自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板說(shuō)明書(shū)

第六屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽參賽作品自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板設(shè)計(jì)闡明書(shū)設(shè)計(jì)者：華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院4月自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板設(shè)計(jì)者：（華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌330013）摘要：方便捷、實(shí)用、高效的解決老師在授課過(guò)程中的黑板擦拭、紙質(zhì)筆記和微小物品展示的設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)擦拭及實(shí)物展示的黑板。首先，巧妙地結(jié)合了攝像頭，方便了展示老師所需要展示的微小物品和紙質(zhì)筆記，依靠帶有可自鎖小輪的支架可輕松移動(dòng)黑板，實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在”教學(xué)的黑板。實(shí)驗(yàn)成果表明，該設(shè)備工作穩(wěn)定，性能可靠，功效效果良好。核心詞：黑板；多功效；自動(dòng)；攝像頭；實(shí)物展示作品內(nèi)容介紹自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板以實(shí)現(xiàn)教室與師生、教與學(xué)有機(jī)統(tǒng)一為基礎(chǔ)，含有雙擦拭棍自動(dòng)擦拭、實(shí)物放大展示、無(wú)塵水筆書(shū)寫(xiě)及投影的功效。黑板采用磁性白板布，即能夠用于水筆書(shū)寫(xiě)，又能夠作為投影布使用，如用于幼兒園等場(chǎng)合，可直接在白板上粘貼磁性圖案、字母等教具；黑板左側(cè)安裝攝像系統(tǒng)平臺(tái)，能夠用于小物件和紙質(zhì)稿件投影展示；與傳統(tǒng)黑板相比，該黑板在同樣投影面積狀況下擴(kuò)大了一倍的使用空間，用水筆書(shū)寫(xiě)無(wú)灰塵，干凈無(wú)污染無(wú)噪音，黑板附帶水筆寄存槽，方便水筆等教學(xué)用品寄存；自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板內(nèi)置左右滾筒，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)白板滾動(dòng)；兩側(cè)配有擦拭輥，可快速自動(dòng)擦除白板上的筆跡；擦拭輥附帶調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)筆跡擦除和不擦除兩種顧客需求；黑板分為白板工作部分和移動(dòng)腳架部分，黑板腳架高度可調(diào)節(jié)，適合不同身高的教師使用；腳架可拆分并裝有移動(dòng)輪，使黑板移動(dòng)和運(yùn)輸方便，合用于傳統(tǒng)固定教學(xué)、移動(dòng)培訓(xùn)教學(xué)和戶外教學(xué)等多個(gè)教學(xué)模式。自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板的設(shè)計(jì)新穎、實(shí)用、方便。為教學(xué)課堂提供了一種干凈、整潔的環(huán)境，合用多個(gè)教學(xué)場(chǎng)合。1研制背景及意義現(xiàn)在教室中所用的普通黑板需要老師和學(xué)生去重復(fù)擦拭，并且粉筆灰嚴(yán)重危著老師和學(xué)生們的身體健康，早已不適合如今的環(huán)保低碳觀念；并且老師上課的時(shí)候需要展示筆記或者其它微小實(shí)物時(shí)，無(wú)法讓全部同窗清晰觀察到；并且普通黑板不能實(shí)現(xiàn)戶外教學(xué)。對(duì)此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種可多功效黑板。本作品根據(jù)這一背景設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)擦拭，運(yùn)用水筆書(shū)寫(xiě)板面，帶有投影設(shè)備，并可移動(dòng)的多功效黑板。制作成本低，并且操作簡(jiǎn)樸。這些能夠?qū)崿F(xiàn)教師輕松、高效教學(xué)，也能夠節(jié)省老師和學(xué)生們的體力，保護(hù)教師的身體健康。也給同窗們樹(shù)立一種環(huán)保低碳的意識(shí)。