全自动黑板擦的设计

张泽峰　张峻宁

【摘 要】粉笔和黑板作为最早的传播知识的工具，从被发明到其广泛被应用距今已有上千年的历史。本文介绍了一种全自动黑板擦，它不需要人工擦拭，而且可以在短时间内对整块黑板进行擦拭。最重要的一点，就是可以对全自动黑板擦进行远程控制，可以在周围没有人的时候工作，进而很好的避免对教师身心健康的影响。

【关键词】黑板擦；粉笔灰；滚筒；丝杆

0.引言

现在教室常用黑板擦存在很多不足，比如普通黑板擦的效率低下，且往往不能很好的把黑板擦干净；而且普通黑板擦的使用往往会造成大量的粉尘，对老师、前排同学的健康造成不良影响。基于以上问题，我们设计了一种全自动黑板擦，来弥补这些不足之处。本设计中我们采用电动机作动力源，利用其正反转原理和行程开关来控制丝杆的自动进给，同时带动滚筒的左右移动来达清洁黑板的目的。在设计中主要考虑了机构的简易性、整体结构的紧凑性、操作者操作舒适性等因素，并对设计的的产品进行运动仿真，为进一步优化设计提供参考。

1.结构设计

本设计方案的特点是，在擦黑板的过程中完成清洁和和防尘的作用，擦干净黑板的同时，减轻使用者的劳动强度，提高效率，整体结构简单。

图1 结构示意图

1.1擦拭装置方案的确定

在滚筒轴的一侧连有高速旋转电机，从而使滚筒高速旋转。滚筒是擦拭的核心，在滚筒的周围带有毛绒套，紧贴在黑板上可以把黑板擦拭的很干净。

1.2防尘装置方案的确定

在擦拭过程中会产生很多粉尘，为了防止粉尘的飞扬，在滚筒的外侧加一层防尘套，一方面不仅可以有效防止灰尘的飞扬，另一方面还可以有效降低噪声。

1.3收集粉尘装置方案的确定

防尘套有效防止粉尘飞扬，使得粉尘都落在滚筒下端，在其下端放置粉尘收集器，实现粉尘的集中清理。

2.受力分析

2.1滚筒轴静力分析

滚筒在电机作用下受到驱动力矩，在丝杆传动作用下整体沿黑板做径向移动。

2.2丝杆静力分析

丝杆在电机作用下受到驱动力矩T，皮带传动将力矩传递给丝杆从动轴，从动轴在轴承固定座的作用下固定在墙上。

3.机构仿真

3.1仿真结构配置

Solidworks仿真分析时，首先启动运动算例中的Motion模块，在仿真配置前，首先应保证传动轴轴线的固定，及不参与运动的零件必须保持固定，Motion分析不同于动画制作，Motion分析要求更为严格。然后检查模型之间的干涉，从干涉检查结果来看，整个模型中存在轴承与轴承座、螺纹紧固件等干涉，轴承与轴承座之间的干涉是由于过盈配合，但这并不影响仿真结果，因为轴承座是固定的，螺纹紧固件之间的干涉也是可以忽略的，因为紧固螺钉与螺纹孔之间本身存在干涉，而且紧固件始终是固定的。

3.2仿真参数测量及分析

3.2.1滚筒装配体、40W小电机仿真参数及图解分析

滚筒装配体线性位移-时间关系仿真结果分析。

由图像可以看出滚筒装配体基本上位移在近似一条斜直线的变化，说明了它的运动基本满足了匀速直线运动，与我们设计的目的基本上满足，能够实现我们的设计目的。

3.2.2丝杆装配体、60W大电机仿真参数及图解分析：

丝杆轴的角加速度-时间关系仿真如下：

图2 角加速度-时间关系图

分析上图可知：齿轮所受作用力矩并没有保持在一个恒定值，而是在某一定值无规则波动；波动范围较大，瞬时最大幅值打平均值的2倍。出现上述仿真结果的原因：电机轴与丝杆轴之间通过联轴器连接，存在有平键的作用；因实际中的阻力矩未知，添加的阻力矩值可能远远偏离正常的不稳定情况。

4.结论

虽然现在科技飞速发展，但是很大一部分原因是由于教师对职业病的惧怕使得教育事业不能很好的发展。全自动黑板擦能够缩短擦拭时间 ，提高清洁质量，从而加快老师对黑板的利用，提高上课质量。而且有效阻止粉笔灰飞扬，从而保障教室环境的清洁，从根本上消除老师的顾忌，更好的教书育人，把知识更好地传播给每一个人。 [科]

【参考文献】

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