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1、XXXX技术学院毕业设计题目：自动吸尘清洁黑板擦设计系 部 现代制造工程系 专 业 名 称 模具设计与制造 班 级 xxxxxxxx 姓 名 xxxxxxxxxxxxxx 指 导 教 师 xxxxxxxxxxxx 2012年10月30日 自动吸尘清洁黑板擦设计摘 要该设计主要介绍自动吸尘清洁黑板擦的发展趋势与总体设计；研究背景和方案的确定；整体运动部分的分析；伸缩架的设计；曲柄滑块的设计；凸轮尺寸大小的设计；活动黑板擦的设计；电路部分的设计。根据设计计算相关数据，采用AutoCAD绘制零件图和装配图，对主要零件采用UG4.0进行三维造型，并完成毕业设计说明书的编写。 关键词：自动吸尘；清洁；黑
2、板擦；设计目录1 绪论.11.1 研究背景.11.2 研究的目的意义.11.2.1 研究的目的.11.2.2 研究的意义.11.3 国内外研究现状.21.3.1 电动黑板擦.21.3.2 吸尘黑板擦.31.3.3 集尘式黑板刷.31.3.4 自动吸尘黑板刷.31.3.5 卫生黑板.41.4 本设计的内容.42 方案的确定.52.1 可行的几种方案.52.1.1 无尘黑板擦.52.1.2 防尘黑板.62.1.3 自清洁黑板.72.2 自动清洁黑板擦方案的选择.72.2.1 所属技术领域.72.2.2 背景技术.72.2.3 发明内容.72.3 小黑板擦的方案确定.82.3.1 简图.82.3.2
3、 小黑板擦的结构及工作情况简介.83 自动吸尘清洁黑板擦的设计计算.103.1 电机的选择.103.2 机构的设计.103.2.1 材料的选择.103.2.2 菱形架几何尺寸及自由度设计计算.103.2.3 曲柄滑块几何尺寸及自由度设计计算.113.2.4 曲柄滑块的运动分析与力学计算.113.2.5 凸轮机构的设计.153.2.6 磨削圆周进给量计算.203.3 滚筒的设计.213.4 吸尘装置的选择.233.5 电路控制的设计.233.5.1 硬件系统的设计.233.5.2 最小系统设计.243.5.3 无线收发模块.243.6 作品三维图及实物图.26结论.27致谢.28参考文献.29附
4、录.30附录A.30附录B.331 绪论1.1 研究背景黑板历来是各级各类学校必备的教学工具，传统黑板，人工擦拭效率低，粉尘污染严重。粉笔，是传播文化的工具，也是戕害身体的毒品。多少灵魂的工程师因为反反复复的粉尘污染、吸进气管而罹患痼疾，过早离开了讲台。虽然国家一直用补贴金来弥补这种职业病对教师的危害，但生命是难以用金钱去补偿的。坐在前排的学生，同样受到粉尘的威胁。同时大量粉尘也影响了电脑等多媒体教学设备的使用寿命，这是科学界长期无法攻克的难关。从所谓无尘粉笔、微尘粉笔到新型黑板的研制，无不渗透着一种深深的人文关怀和无奈 最新专利产品自动无尘黑板擦给这个世纪难题提交了完美答卷，自动黑板擦的产生
5、很好的解决了上述问题, 它自动擦拭无污染，外观设计优美，使用方便快捷，更适合多媒体教学的需要。每当轻轻走过教师的窗前，希望看到的不再是疲倦的脸庞。1.2 研究的目的意义1.2.1研究的目的众所周知，黑板是日常学习中必不可少的一样教具，而黑板擦是与黑板如影随形的另一样教具。无论是从小学还是到大学，教室里都会使用到黑板和黑板擦，而一般平时使用的人工黑板擦不但要用力、费时，还有粉尘污染空气的缺点。每当下课了擦完黑板的时候教室里就粉尘飞扬，影响了下堂课的教学。这样，不仅危害了老师和学生的健康，同时也给教学带来很大的不便，有时候老师在上面讲课，拿黑板擦转身擦黑板的时候，学生可能会乘机在下面捣乱，因而扰乱
