机电产品设计.docx

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机电产品设计

实践教学环节

课程名称

机电产品设计Ⅳ

课程编码

佳木斯大學

设计说明书

（机电产品设计Ⅳ）

题目：

旋转式黑板

学院：

机械工程学院

专业：

姓名：

指导教师：

完成日期：

摘要

随着社会的发展和人们对生活质量和环境的要求不断提高，传统的黑板已经不能满足课堂的要求，现代化的课堂应该是倡导绿色、环保、便捷和实用的。

在一些国外也已经用我们所熟悉的白板来代替黑板。

旋转式黑板主要采用了可以方便控制的步进电机为动力实现黑板的旋转同时黑板擦实现自动擦除字迹的功能。

通过机电一体化的设计和试验之后得出结果：

此旋转式黑板不仅结构简单，设计合理，它采用黑板布循环使用，不受使用面积的限制，而且使用者不需要擦拭黑板，减轻了使用者的劳动强度也节省了时间，使用者不受身高限制，可以实现最佳书写姿势，不易疲劳。

此项设计的实用性非常突出，适合在现代课堂上广泛使用。

关键词　自动旋转；自动擦拭；机电一体；实用

Abstract

Withthesocialdevelopmentandpeople'squalityoflifeandtheenvironmentrequirescontinuousimprovementofthetraditionalclassroomblackboardcannotmeettherequirementsofamodernclassroomshouldbetheadvocateofgreen,environmentallyfriendly,convenientandpractical.Insomeforeigncountriesalsohaveusedthefamiliarwhiteinsteadoftheblackboard.Themainuseofrotaryblackboardcanbeeasilycontrolledsteppermotordrivenrotarysimultaneouslyachieveblackboarderaserautomaticallyerasehandwritingfunction.Afterpassingthroughthedesignandtestingofmechatronicoutcome:

asimplerotaryblackboardonlythisstructure,reasonabledesign,whichusesrecycledclothblackboard,withoutuserestrictionsarea,andtheuserdoesnotneedtowipetheblackboard,reducingtheuserlaborintensityalsosavestime,usersfromheightrestrictions,youcanachievethebestwritingposture,fatigue.Thisdesignisveryprominentpracticalityforwidespreaduseinthemodernclassroom.

Keywords　Auto-rotate;automaticallywipe;Mechatronics;practical

第1章绪论

1.1课题背景

黑板最早被用于学校教室的课堂教学是在十八世纪的法国，十九世纪初传到美国，黑板并非特指黑色的板面，传统意义上讲，它是一个可以反复书写的平面，板面坚硬，多用于教学，随着科学技术的发展，黑板的种类也开始变得复杂多变。

从最早的写字类黑板到无尘黑板到影音类黑板到现在的交互类黑板在一步步适应人们的要求。

对目前现有的最广泛的玻璃黑板，黑板使用面积有限，使用者需要经常擦拭黑板，粉尘大，影响教室环境，浪费讲授的时间，而且黑板与使用者高度不协调时，有时需要翘脚或蹲下书写，不利于书写，而且容易疲劳。

所以现在需要有能够适应人体需求的创新黑板。

1.1黑板的国内外使用现状[6]

1.1.1国外使用现状

当前在美国的学校中，更加清洁和多功能的白板正在逐步取代传统的粉笔灰飞扬的黑板，成为了学校新的建设项目首选的教学设备。

加拿大是用的白板，也就是whiteborad，不用粉笔和黑板的。

然后有很多地方还用那种旧式的光学投影仪，大多数还是用数码投影机的。

外国采纳白板有四个主要原因：

其一是健康和卫生的考虑，社会观注，师生身心健康，国家EPA（环境保护协会）也非常关注教室内空气的质量；

其二是因为学校教育中小班化的趋势越来越明显，教师在课堂中的活动更像是启发和培训，而不是传统的单调书写和讲解方式，企业中的培训方式得到了借鉴；

其三，白板作为一个辅助的教学书写工具，应当与学生在书面看到的表现更加接近，在黑板背景上难以表现丰富的色彩和与印刷品上类似的能力，而白板可以用不同颜色的笔做到这一点；

