自動旋轉式黑板結構研究及仿真分析

吳 米，張世亮，吳 佳，陳偉嘉，羅思維

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江524003）

0 引言

在日常教學過程中，黑板是不可缺少的一部分。目前，國內外使用的各類黑板產品的主要結構有整塊、多整塊黑板組合的形式。我國學校的課堂設備的自動化程度不高，產品自動化水平較低，需要推進其智能化機械裝備進程。因此開發出一類適合我國學校的課堂自動化黑板設備便是首先需要解決和最有價值問題。對于結構簡單、使用方便的傳統黑板來說，它存在著較為明顯的書寫板面不足，其結構主要分為單塊式和推拉式組合式；擦拭時都是通過手動擦除黑板字跡的方式清潔黑板板面，會產生大量粉塵，粉塵飛揚，染教室環境，對人體呼吸系統產生不良影響；同時，單塊式黑板使用板書量有限，而組合式黑板占據了大量的安裝空間，且一旦損壞維修不便。目前市場上的某些此類產品設計只是簡單的將一定面積的黑板和電子顯示屏幕進行組合，相當于在傳統設計的黑板結構上增加了電腦顯示屏幕，沒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程中產生的灰塵，為了使學生獲得更舒適、健康的授課環境，促使黑板產品升級換代。本文研發了一種采用手機控制、可自動旋轉轉換板面，無塵自動擦拭字跡的新型黑板，通過AdAMS仿真驗證設計結構運動的可行性[1-3]。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理及功能實現

自動旋轉式黑板結構能夠真實模擬在教室使用的情況，用戶可以根據自己的書寫方式進行在板面的書寫格式，因為黑板板面設計三棱柱結構的特點，實現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；當黑板需換面、清潔時，用戶可利用手機藍牙功能與黑板藍牙控制系統連接，由此來控制黑板的更換書寫面板、清理板面粉塵的功能；手機藍牙端發送對應的指令進行旋轉式三棱柱機構進行控制，三位一點槽輪傳動機構收到stm32主控制裝置驅動12 V電機輸出動力進行啟動，由12 V直流驅動槽輪旋轉，槽輪每次旋轉60°時可實現面更換，旋轉次數可根據用戶需求進行藍牙控制。然后，stm32控制裝置會驅動無塵擦除裝置的直流電機運行同步帶輪，從而驅動擦除帶在三棱柱表面貼合移動，滿足灰塵清理工作。

1.2 結構設計的技術要點

無塵擦除機構沿著右旋絲杠軌道的軸向循環移動，擦除帶表面覆有韌性的毛刷材料與三棱柱側表面充分側表面摩擦接觸，實現黑板面的自動清理灰塵功能。

自動旋轉式黑板的電機驅動控制過程中的控制策略為：以stm32為主控芯片，加以L289N電機驅動模塊實現對電機的驅動控制，通過藍牙通信接收手機端輸入指令來實現對電機正反轉以及速度的控制，來實現黑板旋轉以及灰塵處理的功能。

1.3 總體機構裝配設計

自動旋轉式黑板結構示意，如圖1所示。

圖1 自動旋轉式黑板結構示意圖

自動旋轉式黑板結構設計研究分為三棱柱旋轉機構、無塵擦除機構、藍牙控制結構。通過手機端發送控制指令使電機帶動三棱柱旋轉機構，數條三棱柱定角度旋轉，形成平整的黑板進行書寫，在機構背面將進行真實地解決課堂對黑板使用與黑板自動清理工作。通過三棱柱機構在旋轉驅動機構所傳動方向進行三位一點旋轉定位，旋轉驅動機構由槽輪通過撥盤由平鍵連接直流電機12 V驅動，由stm32主控制器輸出PWM信號給直流電機驅動實現對旋轉驅動機構的電機控制，通過無塵擦除機構由stm32主控制器控制直流電機驅動，完成無塵擦除機構的灰塵清理工作。由于該轉式智能無塵黑板實驗裝置提供可靠的、便捷的、人性化的、系統的操作設計以及為教室環境提供了潔凈舒適的書寫環境等優點。

2 關鍵機構的設計與仿真分析

2.1 三棱柱旋轉機構設計

以單面黑板轉換為三維立體傳動結構的平面互換模式，其設計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，三棱柱黑板板面結構如圖2所示。

