智能黑板擦设计方案报告.docx

海军工程大学机械创新设计
作品方案汇报

作品名称：智能黑板擦

参赛选手：
11-422 李明昊
11-422 赵 恒
11-422 刘晨博
11-422 贾战鹏

指导老师：

海军工程大学训练部
二〇一四年三月十日

前 言
“一根粉笔，三尺讲台”，这是对老师由衷赞美。殊不知，赞美背后，隐忧多多。板书带来“粉笔综合症”已成为广大师生头号健康隐患。老师常年使用粉笔，不自主地“吸”入大量粉尘，轻易患上呼吸系统疾病。而学生和粉笔尘接触时间长，易受教室二次扬尘危害，她们受到危害甚至比老师更为严重。一名学生从小学到读完大学最少需要时间，这正是生长发育黄金时期，却要不停受到粉笔灰尘侵袭；一名老师从站到讲台上到退休大多在40年左右，生命大半时间全部要“吃粉笔灰”。因为天天上课要写板书、擦黑板，粉笔灰常常把老师弄得蓬头垢面。而且老师总是一边写板书，一边讲解，甚至有时一边擦黑板，粉笔灰也就自然而然地被吸进去。要是碰到上老师感冒、咳嗽，粉笔灰更是雪上加霜，严重还会引发哮喘。据估算，通常而言，一名中学语文老师在一节45分钟课上，需要写一黑板板书，而一黑板板书需要用掉半支粉笔；而一名中学英语老师或数学老师在一节45分钟课上，往往需要写5黑板板书，大约就要用掉两支半粉笔。而毕业班老师一天最多需要6节课，就相当于要“吸”掉12支粉笔。
一、设计目标
众所周知，黑板是我们日常学习中必不可少一样教具，不管是从小学还是到大学，全部会使用到黑板，而通常我们平时使用人工黑板擦不仅费时、费力，还有粉尘污染空气缺点。所以，我们就有了“全自动黑板擦”这个设想。从而达成使广大师生降低劳动强度及
不受粉尘危害、身心健康得到保护目标。另外，经过我们调查，现在市场中虽已经有自动黑板擦，但大多数全部是针对一块黑板，而且使用起来不方便，没有真正达成自动和无尘目标，所以我们设计了此“全自动无尘黑板擦”。
全自动无尘黑板擦包含固定黑板擦横梁，驱动电机，联轴器，电机支架，齿轮，齿条，齿条架，导轨，燕尾，燕尾槽，防尘罩，电机罩，螺杆，滑块，连杆，黑板擦架，螺钉，螺栓，螺母等一系列零件。
二、工作原理
1. 控制方法
用两个电动机作动力，控制电机驱动黑板擦上下运动和导轨左右运动。控制方法可采取单片机进行控制，采取类似于数控机床编程控制方法，能够擦除特定区域字迹。在抵达工作指定点之前抬起黑板擦进行快进，工作时放下黑板擦，压紧黑板慢进，整体提升工作效率。
2. 定点原理
利用单片机接2.4GHz无线通信模块发送指令，黑板接收端接收到对应指令，实施动作。利用黑板上宫格分区，分出3*6格子，利用相同原理，按动遥控器对应按键，擦除对应分区！
3. 吸合和无尘
黑板擦除装置采取电磁吸合装置，使既可贴紧黑板，亦可不贴紧黑板。即当在“擦除”状态时，经过电路（见图1）接通，衔铁和线圈吸合，使黑板擦和黑板紧密接触，从而当黑板擦上下移动时，黑板擦擦除字迹。而在“不擦除”状态时，吸合电路并不接通，毛刷和黑板不接触，从而不含有擦除作用。
黑板擦后安装塑料盒，盒内加装小型风扇（见图2），从而罩住、搜集擦除字迹时产生粉尘，使本装置含有“无尘”功效。所以，当我们需要擦黑板时，就无需直接动手去操作，而是经过控制开关，来实现黑板擦上下移动和擦除，这么就给使用者带来不少便捷之处。

图1

图2
三、设计方案
1．黑板擦移动设计方案
电动机经过减速器和链轮连接，经过链传动控制黑板擦移动，而电动机正反转则可实现黑板擦上下移动，实现电动机正反转电路图图3,SBF相当于“上升”按钮，即按下SBF时电动机正转，带动黑板擦向上移动；SBR相当于“下降”按钮，即按下SBR时电动机反转，带动黑板擦向下移动。同理，能够控制横梁从而实现板擦左右移动。