其四，也是教育信息化过程中必须考虑的方面，功能扩展的白板能够变成一个特大号的计算机屏幕，更有助于信息技术在课堂上应用。

事实上，确实在很多学校已经开始接受设计公司提供的建议，把白板扩展或者干脆采用数字化的白板作为教室设备的必备。

但是现有智能黑板存在着缺乏随意性、价格较昂贵、难以推广普及，如电子白板全套设备需上万元，对于目前仍处于社会主义初级阶段的中国来说，许多地方不具备配备这种白板的经济条件。

因此目前迫切需要一种物美价廉的创新型黑板

1.1.2国内使用现状

目前，我国大多数地方处于“传统黑板+粉笔灰”时代，其缺陷如下：

（1）传统黑板存在着板书不便（老师须弯腰踮足）、难擦拭的缺点，一天至少写十几块黑板，多数得老师自己擦，因此十分累。

除此之外目前有些学校考虑到老师的健康，推广使用水溶性粉笔，却更加增大老师劳动强度：

水溶性粉笔写的字必须用水擦拭，相较普通粉笔写的字擦起来更费劲，还得等黑板干后才能书写。

（2）由于黑板由最早的用黑色涂料涂抹在木板上到九十年代的水磨玻璃到现在的复合材料板都是硬质材料使用时间长了以后就会反光严重影响同学们的视力。

（3）传统黑板占地面积比较大，因为黑板固定高度等原因使用时候又不能全部充分利用造成资源浪费。

一旦黑板因年久或者其他因素而破裂就无可利用价值只能一次性使用。

近年来由于黑板从墙体脱落造成的人员伤害也在增多所以必须改变黑板的材料采用柔体材料来减少这种意外事故的发生。

1.2同类产品的分析

1.2.1连续无尘自动黑板[5]

连续无尘自动黑板是一种能自动擦拭字迹的宽幅面回转式柔性书写板，与我设计的旋转式黑板非常相似但是我们在结构上还是有很大差别的。

无尘自动式黑板的工作过程由2个电机控制，当整块黑板的内容书写结束后，启动板擦和黑板电机，使转轴旋转轴棍随之旋转，将后部的黑板旋至前方，并且自动擦拭干净，关闭电机。

如果想看前面写的而又不想擦拭这一版面，可以单独打开黑板电机的反转按钮，黑板擦由于采用了特殊结构，不会工作。

其黑板擦的特殊之处在于采用了一种在一周有2个扇形结构的板擦这种结构可以实现自身的离合，即当板擦停止时黑板轴正好卡在没有毛刷的地方，需要擦黑板时可以开动黑板擦上的单独电机，而且粉笔末也不容易贴附在黑板擦上。

但是一个黑板就使用两个电机，大大增加了生产成本。

1.2.2自动清洁黑板[4]