圖2 三棱柱黑板板面結構

由廣告百葉窗的結構啟發將黑板設計為空間形式，將黑板平面設計為多邊形的空間組合面。從在同一外切圓和內切圓的各個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、各個多邊立體三維結構的裝配效果、結構加工難度以及黑板的板書量最大值作最優設計標準參考因素進行等三邊形的結構設計選擇。三棱柱黑板板面的結構布局圖如圖3所示。

圖3 三棱柱黑板板面的結構布局

三棱柱的黑板板面在旋轉機構所傳動方向通過三位一點的方式在旋轉方向上進行定位，當直流電機驅動旋轉機構時，通過控制以stm32為主控芯片的IO口輸出PWM信號的來實現對直流電機旋轉方向以及運行時間的把控，以直流電機帶動傳動機構實現三棱柱的定位定點旋轉定位，達到黑板書寫板的換面工作的要求。

旋轉機構采用槽輪來實現，槽輪機構的優點是結構簡單、便宜制造、運動平穩[4]。電機輸出軸與槽輪機構的連接方式如下圖4所示。因為槽輪機構運動產生角加速度，在槽輪機構各運動中產生附加動載荷[5]，利用ADAMS軟件進行該機構的運動學問題進行優化分析其運轉的可靠性，創建槽輪與銷釘之間的接觸力[6]，將接觸力中的Damping設置為變量，其槽輪轉動角速度的優化仿真結果[7]如表1、圖5所示，電機運轉角速度的仿真結果如圖6所示。

圖4 電機輸出軸與槽輪機構的連接方式

圖5 槽輪轉動的角速度

表1 變量阻尼力的仿真結果

圖6 電機運行的角速度

為了保障銷釘與槽輪進行圓弧摩擦時保障三棱柱結構的穩定性與可靠性，通過改變阻尼有助于降低結構傳遞振動的能力所得到的測試分析轉軸的受力情況，從而優化旋轉軸的結構尺寸設計。

由結果顯示，當阻尼力設置在1s/mm時，槽輪還未與銷釘發生接觸時，Trial2的曲線顯示的轉動角速度的曲線較為平穩，當槽輪與銷釘發生接觸后槽輪旋轉60°，Tril2所顯示的角速度曲線是最為光滑，而且此時的電機運行動作只有微弱的干擾；觀察Trial1的發現，在槽輪收到銷釘接觸而轉動后發生明顯的波動，而Trial3試驗的數據表明，槽輪在回轉時角速度不穩定，而電機的運行速度收到延遲變化，通過仿真結果造成了槽輪連接的三棱柱受到振幅不定回轉運動，直接影響整體結構的運行。

2.2 無塵擦除部分設計

設計的無塵擦除機構沿著右旋絲杠軌道的軸向循環移動，擦除帶表面覆有韌性的毛刷材料與三棱柱側表面充分摩擦接觸，實現黑板面的自動清理灰塵功能，黑板板面擦除結構設計圖如下圖7所示。

圖7 黑板板面擦除結構

通過可調螺栓的U型孔進行機械調整，來實現擦除機構的形狀、工作空間可以方便調節，以適應不同的安裝環境，也使安裝更加容易方便。由stm32主控芯片的IO口信號的輸出控制驅動直流電機，滿足擦除帶在同步帶輪上的滾動傳動方式，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現擦除帶在三棱柱表面的清理工作，同時在封閉空間內完成集灰。擦除布和黑板背面結構如圖8、圖9所示。

圖8 擦除布與黑板整體的連接方式結構圖

圖9 黑板背面結構視圖

在對擦除機構部分進行設計時，利用阻力較大的摩擦布跟隨轉軸的旋轉而緊密貼合三棱柱平面上實現平移運動。運動副摩擦對機構動力學特性有一定影響，其中運動副間隙和機構摩擦對機構的動力特性具有不可忽視的影響，在機構設計中應引起重視[8]。通過ADAMS軟件對摩擦布循環運動時，在三棱柱表面摩擦運動進行動力學分析，其仿真結果如圖10、圖11所示。

圖10 摩擦布滑移運動的受力分析結果

圖11 摩擦布滑移運動的位移分析結果

由上圖的仿真曲線可知，設定擦除機構的速度為定量，三棱柱的材料設計為亞克力板，當增大摩擦布的摩擦系數時發現擦除機構在三棱柱的滑動摩擦力出現間斷變化，仿真結果出現抖動現象；在仿真試驗中進行反復調試其摩擦系數取值，最終獲得合適的摩擦系數值能使擦除機構平穩運行。

