一種自動吸塵黑板擦的設(shè)計與研究

蔡國慶，錢新惠，侯玉秋，賀歡呼

(河北水利電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河北 滄州 061000)

0 引言

隨著當今社會信息化的發(fā)展，教育教學(xué)的方式也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，但以板書為主的課堂教學(xué)仍為當前教學(xué)的主要模式[1]。在這種教學(xué)模式下，擦黑板就成為了教學(xué)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。頻繁的擦拭黑板不僅浪費了教學(xué)時間，而且增加了教師和學(xué)生的勞動強度。而擦拭過程中產(chǎn)生的粉末四處飛揚，容易被師生吸入呼吸道，更是影響著師生的身體健康。針對上述問題，林棟等設(shè)計了一種無塵黑板擦，利用吸塵裝置將粉塵吸入黑板擦內(nèi)部積塵盒里[2]。李滿亮等利用齒輪齒條裝置設(shè)計了一款自動黑板擦[3]。吳佳等通過絲杠螺母機構(gòu)設(shè)計出了無塵自動黑板擦裝置[4]。

當前雖然黑板擦的設(shè)計工作取得了部分成果，但仍存在一些不足，市場接受程度低?；谝陨蠁栴}，本文設(shè)計了一款4自由度的機械臂，實現(xiàn)擦黑板自動化的功能，并且依據(jù)吸塵器的原理，優(yōu)化了傳統(tǒng)黑板擦的結(jié)構(gòu)，減少了粉塵擴散。應(yīng)用SolidWorks建立了自動黑板擦的三維模型，并通過ADAMS對結(jié)構(gòu)進行運動學(xué)分析，驗證了結(jié)構(gòu)的可行性。

1 自動吸塵黑板擦的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 自動吸塵黑板擦結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

根據(jù)實際教學(xué)環(huán)境與教師板書習(xí)慣，自動吸塵黑板擦裝置應(yīng)滿足以下幾個要求：

(1) 設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)其運動范圍應(yīng)在教師板書的書寫范圍，并且在運動過程中不會與其他部位產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，不會對使用者及裝置造成損害。

(2) 裝置應(yīng)具有質(zhì)輕、強度大的特點，在擦拭力的作用下，既能夠保證擦拭干凈，又能避免裝置強度不夠產(chǎn)生變形。

(3) 裝置應(yīng)有較高的工作效率，擦拭速度合理，避免擦拭時間過長，浪費教學(xué)時間。

(4) 裝置應(yīng)有足夠的吸風(fēng)量，高效地將粉筆灰塵吸收，實現(xiàn)除塵的目的。

1.2 自由度的選擇

裝置通過模仿人的上肢運動實現(xiàn)擦黑板的過程。人在擦黑板的過程中主要靠肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)繞垂直于黑板的軸轉(zhuǎn)動，從而帶動手部實現(xiàn)擦黑板的運動；由腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動控制黑板擦對黑板施加壓力，在運動過程中產(chǎn)生摩擦力，實現(xiàn)擦拭黑板的功能。

根據(jù)上述分析，同時考慮到在擦拭過程中黑板擦與黑板有效的平面接觸，本裝置采用4個旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)擦拭黑板的運動。2個自由度類似于人的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，控制黑板擦的運動范圍；1個自由度類似于人的腕關(guān)節(jié)，控制黑板擦對黑板施加壓力；1個自由度調(diào)整黑板擦與黑板的接觸形式，保證可靠的面接觸。

1.3 自動吸塵黑板擦結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

依照大學(xué)教室黑板的安裝尺寸，對自動吸塵黑板擦進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝置主要由黑板、黑板擦、固定架、連桿、電機及減速器、連接架、軟管、吸塵裝置等組成，如圖1所示。其中連接架8的兩端分別與電機7與黑板擦9連接，與電機是固連，將隨電機一起轉(zhuǎn)動；與擦頭通過螺栓連接，并且可以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，以保證擦頭與黑板面之間的面接觸，如圖1(b)所示。