自动清洁黑板也是以电机为动力，使传统的板面变成一块可卷动的幕布，如同自动投影屏幕。

其下的自动洗槽可以在板面转动的同时将板面字迹清洗。

只不过是用水洗来擦除字迹。

通过一组电动按钮实现自动清洗、自动翻面、并可以当做投影屏幕。

自动清洁黑板有按钮控制还有水洗黑板擦这样一来就达到了方便，环保的效果，但是水洗黑板擦还是需要进一步改进的。

1.2.3设计内容

此旋转式黑板的基本设计思路就是要达到操作简单、控制方便、环保的目的。

在机电一体化的基础上通过程序控制步进电机带动黑板旋转，为满足旋转时的转矩要求查阅资料选取合适的轴和轴承等相关零件并进行检验计算是否合格。

结合以上两种创新型黑板的优缺点，我只选用一台电机只让黑板动而板擦静止，黑板擦尚未进行大的改动，其基本材料与普通板擦的材料一样。

为保证黑板在旋转过程中即可以随时停止又可以满足书写要求，此黑板设有传动孔和垫板。

在这几部分的结合下，旋转黑板便可进行工作。

第2章总体的的设计计算

2.1设计原理

为更加清楚的介绍此产品的设计原理我们借助图2.1.1和图2.1.2来详细的说明旋转式黑板的工作过程及基本组成机构。

图2.1.1模型

上图即是旋转式黑板的廓型图，部分机构已经在图上进行标注。

（1）用电机作为动力源，为后续功能提供动力。

（2）设有黑板擦和粉尘槽以实现自动清洁功能。

（3）将柔性板面做成皮带，以电机-齿轮-皮带式实现自动旋转。

（4）柔性板面上可以写字，后置垫板紧贴柔性板面，起支撑板面作用。

（5）当板面旋转到后面时字体会自动被擦除。

2.2设计方案

黑板面的基本尺寸根据常识可知长为1600mm,宽为1500mm,

图2.1.2基本样式

自动旋转黑板的旋转过程由电机带动轴和齿轮，齿轮通过黑板面上的传动孔带动黑板进行旋转。

当板面旋转到后面时在粉尘刷的作用下便可进行清除工作。

传动孔的设计不但起到传动作用还可以使柔性板面保持张紧状态这样在支撑板的协助之下便可进行书写。

支撑板、传动轴都固定在支撑架上，成为一个整体，解决了支撑问题。

柔性板面书面总长约为黑板可视面的2.5倍，最低处距离地面500mm。

其运动模式为：

启动-黑板旋转-擦除-停止。

2.2.1方案分析

此方案的黑板使用电机为动力，使传统的板面变成了可旋转的柔性布，同时也可以当作投影屏幕使用。

在黑板布后边有粉尘刷和粉尘槽，在擦除的同时也保证了环境的清洁。

作为一种创新型黑板，它具有以下创新点：

（1）板面外观结构

此旋转式柔性黑板的结构设计新颖、充满现代气息。

传统黑板基本都是固定在墙上的木质或者玻璃黑板，过于呆板给同学们的感觉是严肃而无生机，这也是中国课堂教育之所以没有国外气氛活跃的原因之一。

（2）黑板整体装置

此旋转式黑板由电机带动黑板布旋转，在板面旋转的同时粉尘刷完成擦除功能，粉尘槽也进行收集粉尘，不仅节省人力更有助于清洁教室环境。

完全避免了传统黑板高粉尘的危害。

（3）双面书写，扩大了书写面积实现了充分利用板面资源的目的。

（4）旋转式黑板布可以循环使用，节省资源，同时可以使老师到达最佳书写姿势，不容易疲劳。

2.3产品总体结构

自动旋转黑分为动力区、清洁区、书写区。

具体如下图所示

图2.3.1正面图图2.3.2反面图

2.3.1动力区

动力区包括控制装置、传动机构。

（1）控制装置

控制部分的所有器材如下表2-3所示。

表2-3控制电路程序组件

输入

输入

输出

输出

名称

输入点

名称

输出点

正转1/4按钮SB0

X0000

电动机正转接触器KM1

Y0

反转1/4按钮SB1

X0001

电动机反转接触器KM2

Y1

正转1/2按钮SB2

X0002

电动机正转接触器KM3

Y2

反转1/2按钮SB3

X0003

电动机反转接触器KM4

Y3

正转全部按钮SB4

X0004

电动机正转接触器KM5

Y4

对电机的控制指令是我们刚刚学过的plc逻辑指令，下图即时指令的梯形图，通过这个梯形图我们就可以看出黑板怎么完成正转、反转和擦拭过程的。

在梯形图中出现的按钮等输入、输出点在上表当中都已经列出。

在plc梯形图中，用了置位和复位指令，按下正向启动按钮SB0则X0接通，Y0线圈得电并且保持使得接触器KM1线圈通电，电动机开始正转运行，当2秒以后，定时器T0接通，Y0线圈失电，电机停止运转。

