自动吸尘清洁黑板擦设计_毕业设计.doc

xxxx 技术学院技术学院 毕业设计 题目：自动吸尘清洁黑板擦设计题目：自动吸尘清洁黑板擦设计 系系 部部 现代制造工程系现代制造工程系 专专 业业 名名 称称 模具设计与制造模具设计与制造 班班 级级 xxxxxxxxxxxxxxxx 姓姓 名名 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指指 导导 教教 师师 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 20122012 年年 1010 月月 3030 日日 i 自动吸尘清洁黑板擦设计 摘 要 该设计主要介绍自动吸尘清洁黑板擦的发展趋势与总体设计；研究背景和 方案的确定；整体运动部分的分析；伸缩架的设计；曲柄滑块的设计；凸轮尺 寸大小的设计；活动黑板擦的设计；电路部分的设计。根据设计计算相关数据， 采用 autocad 绘制零件图和装配图，对主要零件采用 ug4.0 进行三维造型， 并完成毕业设计说明书的编写。 关键词：自动吸尘；清洁；黑板擦；设计 ii 目录目录 1 绪论1 1.1 研究背景.1 1.2 研究的目的意义.1 1.2.1 研究的目的1 1.2.2 研究的意义1 1.3 国内外研究现状.2 1.3.1 电动黑板擦2 1.3.2 吸尘黑板擦3 1.3.3 集尘式黑板刷3 1.3.4 自动吸尘黑板刷3 1.3.5 卫生黑板4 1.4 本设计的内容.4 2 方案的确定5 2.1 可行的几种方案.5 2.1.1 无尘黑板擦5 2.1.2 防尘黑板6 2.1.3 自清洁黑板7 2.2 自动清洁黑板擦方案的选择.7 2.2.1 所属技术领域7 2.2.2 背景技术7 2.2.3 发明内容7 2.3 小黑板擦的方案确定.8 2.3.1 简图8 2.3.2 小黑板擦的结构及工作情况简介8 3 自动吸尘清洁黑板擦的设计计算10 3.1 电机的选择.10 3.2 机构的设计.10 3.2.1 材料的选择10 iii 3.2.2 菱形架几何尺寸及自由度设计计算10 3.2.3 曲柄滑块几何尺寸及自由度设计计算11 3.2.4 曲柄滑块的运动分析与力学计算11 3.2.5 凸轮机构的设计15 3.2.6 磨削圆周进给量计算20 3.3 滚筒的设计.21 3.4 吸尘装置的选择.23 3.5 电路控制的设计.23 3.5.1 硬件系统的设计23 3.5.2 最小系统设计24 3.5.3 无线收发模块24 3.6 作品三维图及实物图.26 结论27 致谢28 参考文献29 附录30 附录 a30 附录 b33 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 黑板历来是各级各类学校必备的教学工具，传统黑板，人工擦拭效率低， 粉尘污染严重。粉笔，是传播文化的工具，也是戕害身体的毒品。多少灵魂的 工程师因为反反复复的粉尘污染、吸进气管而罹患痼疾，过早离开了讲台。虽 然国家一直用补贴金来弥补这种职业病对教师的危害，但生命是难以用金钱去 补偿的。坐在前排的学生，同样受到粉尘的威胁。同时大量粉尘也影响了电脑 等多媒体教学设备的使用寿命，这是科学界长期无法攻克的难关。从所谓无尘 粉笔、微尘粉笔到新型黑板的研制，无不渗透着一种深深的人文关怀和无 奈 最新专利产品自动无尘黑板擦给这个世纪难题提交了完美答卷，自动黑板 擦的产生很好的解决了上述问题, 它自动擦拭无污染，外观设计优美，使用方 便快捷，更适合多媒体教学的需要 。每当轻轻走过教师的窗前，希望看到的不 再是疲倦的脸庞。 1.2 研究的目的意义研究的目的意义 1.2.1 研究的目的研究的目的 众所周知，黑板是日常学习中必不可少的一样教具，而黑板擦是与黑板如 影随形的另一样教具。