該裝置總體上是由一個4自由度的串聯(lián)機械手帶動黑板擦實現(xiàn)擦黑板的動作。電機3類似于人的肩關(guān)節(jié)，連桿4類似于人的上臂，由電機3帶動連桿4實現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)自由度的運動，為關(guān)節(jié)1。電機5類似于人的肘關(guān)節(jié)，固定于連桿4上，并且?guī)舆B桿6實現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)自由度的運動，為關(guān)節(jié)2。電機7類似于人的腕關(guān)節(jié)，固定于連桿6上，帶動連接架8轉(zhuǎn)動，為關(guān)節(jié)3。連接架8與黑板擦9存在一個無驅(qū)動的轉(zhuǎn)動副，為關(guān)節(jié)4。通過關(guān)節(jié)4使黑板擦9對黑板1施加壓力，既保證黑板擦與黑板面之間的接觸，又為擦拭黑板提供足夠的摩擦力。設(shè)計的黑板擦9為中空結(jié)構(gòu)，與軟管10連接，在擦拭黑板過程中產(chǎn)生的粉塵由吸塵裝置11通過連接的軟管10吸入到粉塵盒中，以減少粉塵的飛散。

1-黑板；2-固定架；3，5，7-電機；4，6-連桿；8-連接架；9-黑板擦；10-軟管；11-吸塵裝置

1.3.2 材料選擇

自動吸塵黑板擦裝置的一個設(shè)計要求就是要在保證強度的前提下力求結(jié)構(gòu)輕便。通過對不同牌號鋁合金機械性能和物理性能的比較，選擇牌號為6061的鋁合金作為連桿與連接架的制造材料。

1.3.3 尺寸確定

通過對教室黑板的測量可知，黑板長為3.8 m、寬為1.2 m?？紤]到實際教學(xué)情況，右半側(cè)黑板用于投放多媒體，板書較少，故取連桿4與連桿6的長度均為1 m，即可覆蓋黑板左半側(cè)的區(qū)域。為提高工作效率，取黑板擦的面積為普通板擦的3倍～4倍。

1.3.4 驅(qū)動方式

電機驅(qū)動具有定位精度高、響應(yīng)快等特點，但輸出力矩較小。電機與減速器的配合可以增加輸出力矩，同時具有高功率重量比，滿足設(shè)計要求。因此，本研究通過3個伺服電機來驅(qū)動裝置3個自由度的運動。

1.3.5 風(fēng)量的選擇

裝置應(yīng)有足夠的吸風(fēng)量，高效地將粉筆灰塵吸收。對不同吸風(fēng)量與吸口面積進行組合測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)量與吸口面積測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，當選取風(fēng)量為80 m3/h時，擦掉的粉塵可以完全被吸入，能夠有效地防止粉塵的飛散，符合設(shè)計的要求。

2 自動吸塵黑板擦裝置的仿真分析

2.1 建立ADAMS仿真模型

根據(jù)三維模型的結(jié)構(gòu)及裝置的工作原理，利用ADAMS建立仿真模型，如圖2所示，各部件間約束關(guān)系見表2。

圖2 吸塵黑板擦仿真模型

表2 各部件間的約束關(guān)系

2.2 吸塵黑板擦的ADAMS運動仿真

根據(jù)ADAMS建立的仿真模型，參照人擦黑板的運動規(guī)律，設(shè)置關(guān)節(jié)1的運動速度為15°/s，關(guān)節(jié)2的運動速度為40°/s，通過傳感器控制黑板擦與黑板接觸力保持為5 N。利用ADAMS對模型進行運動仿真得到黑板擦的位移、速度和加速度曲線，如圖3～圖5所示。通過圖3～圖5可以看出，自動吸塵黑板擦裝置能夠完成多關(guān)節(jié)的復(fù)合運動，并且在擦拭黑板的過程中運動較為平穩(wěn)，無振動現(xiàn)象，可以實現(xiàn)整個黑板范圍的擦拭，并且不會造成干涉現(xiàn)象，滿足設(shè)計需求。

圖3 黑板擦的位移曲線

圖4 黑板擦的速度曲線

圖5 黑板擦的加速度曲線

3 結(jié)論

本文以人擦黑板的運動為基礎(chǔ)，考慮到裝置的效率、選材、吸塵效果等問題，設(shè)計了一款4自由度的自動吸塵黑板擦裝置，克服了當前擦拭黑板費時費力以及粉塵飛揚影響師生健康等問題。并且通過ADAMS進行運動學(xué)仿真實驗，驗證了裝置的可行性。