吳 米，張世亮，吳 佳，陳偉嘉，羅思維

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江524003）

0 引言

在日常教學(xué)過(guò)程中，黑板是不可缺少的一部分。目前，國(guó)內(nèi)外使用的各類黑板產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)有整塊、多整塊黑板組合的形式。我國(guó)學(xué)校的課堂設(shè)備的自動(dòng)化程度不高，產(chǎn)品自動(dòng)化水平較低，需要推進(jìn)其智能化機(jī)械裝備進(jìn)程。因此開(kāi)發(fā)出一類適合我國(guó)學(xué)校的課堂自動(dòng)化黑板設(shè)備便是首先需要解決和最有價(jià)值問(wèn)題。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的傳統(tǒng)黑板來(lái)說(shuō)，它存在著較為明顯的書寫板面不足，其結(jié)構(gòu)主要分為單塊式和推拉式組合式；擦拭時(shí)都是通過(guò)手動(dòng)擦除黑板字跡的方式清潔黑板板面，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，粉塵飛揚(yáng)，染教室環(huán)境，對(duì)人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響；同時(shí)，單塊式黑板使用板書量有限，而組合式黑板占據(jù)了大量的安裝空間，且一旦損壞維修不便。目前市場(chǎng)上的某些此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)只是簡(jiǎn)單的將一定面積的黑板和電子顯示屏幕進(jìn)行組合，相當(dāng)于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的黑板結(jié)構(gòu)上增加了電腦顯示屏幕，沒(méi)有考慮課堂黑板使用的空間以及解決黑板書寫以及擦除過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵，為了使學(xué)生獲得更舒適、健康的授課環(huán)境，促使黑板產(chǎn)品升級(jí)換代。本文研發(fā)了一種采用手機(jī)控制、可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換板面，無(wú)塵自動(dòng)擦拭字跡的新型黑板，通過(guò)AdAMS仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性[1-3]。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理及功能實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板結(jié)構(gòu)能夠真實(shí)模擬在教室使用的情況，用戶可以根據(jù)自己的書寫方式進(jìn)行在板面的書寫格式，因?yàn)楹诎灏迕嬖O(shè)計(jì)三棱柱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一面空間的三倍書寫板面使用，滿足老師課堂的書寫量要求；當(dāng)黑板需換面、清潔時(shí)，用戶可利用手機(jī)藍(lán)牙功能與黑板藍(lán)牙控制系統(tǒng)連接，由此來(lái)控制黑板的更換書寫面板、清理板面粉塵的功能；手機(jī)藍(lán)牙端發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式三棱柱機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，三位一點(diǎn)槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)收到stm32主控制裝置驅(qū)動(dòng)12 V電機(jī)輸出動(dòng)力進(jìn)行啟動(dòng)，由12 V直流驅(qū)動(dòng)槽輪旋轉(zhuǎn)，槽輪每次旋轉(zhuǎn)60°時(shí)可實(shí)現(xiàn)面更換，旋轉(zhuǎn)次數(shù)可根據(jù)用戶需求進(jìn)行藍(lán)牙控制。然后，stm32控制裝置會(huì)驅(qū)動(dòng)無(wú)塵擦除裝置的直流電機(jī)運(yùn)行同步帶輪，從而驅(qū)動(dòng)擦除帶在三棱柱表面貼合移動(dòng)，滿足灰塵清理工作。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)沿著右旋絲杠軌道的軸向循環(huán)移動(dòng)，擦除帶表面覆有韌性的毛刷材料與三棱柱側(cè)表面充分側(cè)表面摩擦接觸，實(shí)現(xiàn)黑板面的自動(dòng)清理灰塵功能。

自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程中的控制策略為：以stm32為主控芯片，加以L289N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，通過(guò)藍(lán)牙通信接收手機(jī)端輸入指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及速度的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)黑板旋轉(zhuǎn)以及灰塵處理的功能。

1.3 總體機(jī)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)

自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究分為三棱柱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)、藍(lán)牙控制結(jié)構(gòu)。通過(guò)手機(jī)端發(fā)送控制指令使電機(jī)帶動(dòng)三棱柱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，數(shù)條三棱柱定角度旋轉(zhuǎn)，形成平整的黑板進(jìn)行書寫，在機(jī)構(gòu)背面將進(jìn)行真實(shí)地解決課堂對(duì)黑板使用與黑板自動(dòng)清理工作。通過(guò)三棱柱機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所傳動(dòng)方向進(jìn)行三位一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)定位，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由槽輪通過(guò)撥盤由平鍵連接直流電機(jī)12 V驅(qū)動(dòng)，由stm32主控制器輸出PWM信號(hào)給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制，通過(guò)無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)由stm32主控制器控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)的灰塵清理工作。由于該轉(zhuǎn)式智能無(wú)塵黑板實(shí)驗(yàn)裝置提供可靠的、便捷的、人性化的、系統(tǒng)的操作設(shè)計(jì)以及為教室環(huán)境提供了潔凈舒適的書寫環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 三棱柱旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