无论是从小学还是到大学，教室里都会使用到黑板和黑 板擦，而一般平时使用的人工黑板擦不但要用力、费时，还有粉尘污染空气的 缺点。每当下课了擦完黑板的时候教室里就粉尘飞扬，影响了下堂课的教学。 这样，不仅危害了老师和学生的健康，同时也给教学带来很大的不便，有时候 老师在上面讲课，拿黑板擦转身擦黑板的时候，学生可能会乘机在下面捣乱， 因而扰乱课堂秩序，影响了教学质量。因此，就有自动黑板擦的诞生。为了解 决教学工作中的困难和人工黑板擦给老师和同学带来的不便，这样一种自动黑 板擦的生产将是教育行业的一大福音。 1.2.2 研究的意义研究的意义 2 空气中的粉尘对人类健康的威胁是一个全球性的问题，空气中的粉尘进入 人的呼吸道会引起各种疾病，给青少年们创造一个无尘的学习环境尤为迫切。 学校教室粉尘产生的原因，很大一部分是由于用人工擦黑板。很多改进黑板的 措施应用而生，但是这些设计方案或是不能从根本上解决问题，或是成本太高， 从而是这些设计方案在现行的生活中不能普及。为此，设计了一种无尘自动擦 黑板机构，该机构能够实现自动擦黑板，并且能防止粉尘扩散，具有良好的应 用前景。粉笔灰是传统黑板黑板擦粉笔构架中普遍存在的问题，统计分析 表明粉笔粉尘的 90%来源于黑板擦的积累粉尘的飞扬与黑板擦清灰过程的粉尘 飞扬，黑板擦在清除黑板过程中摩擦起尘仅占 10%。因此，清除积累在黑板擦 上的粉尘具有现实意义。最近推出的白板白板擦白板笔构架虽然可以回避 这一问题，但是使用成本高，对传统黑板黑板擦粉笔构架的替换所需的投 入大。目前在我国绝大多数场合的应用条件还不成熟，我国的教育系统仍主要 采用传统黑板黑板擦粉笔构架模式。近二十年来，我国科技工作者对传统 黑板黑板擦粉笔购架及其组成中的黑板、黑板擦亦试图做较多的改进出现 了若干设想和设计，如无尘粉笔、无尘黑板、电动黑板擦等，有些设计甚至已 成为商品。然而，直到目前还没有一项设计或产品真正普及开来，主要问题在 于实用性差，应用效果不佳等。粉笔灰尘影响了教育系统广大师生的身心健康， 以影响了使用场合的公共环境卫生。 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 1.3.1 电动黑板擦电动黑板擦 黑板板体上下边缘各设有一组链轮链条组，两组链轮链条组各有一个链轮 连接，有可驱动其传动的电机。电动清洁黑板，在板面顶边安装电机，电机转 轴横向架设在板面顶边，紧贴板面在其底边安装横板状清洁器。一种彻底清洁 黑板的黑板擦，将条形黑板擦来回滑动，由于磁铁的作用使黑板擦的擦毛紧贴 黑板，从而彻底清洁正面黑板。一种自动清洁黑板，在黑板被自动粉擦清洁的 过程中向下关闭，在老师授课的时候向上打开。两个清洁器分别固定于黑板两 侧，在黑板清洁的的过程中进行空气清洁。全自动清洁黑板擦，擦板的下表面 有毡绒，在擦板下表面四周设有滚轮，擦板中间设有吸尘层，在吸尘层上方还 3 有电池仓，该电池层通过触摸按钮与电路动力装置连接。带腕套的黑板刷，由 黑板刷和腕套组成的带腕套的黑板刷，在黑板刷的背部设置一腕套。新型电动 黑板装置只要打开开关就可以擦字，使用安全，无污染，用电少，寿命长。 1.3.2 吸尘黑板擦吸尘黑板擦 擦黑板时能够将粉笔屑吸收，避免飘尘，污染环境。吸尘粉笔擦，小型吸 尘器主体的吸尘口处安装有毛刷。小型吸尘器主体顶部设置有除尘口，擦黑板 的同时将粉笔尘吸收，避免粉笔尘污染环境。板擦体下部固定设置海绵体，板 擦体侧面设置刷子，板擦体上部设置防滑条，刷子可以将粉笔灰全部刷掉。软 皮背擦拭自动清洁黑板，用软面皮做成书写面套，下衬铁皮托板，取代传统黑 板的硬质板面，面套可前后滚动循环书写使用。