6、课堂秩序，影响了教学质量。因此，就有自动黑板擦的诞生。为了解决教学工作中的困难和人工黑板擦给老师和同学带来的不便，这样一种自动黑板擦的生产将是教育行业的一大福音。1.2.2研究的意义空气中的粉尘对人类健康的威胁是一个全球性的问题，空气中的粉尘进入人的呼吸道会引起各种疾病，给青少年们创造一个无尘的学习环境尤为迫切。学校教室粉尘产生的原因，很大一部分是由于用人工擦黑板。很多改进黑板的措施应用而生，但是这些设计方案或是不能从根本上解决问题，或是成本太高，从而是这些设计方案在现行的生活中不能普及。为此，设计了一种无尘自动擦黑板机构，该机构能够实现自动擦黑板，并且能防止粉尘扩散，具有良好的应用前景。粉笔
7、灰是传统黑板黑板擦粉笔构架中普遍存在的问题，统计分析表明粉笔粉尘的90%来源于黑板擦的积累粉尘的飞扬与黑板擦清灰过程的粉尘飞扬，黑板擦在清除黑板过程中摩擦起尘仅占10%。因此，清除积累在黑板擦上的粉尘具有现实意义。最近推出的白板白板擦白板笔构架虽然可以回避这一问题，但是使用成本高，对传统黑板黑板擦粉笔构架的替换所需的投入大。目前在我国绝大多数场合的应用条件还不成熟，我国的教育系统仍主要采用传统黑板黑板擦粉笔构架模式。近二十年来，我国科技工作者对传统黑板黑板擦粉笔购架及其组成中的黑板、黑板擦亦试图做较多的改进出现了若干设想和设计，如无尘粉笔、无尘黑板、电动黑板擦等，有些设计甚至已成为商品。然而，
8、直到目前还没有一项设计或产品真正普及开来，主要问题在于实用性差，应用效果不佳等。粉笔灰尘影响了教育系统广大师生的身心健康，以影响了使用场合的公共环境卫生。1.3 国内外研究现状1.3.1电动黑板擦黑板板体上下边缘各设有一组链轮链条组，两组链轮链条组各有一个链轮连接，有可驱动其传动的电机。电动清洁黑板，在板面顶边安装电机，电机转轴横向架设在板面顶边，紧贴板面在其底边安装横板状清洁器。一种彻底清洁黑板的黑板擦，将条形黑板擦来回滑动，由于磁铁的作用使黑板擦的擦毛紧贴黑板，从而彻底清洁正面黑板。一种自动清洁黑板，在黑板被自动粉擦清洁的过程中向下关闭，在老师授课的时候向上打开。两个清洁器分别固定于黑板两
9、侧，在黑板清洁的的过程中进行空气清洁。全自动清洁黑板擦，擦板的下表面有毡绒，在擦板下表面四周设有滚轮，擦板中间设有吸尘层，在吸尘层上方还有电池仓，该电池层通过触摸按钮与电路动力装置连接。带腕套的黑板刷，由黑板刷和腕套组成的带腕套的黑板刷，在黑板刷的背部设置一腕套。新型电动黑板装置只要打开开关就可以擦字，使用安全，无污染，用电少，寿命长。1.3.2吸尘黑板擦擦黑板时能够将粉笔屑吸收，避免飘尘，污染环境。吸尘粉笔擦，小型吸尘器主体的吸尘口处安装有毛刷。小型吸尘器主体顶部设置有除尘口，擦黑板的同时将粉笔尘吸收，避免粉笔尘污染环境。板擦体下部固定设置海绵体，板擦体侧面设置刷子，板擦体上部设置防滑条，刷
10、子可以将粉笔灰全部刷掉。软皮背擦拭自动清洁黑板，用软面皮做成书写面套，下衬铁皮托板，取代传统黑板的硬质板面，面套可前后滚动循环书写使用。全自动黑板擦黑板擦是用四个电动机作动力，其中两个电动机装在一个与黑板同样大的框架上，另外两个电动机使一排软毯做圆周运动。弹性黑板擦，可以将黑板擦里的粉笔灰轻松弄掉。无尘黑板擦，利用物理中的大气压的原理和杠杆原理，充分地吸收擦黑板时产生的灰尘。健康黑板擦，安装于黑板左侧，外形类似磁卡电话，用完放回除尘彻底，免清除，粉尘随气体直接排出室外，无二次污染。1.3.3集尘式黑板刷在擦干净黑板的同时又能将粉笔灰收集起来，和普通的黑板刷使用方法相同，集尘式黑板擦，本技术简单
11、合理，擦、吸、虑、排一气完成，设计了最合理的适用于不同粗糙的黑板和带孔的毛刷擦板，镀膜粉笔，本产品不脱粉，耐潮湿。新型电动无粉尘黑板，用电源控制，完成工作后，粉尘能被收集到底部的小盒内，利用电动和电磁感应原理。1.3.4自动吸尘黑板刷吸尘黑板擦，利用高速电机旋转产生的真空将粉笔灰吸进，滤去粉尘，然后排出干净的空气。自动吸尘黑板刷，使用过程中，利用电能做动力，既擦拭了粉尘，又减轻了使用者的劳动强度，同时还将所擦落的粉尘自动吸入粉尘收集袋中，不是粉尘在室内飞扬，从而保证了室内空气的清洁。电动吸尘黑板擦，在擦黑板时，不但能使黑板表面清洁，还能把所有被接触的尘灰吸进机内，避免尘灰再次污染，从而起到保护
