自動化內部擦除黑板設計

鄭維忠 張憲明

摘 要：針對教學中擦黑板存在衛生差、效率低、擦除不易和粉筆灰四處飄散的問題，本文對普通黑板進行改造和設計，利用逆向化的設計思想，將普通平面黑板設計為封閉的腔體結構，且把整塊單書寫面變成若干均勻的雙書寫面分塊，并在內腔安裝電機、擦除裝置和控制裝置等，利用旋轉特性實現分塊的內外面交替，使普通的人工外面擦除變為內部電動擦除，較好地控制了粉筆灰的飄散，并實現了自動化教學。

關鍵詞：黑板；區域選擇；分塊旋轉；內部字跡擦除；自動化

中圖分類號：TG333.7；TP271 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0056-03

Design of Automatic Internal Erasure Blackboard

ZHENG Weizhong ZHANG Xianming

（School of mechanical engineering， Guizhou Institute Technology，Guiyang Guizhou 550003）

Abstract： Aiming at the problems of poor hygiene， low efficiency， low erasure and dispersing of chalk ash in the teaching， this paper redesigned and designed the ordinary blackboard， and used the reverse design idea to design the ordinary plane blackboard as a closed cavity structure and turned the whole piece of writing surface into a number of uniform double writing surfaces. In the inner cavity， the motor， erasure device and control device were installed in the inner cavity. The inner and outer surface of the block was alternately realized by the rotation characteristic， and the ordinary artificial erasure was changed into the internal electric erasure， and the dispersion of the chalk ash was controlled well， and the automatic teaching was realized.

Keywords： blackboard；area selection；block rotation；internal handwriting erasure；automation

現在的教用黑板依然多為粉筆書寫黑板，因為其具有書寫靈活性好、成本低、易操作等特點，因此被長期應用于教學中。普通黑板的擦除方式為手臂擺動擦除，擦除過程中，不但勞動強大，而且容易有擦痕，不利于再次書寫后的觀看，還會伴隨有大量粉筆灰，影響周圍環境衛生和人員健康。目前，電子黑板雖有教學新穎、干凈衛生的優點，但由于其存在書寫靈活性差、成本高、不易操作、受光照強度影響大等缺陷，所以并不能取代普通黑板。而自動化內部擦除黑板則是將普通的整塊單書寫面黑板改變成若干均勻的雙書寫面分塊，且字跡擦除動作在內部執行，這樣的設計能較好地解決上述問題。

1 自動化內部擦除黑板工作原理

自動化內部擦除黑板結構如圖1所示[1]，電機、螺桿、45°錐形齒輪、橫移塊、黑板擦、齒輪、齒條等是其主要零件。自動化內部擦除黑板是把整塊的單書寫面劃分為若干均勻的雙書寫面分塊，目的是：一面擦除字跡，一面用于書寫。利用手球選定要擦除的范圍，啟動電源后，在電機的轉動下通過螺桿帶動橫移塊和黑板擦移動，橫移塊上的齒條和套有分塊的分塊下卡槽上的齒輪嚙合，使其分塊內外面替換，隨其后內部的黑板擦執行擦除動作。

動力源應選用尺寸小于100mm?100mm，220V立式安裝的交流電機，安裝在前蓋1上。為充分利用空間，在螺桿和電機轉軸上裝配45°錐形齒輪，把垂方向的轉矩改為水平方向。通過改變接線來實現電機的正反轉，利用繼電器和觸碰開關控制電機的正反轉和停轉，實現黑板的動作執行和復位的自動控制。

2 框架設計

框架邊緣焊接固定耳，利用M10不銹鋼膨脹螺釘將黑板固定于墻面上，如圖2所示。上、下框架的T形滑道作為黑板擦和橫移塊的導軌，孔用于固定分塊和使分塊軸向旋轉。下框架前端的滑槽用于安裝手球，通過左右滑動進行擦除范圍的選擇。左右側的前蓋1和2固定在框架的卡槽中（如圖2中放大圖I），在裝上分塊后形成一個封閉裝置，在黑板內部進行字跡擦除，較好地控制字跡擦除時粉筆灰的飄散。

3 選擇擦除范圍的實現

3.1 書寫面設計

圖3為書寫面圖。從圖3可知，每一分塊為雙面綠皮，固定在分塊上、下卡槽中；雙面綠皮是達到內部擦、外面寫的目的。板料選用普通的綠板材料，所以黑板厚度約為20mm。由此，分塊的旋轉需要旋轉半徑，且略大于分塊寬度，寬度設計為800mm。為能保證分塊的順利轉動，在兩兩之間留有約2mm的間隙；為保證書寫的流暢性和視覺的良好性，利用彈性材料粘貼在分塊邊緣進行間隙填充（如圖3中放大圖I）；這樣就可以使板面具有良好的平整性，且又不影響分塊的旋轉、書寫和觀看。