图3
2．擦除装置设计方案
在导轨中装有黑板擦，在黑板擦两端分别设置一衔铁。在贴近黑板擦边框两边分别固定一个线圈(已缠有对应匝数导线)，两线圈经过开关分别和对应电源连接。开关闭合时，线圈通电产生电磁力，在电磁力作用下，黑板擦两端衔铁克服弹簧作用力和线圈吸合，从而实现了黑板擦和黑板面紧密接触，经过黑板擦移动，来实现擦除功效。开关断开时，电磁力消失，黑板擦两端衔铁在弹簧作用下和线圈分离，从而黑板擦和黑板分离，黑板擦上下移动时，不会擦除黑板上字迹。在黑板擦上面加一等长塑料罩盒搜集散落粉笔灰尘，从而实现黑板上字迹擦除功效和无尘功效。
四、功效、特点及应用前景
1、功效
传统黑板擦需要手动实现其运动，而且需要人力擦除黑板字迹，针对这些费时、费力和粉末污染等弊端，我们设计了以上方案，该方案是建立在自动控制和机械运动原理基础之上，综合了机械运动和电器自动化控制，实现了黑板擦多功效、模块化和自动化设计。全自动无尘黑板擦关键含有以下几部分功效：
（1）利用电动机可实现正反转原理，经过减速器、齿轮和链条来实现黑板擦自动上下运动。
（2）利用电磁吸合原理，使擦除装置和黑板能够自动接触和脱离，从而实现随时、随意擦除黑板功效。
（3）利用静电原理，避免了粉尘随意漂浮缺点，实现了粉尘集中清理功效。
（4）经过电路、开关和操作面板，实现全部运动自动化控制。
2、特点
在设计过程中，采取了机械运动和自动控制相结合创新设计方法，使全自动无尘黑板擦和传统黑板擦除方法相比，含有以下优点：
（1）黑板擦上下运动经过按钮自动控制，方便可靠、省时省力，节省了上课时间，提升了上课效率。
（2）因为采取了粉尘集中清除方法，在黑板擦上面加一塑料罩盒搜集散落粉笔灰，从而避免了擦黑板过程中产生灰尘给老师、同学带来身体危害，含有环境保护型特点。
（3）本方案采取了主电路和控制电路相分离方法，从而操作安全。
（4）本方案所实现功效，是依据现已经有黑板尺寸及特点设计，所以安装时只需对原黑板经过改造，既能达成全自动无尘效果，而无需将原黑板全部换掉。
（5）结构简单，成本低，便于安装。
（6）系统原理简单，操作方便。
3、应用前景
伴随多媒体技术发展，课堂教学对黑板已不是像以前那样依靠，但黑板 方便书写特点仍是不可替换，所以黑板仍是课堂教学所不可缺乏。不过，因为传统黑板擦除方法存在着很多弊端，在当今以人文本、全方面建设友好社会趋势下，这种弊端越来越显现出来，所以，全自动无尘黑板擦除装置，势必在以后教学设备中占有一席之地。经过我们调查，市场中也已存在不少类似产品，但这些产品中绝大多数并没有完全实现“全自动”和“无尘”结合，甚至有些产品反而使操作更复杂，针对这些问题，我们所设计本套全自动无尘黑板擦不仅实现了“全自动”和“无尘”完美结合，真正做到了操作简便、安全，而且整套装置是依据现已经有黑板设计，在原有黑板上只需经过改造，即可成为本产品，所以，该产品较同类 产品更含有竞争力，更含有宽广市场前景。
五、关键创新点
1、功效创新
全自动无尘黑板实现了黑板擦自动上下运动、擦除装置自动接触和分离和粉尘集中清除等功效。
2、模块化设计
依据以上功效分解和组合，将自动无尘黑板按模块分别设计，最终按功效需要组合而成。
3、概念设计
传统黑板需要老师或学生亲自动手擦除粉笔字迹，费时费力，影响上课效率，危害老师学生身体健康。而全自动无尘黑板则处理了此种问题，实现了其运动和擦除功效自动化，并经过利用粉尘搜集装置处理了环境保护问题。在概念设计上做到了创新。
4、最简化标准
即使该设计功效较多看似复杂，并在控制上实现了一定程度智能自动化控制，不过其在结构上却相当简单明了，做到了以简单结构实现复杂功效目标。为产品生产和应用提供了方便。