12、工作环境的作用。自动吸尘黑板擦，使用时动力传动黑板擦擦体在导轨引导下做紧贴黑板的横向运动，擦体两侧的擦条同时做上下运动，将黑板上的粉笔字迹擦去。集尘式快速清洁黑板刷，长度和黑板的高度一样，宽略比一般的黑板刷宽几厘米，挂在黑板上，可自由滑动，集尘一次性把黑板上的粉笔灰擦干净。防尘清洁黑板，由黑板一块、有小孔的铝合金挡板、一个装粉笔的长方形槽、两个铝合金扣组成。1.3.5卫生黑板使用时把粉笔安插在粉笔槽内，为师生使用提供便利，板面底边的粉笔槽可收集师生在板面书写粉笔字所掉落的粉笔灰。具有粉笔灰收集装置的组合式黑板，包括黑板外框，固定板面A，固定板面B，活动板面和集尘装置等。便于携带提取粉笔的黑板擦
13、，盒体的下部装有刷体，盒体上部有一盒盖，盒盖和盒体一边铰链连接，盒体和盒盖的另一边接触边分别都装有磁铁。自动清洁黑板，有板面接灰槽，接灰槽安装在板面下方，板面上端设置储水管，储水管下部安装指向板面的喷嘴，板面两侧安装可摆动的清洁刷。1.4 本设计的内容自动清洁黑板擦选用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中的曲柄相连，而曲柄滑块中的滑块一端与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与黑板擦相连。黑板擦固定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用菱形架的伸缩性来实现黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。当擦完黑板，黑板擦是停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。黑板擦的周围
14、是密封圈，同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶，在黑板擦的右下边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒掉里面的粉尘。2 方案的确定2.1 可行的几种方案2.1.1无尘黑板擦现在学校普遍使用的黑板擦，结构十分简单，仅有擦去黑板上粉笔字的单一功能。这种黑板擦带来的结果是粉笔灰在教室内四处飞扬，造成教室内环境污染，给教师和学生带来诸多不便。无尘黑板擦就是针对这一问题，提供一种可防止粉笔灰四处飞扬的无尘黑板擦。无尘黑板擦采用如下技术方案：该黑板擦包括接粉盒，其结构要点是接粉盒的支架上设置有黑板擦，黑板擦的正面设置在接粉盒内；黑板擦的正面为海绵体，海绵体的中间具有凹槽，黑板擦的背面
15、为把手，设置在接粉盒外。无尘黑板擦的有益效果黑板擦的正面为海绵体，而且海绵体的中间具有凹槽，在黑板擦擦黑板的过程中，粉尘为海绵体吸收，还可存在凹槽中；另外，用后的黑板擦可存在接粉盒内，避免了粉笔的粉尘四处飞扬。图2-1是本黑板擦的结构示意图。图2-1 黑板擦的结构示意图具体实施方式：黑板擦包括接粉盒1，接粉盒的支架2上设置有黑板擦4，黑板擦4的正面，设置在接粉盒1内；黑板擦4的正面为海绵体6，海绵体中间具有凹槽5；黑板擦4的背面为把手3，设置在接粉盒1外。使用时，把手3从接粉盒1拿取黑板擦4后，擦黑板上的文字；粉笔的粉尘为海绵体吸收，同时也落于凹槽5内；擦完黑板后，黑板擦4置于接粉盒1上，轻轻
16、敲动黑板擦4，粉笔的粉尘就会落到接粉盒1内。2.1.2防尘黑板这种黑板擦不但能将黑板清洁干净，特别是防止了擦黑板过程中粉尘飞扬到保护老师及学生健康的目的。该黑板擦的目的是通过下述技术方案达到的。其结构要点是：它是由一组带有轨道的边框，一个滑轮支架和活动黑板擦所组成。上下边框设有轨道，左边框可拆卸，右边框设有带阀门的矩形方框，矩形方框的上表面钻有许多小孔，活动黑板擦设有两块，右边黑板擦主要是擦的作用，左边黑板擦主要起吸水作用，中间设有隔板，防止冲洗时水冲到左边黑板擦上，活动黑板擦装在滑轮支架上，滑轮支架装在轨道之间。该黑板擦具体实施时，滑轮支架靠滑轮两边设有的平行通道。右边框设有一个排污孔，及带
