(jié)構(gòu)緊湊，還要使機(jī)器的可靠性強(qiáng)。我們小組通過討論決定采取齒輪傳動(dòng)，通過不完全齒輪的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)往復(fù)的擺動(dòng)，如下圖所示：動(dòng)力由小齒輪a經(jīng)過大齒輪b的減速傳遞到同軸不完全齒輪c上，c在半個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)齒輪d，使其旋轉(zhuǎn)半周，然后驅(qū)動(dòng)齒輪e，e再驅(qū)動(dòng)f，使f旋轉(zhuǎn)半周，這里的e是一個(gè)惰輪但，起到轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)方向的作用。這個(gè)設(shè)計(jì)不用換擋，結(jié)構(gòu)緊湊，其巧妙的實(shí)現(xiàn)了往復(fù)擺動(dòng)的功能?？傮w的轉(zhuǎn)換和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到此就完成了，我們完全按照從功能到行為，從行為到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)我們發(fā)揮了聯(lián)想和創(chuàng)造。現(xiàn)在我們看一下設(shè)計(jì)的在這個(gè)機(jī)械

10、的運(yùn)動(dòng)演示：四.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CAE分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：我們用CATIA三維軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大體設(shè)計(jì)，具體可看錄制的視頻： CAE分析：本設(shè)計(jì)僅僅對(duì)齒輪和擺桿進(jìn)行簡單的有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析。下圖是齒輪的應(yīng)力圖：下圖是齒輪的應(yīng)變圖：下圖是擺桿的應(yīng)力圖：下圖是擺桿的應(yīng)變圖：五.方案評(píng)估。本設(shè)計(jì)的功能需求如下： FR1 = 擦拭迅速FR2 = 擦拭自動(dòng)連續(xù) FR3 = 擦拭干凈如下分解FR3得： FR31 = 擦拭無痕 FR32=擦拭沒有死角本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)DPs如下： DP1 = 設(shè)計(jì)齒輪齒條傳動(dòng)的橫向移動(dòng)速度和擺桿擺動(dòng)速度 DP2 =設(shè)計(jì)橫向移動(dòng)裝置 DP3=執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分解為： DP31 = 采

11、用平行四邊形執(zhí)行機(jī)構(gòu) DP32 = 設(shè)計(jì)擺桿、連桿的長度設(shè)計(jì)功能需求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系表如下：第一層 FRs分解及其DPs映射 其中： FR1 = 擦拭迅速 FR2 = 擦拭自動(dòng)連續(xù) FR3 = 擦拭干凈 DP1 = 設(shè)計(jì)齒輪齒條傳動(dòng)的橫向移動(dòng)速度和擺桿擺動(dòng)速度 DP2 =設(shè)計(jì)橫向移動(dòng)裝置 DP3=執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)第二層 FRs分解及其DPs映射 其中： FR31 = 擦拭無痕 FR32=擦拭沒有死角 DP31 = 采用平行四邊形執(zhí)行機(jī)構(gòu) DP32 = 設(shè)計(jì)擺桿、連桿的長度由此可見：這個(gè)設(shè)計(jì)是耦合設(shè)計(jì)。六、自動(dòng)擦黑板機(jī)的可靠性分析此處系統(tǒng)失效的可靠性判據(jù)為：不能完成擦黑板的工作，如擦不干凈、機(jī)

12、構(gòu)變形、部件磨損或損壞等。 因此將系統(tǒng)分為四個(gè)部分，分別分析四個(gè)部分的可靠度： 一、平行雙曲柄機(jī)構(gòu) 失效判據(jù)：喪失運(yùn)動(dòng)精度 二、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 失效判據(jù)：齒輪疲勞損傷 三、軸承系統(tǒng) 失效判據(jù)：軸承疲勞損傷 四、動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)、螺旋傳動(dòng)裝置） 失效判據(jù)：系統(tǒng)損壞（多原因、可靠性數(shù)據(jù)由廠家提供）一、平行雙曲柄機(jī)構(gòu)此機(jī)構(gòu)為對(duì)稱機(jī)構(gòu)，雙曲柄輪換作為輸入件，此時(shí)設(shè)AB為主動(dòng)件，CD為從動(dòng)件，輸入為轉(zhuǎn)角，輸出為為轉(zhuǎn)角，AB長為r，BC長為l，曲柄角速度為，角加速度為。易得 。用*表示理想值，則有 故在不考慮機(jī)構(gòu)尺寸誤差的情形下，輸出誤差只與輸入誤差有關(guān)。因系統(tǒng)只對(duì)機(jī)構(gòu)的位移精度有要求，故不考慮速度精度及加速

13、度精度。但是機(jī)構(gòu)尺寸往往存在誤差，在此條件下機(jī)構(gòu)實(shí)際上發(fā)生了變形，此時(shí)我們假設(shè)輸入轉(zhuǎn)角為理想值， ，則為計(jì)算可靠度的概率模型可先求取角位移的均值和方差2，已知r、l的統(tǒng)計(jì)特征值分別為r、l，和r、l，則設(shè)尺寸誤差服從正態(tài)分布，所以位移誤差也服從正態(tài)分布，故有其中，0、0為允許的極限位移誤差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。二、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1、確定齒面接觸應(yīng)力的分布參數(shù)由GB3490-83，齒輪節(jié)圓出的計(jì)算接觸應(yīng)力為其中，H為齒面接觸應(yīng)力，H為齒面許用接觸應(yīng)力，ZH為節(jié)點(diǎn)嚙合系數(shù)，ZE為彈性系數(shù)，Z為重合度系數(shù)，Z為螺旋角系數(shù)，F(xiàn)t為齒輪端面與分度圓相切的工作齒面間的作用力，其均值為為小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩均值，d1為小齒輪分度圓直徑，b為齒寬，i為傳動(dòng)比，KA為使用系數(shù)，KV為動(dòng)載系數(shù)，KH載荷分布系數(shù)，KH為端面載荷分配系數(shù)。2、確定齒面接觸疲勞強(qiáng)的的分布參數(shù)3、齒面接觸疲勞強(qiáng)度的可靠度系數(shù)為綜合變異系數(shù)所以系統(tǒng)共有個(gè)齒輪，構(gòu)成串聯(lián)系統(tǒng)，則三、軸承系統(tǒng)軸承的可靠度分布呈威布爾分布，取軸承的工作時(shí)間小于額定壽命，則有為不同可靠度是的軸承壽命，0為最小壽命