2設(shè)計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)想為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擦拭，我們運(yùn)用能夠自鎖的連桿機(jī)構(gòu)對(duì)擦拭棍進(jìn)行壓緊。使用帶磁性的白板，能夠達(dá)成無(wú)塵的目的，同時(shí)能夠適應(yīng)辦公場(chǎng)合使用，還能夠合用于幼兒園的趣味教學(xué)。為了適應(yīng)不同老師的身高規(guī)定，我們采用可調(diào)節(jié)高度的黑板支架。同時(shí)支架底部采用滾輪，方便于黑板的移動(dòng)和課堂教學(xué)的需求。黑板的左側(cè)設(shè)有可伸縮的攝像頭，和置物臺(tái)，方便于老師展示文稿或物品，如金屬切削原理課上老師展示刀具。2.2自動(dòng)擦拭方案比較為了實(shí)現(xiàn)擦拭功效，擦拭物與書(shū)寫(xiě)板面應(yīng)當(dāng)要有相對(duì)滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一種方案是讓書(shū)寫(xiě)板面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，一種方案是讓擦拭物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)我們數(shù)年擦拭書(shū)寫(xiě)板面的實(shí)踐可知，需要多次擦拭才足以達(dá)成擦拭干凈的效果。由此產(chǎn)生下列兩種方案：方案一（如圖2.2-1）采用擦拭物在書(shū)寫(xiě)板面上左右滑動(dòng)，書(shū)寫(xiě)板面是固定的，從而達(dá)成擦除書(shū)寫(xiě)板面上書(shū)寫(xiě)的筆跡。這種擦拭方式需要書(shū)寫(xiě)板面及其平整，還需要大功率機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擦拭物去擦拭書(shū)寫(xiě)板面。并且為了達(dá)成良好的擦拭效果，擦拭物的行走速度不能太快，因此又會(huì)耽擱課堂的貴重時(shí)間。方案二（如圖2.2-2）采用了兩根平行的滾筒軸，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)滾筒軸，從而帶動(dòng)書(shū)寫(xiě)板布的左右移動(dòng)。與此同時(shí)，兩端分別有一根固定、平行且貼緊書(shū)寫(xiě)板布的擦拭輥。從而達(dá)成書(shū)寫(xiě)板面與擦拭物的相對(duì)移動(dòng)，進(jìn)而達(dá)成良好的擦拭效果。綜合考慮，采用方案二。圖2.2-1方案一 圖2.2-2方案二2.3擦拭輥壓緊機(jī)構(gòu)方案比較擦拭輥的擦拭效果將要取決于擦拭輥與書(shū)寫(xiě)板面的貼緊程度，但是過(guò)大的貼緊力量會(huì)增大帶式書(shū)寫(xiě)板面對(duì)電機(jī)軸的預(yù)緊力，從而會(huì)增大電機(jī)所需要的功率。因此需要一定的機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)擦拭輥對(duì)書(shū)寫(xiě)板面的壓緊程度。從而有下列兩種壓緊機(jī)構(gòu)方案：方案一（圖2.3-1）通過(guò)擦拭輥兩端的螺栓壓塊固定裝置，將擦拭輥固定在一種平面上，通過(guò)調(diào)節(jié)擦拭輥調(diào)節(jié)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)擦拭輥的壓緊程度。這種調(diào)節(jié)裝置，需要很大的人力去調(diào)節(jié)擦拭輥與書(shū)寫(xiě)板的壓緊程度，增大了安裝調(diào)試的工作量，并且調(diào)試效果不是較好，也不利于大眾替代擦拭物。方案二（圖2.3-2）采用連桿自鎖機(jī)構(gòu)，使得擦拭輥能夠穩(wěn)定得壓緊在書(shū)寫(xiě)板面上。另外通過(guò)調(diào)節(jié)螺紋桿與擦拭輥（細(xì)桿為螺紋桿，粗桿為擦拭輥）的相對(duì)角度，就能夠輕松地調(diào)節(jié)擦拭輥與書(shū)寫(xiě)板面的壓緊程度。通過(guò)松開(kāi)擦拭輥的緊定螺釘，達(dá)成更換擦拭面的效果。還能夠松去螺紋桿的螺母，從而達(dá)成整根擦拭輥的換裝。另外，只要撥動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的手柄就能夠很輕松地實(shí)現(xiàn)擦拭和不擦拭兩種需求的切換。這種擦拭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，方面了壓緊力的調(diào)節(jié)和擦拭面及材料的替代。綜合考慮，采用方案二。