全自动黑板擦黑板擦是用四个 电动机作动力，其中两个电动机装在一个与黑板同样大的框架上，另外两个电 动机使一排软毯做圆周运动。弹性黑板擦，可以将黑板擦里的粉笔灰轻松弄掉。 无尘黑板擦，利用物理中的大气压的原理和杠杆原理，充分地吸收擦黑板时产 生的灰尘。健康黑板擦，安装于黑板左侧，外形类似磁卡电话，用完放回除尘 彻底，免清除，粉尘随气体直接排出室外，无二次污染。 1.3.3 集尘式黑板刷集尘式黑板刷 在擦干净黑板的同时又能将粉笔灰收集起来，和普通的黑板刷使用方法相 同，集尘式黑板擦，本技术简单合理，擦、吸、虑、排一气完成，设计了最合 理的适用于不同粗糙的黑板和带孔的毛刷擦板，镀膜粉笔，本产品不脱粉，耐 潮湿。新型电动无粉尘黑板，用电源控制，完成工作后，粉尘能被收集到底部 的小盒内，利用电动和电磁感应原理。 1.3.4 自动吸尘黑板刷自动吸尘黑板刷 吸尘黑板擦，利用高速电机旋转产生的真空将粉笔灰吸进，滤去粉尘，然 后排出干净的空气。自动吸尘黑板刷，使用过程中，利用电能做动力，既擦拭 了粉尘，又减轻了使用者的劳动强度，同时还将所擦落的粉尘自动吸入粉尘收 集袋中，不是粉尘在室内飞扬，从而保证了室内空气的清洁。电动吸尘黑板擦， 在擦黑板时，不但能使黑板表面清洁，还能把所有被接触的尘灰吸进机内，避 4 免尘灰再次污染，从而起到保护工作环境的作用。自动吸尘黑板擦，使用时动 力传动黑板擦擦体在导轨引导下做紧贴黑板的横向运动，擦体两侧的擦条同时 做上下运动，将黑板上的粉笔字迹擦去。集尘式快速清洁黑板刷，长度和黑板 的高度一样，宽略比一般的黑板刷宽几厘米，挂在黑板上，可自由滑动，集尘 一次性把黑板上的粉笔灰擦干净。防尘清洁黑板，由黑板一块、有小孔的铝合 金挡板、一个装粉笔的长方形槽、两个铝合金扣组成。 1.3.5 卫生黑板卫生黑板 使用时把粉笔安插在粉笔槽内，为师生使用提供便利，板面底边的粉笔槽 可收集师生在板面书写粉笔字所掉落的粉笔灰。具有粉笔灰收集装置的组合式 黑板，包括黑板外框，固定板面 a，固定板面 b，活动板面和集尘装置等。便 于携带提取粉笔的黑板擦，盒体的下部装有刷体，盒体上部有一盒盖，盒盖和 盒体一边铰链连接，盒体和盒盖的另一边接触边分别都装有磁铁。自动清洁黑 板，有板面接灰槽，接灰槽安装在板面下方，板面上端设置储水管，储水管下 部安装指向板面的喷嘴，板面两侧安装可摆动的清洁刷。 1.4 本设计的内容本设计的内容 自动清洁黑板擦选用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中的曲柄相连，而 曲柄滑块中的滑块一端与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与 黑板擦相连。黑板擦固定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用 菱形架的伸缩性来实现黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。 当擦完黑板，黑板擦是停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。 黑板擦的周围是密封圈，同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶，在黑板擦的右下 边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒 掉里面的粉尘。 5 2 方案的确定方案的确定 2.1 可行的几种方案可行的几种方案 2.1.1 无尘黑板擦无尘黑板擦 现在学校普遍使用的黑板擦，结构十分简单，仅有擦去黑板上粉笔字的单 一功能。