箱式無塵黑板

熊雪梅，許興竹，朱立佳，周前飛，王超凡

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

1 國內(nèi)外研究概況

近年來，國內(nèi)外對無塵黑板進(jìn)行了諸多研究。在一些發(fā)達(dá)國家，更加清潔和多功能的電子白板正在逐步取代傳統(tǒng)的粉筆灰飛揚的黑板，成為了學(xué)校首選的教學(xué)設(shè)備。但是現(xiàn)有智能黑板存在著安裝不便、價格較昂貴的缺點，難以推廣普及，如電子白板全套設(shè)備需上萬元，許多地方不具備配備這種白板的經(jīng)濟(jì)條件。此外，國內(nèi)與此相關(guān)的研究包括黑板擦的改進(jìn)和自動擦黑板裝置的發(fā)明設(shè)計，例如,黑板擦的創(chuàng)新設(shè)計［2］：整體黑板擦采用電動驅(qū)動裝置，利用單片機(jī)與行程開關(guān)控制，帶動黑板擦在軌道上運行完成整個黑板的擦拭過程，并將產(chǎn)生的粉塵利用負(fù)壓吸收到集塵裝置收集處理；基于單片機(jī)的自動水洗環(huán)保無塵黑板設(shè)計［3］：它由電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)以及板面、板擦構(gòu)成,電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)封裝在板面左側(cè)的控制柜中，使用者可通過操作按鈕，實現(xiàn)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)；全自動黑板除塵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計［4］：主要由2 個黑板擦、電機(jī)、導(dǎo)軌及傳動裝置組成，由1 個大電機(jī)來帶動大黑板擦完成整個黑板面的除塵，由2 個電機(jī)共同帶動小黑板擦來實現(xiàn)指定地方的除塵。

2 設(shè)計目標(biāo)

1）實現(xiàn)黑板自動擦洗的功能。通過簡單的手觸開關(guān)的閉合，交流電動機(jī)運轉(zhuǎn)，以及一系列傳動裝置帶動黑板擦往復(fù)移動，實現(xiàn)黑板自動擦洗的功能。

2）徹底解決粉塵飛揚的問題。現(xiàn)階段國內(nèi)外對自動擦洗黑板或者無塵黑板擦的研究仍然存在無法徹底解決粉塵飛揚的問題。該方案希望通過使用更強(qiáng)的吸塵功能的黑板擦或者在密閉的空間內(nèi)進(jìn)行擦洗而徹底解決這個問題。

3）造型美觀，結(jié)構(gòu)盡可能簡單，最大程度控制成本。采用價廉、輕便的材料制作，減少冗余的設(shè)計使得結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)，在使用過程中不容易出現(xiàn)問題，且易于維護(hù)。

4）符合人機(jī)工程學(xué)，在不改變?nèi)藗兪褂脗鹘y(tǒng)黑板的習(xí)慣上實現(xiàn)上述目標(biāo)。國內(nèi)外自動擦洗黑板的擦洗機(jī)構(gòu)普遍為外置式，應(yīng)用于課堂后機(jī)構(gòu)的運動容易分散學(xué)生的注意力，且噪聲較大，影響教學(xué)質(zhì)量，因此該產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)避免這一缺陷；此設(shè)計的自動擦洗黑板與當(dāng)前學(xué)校里普遍使用的黑板使用方式相差不大，操作簡單，使用安全。

3 實現(xiàn)方案描述

3.1 選擇黑板類型

1）白板［5］。優(yōu)點：表面光滑，易于書寫和擦洗，由于板擦與白板之間摩擦力較小故便于實現(xiàn)自動清洗，且沒有粉塵。缺點：由于表面光滑，反光現(xiàn)象嚴(yán)重，影響同學(xué)們觀看；白板筆價格較高且耐用性較差，使用久了書寫效果下降；白板長時間使用后殘留的印記較多，難以擦洗。

2）傳統(tǒng)黑板。優(yōu)點：價格便宜，性價比高，使用范圍廣，不易反光，耐用性最優(yōu)。缺點：粉塵較多，擦黑板時黑板擦與黑板之間摩擦力較大，對于自動擦洗裝置來說是需要克服的問題。

3）幕布式黑板。優(yōu)點：自動擦洗效果好，在相關(guān)裝置的幫助下可有效控制粉塵。缺點：對幕布的材料要求較高，因此價格偏高；幕布柔軟不易于書寫。

結(jié)合設(shè)計目標(biāo)綜合考慮，最終選擇在傳統(tǒng)黑板上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

3.2 實現(xiàn)方案選擇

整個黑板的擦洗過程都在密閉的箱體中進(jìn)行，所有粉塵集中在箱體中，最終都會落在底部，因此只要在底部放入收集盒，定時取出傾倒就可以；同時裝置運轉(zhuǎn)時不會分散學(xué)生注意力。階梯型箱體置于地面，一塊黑板在箱體中進(jìn)行自動擦洗時，另一塊黑板在箱體上面進(jìn)行書寫。當(dāng)書寫完畢需要擦洗時，教師將黑板拉下去，進(jìn)入箱體中，與此同時已擦洗干凈的黑板自動升起。按下箱體上方的按鈕，內(nèi)部裝置啟動開始自動擦洗。箱體內(nèi)部由若干塊傳統(tǒng)黑板擦組合而成的大黑板擦（長度適合黑板寬度）固定于滑塊上在導(dǎo)軌上左右移動。電動機(jī)帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈條上固定有1 根長銷，長銷插入滑塊上的槽里，在槽里作上下往復(fù)直線運動，同時隨鏈條單方向運動，其合成運動體現(xiàn)在滑塊上便是黑板擦的左右往復(fù)運動。因此電機(jī)無需頻繁轉(zhuǎn)向。電機(jī)接入220 V 交流電源。黑板擦在彈簧的作用下緊貼黑板表面，使得有足夠的摩擦力擦除字跡。