圖2.3-1方案一圖2.3-2方案二2.4腳支架方案比較將黑板支撐起來(lái)，方便于我們實(shí)現(xiàn)黑板的移動(dòng)，這就我們?cè)O(shè)計(jì)說(shuō)規(guī)定的，也是實(shí)現(xiàn)多個(gè)教學(xué)環(huán)境和模式選擇的重要方法。因此，我們有下列兩種設(shè)計(jì)方案：方案一（圖2.4-1）為了實(shí)現(xiàn)支架的上下移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)黑板的高度，選用一根獨(dú)立可伸縮支架作為腳支架。這樣的話，只需要一種人就能夠很輕松的調(diào)節(jié)黑板的上下高度。這種設(shè)計(jì)有很大弊端就是由于黑板有一定的重量，并且有一定的高度，只使用一根支架的的時(shí)候，黑板的平穩(wěn)度就不好了。方案二（圖2.4-2）此方案跟方案一同樣，也是采用可上下伸縮的支架，但是選用了兩根可伸縮支撐桿。如此選擇，黑板長(zhǎng)度的擴(kuò)大將不會(huì)受到支撐力量的限制，并且黑板的平穩(wěn)度將大幅度地提高，達(dá)成我們所需要的平穩(wěn)度規(guī)定。綜合考慮，采用方案二。圖2.4-1方案一圖2.4-2方案二3理論設(shè)計(jì)計(jì)算3.1電機(jī)的選擇此作品一大特點(diǎn)就是電機(jī)帶動(dòng)電機(jī)滾筒軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)帶式板布的轉(zhuǎn)動(dòng)，再結(jié)合固定的左右雙擦拭輥，達(dá)成自動(dòng)擦拭黑板的效果。因此，需要選擇適宜的電機(jī)來(lái)帶動(dòng)帶式板布的轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)測(cè)，板布整體重為1.5kg，電機(jī)所需負(fù)載M=6.4kg.cm，將此負(fù)載放大1.5倍計(jì)算（3.1-1）取電機(jī)功率的計(jì)算（3.1-2）由公式3.1-2得（3.1-3）根據(jù)表一電機(jī)型號(hào)與功率，選擇型號(hào)GW4468-160的直流電機(jī)一只，符合設(shè)計(jì)械規(guī)定。表1電機(jī)型號(hào)選擇規(guī)格型號(hào)功率/w電壓/v轉(zhuǎn)速/rpm扭矩kg/cm輸出軸直徑/mmGW4468-16036241601083.2強(qiáng)度與剛度校核3.2.1電機(jī)滾筒軸強(qiáng)度與剛度校核電機(jī)滾筒軸，兩端采用深溝球軸承進(jìn)行固定，就受力分析而言，電機(jī)滾筒軸可簡(jiǎn)化為一根705mm的長(zhǎng)直管，受到板布所施加的壓力和電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩力。1）軸受板布的壓力F的計(jì)算擬定計(jì)算功率擬定帶的速度V軸上的壓力F2）電機(jī)滾筒軸的受力能夠簡(jiǎn)化為以下簡(jiǎn)支梁模型，其中。已知：電機(jī)滾筒軸的材料為A3鋼，屈服強(qiáng)度，彈性模量，取安全系數(shù)，電機(jī)滾筒軸的外徑為，內(nèi)徑為，受到板布的壓力F，受力如圖3.2.1-1所示。圖3.2.1-1電機(jī)軸受力圖（１）計(jì)算工作載荷均布載荷（２）計(jì)算支座反力由載荷的對(duì)稱性可知：（３）計(jì)算剪力和彎矩剪力彎矩（４）畫(huà)出剪力圖和彎矩圖如圖3.2.1-2所示。圖3.2.1-2電機(jī)滾筒軸剪力、彎矩圖（５）計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力對(duì)Z軸的慣性矩抗彎界面系數(shù)最大彎曲正應(yīng)力（６）校核電機(jī)滾筒軸的強(qiáng)度許用彎曲應(yīng)力顯然，滿足強(qiáng)度規(guī)定。3.2.2電機(jī)軸滾筒的剛度計(jì)算由以上簡(jiǎn)化模型可知，在電機(jī)滾筒軸承受載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）為：由此，電機(jī)滾筒軸的最大彎曲變形為0.0477mm，并且出現(xiàn)在電機(jī)滾筒軸的中心位置，完全滿足使用規(guī)定。3.3部分工程圖 圖3.3-1電機(jī)滾筒軸圖3.3-2從動(dòng)滾筒軸圖3.3-3滑塊4工作原理及性能4.1工作原理下面對(duì)黑板各個(gè)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程及原理進(jìn)行闡明（1）采用大力矩的直流電機(jī)，通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用白板布與軸之間的摩擦以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的運(yùn)動(dòng)。