自动黑板擦清洁机的设计 自动黑板擦清洁机的设计
娄天祥，纪海宾，黎少辉，唐昌松
(徐州工业职业技术学院，江苏徐州221140)
摘 要：为了优化教室环境，设计了一种自动清理黑板擦粉尘的机器，并且能够收集粉尘以集中处理。该机器包括机械传动系统和电路控制系统。黑板擦被放在机器入口后，由平带传送至指定位置，然后凸轮机构驱动拍打杆拍打黑板擦。黑板擦被拍打干净后，平带再把黑板擦送回入口处。传送带和凸轮机构分别由两个直流电机控制，可以分别实现指定的运动规律。在清洁机的底部设计了粉尘收集箱，有利于把清理下来的粉尘集中处理。黑板擦自动清洁机改善了教室环境，有益于老师们和同学们的身体健康。
关键词：黑板擦清理机；平带；拍打杆；凸轮机构；粉尘收集
0 引 言
虽然已有很多先进的教学方法和技术，但是黑板仍然是每间教室的必备教学工具，而且应用率非常高。黑板每次写满后，都必须用黑板擦擦干净才能再用，黑板檫擦过黑板后会沾上很多粉尘，需要清洁才能保持擦黑板的效果。一般情况下，老师或者同学擦完黑板后就会一边捂着鼻子，一边随手拍拍黑板擦，这样就会产生大量粉尘，尤其是在教室这种封闭的环境下，严重影响老师和同学们的身体健康[1]。本文中设计了一种黑板擦清洁机，把沾满灰尘的黑板擦放入清洁机后，机器开启后会自动把黑板擦清洁干净，机器还可以收集粉尘，保护了教室的环境，有益于老师和同学们的健康。
1 机械结构的设计原理
黑板擦清理机主要实现两项功能：使粉尘从黑板擦上脱离和对粉尘有效收集。使粉尘从黑板擦上脱离大概有拍打、板刮等几种方法，通过实验，拍打法脱离得更干净彻底，因此本机采用拍打的方式清理黑板擦，结构原理图如图1所示[2-3]。
在本设计中，黑板擦被放在入口处的传送带上，传送带在电机I的驱动下把黑板擦输送到指定位置，然后电动机II开始转动，并带动凸轮轴转动，通过凸轮驱动拍打杆反复摆动，实现对黑板擦的连续拍打。黑板擦被拍打干净后，拍打杆停止工作，传送带再把黑板擦送至入口。
图1 黑板擦自动清洁机的结构原理图
2 工作机构的设计
在本机中，工作机构主要包括传送机构和凸轮机构等。传送机构由两个带轮和传送带组成，其中一个带轮联接在电动机M1上，通过电动机M1的正反转动控制传送带的前进和后退。由于黑板的宽度较大，传送带选择宽度较大的平带[4]，并在平带上设置一个与黑板擦大小相当的矩形槽，对黑板擦进行准确的定位。在传送带上矩形槽的前后两端分别设置一个挡块，用来配合电路系统控制电动机I启动、停止和正反转。
图2 凸轮机构的设计尺寸
凸轮机构包括凸轮轴、拍打杆和压紧弹簧等，凸轮轴与电动机M2相联接，在电动机M2的驱动下转动，拍打杆的尾端在压紧弹簧的作用下紧贴凸轮，随着凸轮的转动实现拍打杆的往复拍打[5]。由于本机器是在教室内使用，应尽可能减少振动和噪声，因此凸轮的轮廓线是按照从动件无冲击的正弦加速规律设计；凸轮轮廓的向径的最大值和最小值之间的差值为8 mm，根据图2中的尺寸计算，拍打杆前端平板拍打运动的最低点为接触黑板擦的上表面，拍打杆的前端最大位移差为15 mm，这个高度即可以保证拍打效果，又可以不使黑板擦的从传送带上的槽中跳出。拍打杆的前端设计成矩形板，并在平板上做很多的网孔，更容易把黑板擦上的灰尘拍打下来。
3 电路的设计与电机的选择
图3 电路原理图
由于机器的工作载荷较小，本机器采用直流电源，可以用直流电瓶或者交流电源通过直流转换器供电。在本机器中用到两个电机，都采用直流减速电机。电机M1驱动传送带工作，电机M2驱动凸轮轴工作。电路原理图[6]如图3所示，当按下正转启动按钮SB2，KA1线圈得电，KA1触点闭合形成自锁，电动机M1正转启动，传送带前进，把黑板擦往里输送。当黑板擦被送到指定位置，传送带上的挡块触发限位开关SQ1，SQ1断开，KA1线圈失电，电动机M1停止转动，传送带停止，同时KA3线圈得电，电动机M2启动，凸轮轴开始转动，带动拍打杆实现对黑板擦的反复拍打。当拍打工作完成几秒后，黑板擦被清洁干净，按下SB3反转启动按钮，KA3线圈失电，电动机M2停止转动，凸轮轴停止转动，拍打杆停止工作，同时KA2线圈得电，KA2线圈触点闭合，电动机M1反转启动，传送带后退，把黑板擦送到初始位置后，触发限位开关SQ2，SQ2断开，KA2线圈失电，电动机M1停止转动，完成黑板擦的一次清理过程。
