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智能黑板擦设计报告

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2020年4月19日
文档仅供参考
海军工程大学 机械创新设计
作品方案报告

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

指导教师：

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”，这是对教师的由衷赞美。殊不知，赞美背后，隐忧多多。板书带来的“粉笔综合症”已成为广大师生的头号健康隐患。教师常年使用粉笔，不自主地“吸”入大量粉尘，容易患上呼吸系统疾病。而学生与粉笔尘接触时间长，易受教室二次扬尘的危害，她们受到的危害甚至比教师更为严重。一名学生从小学到读完大学至少需要 时间，这正是生长发育的黄金时期，却要不断受到粉笔灰尘的侵袭；一名教师从站到讲台上到退休大多在40年左右，生命的大半时间都要“吃粉笔灰”。因为每天上课要写板书、擦黑板，粉笔灰经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。要是遇到上老师感冒、咳嗽，粉笔灰更是雪上加霜，严重的还会引发哮喘。据估算，一般而言，一名中学语文老师在一节45分钟的课上，需要写一黑板的板书，而一黑板的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分钟的课上，往往需要写5黑板的板书，大约就要用掉两支半的粉笔。而毕业班的老师一天最多需要6节课，就相当于要“吸”掉12支粉笔。
一、设计目的
众所周知，黑板是我们日常学习中必不可少的一样教具，无论是从小学还是到大学，都会使用到黑板，而一般我们平时使用的人工黑板擦不但费时、费力，还有粉尘污染空气的缺点。因此，我们就有了“全自动黑板擦”的这个设想。从而达到使广大师生减少劳动强度及
不受粉尘危害、身心健康得到保护的目的。另外，经过我们调查，当前市场中虽已有自动黑板擦，但大多数都是针对一块黑板，而且使用起来不方便，没有真正达到自动和无尘的目的，因此我们设计了此“全自动无尘黑板擦”。
全自动无尘黑板擦包括固定黑板擦的横梁，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. 控制方式
用两个电动机作动力，控制电机驱动黑板擦的上下运动和导轨的左右运动。控制方式可采用单片机进行控制，采用类似于数控机床的编程控制方式，能够擦除特定区域的字迹。在到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，整体提高工作效率。
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的指令，执行动作。利用黑板上宫格的分区，分出3*6的格子，利用相似的原理，按动遥控器的对应按键，擦除对应分区！
3. 吸合与无尘
黑板擦除装置采用电磁吸合装置，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，衔铁与线圈吸合，使黑板擦与黑板紧密接触，从而当黑板擦上下移动时，黑板擦擦除笔迹。而在“不擦除”状态时，吸合电路并不接通，毛刷与黑板不接触，从而不具有擦除作用。
黑板擦后安装塑料盒，盒内加装小型风扇（见图2），从而罩住、收集擦除字迹时产生的粉尘，使本装置具有“无尘”功能。因此，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，来实现黑板擦的上下移动与擦除，这样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
电动机经过减速器与链轮连接，经过链传动控制黑板擦的移动，而电动机的正反转则可实现黑板擦的上下移动，实现电动机正反转的电路图如图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，在黑板擦的两端分别设置一衔铁。在贴近黑板擦的边框两边分别固定一个线圈(已缠有相应匝数的导线)，两线圈经过开关分别与相应的电源连接。开关闭合时线圈通电产生电磁力，在电磁力的作用下，黑板擦两端的衔铁克服弹簧的作用力与线圈吸合，从而实现了黑板擦与黑板面的紧密接触，经过黑板擦的移动，来实现擦除功能。开关断开时，电磁力消失，黑板擦两端的衔铁在弹簧的作用下与线圈分离，从而黑板擦与黑板分离，黑板擦上下移动时，不会擦除黑板上的字迹。在黑板擦上面加一等长的塑料罩盒收集散落的粉笔灰尘，从而实现黑板上字迹的擦除功能和无尘功能。
四、功能、特点及应用前景
1、功能
传统的黑板擦需要手动实现其运动，而且需要人力擦除黑板笔迹，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与机械运动原理的基础之上，综合了机械运动与电器的自动化控制，实现了黑板擦的多功能、模块化和自动化设计。全自动无尘黑板擦主要具有以下几部分功能：
（1）利用电动机可实现正反转的原理，经过减速器、齿轮和链条来实现黑板擦的自动上下运动。
（2）利用电磁吸合原理，使擦除装置与黑板能够自动接触与脱离，从而实现随时、随意擦除黑板的功能。
（3）利用静电原理，避免了粉尘随意漂浮的缺点，实现了粉尘的集中清理功能。
（4）经过电路、开关和操作面板，实现所有运动的自动化控制。
2、特点
在设计过程中，采用了机械运动和自动控制相结合的创新设计方法，使全自动无尘黑板擦与传统的黑板擦除方法相比，具有如下优点：
（1）黑板擦的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，提高了上课效率。
（2）由于采取了粉尘集中清除措施，在黑板擦上面加一塑料罩盒收集散落的粉笔灰，从而避免了擦黑板过程中产生的灰尘给老师、同学带来的身体危害，具有环保型的特点。
（3）本方案采用了主电路与控制电路相分离的方法，从而操作安全。
（4）本方案所实现的功能，是根据现已有黑板的尺寸及特点设计的，因此安装时只需对原黑板经过改造，既能达到全自动无尘的效果，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
随着多媒体技术的发展，课堂教学对黑板已不是像以前那样依赖，但黑板的 方便书写的特点仍是不可替代的，因此黑板仍是课堂教学所不可缺少的。可是，由于传统的黑板擦除方法存在着很多弊端，在当今以人文本、全面建设和谐社会的趋势下，这种弊端越来越显现出来，因此，全自动无尘的黑板擦除装置，势必在今后教学设备中占有一席之地。经过我们的调查，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”与“无尘”的结合，甚至有些产品反而使操作更复杂，针对这些问题，我们所设计的本套全自动无尘黑板擦不但实现了“全自动”与“无尘”的完美结合，真正做到了操作简便、安全，而且整套装置是根据现已有的黑板设计的，在原有黑板上只需经过改造，即可成为本产品，因此，该产品较同类 产品更具有竞争力，更具有广阔的市场前景。
五、主要创新点
1、功能创新
全自动无尘黑板实现了黑板擦的自动上下运动、擦除装置的自动接触和分离与粉尘的集中清除等功能。
2、模块化设计
根据以上功能的分解和组合，将自动无尘黑板按模块分别设计，最后按功能需要组合而成。
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，危害老师学生的身体健康。而全自动无尘黑板则解决了此种问题，实现了其运动与擦除功能的自动化，并经过利用粉尘收集装置解决了环保问题。在概念设计上做到了创新。
4、最简化原则
虽然该设计功能较多看似复杂，并在控制上实现了一定程度的智能自动化控制，可是其在结构上却相当简单明了，做到了以简单的结构实现复杂功能的目的。为产品的生产和应用提供了方便。