如圖4-1圖4-1傳動(dòng)裝置圖4-2底架（2）如圖4-2，底部的四個(gè)滾輪能夠?qū)崿F(xiàn)黑板在地面上的移動(dòng)。采用套筒伸縮，紅色的加緊塊夾住綠色的導(dǎo)桿實(shí)現(xiàn)固定，當(dāng)松開(kāi)加緊塊時(shí)，調(diào)節(jié)高度到適宜的位置，擰緊黑色的螺栓即可實(shí)現(xiàn)黑板高度的調(diào)節(jié)。（3）相機(jī)支架連接在側(cè)板上，支架的各個(gè)連桿通過(guò)鉚釘連接，而相機(jī)與連桿之間采用銷釘連接，能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)大范疇多角度的運(yùn)動(dòng)。見(jiàn)圖4-3,4-4.圖4-3攝像頭圖4-4（4）置物臺(tái)，能夠供老師放置文檔，教具等展示物品。然后能夠運(yùn)用相機(jī)對(duì)其進(jìn)行攝像，之后轉(zhuǎn)到投影儀上進(jìn)行投影。如圖4-5，圖中藍(lán)色的為置物臺(tái)。為符合實(shí)際使用條件，置物臺(tái)與橫桿之間采用螺栓擰緊，需要時(shí)能夠松開(kāi)螺栓后進(jìn)行折疊。如圖4-6。圖4-5置物臺(tái)圖4-6（5）使用擦拭棍對(duì)黑板進(jìn)行擦拭，為便于我們調(diào)節(jié)，采用四連桿快速夾具進(jìn)行壓緊，如圖4-7。當(dāng)想要保存黑板上的內(nèi)容時(shí)，通過(guò)抬起紅色的手柄即可松開(kāi)夾具，如圖4-8。使用一段時(shí)間后，需要對(duì)擦拭棍與黑板的接觸面進(jìn)行調(diào)節(jié)，松開(kāi)帶螺紋的吊環(huán)（圖4-9中綠色的零件）即可進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4-7壓緊機(jī)構(gòu)圖4-7壓緊機(jī)構(gòu)圖4-8圖4-9調(diào)節(jié)構(gòu)件4.2性能（1）電機(jī)帶動(dòng)滾筒軸滾動(dòng)，擴(kuò)大了書(shū)寫(xiě)板面的面積。（2）雙擦拭輥?zhàn)詣?dòng)擦拭，節(jié)省人力，達(dá)成較好的擦拭效果。（3）攝像系統(tǒng)的引入，增加了課堂微小實(shí)物和紙質(zhì)稿件的展示功效。（4）可伸縮支架，適應(yīng)了不同身高人群對(duì)黑板高度的需求。（5）磁性白板布的采用，增加課堂趣味。（6）無(wú)塵水筆書(shū)寫(xiě)，除去粉塵危害。5實(shí)物照片自動(dòng)可擦拭黑板各個(gè)角度的實(shí)物照片分別見(jiàn)圖5.1、圖5.2、圖5.3。圖5.1自動(dòng)可擦拭黑板正面圖圖26自動(dòng)可擦拭黑板側(cè)面圖圖27自動(dòng)可擦拭黑板背面圖6創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用6.1創(chuàng)新點(diǎn)1）無(wú)塵、無(wú)污染、自動(dòng)擦拭和可選擇性擦拭。2）支架可升降、適合不同身高高度的老師使用，并且整個(gè)黑板能夠移動(dòng)適合戶外教學(xué)和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)教室使用。3）采用磁性板布，提高課堂趣味性。4）設(shè)計(jì)新穎的幻燈片放映機(jī)構(gòu)，使教室各個(gè)角落的同窗都能看清細(xì)小的文字、圖片、小教學(xué)輔件等。6.2應(yīng)用自動(dòng)擦拭無(wú)塵黑板集書(shū)寫(xiě)、投影、展臺(tái)于一體。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)擦拭功效，節(jié)省了老師大量的精力和時(shí)間；可直接做為投影布用于多媒體教學(xué)，并配有實(shí)物展臺(tái)功效；用水筆替代了傳統(tǒng)的粉筆，實(shí)現(xiàn)無(wú)塵無(wú)污染的綠色教室理念；變化了傳統(tǒng)的固定式黑板模式，可調(diào)節(jié)高度并整體移動(dòng)，適合不同身高的教師，并適應(yīng)戶外教學(xué)移動(dòng)培訓(xùn)等多個(gè)形式的教學(xué)演示活動(dòng)。符合當(dāng)代生活對(duì)綠色環(huán)保、方便實(shí)用、功效多樣的需求理念，含有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。7總結(jié)我們?cè)谏顚W(xué)習(xí)中要學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且嘗試解決生活學(xué)習(xí)中多個(gè)各樣的問(wèn)題，這樣我們和我們的社會(huì)才會(huì)進(jìn)步，我們的生