这种黑板擦带来的结果是粉笔灰在教室内四处飞扬，造成教室内环境 污染，给教师和学生带来诸多不便。无尘黑板擦就是针对这一问题，提供一种 可防止粉笔灰四处飞扬的无尘黑板擦。 无尘黑板擦采用如下技术方案：该黑板擦包括接粉盒，其结构要点是接粉 盒的支架上设置有黑板擦，黑板擦的正面设置在接粉盒内；黑板擦的正面为海 绵体，海绵体的中间具有凹槽，黑板擦的背面为把手，设置在接粉盒外。无尘 黑板擦的有益效果黑板擦的正面为海绵体，而且海绵体的中间具有凹槽，在黑 板擦擦黑板的过程中，粉尘为海绵体吸收，还可存在凹槽中；另外，用后的黑 板擦可存在接粉盒内，避免了粉笔的粉尘四处飞扬。图 2-1 是本黑板擦的结构 示意图。 图图 2-1 黑板擦的结构示意图黑板擦的结构示意图 具体实施方式：黑板擦包括接粉盒 1，接粉盒的支架 2 上设置有黑板擦 4， 黑板擦 4 的正面，设置在接粉盒 1 内；黑板擦 4 的正面为海绵体 6，海绵体中 间具有凹槽 5；黑板擦 4 的背面为把手 3，设置在接粉盒 1 外。 使用时，把手 3 从接粉盒 1 拿取黑板擦 4 后，擦黑板上的文字；粉笔的粉 6 尘为海绵体吸收，同时也落于凹槽 5 内；擦完黑板后，黑板擦 4 置于接粉盒 1 上，轻轻敲动黑板擦 4，粉笔的粉尘就会落到接粉盒 1 内。 2.1.2 防尘黑板防尘黑板 这种黑板擦不但能将黑板清洁干净，特别是防止了擦黑板过程中粉尘飞扬 到保护老师及学生健康的目的。该黑板擦的目的是通过下述技术方案达到的。 其结构要点是：它是由一组带有轨道的边框，一个滑轮支架和活动黑板擦所组 成。上下边框设有轨道，左边框可拆卸，右边框设有带阀门的矩形方框，矩形 方框的上表面钻有许多小孔，活动黑板擦设有两块，右边黑板擦主要是擦的作 用，左边黑板擦主要起吸水作用，中间设有隔板，防止冲洗时水冲到左边黑板 擦上，活动黑板擦装在滑轮支架上，滑轮支架装在轨道之间。 该黑板擦具体实施时，滑轮支架靠滑轮两边设有的平行通道。右边框设有 一个排污孔，及带阀门的进水孔。 该黑板擦与现有技术产品相比，它通过固定墙上的轨道与装在滑轮支架上 的活动黑板擦相结合，滑轮支架在轨道上移动时，使黑板擦上海绵与黑板相摩 擦，擦去黑板上的粉笔字。当移动至最右端时，开启进水阀门以清除黑板擦上 的粉灰。它克服了现有黑板擦在擦黑板时留有痕迹，且擦的过程中粉尘飞扬， 影响老师与学生的身体健康，具有使用方便，可拆卸，自动清洁，黑板清洁彻 底，无粉尘飞扬，是现有黑板擦的更新换代产品。对该黑板擦的几点说明： （1）活动黑板擦两边之杆之间距离与滑轮支架的平衡通道之间的距离相一 致； （2）活动支架轮上下之间的距离与上下边框轨道之间的距离要求配合好， 防止过松及过紧； （3）右边框表面与黑板面在同一面上，清洁空间的宽度与右边黑板擦到滑 轮支架右框之间的距离相一致，以使右黑板擦能进入清洁空间里； （4）安装时边框之间的连接部位，以及与墙面连接处，要进行防漏处理， 以防污水流出； （5）活动黑板与滑轮支架，从左向右移动时，活动黑板擦左边与滑轮支架 左边在不碰撞的情况下，距离应尽量的小，同时，从右向左移动时，滑动黑板 右边框与滑轮支架的右边框在不碰撞的情况下距离应尽量的小； 7 （6）滑轮支架及活动黑板擦在移动的过程中，滑动支架，活动黑板擦非海 绵部分不得与黑板接触、摩擦，只能是黑板擦上的海绵与黑板接触摩擦，以防 黑板划伤； （7）活动黑板擦海绵的大小比所装位置的空间要大，这样是为了让海绵紧 固在上面，并且一部分海绵能留在外面。 2.1.3 自清洁黑板自清洁黑板 自动清洁黑板擦选用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中的曲柄相连，而 曲柄滑块中的滑块一端与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与 黑板擦相连。