电机M1的工作主要是带动平带传送黑板擦，工作时主要克服传动摩擦力，所需功率非常小，选用7.2 W的功率足够，传送的距离也很短，转速不宜过快，通过多次实验选用转速为60 r/min最合适，因此电机M1选用功率为7.2 W、转速为60 r/min、电压为12 V的直流减速电机；电机M2的工作是带动凸轮轴转动，从而驱动拍打杆往复摆动，工作时要克服压紧弹簧的压力等，所选的压紧弹簧的在工作时最大压力为10 N，经过测试拍打杆每秒钟约要拍打3下较合理，电机M2转速为200 r/min，凸轮最大向径为18 mm，所需功率按照式（1）计算。
把所确定的已知数据带入式（1）可得：P=3.8W。然后考虑摩擦力等因素，电机M2选用功率为10 W，转速为200 r/min，电压为12 V的直流减速电机。
4 箱体的设计
箱体主要起支撑传动机构和形成封闭空间的作用，因此箱体采用骨架形成支撑，然后用薄外壳包裹骨架形成封闭空间。在箱体内部设有中间隔板，进一步减少粉尘弥漫的空间，在有粉尘的部分空间底部设有粉尘收集箱，粉尘收集箱做成抽屉形式，可以方便取出集中处理粉尘；另一半的底部可以放置电瓶。在箱体的上表面放置控制开关,操作方便。
5 结论
在提倡绿色环保的今天，改善教室的环境有益于教师和学生的身体健康。本文中设计的自动黑板擦清洁机，通过电机控制平带的输送和凸轮机构的运动，实现了在一个封闭空间内自动清理黑板擦的粉尘的功能，并且设置了专门的粉尘收集箱，能够对粉尘集中处理。本机器操作简单，绿色环保，能够为在教室工作上课的老师和同学们提供一份健康保障。
［参考文献］
[1]李超,何云秀.新型黑板擦清洁器的设计与制作[J].中国电力教育,2010(A01):521.
[2]娄天祥,秋艳,李晓娟,等.脚踏式黑板檫清理装置:ZL2013107040 26.X[P].2016-02-10.
[3]娄天祥,纪海宾,罗雅,等.自动黑板擦清理机:ZL[1**********]8.3 [P].2016-08-17.
[4]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].6版.北京:高等教育出版社,2000: 144-147.
[5]孙桓,陈作模.机械原理[M].5版.北京:高等教育出版社,2000: 196-238.
[6]徐淑华,宫淑珍.电工技术 [M].东营:石油大学出版社,2001: 228-253.
（编辑 明 涛）
Design of Automatic Blackboard Eraser Cleaning Machine
LOU Tianxiang,JI Haibin,LI Shaohui,TANG Changsong
（Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 221140,China）
Abstract：To optimize the environment of classrooms,this paper designs a kind of automatic blackboard eraser cleaning machine with the function of collecting the dust.The machine consists of the mechanical transmission system and the circuit control system.A blackboad eraser can be put in the entrance and carried to an appointed position by a plat-band,and flapped by a flapping bar driven by a cam mechanism.When the blackboard eraser was clean,the plat-band sends the eraser back to the entrance.Both the plat-band and the cam mechanism are controlled by different DC motors to realize specified motion.A dust receiver is designed at the bottom of the machine,it can collect dust.The blackboard eraser cleaning machine improves the environment of classrooms,which is beneficial to teachers’and students’health.
