第六屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽參賽作品自動擦拭無塵黑板設計闡明書設計者：華東交通大學機電工程學院4月自動擦拭無塵黑板設計者：（華東交通大學機電工程學院，南昌330013）摘要：方便捷、實用、高效的解決老師在授課過程中的黑板擦拭、紙質筆記和微小物品展示的設備為研究對象，設計了一款可自動擦拭及實物展示的黑板。首先，巧妙地結合了攝像頭，方便了展示老師所需要展示的微小物品和紙質筆記，依靠帶有可自鎖小輪的支架可輕松移動黑板，實現(xiàn)“無處不在”教學的黑板。實驗成果表明，該設備工作穩(wěn)定，性能可靠，功效效果良好。核心詞：黑板；多功效；自動；攝像頭；實物展示作品內(nèi)容介紹自動擦拭無塵黑板以實現(xiàn)教室與師生、教與學有機統(tǒng)一為基礎，含有雙擦拭棍自動擦拭、實物放大展示、無塵水筆書寫及投影的功效。黑板采用磁性白板布，即能夠用于水筆書寫，又能夠作為投影布使用，如用于幼兒園等場合，可直接在白板上粘貼磁性圖案、字母等教具；黑板左側安裝攝像系統(tǒng)平臺，能夠用于小物件和紙質稿件投影展示；與傳統(tǒng)黑板相比，該黑板在同樣投影面積狀況下擴大了一倍的使用空間，用水筆書寫無灰塵，干凈無污染無噪音，黑板附帶水筆寄存槽，方便水筆等教學用品寄存；自動擦拭無塵黑板內(nèi)置左右滾筒，由電機驅動，實現(xiàn)白板滾動；兩側配有擦拭輥，可快速自動擦除白板上的筆跡；擦拭輥附帶調節(jié)機構，能夠實現(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腳架部分，黑板腳架高度可調節(jié)，適合不同身高的教師使用；腳架可拆分并裝有移動輪，使黑板移動和運輸方便，合用于傳統(tǒng)固定教學、移動培訓教學和戶外教學等多個教學模式。自動擦拭無塵黑板的設計新穎、實用、方便。為教學課堂提供了一種干凈、整潔的環(huán)境，合用多個教學場合。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生去重復擦拭，并且粉筆灰嚴重危著老師和學生們的身體健康，早已不適合如今的環(huán)保低碳觀念；并且老師上課的時候需要展示筆記或者其它微小實物時，無法讓全部同窗清晰觀察到；并且普通黑板不能實現(xiàn)戶外教學。對此我們設計了一種可多功效黑板。本作品根據(jù)這一背景設計了一種可自動擦拭，運用水筆書寫板面，帶有投影設備，并可移動的多功效黑板。制作成本低，并且操作簡樸。這些能夠實現(xiàn)教師輕松、高效教學，也能夠節(jié)省老師和學生們的體力，保護教師的身體健康。也給同窗們樹立一種環(huán)保低碳的意識。2設計方案2.1總體設計構想為了實現(xiàn)自動擦拭，我們運用能夠自鎖的連桿機構對擦拭棍進行壓緊。使用帶磁性的白板，能夠達成無塵的目的，同時能夠適應辦公場合使用，還能夠合用于幼兒園的趣味教學。為了適應不同老師的身高規(guī)定，我們采用可調節(jié)高度的黑板支架。同時支架底部采用滾輪，方便于黑板的移動和課堂教學的需求。黑板的左側設有可伸縮的攝像頭，和置物臺，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自動擦拭方案比較為了實現(xiàn)擦拭功效，擦拭物與書寫板面應當要有相對滑動的運動。因此，在設計過程中，一種方案是讓書寫板面進行運動，一種方案是讓擦拭物進行運動。通過我們數(shù)年擦拭書寫板面的實踐可知，需要多次擦拭才足以達成擦拭干凈的效果。由此產(chǎn)生下列兩種方案：方案一（如圖2.2-1）采用擦拭物在書寫板面上左右滑動，書寫板面是固定的，從而達成擦除書寫板面上書寫的筆跡。這種擦拭方式需要書寫板面及其平整，還需要大功率機構帶動擦拭物去擦拭書寫板面。并且為了達成良好的擦拭效果，擦拭物的行走速度不能太快，因此又會耽擱課堂的貴重時間。