17、阀门的进水孔。该黑板擦与现有技术产品相比，它通过固定墙上的轨道与装在滑轮支架上的活动黑板擦相结合，滑轮支架在轨道上移动时，使黑板擦上海绵与黑板相摩擦，擦去黑板上的粉笔字。当移动至最右端时，开启进水阀门以清除黑板擦上的粉灰。它克服了现有黑板擦在擦黑板时留有痕迹，且擦的过程中粉尘飞扬，影响老师与学生的身体健康，具有使用方便，可拆卸，自动清洁，黑板清洁彻底，无粉尘飞扬，是现有黑板擦的更新换代产品。对该黑板擦的几点说明：（1）活动黑板擦两边之杆之间距离与滑轮支架的平衡通道之间的距离相一致；（2）活动支架轮上下之间的距离与上下边框轨道之间的距离要求配合好，防止过松及过紧；（3）右边框表面与黑板面在同一面
18、上，清洁空间的宽度与右边黑板擦到滑轮支架右框之间的距离相一致，以使右黑板擦能进入清洁空间里；（4）安装时边框之间的连接部位，以及与墙面连接处，要进行防漏处理，以防污水流出；（5）活动黑板与滑轮支架，从左向右移动时，活动黑板擦左边与滑轮支架左边在不碰撞的情况下，距离应尽量的小，同时，从右向左移动时，滑动黑板右边框与滑轮支架的右边框在不碰撞的情况下距离应尽量的小；（6）滑轮支架及活动黑板擦在移动的过程中，滑动支架，活动黑板擦非海绵部分不得与黑板接触、摩擦，只能是黑板擦上的海绵与黑板接触摩擦，以防黑板划伤；（7）活动黑板擦海绵的大小比所装位置的空间要大，这样是为了让海绵紧固在上面，并且一部分海绵能留
19、在外面。2.1.3自清洁黑板自动清洁黑板擦选用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中的曲柄相连，而曲柄滑块中的滑块一端与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与黑板擦相连。黑板擦固定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用菱形架的伸缩性来实现黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。当擦完黑板，黑板擦是停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。黑板擦的周围是密封圈，同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶。在黑板擦的右下边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒掉里面的粉尘。2.2 自动清洁黑板擦方案的选择2.2.1所属技术领域本黑板擦是一种新型设计的实用装置
20、，尤其是能在擦完黑板后防止粉尘四处飞扬。2.2.2背景技术国内外普遍采用手工擦黑板的方法，由于人工擦黑板的技术有限，擦完的黑板也达不到预期的效果，而且每次擦完黑板教室里都粉尘到处飞扬，也就是说，手工擦黑板擦一次就污染教师环境一次，而且劳动强度比较大，这样落后的擦黑板方法和手段难以满足我国的教育事业发展的需要。2.2.3发明内容为了克服现有传统手工擦黑板方法擦黑板的质量和劳动强度大的不足，本实用新型提供一种自动清洁黑板擦，该设备不仅能擦干净黑板，防止粉尘飞扬，而且大大减轻使用者的劳动强度，提高效率。本实用新型设备解决其技术问题所采用的技术方案是：自动清洁黑板擦选用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中
