现代黑板系统的设计

周正元

(常州信息职业技术学院机电工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

黑板的基本功能是用粉笔写字，或在白板上用水笔写字。字体擦除用黑板擦人工擦去。由于简单实用，目前多数黑板仍采用这种方法。需要用多媒体投影教学时，需要在黑板的一半处放下幕布。但粉笔写字难免有粉笔灰，擦去字迹又要花费时间，在黑板的一半处放下幕布减少了书写空间。有些专利技术也作了一些改进，采用直流电机驱动电动擦拭黑板，但擦拭装置在前方，难免仍有灰起［1-2］;有些采用滑移式黑板来保证黑板书写空间［3］，不仅机构复杂，且占地面积增大;有些用磁性黑板［4］，易擦其无污染，但磁性板竖直时效果不好，且字太淡看不清。为此，笔者设计了一种新型可移动现代黑板系统，既可以手写，也可以投影进行多媒体教学。手写后采用机械电动擦拭装置，省时、省力。将摄像头引入教学系统，在演示小模型或实物，或评讲作业时可通过投影展示，适合于实训基地移动教学。

1 创新设计特点

多功能黑板多数都是在原黑板基础上增加投影幕布，增加电动擦拭装置或利用多块板相互滑移时擦拭。本设计在功能上有相似之处，但结构上有以下显著的创新特点。

1)采用传动带式白板技术，既能书写，也可投影，遮光板切换，比现有左右分半式在同样投影面积下节约一半空间，便于移动。

2)以齿轮传动快速自动擦除，比传统转动雨擦式效果好;用水笔书写无灰尘，洁净无污染。

3)将摄像头引入教学系统，在演示小模型或实物，或评讲作业时可通过投影展示。

4)白板移动、遮光板切换、PPT 翻阅均可用遥控器操作。

5)本黑板适合于普通课堂教学，更适合于移动教学系统。

2 工作原理

本设计将投影仪9 直接安装在黑板上方，采用一体可移动结构，利用底座上的移动滚轮1 可将黑板在实训车间或实验室移动使用(见图1)。序号4为传动带式白板，有内置上下滚筒，滚筒由电机8 驱动。

本文的验证问题可描述为：给定系统状态转换模型TS，系统安全属性φsafe以及系统运行时的观测序列o1,…,ot，目标是 (1)计算在t时刻系统满足安全属性的概率Prt(TS φsafe|o1,…,ot;TS)，(2)当系统违背安全属性时，求解系统最大可能的执行路径作为系统违背安全属性的反例.针对该问题，图1给出了本文验证方法的框架.

图1 现代黑板系统

2.1 板书的书写

用作书写板时，遮光板10 遮住了投影仪9 的光线，使之不干扰现有板书。一板写满后，可通过按钮6 上移白板，空出空白处继续书写。上移白板是通过电机8 驱动主动齿轮12 实现的。也可以通过电机反转下移白板，传动带白板上下端各装了一个滚筒，滚筒用轴承安装在立柱上，滚筒转动，带动白板上移或下移。

2.2 板书的擦拭

板书上移至黑板后侧后，后侧面有电动擦拭辊15，其传动过程见图1(b)。

驱动电机8 转动后，同轴的主动齿轮12 开始逆时针转动，黑板上移。与齿轮12 啮合的中间齿轮13 被齿轮12 带动反转。擦拭滚筒用两只轴承座固定在立柱后侧，从动齿轮14 在中间齿轮13 驱动下也是逆时钟转动，这样，转动方向与白板接触部分运动方向相反，利用摩擦实现了字迹的擦除。

2.3 多媒体投影的使用

讲解过程中，如果需要使用多媒体投影，可先按电动按钮6 中的快速上移按钮，直至无字。按电动按钮6 中的遮光板按钮，遮光板移开。投影仪一直处于打开状态，此时平板电脑5 上的内容显示并投影在白板4 上。投影仪采用超短焦投影仪，在白板前方0.31 米处就可以投射80 英寸的屏幕。

2.4 遥控操作的实现

本设计遥控装置面板共设置7 个按钮(见图2)，其中右侧四个按钮分别用于控制黑板的“快上”、“向上”、“向下”，其下的“遮光”是切换到投影时或切换到书写状态时，遮光板是否遮住投影仪的复按按钮。按钮按下，遥控装置对应的继电器输出触头闭合，接通电机的正转接触器或反转接触器。左侧的“前翻”、“后翻”用于多媒体课件的翻阅，其下的“摄像”是切换到摄像头投影成像。“快上”与“向上”是通过双速电机实现的。

图2 遥控器面板

2.5 摄像头的使用

在教学过程中，经常会遇到要展示的实物或模型很小，稍微远点的学生无法看清。此时，利用连接在电脑上的摄像头，将小模型或作业，投影到整个屏幕，观察效果趋于理想。

3 传动设计计算

电机功率的选取、齿轮参数的确定，都必须以计算为依据。

3.1 电机功率的选取

图3 力矩的测试

电机功率可由公式(1)计算而得:

式中:T—力矩，单位为N·mm;

n—轴的转速，单位为r/min;

P—电机功率，单位为kW。

电机实际功率应由以上计算功率再乘以安全系数1.5。本设计取P=0.18 kW。

3.2 齿轮参数的确定

1)模数m 的确定。齿轮模数的大小，关乎齿轮强度。齿轮齿根弯曲强度设计公式为［5］:

式中:YFS—复合齿形系数，查表确定;

［σF］—许用弯曲应力。

经计算，取m=1

2)齿数z 的确定。这里三只齿轮齿数相同，为保证结构紧凑，并考虑到两只滚筒中心距离在80～100 之间，z 取86，标准圆柱齿轮参数计算如下。

3)分度圆直径:d=mz=86

4)齿顶圆直径:da=d +2h*a m=88，其中齿顶高系数h*

a=1

5)齿根圆直径:df=d－2h*a m=83.5，其中径向间隙系数c*=0.25

由于齿轮传动结构紧凑，性能稳定可靠，传动效率高，即使黑板频繁移动、反复移动，都不会产生噪音，效果较好。

4 结束语

新型现代黑板系统紧扣黑板基本功能要求，采用传动带式白板技术，将书写与投影合二为一。利用遮光板可避免投影可能对书写的干扰，利用快速移动及电动擦拭技术避免了书写后对投影效果的干扰。采用水笔书写，消除了粉笔的污染因素。利用电脑可多任务运行，引进了摄像头技术，使讲解展示细小模型或作业时学生一览无遗，效果极佳。虽然本设计从实验室、实训车间需求出发研制的，其创新技术同样适用于一般的教室，具有广泛的应用前景。

［1］陈亦佳.多功能黑板:中国，ZL200910222247.7［P］.2011-05-18.

［2］褚阳.多功能黑板:中国，ZL200720300562.3［P］.2008-12-03.

［3］李广磊.多功能黑板:中国，ZL201020155009.7［P］.2011-02-02.

［4］尹少宇.多功能黑板:中国，ZL200920016545.6［P］.2009-08-21.

［5］隋明阳.机械设计基础［M］.第2 版.北京:机械工业出版社，2008:220-249.