方案二（如圖2.2-2）采用了兩根平行的滾筒軸，通過電機帶動電機滾筒軸，從而帶動書寫板布的左右移動。與此同時，兩端分別有一根固定、平行且貼緊書寫板布的擦拭輥。從而達成書寫板面與擦拭物的相對移動，進而達成良好的擦拭效果。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擦拭輥壓緊機構方案比較擦拭輥的擦拭效果將要取決于擦拭輥與書寫板面的貼緊程度，但是過大的貼緊力量會增大帶式書寫板面對電機軸的預緊力，從而會增大電機所需要的功率。因此需要一定的機構來調節(jié)擦拭輥對書寫板面的壓緊程度。從而有下列兩種壓緊機構方案：方案一（圖2.3-1）通過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，通過調節(jié)擦拭輥調節(jié)螺栓來調節(jié)擦拭輥的壓緊程度。這種調節(jié)裝置，需要很大的人力去調節(jié)擦拭輥與書寫板的壓緊程度，增大了安裝調試的工作量，并且調試效果不是較好，也不利于大眾替代擦拭物。方案二（圖2.3-2）采用連桿自鎖機構，使得擦拭輥能夠穩(wěn)定得壓緊在書寫板面上。另外通過調節(jié)螺紋桿與擦拭輥（細桿為螺紋桿，粗桿為擦拭輥）的相對角度，就能夠輕松地調節(jié)擦拭輥與書寫板面的壓緊程度。通過松開擦拭輥的緊定螺釘，達成更換擦拭面的效果。還能夠松去螺紋桿的螺母，從而達成整根擦拭輥的換裝。另外，只要撥動壓緊機構的手柄就能夠很輕松地實現(xiàn)擦拭和不擦拭兩種需求的切換。這種擦拭調節(jié)機構，方面了壓緊力的調節(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，方便于我們實現(xiàn)黑板的移動，這就我們設計說規(guī)定的，也是實現(xiàn)多個教學環(huán)境和模式選擇的重要方法。因此，我們有下列兩種設計方案：方案一（圖2.4-1）為了實現(xiàn)支架的上下移動來調節(jié)黑板的高度，選用一根獨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節(jié)黑板的上下高度。這種設計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，黑板長度的擴大將不會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理論設計計算3.1電機的選擇此作品一大特點就是電機帶動電機滾筒軸的轉動，從而帶動帶式板布的轉動，再結合固定的左右雙擦拭輥，達成自動擦拭黑板的效果。因此，需要選擇適宜的電機來帶動帶式板布的轉動。經(jīng)實測，板布整體重為1.5kg，電機所需負載M=6.4kg.cm，將此負載放大1.5倍計算（3.1-1）取電機功率的計算（3.1-2）由公式3.1-2得（3.1-3）根據(jù)表一電機型號與功率，選擇型號GW4468-160的直流電機一只，符合設計械規(guī)定。表1電機型號選擇規(guī)格型號功率/w電壓/v轉速/rpm扭矩kg/cm輸出軸直徑/mmGW4468-16036241601083.2強度與剛度校核3.2.1電機滾筒軸強度與剛度校核電機滾筒軸，兩端采用深溝球軸承進行固定，就受力分析而言，電機滾筒軸可簡化為一根705mm的長直管，受到板布所施加的壓力和電機輸出的轉矩力。1）軸受板布的壓力F的計算擬定計算功率擬定帶的速度V軸上的壓力F2）電機滾筒軸的受力能夠簡化為以下簡支梁模型，其中。已知：電機滾筒軸的材料為A3鋼，屈服強度，彈性模量，取安全系數(shù)，電機滾筒軸的外徑為，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電機軸受力圖（１）計算工作載荷均布載荷（２）計算支座反力由載荷的對稱性可知：（３）計算剪力和彎矩剪力彎矩（４）畫出剪力圖和彎矩圖如圖3.2.1-2所示。