黑板擦固定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用 菱形架的伸缩性来实现黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。 当擦完黑板，黑板擦是停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。 黑板擦的周围是密封圈，同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶。在黑板擦的右下 边有一个总的出口，用来把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒 掉里面的粉尘。 2.2 自动清洁黑板擦方案的选择自动清洁黑板擦方案的选择 2.2.1 所属技术领域所属技术领域 本黑板擦是一种新型设计的实用装置，尤其是能在擦完黑板后防止粉尘四 处飞扬。 2.2.2 背景技术背景技术 国内外普遍采用手工擦黑板的方法，由于人工擦黑板的技术有限，擦完的 黑板也达不到预期的效果，而且每次擦完黑板教室里都粉尘到处飞扬，也就是 说，手工擦黑板擦一次就污染教师环境一次，而且劳动强度比较大，这样落后 的擦黑板方法和手段难以满足我国的教育事业发展的需要。 2.2.3 发明内容发明内容 为了克服现有传统手工擦黑板方法擦黑板的质量和劳动强度大的不足，本 实用新型提供一种自动清洁黑板擦，该设备不仅能擦干净黑板，防止粉尘飞扬， 8 而且大大减轻使用者的劳动强度，提高效率。 本实用新型设备解决其技术问题所采用的技术方案是：自动清洁黑板擦选 用电动机来驱动。电机轴与曲柄滑块中的曲柄相连，而曲柄滑块中的滑块一端 与菱形架的三角顶端相连，然后菱形架机构的另一端与黑板擦相连。黑板擦固 定在黑板上下的两滑道上面，可以进行左右滑动，利用菱形架的伸缩性来实现 黑板擦在黑板面的左右移动，清除黑板面擦拭的死角。当擦完黑板，黑板擦是 停留在最左边的，当需要擦拭时，再让它做进给运动。黑板擦的周围是密封圈， 同时还在黑板正面装有吸尘的扇叶，在黑板擦的右下边有一个总的出口，用来 把粉尘吸到积尘盒里面，当积尘盒满了再把它打开倒掉里面的粉尘。 本实用新型的有益效果是，在擦黑板的过程中完成清洁和和防尘的作用， 擦干净黑板的同时，减轻使用者的劳动强度，提高效率，整机结构简单。 下面结合原理图 2-2 对本实用新型进一步说明。在黑板一端固定一个电机， 通过曲柄摇杆机构连接到菱形架一端，电机带动菱形架伸缩，进而实现黑板擦 在竖直面上的往复擦拭。 图图 2-2 最终方案原理图最终方案原理图 2.3 小黑板擦的方案确定小黑板擦的方案确定 2.3.1 简图简图 根据上述计算所得，决定选用 12v 500 转直流减速，同时配用加厚磁铁行 星减速箱电机和直径为 9.5mm 的毛刷，其实物图见图 2-3，图 2-4。 2.3.2 小黑板擦的结构及工作情况简介小黑板擦的结构及工作情况简介 9 小黑板擦的结构是大黑板擦的其中一个，使毛刷和小电动机的轴连在一起， 当电机转动时，毛刷跟着转动，从而与黑板面接触进行擦除黑板字迹的功能， 小黑板擦的周围也是带密封装置的，它也可以防止在擦黑板时粉笔灰四处飞扬。 图图 2-3 减速电机实物图减速电机实物图 图图 2-4 毛刷实物图毛刷实物图 10 3 自动吸尘清洁黑板擦的设计计算自动吸尘清洁黑板擦的设计计算 3.1 电机的选择电机的选择 经试验作用在黑板面上的应力，则它所需要的压力pa52.118 ,所需电动机的输出功率为 ,则电naf20375 . 