3.2 字跡的擦除選擇設計

擦除范圍選擇設計如圖4所示。從圖4可以看出，各分塊的旋轉動作相互獨立，被選定后才能旋轉。擦除范圍的選定由手球、橡膠塞、梯形滑塊和彈簧等主要零件完成。梯形滑塊與手球螺紋連接，在彈簧的作用下能夠伸縮。圖中Ⅰ、Ⅱ位置為伸縮的極限位置，握住手球可以在前框架的滑槽中橫向來回滑動。在按下手球時，梯形滑塊端壓縮到Ⅱ位置，推動手球橫向移動（從ⅰ到ⅱ），梯形滑塊斜面上的力作用在橡膠塞上，把橡膠塞和齒輪從孔中提起來，用于齒條和齒輪嚙合，使分塊旋轉。撤去手的壓力后梯形滑塊在彈簧力的作用下恢復到Ⅰ位置，梯形滑塊處于空隙位置，左右滑動無影響。通過梯形滑塊的伸縮和左右滑動的配合來完成若干分塊的連續或間斷擦除的選擇。

4 擦除、緊固、修正動作的實現

4.1 字跡的擦除設計

擦除動作執行如圖5所示。擦除動作執行的主要零件有黑板擦、橫移塊、齒輪、齒條、修正件等。擦除范圍選定后，啟動電源，橫移塊和黑板擦在轉動的螺桿上橫向移動，且橫移塊在前，黑板擦在后。被梯形滑塊提升的齒輪與橫移塊上的齒條嚙合，分塊旋轉180°。旋轉完成后，存在旋轉誤差，并不能保證精準地旋轉180°，于是設計一個修正件，貼于分塊表面隨黑板擦移動來使其分塊的旋轉角達到180°，保證了書寫面的平整性。

4.2 分塊緊固設計

分塊緊固圖如圖6所示。在擦除動作正向執行的同時，黑板擦上的閉塞件、橡膠塞等零件隨黑板擦的移動完成分塊的緊固；閉塞件斜面的力作用于齒輪上，將提升的橡膠塞和齒輪擠壓到下框架的孔中（從①到②位置）。這樣做的目的是：一是緊固分塊；二是在橫移塊反向移動時齒輪齒條不再發生嚙合，僅執行擦除動作。

橡膠塞末端設計成凸出型（如圖7所示），首先是保證分塊下卡槽的柱頭和下框架孔壁在橡膠塞末端彈性力的作用下與橡膠塞緊密接觸，依靠摩擦力讓分塊保持穩定，書寫時不易晃動；其次是保證橡膠塞提升后不下掉，凸出面支撐齒輪與齒條嚙合。

5 動作執行自動化的實現

控制電路圖如圖8所示。改變單向電機的啟動繞阻和工作繞阻接線[2]，利用兩個繼電器KM1和KM2，實現電機的自動正反轉和停轉[3]。SB1為啟動開關，安裝于控制手球上；SB3為觸碰開關，安裝在螺桿首端；SB2為觸碰開關，安裝在螺桿末端。按下SB1，KM1通電閉合，電機正轉，橫移塊正向移動，移動到末端時，觸碰到SB2，KM1斷開，電機停轉，KM2通電，電機反轉，橫移塊反向移動，直至回到螺桿首端觸碰到SB3，電機停轉，裝置復位，完成一個擦除循環。

循環路徑為：選定擦除范圍"啟動SB1，分塊旋轉和擦除動作執行開始"橫移塊觸碰末端SB2，黑板擦反向擦除"裝置復位，黑板擦觸碰SB3，運行結束。

6 結語

自動化內部擦除黑板的擦除方式為機械自動化擦除，且工作在封閉的黑板內部，不但很容易進行字跡擦除，且不影響周圍環境衛生和人員健康。該設計打破了擦黑板的普通方式，讓教學中的板書及擦除變得輕松、高效起來，因此，可廣泛應用于教學中。

參考文獻：

[1]田凌，馮涓.機械制圖[M].2版.北京：清華大學出版社，2013.

[2]李發海，王巖.電機拖動基礎[M].4版.北京：清華大學出版社，2012.

[3]艾永樂.電工學：上冊[M].北京：機械工業出版社，2011.