3 旋轉式無塵黑板藍牙控制端設計

3.1 藍牙控制總體結構設計

由上述分析的黑板功能可知，需通過驅動電機來實現黑板板面的轉軸旋轉達到板面旋轉到特定的位置要求。該設計采用stm32主芯片實現三棱柱旋轉黑板的反轉功能和擦除功能[9]，通過外接藍牙模塊實現對手機端控制信號的接收，系統的設計框圖如圖12所示。

圖12 下位機端的控制系統結構框圖

3.2 下位機端各部分詳細介紹

下位機端主要是由stm32主控制器輸出PWM信號給直流電機驅動實現對旋轉驅動機構的電機控制。所設計的無塵擦除機構由stm32主控制器控制直流電機驅動連接軸，滿足同步帶輪與擦除帶的線接觸傳動方式。該驅動模塊可以接受12 V的驅動電壓，當驅動電壓為7 V～12 V時，可以使能板載的5 V邏輯供電。當使能板載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+5 V的供電接口實現對主控芯片stm32的供電需求。

電機的控制策略為通過該驅動模塊的2路H橋驅動，可以實現同時驅動兩個電機。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，通過這兩個管腳的PWM輸出來實現對電機的轉速調節；IN1、IN2、IN3、IN4 為電機的方向調節，其中 IN1、IN2為一組，IN3、IN4為一組。OUT1，OUT2為電機連接管腳，直接連接到直流電機的兩個管腳上面。使能ENA后輸入PWM信號，可以分別從IN1、IN2輸入高、低電平信號驅動電機1的轉速和方向；使能ENB后輸入PWM信號，可以分別從IN3、IN4輸入高、低電平信號驅動電機2的轉速和方向。

stm32主控制裝置的實際工作參數（直流電機型號、轉速控制、旋轉黑板面的工作時間等具體參數）通過實際各部件的安裝位置進行實際實驗以及參數調試來得到合適的具體值。

4 結論

（1）根據自動旋轉式黑板三維結構的設計與實驗研究，利用計算機輔助制造的條件解決了現有黑板存在的設計不佳和成本價值的問題。

（2）利用AMAMS仿真軟件進行機構運動學及動力學分析據，模擬了接近真實的工作環境要求，根據測量數據圖像提前認識到設計的缺陷與漏洞，提高在設計理論機構的驗證與實驗分析優化的工作效率。

（3）對于滿足教育設施中的黑板結構的智能化機械裝備產品的改進，實現黑板課堂使用率的有效提高、減少環境污染、保護老師和學生遠離粉塵、開發環保循環機械設備，具有深刻意義，為教育設備的科學、優化設計提供新的參考。

[1]徐漫琳，李立成，鄭 濤，等.基于STC89C52單片機的正三棱柱翻轉黑板控制系統[J].機電工程，2014，31（11）：1441-1446.

[2]李鑫鑫.全方位智能黑板的研究與設計[J].SILICON VAL LEY.2014，7（15）：16，21.

[3]任志剛，張亞增，程海明，等.粉筆塵對教師健康危害的研究[J].中國學校衛生，2002（02）：189.

[4]王 威，沈 政，宋玉玲，等.含間隙和干摩擦的連桿機構系統動力學研究[J].振動與沖擊，2015，34（18）：210-214.

[5]楊良渠.3包機中外槽輪機構運動分析[J].包裝工程，2014（40）.

[6]宋少云.ADAMS在機械設計中的應用[M].北京：國防工業出版社，2017.

[7]Al beta Sapietová.Sensitivity Analysis Application for Multi body System Synthesis[A].Information Engineering Research Institute，USA.Proceedings of 2013 2nd International Confer ence on Recent Trends in Materials and Mechanical Engi neering（ICRTMME 2013 Ⅱ）[C]//Information Engineering Re search Institute，USA：2013：6-10.

[8]趙德勝，袁立行，吳榮軍.考慮摩擦的含S副間隙6-SPS機構動力學分析[J].華中科技大學學報（自然科學版），2017，45（06）：79-84.

[9]郭 康，梁遠亮，王黨利.基于AT89C52單片機的三棱柱旋轉黑板的研究[J].機械工程師，2015（10）：176-178.