圖3.2.1-2電機滾筒軸剪力、彎矩圖（５）計算最大彎曲正應力對Z軸的慣性矩抗彎界面系數(shù)最大彎曲正應力（６）校核電機滾筒軸的強度許用彎曲應力顯然，滿足強度規(guī)定。3.2.2電機軸滾筒的剛度計算由以上簡化模型可知，在電機滾筒軸承受載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）為：由此，電機滾筒軸的最大彎曲變形為0.0477mm，并且出現(xiàn)在電機滾筒軸的中心位置，完全滿足使用規(guī)定。3.3部分工程圖 圖3.3-1電機滾筒軸圖3.3-2從動滾筒軸圖3.3-3滑塊4工作原理及性能4.1工作原理下面對黑板各個運動的過程及原理進行闡明（1）采用大力矩的直流電機，通過聯(lián)軸器驅動主動軸運動，運用白板布與軸之間的摩擦以實現(xiàn)持續(xù)的運動。如圖4-1圖4-1傳動裝置圖4-2底架（2）如圖4-2，底部的四個滾輪能夠實現(xiàn)黑板在地面上的移動。采用套筒伸縮，紅色的加緊塊夾住綠色的導桿實現(xiàn)固定，當松開加緊塊時，調節(jié)高度到適宜的位置，擰緊黑色的螺栓即可實現(xiàn)黑板高度的調節(jié)。（3）相機支架連接在側板上，支架的各個連桿通過鉚釘連接，而相機與連桿之間采用銷釘連接，能夠實現(xiàn)相機大范疇多角度的運動。見圖4-3,4-4.圖4-3攝像頭圖4-4（4）置物臺，能夠供老師放置文檔，教具等展示物品。然后能夠運用相機對其進行攝像，之后轉到投影儀上進行投影。如圖4-5，圖中藍色的為置物臺。為符合實際使用條件，置物臺與橫桿之間采用螺栓擰緊，需要時能夠松開螺栓后進行折疊。如圖4-6。圖4-5置物臺圖4-6（5）使用擦拭棍對黑板進行擦拭，為便于我們調節(jié)，采用四連桿快速夾具進行壓緊，如圖4-7。當想要保存黑板上的內(nèi)容時，通過抬起紅色的手柄即可松開夾具，如圖4-8。使用一段時間后，需要對擦拭棍與黑板的接觸面進行調節(jié)，松開帶螺紋的吊環(huán)（圖4-9中綠色的零件）即可進行調節(jié)。圖4-7壓緊機構圖4-7壓緊機構圖4-8圖4-9調節(jié)構件4.2性能（1）電機帶動滾筒軸滾動，擴大了書寫板面的面積。（2）雙擦拭輥自動擦拭，節(jié)省人力，達成較好的擦拭效果。（3）攝像系統(tǒng)的引入，增加了課堂微小實物和紙質稿件的展示功效。（4）可伸縮支架，適應了不同身高人群對黑板高度的需求。（5）磁性白板布的采用，增加課堂趣味。（6）無塵水筆書寫，除去粉塵危害。5實物照片自動可擦拭黑板各個角度的實物照片分別見圖5.1、圖5.2、圖5.3。圖5.1自動可擦拭黑板正面圖圖26自動可擦拭黑板側面圖圖27自動可擦拭黑板背面圖6創(chuàng)新點及應用6.1創(chuàng)新點1）無塵、無污染、自動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，并且整個黑板能夠移動適合戶外教學和培訓機構教室使用。3）采用磁性板布，提高課堂趣味性。4）設計新穎的幻燈片放映機構，使教室各個角落的同窗都能看清細小的文字、圖片、小教學輔件等。6.2應用自動擦拭無塵黑板集書寫、投影、展臺于一體。實現(xiàn)了自動擦拭功效，節(jié)省了老師大量的精力和時間；可直接做為投影布用于多媒體教學，并配有實物展臺功效；用水筆替代了傳統(tǒng)的粉筆，實現(xiàn)無塵無污染的綠色教室理念；變化了傳統(tǒng)的固定式黑板模式，可調節(jié)高度并整體移動，適合不同身高的教師，并適應戶外教學移動培訓等多個形式的教學演示活動。符合當代生活對綠色環(huán)保、方便實用、功效多樣的需求理念，含有很高的推廣應用價值。7總結我們在生活學習中要學會發(fā)現(xiàn)問題，并且嘗試解決生活學習中多個各樣的問題，這樣我們和我們的社會才會進步，我們的生