第六届全国大学生机械创新设计大赛参赛作品自动擦拭无尘黑板设计说明书设计者：华东交通大学机电工程学院2014年4月自动擦拭无尘黑板设计者：（华东交通大学机电工程学院，南昌330013）摘要：以便捷、实用、高效的解决老师在讲课过程中的黑板擦拭、纸质笔记和微小物品展示的设备为研究对象，设计了一款可自动擦拭及实物展示的黑板。

首先，巧妙地结合了摄像头，方便了展示老师所需要展示的微小物品和纸质笔记，依托带有可自锁小轮的支架可轻松移动黑板，实现“无处不在”教学的黑板。

实验结果表明，该设备工作稳定，性能可靠，功能效果良好。

关键词：黑板；多功能；自动；摄像头；实物展示作品内容简介自动擦拭无尘黑板以实现教室与师生、教与学有机统一为基础，具有双擦拭棍自动擦拭、实物放大展示、无尘水笔书写及投影的功能。

黑板采用磁性白板布，即可以用于水笔书写，又可以作为投影布使用，如用于幼儿园等场所，可直接在白板上粘贴磁性图案、字母等教具；黑板左侧安装摄像系统平台，可以用于小物件和纸质稿件投影展示；与传统黑板相比，该黑板在同样投影面积情况下扩大了一倍的使用空间，用水笔书写无灰尘，洁净无污染无噪音，黑板附带水笔存放槽，方便水笔等教学用具存放；自动擦拭无尘黑板内置左右滚筒，由电机驱动，实现白板滚动；两侧配有擦拭辊，可快速自动擦除白板上的字迹；擦拭辊附带调整机构，可以实现字迹擦除和不擦除两种用户需求；黑板分为白板工作部分和移动脚架部分，黑板脚架高度可调整，适合不同身高的教师使用；脚架可拆分并装有移动轮，使黑板移动和运输方便，适用于传统固定教学、移动培训教学和户外教学等多种教学模式。

自动擦拭无尘黑板的设计新颖、实用、方便。

为教学课堂提供了一个干净、整洁的环境，适用多种教学场合。

1 研制背景及意义目前教室中所用的普通黑板需要老师和学生去反复擦拭，并且粉笔灰严重危着老师和学生们的身体健康，早已不适合如今的环保低碳观念；并且老师上课的时候需要展示笔记或者其它微小实物时，无法让所有同学清楚观察到；并且普通黑板不能实现户外教学。