21、的曲柄相连，而曲柄滑块中的滑块一端与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与黑板擦相连。黑板擦固定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用菱形架的伸缩性来实现黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。当擦完黑板，黑板擦是停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。黑板擦的周围是密封圈，同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶，在黑板擦的右下边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒掉里面的粉尘。本实用新型的有益效果是，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，整机结构简单。下面结合原理图2-2对本实用新型进一
22、步说明。在黑板一端固定一个电机，通过曲柄摇杆机构连接到菱形架一端，电机带动菱形架伸缩，进而实现黑板擦在竖直面上的往复擦拭。图2-2 最终方案原理图2.3 小黑板擦的方案确定 2.3.1简图根据上述计算所得，决定选用12V 500转直流减速，同时配用加厚磁铁行星减速箱电机和直径为9.5mm的毛刷，其实物图见图2-3，图2-4。2.3.2小黑板擦的结构及工作情况简介小黑板擦的结构是大黑板擦的其中一个，使毛刷和小电动机的轴连在一起，当电机转动时，毛刷跟着转动，从而与黑板面接触进行擦除黑板字迹的功能，小黑板擦的周围也是带密封装置的，它也可以防止在擦黑板时粉笔灰四处飞扬。 图 2-3 减速电机实物图 图
23、2-4 毛刷实物图3 自动吸尘清洁黑板擦的设计计算3.1 电机的选择 经试验作用在黑板面上的应力，则它所需要的压力,所需电动机的输出功率为 ,则电动机所需功率为，查机械设计常用元器件手册695页表4-1，选用Y802-4电动机，功率，转速。3.2 机构的设计3.2.1材料的选择本黑板擦所需的机架杆件是由长和宽分别为20mm5mm铝材方形铝条加工而成，理论质量为1.120kg/m，其密度小，重量轻，密度仅为2.7g/cm3，除拥有良好的塑性及加工性能外，还拥有良好的力学性能、可回收性、以及较高的耐磨性，能承受机构变形时所产生的压力。3.2.2菱形架几何尺寸及自由度设计计算 主要组成部分是由八根长
24、为320mm的铝条和两根长为170mm的铝条组装而成，如图3-1，根据自由度的计算公式： （3-1） 其自由度计算为：图3-1 菱形架机构机构示意图3.2.3 曲柄滑块几何尺寸及自由度设计计算曲柄滑块机构的设计是根据已知条件来确定机构各构件的尺寸，其可以归纳为两种基本类型。实现给定的运动规律,实现给定的运动轨迹。根据曲柄滑块机构的这两种基本特性，再联系所需要的运动机构的运动轨迹，利用曲柄滑块机构的运动确定性，带动菱形架的一个点为动点对菱形架的伸缩进行控制，从而实现黑板擦随菱形架的伸缩带动黑板擦对黑板面的字迹进行擦拭。设计的该曲柄滑块机构由曲柄70mm和连杆200mm两根材料相同的铝条和一个滑块
25、，加以用活动铰链构成。从而连接成一个曲柄滑块机构，如图3-2。根据自由度的计算公式： （3-2） 其自由度计算为： 图3-2 曲柄滑块机构示意图3.2.4 曲柄滑块的运动分析与力学计算图3-3 曲柄滑块机构运动示意图（1）对心曲柄滑块机构运动分析由图3-3，可得任意时刻滑块运行距： 且所以 所以 且 所以 所以有滑块运行距离： 滑块速度V为：滑块加速度为： 经实验求滑块的最大行程，则取=180，已知R=6cm，L=12cm，代入数据得Smax=12cm 通过求解以上优化问题即可得到 min =30m/s 则产生的最小力为 F=mmin =1x30=30N 而黑板擦所需拉力 Ft=25N 所以
