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(yáng)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(jià)格較昂貴的缺點(diǎn)，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(dòng)擦黑板裝置的發(fā)明設(shè)計(jì)，例如,黑板擦的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［2］：整體黑板擦采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，利用單片機(jī)與行程開關(guān)控制，帶動(dòng)黑板擦在軌道上運(yùn)行完成整個(gè)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(dòng)水洗環(huán)保無塵黑板設(shè)計(jì)［3］：它由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；全自動(dòng)黑板除塵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4］：主要由2 個(gè)黑板擦、電機(jī)、導(dǎo)軌及傳動(dòng)裝置組成，由1 個(gè)大電機(jī)來帶動(dòng)大黑板擦完成整個(gè)黑板面的除塵，由2 個(gè)電機(jī)共同帶動(dòng)小黑板擦來實(shí)現(xiàn)指定地方的除塵。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）實(shí)現(xiàn)黑板自動(dòng)擦洗的功能。通過簡單的手觸開關(guān)的閉合，交流電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以及一系列傳動(dòng)裝置帶動(dòng)黑板擦往復(fù)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)黑板自動(dòng)擦洗的功能。

2）徹底解決粉塵飛揚(yáng)的問題?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對自動(dòng)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(yáng)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(gè)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(jià)廉、輕便的材料制作，減少冗余的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。國內(nèi)外自動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)方案描述

3.1 選擇黑板類型

1）白板［5］。優(yōu)點(diǎn)：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(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗，且沒有粉塵。缺點(diǎn)：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(jià)格較高且耐用性較差，使用久了書寫效果下降；白板長時(shí)間使用后殘留的印記較多，難以擦洗。

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

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

結(jié)合設(shè)計(jì)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(jì)。

3.2 實(shí)現(xiàn)方案選擇

整個(gè)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(huì)落在底部，因此只要在底部放入收集盒，定時(shí)取出傾倒就可以；同時(shí)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)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(dòng)擦洗時(shí)，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(shí)，教師將黑板拉下去，進(jìn)入箱體中，與此同時(shí)已擦洗干凈的黑板自動(dòng)升起。按下箱體上方的按鈕，內(nèi)部裝置啟動(dòng)開始自動(dòng)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(dòng)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨鏈條單方向運(yùn)動(dòng)，其合成運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)在滑塊上便是黑板擦的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。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(jì)

圖1 黑板擦

4.1 黑板下滑時(shí)黑板擦的圓弧結(jié)構(gòu)

如圖1，在實(shí)際安裝測試過程中，發(fā)現(xiàn)黑板最下端最初設(shè)計(jì)的1/4 圓弧會(huì)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(jì)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(dòng)減小摩擦阻力，同時(shí)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(dòng)裝置

如圖4，因?yàn)樵诓梁诎宓倪^程中，長銷帶動(dòng)黑板擦運(yùn)動(dòng)，長銷在運(yùn)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(shí)候不能穩(wěn)定地繞上鏈輪，易導(dǎo)致脫鏈，同時(shí)為避免從動(dòng)鏈輪的軸因?yàn)殒湹膹埦o度導(dǎo)致軸兩端受力不平衡，在從動(dòng)鏈輪的另一側(cè)軸端也安裝帶輪，并通過帶帶動(dòng)2 個(gè)帶輪，這樣不僅能平衡軸上兩端受力，還能使2 個(gè)鏈輪同時(shí)獲得動(dòng)力，增加了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性、平穩(wěn)性。

圖4 帶與鏈傳動(dòng)

4.4 箱體的階梯狀

由于實(shí)際運(yùn)用時(shí)，前端凸出的箱體增加了空間，不利于老師的書寫。在設(shè)計(jì)時(shí)，將前端的箱體設(shè)計(jì)成階梯狀。電動(dòng)機(jī)凸出占有的空間比較大，將箱體下端設(shè)計(jì)得凸出一點(diǎn)，上端設(shè)計(jì)得薄一點(diǎn)，這樣既能將電動(dòng)機(jī)放在箱體內(nèi)，又能方便個(gè)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(huì)共同關(guān)注和著手解決的難題。因此，該設(shè)計(jì)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(shí)失去多媒體作為黑板使用這一意義。此設(shè)計(jì)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(fèi)用也明顯低于多媒體設(shè)備。所以，此設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)［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(dòng)水洗環(huán)保無塵黑板設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（4）：80-82.

［4］ 李榮兵，余心明，苑愛峰.全自動(dòng)黑板除塵器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［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.