Key words：blackboard eraser cleaning machine;plat-band;cam mechanism
中图分类号：TH122
文献标志码：A
文章编号：1002-2333（2017）07-0088-02
作者简介：娄天祥（1981—），男，硕士，讲师，研究方向为机械设计、机械性能测试。
收稿日期：2016-12-02
自动黑板擦清洁机的设计 自动黑板擦清洁机的设计
娄天祥，纪海宾，黎少辉，唐昌松
(徐州工业职业技术学院，江苏徐州221140)
摘 要：为了优化教室环境，设计了一种自动清理黑板擦粉尘的机器，并且能够收集粉尘以集中处理。该机器包括机械传动系统和电路控制系统。黑板擦被放在机器入口后，由平带传送至指定位置，然后凸轮机构驱动拍打杆拍打黑板擦。黑板擦被拍打干净后，平带再把黑板擦送回入口处。传送带和凸轮机构分别由两个直流电机控制，可以分别实现指定的运动规律。在清洁机的底部设计了粉尘收集箱，有利于把清理下来的粉尘集中处理。黑板擦自动清洁机改善了教室环境，有益于老师们和同学们的身体健康。
关键词：黑板擦清理机；平带；拍打杆；凸轮机构；粉尘收集
0 引 言
虽然已有很多先进的教学方法和技术，但是黑板仍然是每间教室的必备教学工具，而且应用率非常高。黑板每次写满后，都必须用黑板擦擦干净才能再用，黑板檫擦过黑板后会沾上很多粉尘，需要清洁才能保持擦黑板的效果。一般情况下，老师或者同学擦完黑板后就会一边捂着鼻子，一边随手拍拍黑板擦，这样就会产生大量粉尘，尤其是在教室这种封闭的环境下，严重影响老师和同学们的身体健康[1]。本文中设计了一种黑板擦清洁机，把沾满灰尘的黑板擦放入清洁机后，机器开启后会自动把黑板擦清洁干净，机器还可以收集粉尘，保护了教室的环境，有益于老师和同学们的健康。
1 机械结构的设计原理
黑板擦清理机主要实现两项功能：使粉尘从黑板擦上脱离和对粉尘有效收集。使粉尘从黑板擦上脱离大概有拍打、板刮等几种方法，通过实验，拍打法脱离得更干净彻底，因此本机采用拍打的方式清理黑板擦，结构原理图如图1所示[2-3]。
在本设计中，黑板擦被放在入口处的传送带上，传送带在电机I的驱动下把黑板擦输送到指定位置，然后电动机II开始转动，并带动凸轮轴转动，通过凸轮驱动拍打杆反复摆动，实现对黑板擦的连续拍打。黑板擦被拍打干净后，拍打杆停止工作，传送带再把黑板擦送至入口。
图1 黑板擦自动清洁机的结构原理图
2 工作机构的设计
在本机中，工作机构主要包括传送机构和凸轮机构等。传送机构由两个带轮和传送带组成，其中一个带轮联接在电动机M1上，通过电动机M1的正反转动控制传送带的前进和后退。由于黑板的宽度较大，传送带选择宽度较大的平带[4]，并在平带上设置一个与黑板擦大小相当的矩形槽，对黑板擦进行准确的定位。在传送带上矩形槽的前后两端分别设置一个挡块，用来配合电路系统控制电动机I启动、停止和正反转。
图2 凸轮机构的设计尺寸
凸轮机构包括凸轮轴、拍打杆和压紧弹簧等，凸轮轴与电动机M2相联接，在电动机M2的驱动下转动，拍打杆的尾端在压紧弹簧的作用下紧贴凸轮，随着凸轮的转动实现拍打杆的往复拍打[5]。由于本机器是在教室内使用，应尽可能减少振动和噪声，因此凸轮的轮廓线是按照从动件无冲击的正弦加速规律设计；凸轮轮廓的向径的最大值和最小值之间的差值为8 mm，根据图2中的尺寸计算，拍打杆前端平板拍打运动的最低点为接触黑板擦的上表面，拍打杆的前端最大位移差为15 mm，这个高度即可以保证拍打效果，又可以不使黑板擦的从传送带上的槽中跳出。拍打杆的前端设计成矩形板，并在平板上做很多的网孔，更容易把黑板擦上的灰尘拍打下来。
3 电路的设计与电机的选择
图3 电路原理图
由于机器的工作载荷较小，本机器采用直流电源，可以用直流电瓶或者交流电源通过直流转换器供电。在本机器中用到两个电机，都采用直流减速电机。电机M1驱动传送带工作，电机M2驱动凸轮轴工作。电路原理图[6]如图3所示，当按下正转启动按钮SB2，KA1线圈得电，KA1触点闭合形成自锁，电动机M1正转启动，传送带前进，把黑板擦往里输送。当黑板擦被送到指定位置，传送带上的挡块触发限位开关SQ1，SQ1断开，KA1线圈失电，电动机M1停止转动，传送带停止，同时KA3线圈得电，电动机M2启动，凸轮轴开始转动，带动拍打杆实现对黑板擦的反复拍打。当拍打工作完成几秒后，黑板擦被清洁干净，按下SB3反转启动按钮，KA3线圈失电，电动机M2停止转动，凸轮轴停止转动，拍打杆停止工作，同时KA2线圈得电，KA2线圈触点闭合，电动机M1反转启动，传送带后退，把黑板擦送到初始位置后，触发限位开关SQ2，SQ2断开，KA2线圈失电，电动机M1停止转动，完成黑板擦的一次清理过程。