对此我们设计了一个可多功能黑板。

本作品根据这一背景设计了一个可自动擦拭，运用水笔书写板面，带有投影设备，并可移动的多功能黑板。

制作成本低，并且操作简单。

这些可以实现教师轻松、高效教学，也可以节省老师和学生们的体力，保护教师的身体健康。

也给同学们树立一种环保低碳的意识。

2 设计方案2.1总体设计构想为了实现自动擦拭，我们利用能够自锁的连杆机构对擦拭棍进行压紧。

使用带磁性的白板，可以达到无尘的目的，同时可以适应办公场所使用，还可以适用于幼儿园的趣味教学。

为了适应不同老师的身高要求，我们采用可调节高度的黑板支架。

同时支架底部采用滚轮，以便于黑板的移动和课堂教学的需求。

黑板的左侧设有可伸缩的摄像头，和置物台，以便于老师展示文稿或物品，如金属切削原理课上老师展示刀具。

2.2自动擦拭方案比较为了实现擦拭功能，擦拭物与书写板面应该要有相对滑动的运动。

因此，在设计过程中，一种方案是让书写板面进行运动，一种方案是让擦拭物进行运动。

通过我们多年擦拭书写板面的实践可知，需要多次擦拭才足以达到擦拭干净的效果。

由此产生以下两种方案：方案一（如图2.2-1）采用擦拭物在书写板面上左右滑动，书写板面是固定的，从而达到擦除书写板面上书写的字迹。

这种擦拭方式需要书写板面及其平整，还需要大功率机构带动擦拭物去擦拭书写板面。

并且为了达到良好的擦拭效果，擦拭物的行走速度不能太快，因此又会耽误课堂的宝贵时间。

方案二（如图2.2-2）采用了两根平行的滚筒轴，通过电机带动电机滚筒轴，从而带动书写板布的左右移动。

与此同时，两端分别有一根固定、平行且贴紧书写板布的擦拭辊。

从而达到书写板面与擦拭物的相对移动，进而达到良好的擦拭效果。

综合考虑，采用方案二。

图2.2-1 方案一图2.2-2 方案二2.3擦拭辊压紧机构方案比较擦拭辊的擦拭效果将要取决于擦拭辊与书写板面的贴紧程度，但是过大的贴紧力量会增大带式书写板面对电机轴的预紧力，从而会增大电机所需要的功率。

因此需要一定的机构来调节擦拭辊对书写板面的压紧程度。

从而有以下两种压紧机构方案：方案一（图2.3-1）通过擦拭辊两端的螺栓压块固定装置，将擦拭辊固定在一个平面上，通过调节擦拭辊调节螺栓来调节擦拭辊的压紧程度。

这种调节装置，需要很大的人力去调节擦拭辊与书写板的压紧程度，增大了安装调试的工作量，并且调试效果不是很好，也不利于大众替换擦拭物。

方案二（图2.3-2）采用连杆自锁机构，使得擦拭辊可以稳定得压紧在书写板面上。

另外通过调节螺纹杆与擦拭辊（细杆为螺纹杆，粗杆为擦拭辊）的相对角度，就可以轻松地调节擦拭辊与书写板面的压紧程度。

通过松开擦拭辊的紧定螺钉，达到更换擦拭面的效果。

还可以松去螺纹杆的螺母，从而达到整根擦拭辊的换装。

另外，只要拨动压紧机构的手柄就可以很轻松地实现擦拭和不擦拭两种需求的切换。

这种擦拭调节机构，方面了压紧力的调节和擦拭面及材料的替换。

综合考虑，采用方案二。

图2.3-1 方案一图 2.3-2 方案二2.4脚支架方案比较将黑板支撑起来，以便于我们实现黑板的移动，这就我们设计说要求的，也是实现多种教学环境和模式选择的重要措施。

因此，我们有以下两种设计方案：方案一（图2.4-1）为了实现支架的上下移动来调节黑板的高度，选用一根独立可伸缩支架作为脚支架。

这样的话，只需要一个人就可以很轻松的调节黑板的上下高度。

这种设计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时候，黑板的平稳度就不好了。

方案二（图2.4-2）此方案跟方案一一样，也是采用可上下伸缩的支架，但是选用了两根可伸缩支撑杆。

如此选择，黑板长度的扩大将不会受到支撑力量的限制，并且黑板的平稳度将大幅度地提高，达到我们所需要的平稳度要求。

综合考虑，采用方案二。

图2.4-1 方案一图2.4-2 方案二3 理论设计计算3.1电机的选择此作品一大特点就是电机带动电机滚筒轴的转动，从而带动带式板布的转动，再结合固定的左右双擦拭辊，达到自动擦拭黑板的效果。

因此，需要选择合适的电机来带动带式板布的转动。

经实测，板布整体重为1.5kg ，电机所需负载M=6.4kg.cm ，将此负载放大1.5倍计算mN cm kg cm kg M M ⋅=⨯⨯=⋅=⋅⨯==-9408.0108.96.96.94.65.15.121 （3.1-1）取min /160r n = 电机功率的计算nPM 9549= （3.1-2） 由公式3.1-2得w Mn p 76.1595491609408.09549=⨯==（3.1-3） 根据表一电机型号与功率，选择型号GW4468-160的直流电机一只，符合设计械要求。