以單面黑板轉(zhuǎn)換為三維立體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的平面互換模式，其設(shè)計(jì)目的是為了增加空間層次感并且增加黑板板面書寫量。三棱柱的截面為等邊三角形，三棱柱黑板板面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三棱柱黑板板面結(jié)構(gòu)

由廣告百葉窗的結(jié)構(gòu)啟發(fā)將黑板設(shè)計(jì)為空間形式，將黑板平面設(shè)計(jì)為多邊形的空間組合面。從在同一外切圓和內(nèi)切圓的各個(gè)邊組合而成的平面完整度，固定在墻面上的黑板書寫平面平行于墻面的法向距離、各個(gè)多邊立體三維結(jié)構(gòu)的裝配效果、結(jié)構(gòu)加工難度以及黑板的板書量最大值作最優(yōu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考因素進(jìn)行等三邊形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇。三棱柱黑板板面的結(jié)構(gòu)布局圖如圖3所示。

圖3 三棱柱黑板板面的結(jié)構(gòu)布局

三棱柱的黑板板面在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所傳動(dòng)方向通過(guò)三位一點(diǎn)的方式在旋轉(zhuǎn)方向上進(jìn)行定位，當(dāng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)時(shí)，通過(guò)控制以stm32為主控芯片的IO口輸出PWM信號(hào)的來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向以及運(yùn)行時(shí)間的把控，以直流電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三棱柱的定位定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)定位，達(dá)到黑板書寫板的換面工作的要求。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用槽輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，槽輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜制造、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)[4]。電機(jī)輸出軸與槽輪機(jī)構(gòu)的連接方式如下圖4所示。因?yàn)椴圯啓C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生角加速度，在槽輪機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生附加動(dòng)載荷[5]，利用ADAMS軟件進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化分析其運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，創(chuàng)建槽輪與銷釘之間的接觸力[6]，將接觸力中的Damping設(shè)置為變量，其槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的優(yōu)化仿真結(jié)果[7]如表1、圖5所示，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角速度的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖4 電機(jī)輸出軸與槽輪機(jī)構(gòu)的連接方式

圖5 槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度

表1 變量阻尼力的仿真結(jié)果

圖6 電機(jī)運(yùn)行的角速度

為了保障銷釘與槽輪進(jìn)行圓弧摩擦?xí)r保障三棱柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性，通過(guò)改變阻尼有助于降低結(jié)構(gòu)傳遞振動(dòng)的能力所得到的測(cè)試分析轉(zhuǎn)軸的受力情況，從而優(yōu)化旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。

由結(jié)果顯示，當(dāng)阻尼力設(shè)置在1s/mm時(shí)，槽輪還未與銷釘發(fā)生接觸時(shí)，Trial2的曲線顯示的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的曲線較為平穩(wěn)，當(dāng)槽輪與銷釘發(fā)生接觸后槽輪旋轉(zhuǎn)60°，Tril2所顯示的角速度曲線是最為光滑，而且此時(shí)的電機(jī)運(yùn)行動(dòng)作只有微弱的干擾；觀察Trial1的發(fā)現(xiàn)，在槽輪收到銷釘接觸而轉(zhuǎn)動(dòng)后發(fā)生明顯的波動(dòng)，而Trial3試驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，槽輪在回轉(zhuǎn)時(shí)角速度不穩(wěn)定，而電機(jī)的運(yùn)行速度收到延遲變化，通過(guò)仿真結(jié)果造成了槽輪連接的三棱柱受到振幅不定回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直接影響整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行。

2.2 無(wú)塵擦除部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)沿著右旋絲杠軌道的軸向循環(huán)移動(dòng)，擦除帶表面覆有韌性的毛刷材料與三棱柱側(cè)表面充分摩擦接觸，實(shí)現(xiàn)黑板面的自動(dòng)清理灰塵功能，黑板板面擦除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如下圖7所示。

圖7 黑板板面擦除結(jié)構(gòu)

通過(guò)可調(diào)螺栓的U型孔進(jìn)行機(jī)械調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)擦除機(jī)構(gòu)的形狀、工作空間可以方便調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的安裝環(huán)境，也使安裝更加容易方便。由stm32主控芯片的IO口信號(hào)的輸出控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，滿足擦除帶在同步帶輪上的滾動(dòng)傳動(dòng)方式，使擦除布與三棱柱的表面緊密貼合，在書寫面板的背部形成封閉空間實(shí)現(xiàn)擦除帶在三棱柱表面的清理工作，同時(shí)在封閉空間內(nèi)完成集灰。擦除布和黑板背面結(jié)構(gòu)如圖8、圖9所示。