26、FFt满足所需条件（2）曲轴扭矩理论计算 对曲柄滑块机构做受力分析，在任一时刻滑块、压杆受力情况如图3-4所示。图3-4 滑块、压杆受力图对滑块做力平衡分析有： 曲柄处转矩为 其中力臂 又（3）曲柄滑块动力学特性图3-5为曲柄滑块机构的受力分析示意图。图3-5 曲柄滑块机构受力分析示意图从曲柄r传到连杆l上的力与滑块发出的压力之间，存在如下关系： （3-3） 曲柄颈A处，沿半径方向的力和的关系： = （3-4） 将上两式联立，可得到： = （3-5）曲柄颈沿r方向承受与力大小相等的压力。曲柄颈沿圆周方向所受切线力与半径r的乘积，就是转矩T。 T=r （3-6） 根据图3-5可知： （3-7）
27、将（3-3）、（3-6）式代入（3-7）式，则 （3-8） 从上式求出P： （3-9）一般曲柄连杆机构l4r，所以，可将l看成比r大很多，即lr ，这时，角趋近于零。则上式可以写成： （3-10）按平面几何圆部分的勾股定理，可以导出 ，将(3-10)代入式中，则得： （3-11）3.2.5凸轮机构的设计 选用盘形凸轮的材料采用40Cr钢（经表面淬火，硬度为4045HRC），用凸轮的远程和近程所运动的距离不同来来控制毛刷与黑板面的接触与分离，以便能够实现部分擦除和整体擦除的功能。三维造型图如图3-6所示。图3-6 凸轮结构三维图（1）凸轮升程数据从动件半径（mm）：设定从动件半径，用来轮廓计算和
28、测定； 凸轮基圆直径（mm）：设定凸轮基圆直径，可以用此数据微调凸轮尺寸，因为没有凸轮的长径尺寸； 角度升程值（mm/deg）：以凸轮顶点转180为0，只输入有增量的两个角度之间（90270）的增量数据，每隔1进行设定（机内密化系统），最后制成升程表，见表3-1。表3-1 凸轮轴凸轮升程表028.38728.3874122.58024.3028221.72221.865128.38428.3844222.49724.1498321.71521.855228.37528.3754322.42224.0008421.71021.846328.35928.2614422.35323.8558521.
29、70621.837428.33728.3414522.29223.7148621.70321.827528.30728.3154622.23723.5788721.70121.818628.27128.2854722.18823.4478821.80821.808728.22628.2494822.14523.3228921.79921.799828.17328.2084922.10823.2029021.78921.789928.11228.1625022.07723.0879121.78021.7801028.04028.1115122.04922.9799221.77121.771112
30、7.95828.0545222.02722.8769321.76121.7611227.86427.9935322.00722.7799421.75221.7521327.75727.9275421.99222.6899521.74221.7421427.63427.8565521.97922.6049621.73321.7331527.49227.7805621.96822.5259721.72521.7251627.32727.6995721.95822.4539821.71821.7181727.13327.6135821.94922.3869921.71321.7131826.90727.5225921.93922.32510021.70821.7081926.65727.4266021.93022.27010121.70421.7042026.39527.3266121.92022.22010221.70221.7022126.12927.2206221.91122.17510321.70021.7002225.86527.1096321.90122.1362325.60626.9936421.89122.1022425.35526.87265