电机M1的工作主要是带动平带传送黑板擦，工作时主要克服传动摩擦力，所需功率非常小，选用7.2 W的功率足够，传送的距离也很短，转速不宜过快，通过多次实验选用转速为60 r/min最合适，因此电机M1选用功率为7.2 W、转速为60 r/min、电压为12 V的直流减速电机；电机M2的工作是带动凸轮轴转动，从而驱动拍打杆往复摆动，工作时要克服压紧弹簧的压力等，所选的压紧弹簧的在工作时最大压力为10 N，经过测试拍打杆每秒钟约要拍打3下较合理，电机M2转速为200 r/min，凸轮最大向径为18 mm，所需功率按照式（1）计算。
把所确定的已知数据带入式（1）可得：P=3.8W。然后考虑摩擦力等因素，电机M2选用功率为10 W，转速为200 r/min，电压为12 V的直流减速电机。
4 箱体的设计
箱体主要起支撑传动机构和形成封闭空间的作用，因此箱体采用骨架形成支撑，然后用薄外壳包裹骨架形成封闭空间。在箱体内部设有中间隔板，进一步减少粉尘弥漫的空间，在有粉尘的部分空间底部设有粉尘收集箱，粉尘收集箱做成抽屉形式，可以方便取出集中处理粉尘；另一半的底部可以放置电瓶。在箱体的上表面放置控制开关,操作方便。
5 结论
在提倡绿色环保的今天，改善教室的环境有益于教师和学生的身体健康。本文中设计的自动黑板擦清洁机，通过电机控制平带的输送和凸轮机构的运动，实现了在一个封闭空间内自动清理黑板擦的粉尘的功能，并且设置了专门的粉尘收集箱，能够对粉尘集中处理。本机器操作简单，绿色环保，能够为在教室工作上课的老师和同学们提供一份健康保障。
［参考文献］
[1]李超,何云秀.新型黑板擦清洁器的设计与制作[J].中国电力教育,2010(A01):521.
[2]娄天祥,秋艳,李晓娟,等.脚踏式黑板檫清理装置:ZL2013107040 26.X[P].2016-02-10.
[3]娄天祥,纪海宾,罗雅,等.自动黑板擦清理机:ZL[1**********]8.3 [P].2016-08-17.
[4]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].6版.北京:高等教育出版社,2000: 144-147.
[5]孙桓,陈作模.机械原理[M].5版.北京:高等教育出版社,2000: 196-238.
[6]徐淑华,宫淑珍.电工技术 [M].东营:石油大学出版社,2001: 228-253.
（编辑 明 涛）
Design of Automatic Blackboard Eraser Cleaning Machine
LOU Tianxiang,JI Haibin,LI Shaohui,TANG Changsong
（Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 221140,China）
Abstract：To optimize the environment of classrooms,this paper designs a kind of automatic blackboard eraser cleaning machine with the function of collecting the dust.The machine consists of the mechanical transmission system and the circuit control system.A blackboad eraser can be put in the entrance and carried to an appointed position by a plat-band,and flapped by a flapping bar driven by a cam mechanism.When the blackboard eraser was clean,the plat-band sends the eraser back to the entrance.Both the plat-band and the cam mechanism are controlled by different DC motors to realize specified motion.A dust receiver is designed at the bottom of the machine,it can collect dust.The blackboard eraser cleaning machine improves the environment of classrooms,which is beneficial to teachers’and students’health.
Key words：blackboard eraser cleaning machine;plat-band;cam mechanism
中图分类号：TH122
文献标志码：A
文章编号：1002-2333（2017）07-0088-02
作者简介：娄天祥（1981—），男，硕士，讲师，研究方向为机械设计、机械性能测试。
收稿日期：2016-12-02