圖8 擦除布與黑板整體的連接方式結(jié)構(gòu)圖

圖9 黑板背面結(jié)構(gòu)視圖

在對(duì)擦除機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，利用阻力較大的摩擦布跟隨轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而緊密貼合三棱柱平面上實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副摩擦對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性有一定影響，其中運(yùn)動(dòng)副間隙和機(jī)構(gòu)摩擦對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性具有不可忽視的影響，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視[8]。通過(guò)ADAMS軟件對(duì)摩擦布循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在三棱柱表面摩擦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，其仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 摩擦布滑移運(yùn)動(dòng)的受力分析結(jié)果

圖11 摩擦布滑移運(yùn)動(dòng)的位移分析結(jié)果

由上圖的仿真曲線可知，設(shè)定擦除機(jī)構(gòu)的速度為定量，三棱柱的材料設(shè)計(jì)為亞克力板，當(dāng)增大摩擦布的摩擦系數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)擦除機(jī)構(gòu)在三棱柱的滑動(dòng)摩擦力出現(xiàn)間斷變化，仿真結(jié)果出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象；在仿真試驗(yàn)中進(jìn)行反復(fù)調(diào)試其摩擦系數(shù)取值，最終獲得合適的摩擦系數(shù)值能使擦除機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行。

3 旋轉(zhuǎn)式無(wú)塵黑板藍(lán)牙控制端設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙控制總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述分析的黑板功能可知，需通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)黑板板面的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到板面旋轉(zhuǎn)到特定的位置要求。該設(shè)計(jì)采用stm32主芯片實(shí)現(xiàn)三棱柱旋轉(zhuǎn)黑板的反轉(zhuǎn)功能和擦除功能[9]，通過(guò)外接藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)端控制信號(hào)的接收，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖12所示。

圖12 下位機(jī)端的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 下位機(jī)端各部分詳細(xì)介紹

下位機(jī)端主要是由stm32主控制器輸出PWM信號(hào)給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)控制。所設(shè)計(jì)的無(wú)塵擦除機(jī)構(gòu)由stm32主控制器控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接軸，滿足同步帶輪與擦除帶的線接觸傳動(dòng)方式。該驅(qū)動(dòng)模塊可以接受12 V的驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為7 V～12 V時(shí)，可以使能板載的5 V邏輯供電。當(dāng)使能板載5 V電壓供電之后，接口中的+5 V供電接口不要輸入電壓，可以通過(guò)+5 V的供電接口實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片stm32的供電需求。

電機(jī)的控制策略為通過(guò)該驅(qū)動(dòng)模塊的2路H橋驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。其中要要到的控制管腳為 ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4. 其中 ENA、ENB為使能管腳，通過(guò)這兩個(gè)管腳的PWM輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；IN1、IN2、IN3、IN4 為電機(jī)的方向調(diào)節(jié)，其中 IN1、IN2為一組，IN3、IN4為一組。OUT1，OUT2為電機(jī)連接管腳，直接連接到直流電機(jī)的兩個(gè)管腳上面。使能ENA后輸入PWM信號(hào)，可以分別從IN1、IN2輸入高、低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和方向；使能ENB后輸入PWM信號(hào)，可以分別從IN3、IN4輸入高、低電平信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和方向。

stm32主控制裝置的實(shí)際工作參數(shù)（直流電機(jī)型號(hào)、轉(zhuǎn)速控制、旋轉(zhuǎn)黑板面的工作時(shí)間等具體參數(shù)）通過(guò)實(shí)際各部件的安裝位置進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)以及參數(shù)調(diào)試來(lái)得到合適的具體值。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)式黑板三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，利用計(jì)算機(jī)輔助制造的條件解決了現(xiàn)有黑板存在的設(shè)計(jì)不佳和成本價(jià)值的問(wèn)題。

（2）利用AMAMS仿真軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析據(jù)，模擬了接近真實(shí)的工作環(huán)境要求，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)圖像提前認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)的缺陷與漏洞，提高在設(shè)計(jì)理論機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)分析優(yōu)化的工作效率。

（3）對(duì)于滿足教育設(shè)施中的黑板結(jié)構(gòu)的智能化機(jī)械裝備產(chǎn)品的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)黑板課堂使用率的有效提高、減少環(huán)境污染、保護(hù)老師和學(xué)生遠(yuǎn)離粉塵、開(kāi)發(fā)環(huán)保循環(huán)機(jī)械設(shè)備，具有深刻意義，為教育設(shè)備的科學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的參考。

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