当按下反向启动按钮SB1，X1接通，Y1线圈得电并且保持使得接触器KM2线圈通电，电动机开始反转运行，当2秒以后，定时器T0接通，Y1线圈失电，电机停止运转。

以此类推按下其他按钮时候的工作情况。

图2.3.3控制程序梯形图

图2.3.4

（2）传动机构

A电机的选择根据不同人群需要采用不同的方案，比如在大学里有可能教师一节课下来就写几个字，如果采用电脑控制会给人不必要的感觉。

所以最好采用步进电机，经过估算此次设计初步选用56BYG250D-0241型号的步进电机[2]。

保持转矩（是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩）为1.72N.m。

重量1Kg。

B轴是此次设计的主要零件之一。

一切做回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才可以进行运动及动力的传递。

因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。

此次设计由于轴基本不承受负载，而只是带动黑板面转动，所以一般的轴都会满足使用要求，因此初步设定轴的尺寸：

最大直径为30mm最小直径25mm，由于板面的一个面的长度是1600mm,一个板面转过去的时间约为10秒，板面的周径为82mm。

确定轴的转速：

N=1600*60/（10*3.14*82）=37r/min。

平行度要求也是此次设计的一部分。

因为假如平行度不够，会出现黑板面向一边倾斜，所以对平行度的要求比较高。

为保持平衡，采用轴肩进行黑板板面的控制，也就是按照黑板板面的尺寸来设计轴肩的距离，以此来避免黑板板面向一个方向倾斜。

采用轴肩进行自身控制，一方面设计简单，另一方面成本低。

由于轴主要受扭转力所以只需进行对轴的强度校核即可

所以此轴的设计合格。

下图既是轴的二维图。

图2.3.4轴

C滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件的滚动接触来支撑传动零件的。

与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。

所以考虑到结构的要求，选择滚动轴承。

另一方面是常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并有专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。