表1 电机型号选择3.2 强度与刚度校核3.2.1 电机滚筒轴强度与刚度校核电机滚筒轴，两端采用深沟球轴承进行固定，就受力分析而言，电机滚筒轴可简化为一根705mm 的长直管，受到板布所施加的压力和电机输出的转矩力。

1）轴受板布的压力F 的计算确定计算功率c PW P K P A c 6.125.102.1=⨯== 确定带的速度Vs m dnV /204.01000601223214.3100060=⨯⨯⨯=⨯=π轴上的压力FN V P F C 76.61204.0106.12100010003=⨯⨯==-2）电机滚筒轴的受力可以简化为如下简支梁模型，其中mm L 705=。

已知：电机滚筒轴的材料为A3钢，屈服强度Mpa 240=s δ，弹性模量Gpa E 8.205=，取安全系数2.1=s ，电机滚筒轴的外径为mm 5.32φ，内径为mm 27φ，受到板布的压力F ，受力如图3.2.1-1所示。

图3.2.1-1 电机轴受力图（１）计算工作载荷 均布载荷 m N m N603.87705.076.61L F q ===（２）计算支座反力 由载荷的对称性可知：Ｎ88.30N 276.612F F F RB RA ====（３）计算剪力）（x s F 和弯矩）（x s M 剪力qx F x RA s -=)(F弯矩221)(M qx x F x RA s -=（４）画出剪力图和弯矩图如图3.2.1-2所示。

图3.2.1-2 电机滚筒轴剪力、弯矩图（５）计算最大弯曲正应力 对Z 轴的惯性矩4444441087.2])5.3227(1[645.32])(1[64I mm D d D z ⨯=-=-=ππ抗弯界面系数334max z 15.176625.161087.2y I W mm mm =⨯==最大弯曲正应力 Mpa pa W M 08.31015.176644.59max max =⨯==-σ（６）校核电机滚筒轴的强度 许用弯曲应力[]Mpa Mpa s s 2002.1240===σσ显然][max σσ<，满足强度要求。

3.2.2 电机轴滚筒的刚度计算由以上简化模型可知，在电机滚筒轴承受载荷状态下的最大变形量（挠度）为：mm m EI qL z 0477.00000477.01087.2108.205384705.0603.87538452344max -=-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-=-ω由此，电机滚筒轴的最大弯曲变形为0.0477mm ，并且出现在电机滚筒轴的中心位置，完全满足使用要求。

3.3 部分工程图图3.3-1 电机滚筒轴图3.3-2 从动滚筒轴图3.3-3 滑块4 工作原理及性能4.1工作原理下面对黑板各个运动的过程及原理进行说明（1）采用大力矩的直流电机，通过联轴器驱动主动轴运动，利用白板布与轴之间的摩擦以实现连续的运动。

如图4-1图4-1 传动装置图4-2 底架（2）如图4-2，底部的四个滚轮可以实现黑板在地面上的移动。

采用套筒伸缩，红色的加紧块夹住绿色的导杆实现固定，当松开加紧块时，调节高度到合适的位置，拧紧黑色的螺栓即可实现黑板高度的调节。

（3）相机支架连接在侧板上，支架的各个连杆通过铆钉连接，而相机与连杆之间采用销钉连接，可以实现相机大范围多角度的运动。

见图4-3,4-4.图4-3 摄像头图4-4（4）置物台，可以供老师放置文档，教具等展示物品。

然后可以利用相机对其进行摄像，之后转到投影仪上进行投影。

如图4-5，图中蓝色的为置物台。

为符合实际使用条件，置物台与横杆之间采用螺栓拧紧，需要时可以松开螺栓后进行折叠。

如图4-6。

图4-5 置物台图4-6（5）使用擦拭棍对黑板进行擦拭，为便于我们调节，采用四连杆快速夹具进行压紧，如图4-7。

当想要保存黑板上的内容时，通过抬起红色的手柄即可松开夹具，如图4-8。

使用一段时间后，需要对擦拭棍与黑板的接触面进行调整，松开带螺纹的吊环（图4-9中绿色的零件）即可进行调整。