4 詳細(xì)設(shè)計

圖1 黑板擦

4.1 黑板下滑時黑板擦的圓弧結(jié)構(gòu)

如圖1，在實際安裝測試過程中，發(fā)現(xiàn)黑板最下端最初設(shè)計的1/4 圓弧會與黑板擦上擦拭部分出現(xiàn)頂死現(xiàn)象，導(dǎo)致黑板無法壓入，后經(jīng)修改，反復(fù)調(diào)試，將最下端設(shè)計成3／4 圓弧，將其卡在黑板最下端，解決了黑板與黑板擦頂死的問題。

4.2 彈簧與滾珠直線導(dǎo)軌拉緊裝置

如圖2、圖3，長條黑板擦與滑塊通過螺栓連接在一起，黑板擦與滑塊一起通過滑塊在長導(dǎo)軌上滑動減小摩擦阻力，同時長導(dǎo)軌兩端與滾珠直線導(dǎo)軌連接，滾珠直線導(dǎo)軌固定在箱體兩側(cè)面，這樣黑板擦的重量就由長導(dǎo)軌傳遞到滾珠直線導(dǎo)軌承受。長導(dǎo)軌兩端通過彈簧與箱體背面相連接，使彈簧一直處于拉伸狀態(tài)，這樣做就可以保證黑板擦能始終緊貼在前后兩塊黑板上。

圖2 導(dǎo)軌與彈簧

圖3 長導(dǎo)軌與彈簧

4.3 鏈傳動裝置

如圖4，因為在擦黑板的過程中，長銷帶動黑板擦運動，長銷在運轉(zhuǎn)過程中受到較大的扭矩，鏈條出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，使帶銷的鏈節(jié)在經(jīng)過鏈輪的時候不能穩(wěn)定地繞上鏈輪，易導(dǎo)致脫鏈，同時為避免從動鏈輪的軸因為鏈的張緊度導(dǎo)致軸兩端受力不平衡，在從動鏈輪的另一側(cè)軸端也安裝帶輪，并通過帶帶動2 個帶輪，這樣不僅能平衡軸上兩端受力，還能使2 個鏈輪同時獲得動力，增加了運轉(zhuǎn)的可靠性、平穩(wěn)性。

圖4 帶與鏈傳動

4.4 箱體的階梯狀

由于實際運用時，前端凸出的箱體增加了空間，不利于老師的書寫。在設(shè)計時，將前端的箱體設(shè)計成階梯狀。電動機(jī)凸出占有的空間比較大，將箱體下端設(shè)計得凸出一點，上端設(shè)計得薄一點，這樣既能將電動機(jī)放在箱體內(nèi)，又能方便個子較矮的老師站在上面書寫。

5 應(yīng)用前景

教師是人類靈魂的工程師，學(xué)生是國家的未來，如何保護(hù)師生健康，徹底消除教室粉塵污染早已成為我國社會共同關(guān)注和著手解決的難題。因此，該設(shè)計的研究對改善教學(xué)環(huán)境、提高師生健康意義重大，具有廣闊的市場和應(yīng)用前景。雖然隨著科技的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)多媒體、投影儀，但是教師和學(xué)生都感到效果不佳，尤其是在對一種問題的分析和推導(dǎo)過程中，很容易讓人感覺像放電影一樣一閃而過，給學(xué)生的印象是腦子中一片空白，不能達(dá)到教學(xué)的目的，同時失去多媒體作為黑板使用這一意義。此設(shè)計是在傳統(tǒng)黑板上的創(chuàng)新，其能源消耗和后期的維護(hù)保養(yǎng)費用也明顯低于多媒體設(shè)備。所以，此設(shè)計有推廣使用的廣闊空間和研究推廣的必要。此黑板將多應(yīng)用于中小學(xué)課堂，切實改善黑板擦拭中的污染問題。

［1］ 任志剛，張亞增，程海明，等.粉筆塵對教師健康危害的研究［J］.中國學(xué)校衛(wèi)生，2002，23（2）：189-190.

［2］ 王信峰，宋旭彤，王震.一種擦黑板機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計［J］.機(jī)械工程師，2009（10）：29-32.

［3］ 趙振，劉偉祥.基于單片機(jī)的自動水洗環(huán)保無塵黑板設(shè)計［J］.機(jī)械工程與自動化，2013（4）：80-82.

［4］ 李榮兵，余心明，苑愛峰.全自動黑板除塵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（3）：90-92.

［5］ 丁興富，李敬東.從黑板到交互白板的歷史進(jìn)程［J］.中國電化教育，2005（2）：30-33.