因而，设计出来的产品使用此种轴承可以降低成本。

滚动轴承又包括球轴承和滚子轴承，由于滚动轴承有较多优点，现在确定选用深沟球轴承。

查机械设计手册[2]可确定选用国标型号为6206的深沟球轴承。

深沟球轴承的性能及特点：

主要承受径向载荷，也可以同时承受小的轴向载荷；当量摩擦系数小；在高速时，可用来承受纯轴向载荷；大量生产，价格低；载荷不大。

轴承的校核（预计此轴承寿命为）

解：

通用轴承的寿命计算公式为

1.计算并确定当量动载荷P

①查机械设计手册[2]6206深沟球轴承，得

；

②计算轴承的相对轴向载荷

③计算e

查机械设计[1]，利用差分法得

④计算

需分别计算

⑤比较Fa/Cr与e的大小：

Fa/Cr1

⑥查机械设计[1]，得X1＝X2＝0.56，Y1=Y2值按插分法计算得

⑦计算并确定当量动载荷P

2计算轴承所需的基本额定动载荷值

查机械设计，取ft=1；查机械设计，取fp=1带入上式：

所选轴承应足：

Cj=1.492kN＜Cr＝19.5kN，6206深沟球轴承适用。

D为保证轴和电机可以较好地传动在此处选用比较常用的有弹性元件的挠性联轴器。

2.3.2清洁区

（1）清洁区包括粉尘刷和粉尘槽两大部分。

当黑板面在电机带动下进行旋转的同时粉尘刷就开始擦除黑板上的字迹，粉尘槽收集落下的粉尘。

2.3.3书写区

书写区就包括柔性板面和固定装置。

有效的书写长度和宽度为1600*1500mm，在书写过程可以在支撑板的支撑下顺利完成。

2.4使用说明

按照下图选取所示位置进行安装。

图2.4.1安装图

使用过程中在书写区写上内容之后如果想擦去一部分则启动电机黑板开始旋转并擦除,当达到自己书写需要时使电机停止转动则黑板在传动孔作用下会立刻停止旋转。

由于粉尘槽空间有限所以要定期清理粉尘槽里的粉尘避免溢出。

2.4.1产品的优点

（1）旋转式黑板分为动力区、清洁区、书写区具有自动旋转、擦除和保护环境的功能。

（2）采用电机带动柔性板面旋转，省力气、高效率，解决擦黑板费劲的问题也避免了粉笔末带来的严重危害。

（3）柔性板面不但可以旋转和同时扩大了黑板的使用面积，为老师提供足够的书写空间。

（4）旋转式黑板不但减轻了使用者的劳动强度和节省了空间，使用者不受身高限制，可实现最佳书写姿势，不易疲劳。

2.4.2产品的缺点

（1）与传统黑板相比，书写舒适度有所降低。

（2）使用时要消耗一定的电量，电机的启动与停止过于频繁，影响电机寿命。

（3）粉尘槽需要有人定期进行清理。

（4）柔性板面的传动孔如果使用时间久了以后尺寸可能会变大影响板面的定位。

2.4.3产品的市场应用价值

随着社会的不断进步，科技的不断发展我们身边的事物在不断的更新，就拿教学黑板来说，现在市面上有水泥黑板，毛玻璃黑板，水彩黑板，木质黑板，铁质黑板等每一种都有自己的特点，但是旋转式黑板能够真正拥有省力、便捷、环保三大特点。

旋转式黑板在功能上的创新将会在未来的教学、工作交流中得到很好的运用。

在家庭教育、大型会议室以及教室都可以得到很好的推广运用。

在使用传统式黑板时总有些教师因为是、长时间书写姿势不当而落下不同的病状，除此之外还要自己用黑板擦擦除黑板上的字不仅消耗体力还使得教室都充满粉笔末，严重影响人体健康。

旋转式黑板从根本上解决了以上所提出的问题，相信此创新型的黑板将会替代传统的黑板，真正做到环保、省力和便捷。

在价格方面，自动清洁黑板初步估计需要500元，与480元的传统黑板，4499元起价电子白板相比，算是可以接受的。

结论

此项课题要求我们综合运用所学的专业基础知识和先进的机电一体化专业技术来设计出旋转式黑板。

旋转式黑板的设计说明了在多数人看来黑板都是硬质性材料不可能既可以旋转又可以达到写字的效果，但是在这里就是突破了常规，采用了柔性材料来取代旧式黑板来实现黑板的基本功能。

旋转式黑板不仅解决了黑板在使用时不能充分利用的问题还减少了教室里因为飞舞的粉尘带来的危害。

在理论上旋转黑板需要根据老师的需要而旋转，在此在动力提供上选用了步进电机在黑板自身上设计了传动孔，二者的相互配合和制约解决了因为频繁旋转黑板带来的不方便。

在做旋转黑板之前我曾查阅很多与创新型黑板相关的资料，比如连续无尘自动黑板、自动清洁黑板等。

连续无尘自动黑板需要使用两个电机，自动清洁黑板是使用水洗黑板擦，综合二者的优缺点，旋转式黑板控制简单只使用一个电机即可。

由于水洗需要再次擦除或者短时间的等待时间才能写字对于宝贵的课堂时间是不允许的所以旋转式黑板在旋转的同时就完成了擦除过程。

总而言之在自己的努力之下设计这个黑板虽然有其独到之处但肯定有不足的地方，比如黑板的黑板擦与黑板之间的距离如果控制不好就会擦不干净，黑板上虽有传动孔可以起到一定的支撑效果但时间长了黑板难免会松动影响书写质量。

所以此产品还有待进一步改进，我也会继续对自己的产品进行不断改正。

参考文献（References）

[1]濮良贵.机械设计.西北工业大学出版社.

[2]机械设计手册第3版.北京：

机械工业出版社，2004.

[3]濮良贵.机械原理.西北工业大学出版社..

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[5]连续无尘自动黑板的设计与研究窦涛

[6]探索现代化课堂教学之所需-科技园区

References

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[2]MechanicalDesignHandbook3rdEdition,Beijing:

MechanicalIndustryPress,2004.

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[5]ContinuousautomaticblackboardcleandesignandresearchDouTao

[6]requiredtoexplorethemodernclassroomteaching-ScienceandTechnologyPark