0 45 . 0 52.118kwpw6 . 0 动机所需功率为，查机械设计常用元器件手册 695 页表kw p p w d 67 . 0 9 . 0 6 . 0 4-1，选用 y802-4 电动机，功率，转速。kwp75. 0min1390rn 3.2 机构的设计机构的设计 3.2.1 材料的选择材料的选择 本黑板擦所需的机架杆件是由长和宽分别为 20mm5mm 铝材方形铝条加 工而成，理论质量为 1.120kg/m，其密度小，重量轻，密度仅为 2.7g/cm3，除 拥有良好的塑性及加工性能外，还拥有良好的力学性能、可回收性、以及较高 的耐磨性，能承受机构变形时所产生的压力。 3.2.2 菱形架几何尺寸及自由度设计计算菱形架几何尺寸及自由度设计计算 主要组成部分是由八根长 为 320mm 的铝条和两根长为 170mm 的铝条组装 而成，如图 3-1，根据自由度的计算公式： （3-1） hl ppnf23 1 其自由度计算为：138390)316(2133 1 f 图图 3-1 菱菱形形架架机机构构机机构构示示意意图图 11 3.2.3 曲柄滑块几何尺寸及曲柄滑块几何尺寸及自由度自由度设计设计计算计算 曲柄滑块机构的设计是根据已知条件来确定机构各构件的尺寸，其可以归纳 为两种基本类型。 实现给定的运动规律,实现给定的运动轨迹。 根据曲柄滑块机构的这两种基本特性，再联系所需要的运动机构的运动轨迹， 利用曲柄滑块机构的运动确定性，带动菱形架的一个点为动点对菱形架的伸缩进 行控制，从而实现黑板擦随菱形架的伸缩带动黑板擦对黑板面的字迹进行擦拭。 设计的该曲柄滑块机构由曲柄70mm 和连杆200mm 两根材料相同的铝条和 一个滑块，加以用活动铰链构成。 从而连接成一个曲柄滑块机构，如图3-2。根据自由度的计算公式： （3-2） hl ppnf23 1 其自由度计算为： 18904233 1 f 图图 3-2 曲曲柄柄滑滑块块机机构构示示意意图图 3.2.4 曲柄滑块的运动分析与力学计算曲柄滑块的运动分析与力学计算 图图 3-3 曲柄滑块机构运动示意图曲柄滑块机构运动示意图 12 （1）对心曲柄滑块机构运动分析由图 3-3，可得任意时刻滑块运行距： )cos1()cos1(coscoslrlrlrs 且 sinsinrl 所以 sinsinsin l r )( l r 所以 222 sin1sin1cos 22 sin 2 1 1 且 )2cos1 ( 2 1 sin 2 所以 )2cos1 ( 4 1 1cos 2 所以有滑块运行距离： )2cos1 ( 4 1 )cos1 ( )2cos1 ( 4 1 )cos1 ( )2cos1 ( 4 1 )cos1 ( 2 r r l r lrs 滑块速度 v 为： t2sin 2 1 tsin2sin 2 1 sin 2sin2 4 1 sin l r rr r dt d d ds dt ds v 滑块加速度为： 13 ) tcost(cos)2cos(cos 22 l r rr dt d d dv dt dv a 经实验求滑块的最大行程，则取 =180，已知 r=6cm，l=12cm，代入数据 得 smax=12cm 通过求解以上优化问题即可得到 min =30m/s 则产生的最小力为 f=mmin =1x30=30n 而黑板擦所需拉力 ft=25n 所以 fft 满足所需条件 （2）曲轴扭矩理论计算 对曲柄滑块机构做受力分析，在任一时刻滑块、压杆受力情况如图 3-4 所 示。 图图 3-4 滑块、压杆受力图滑块、压杆受力图 对滑块做力平衡分析有： cos p pab 曲柄处转矩为 1 1 m p m ab 其中力臂 sin 1 rm 14 又 )2sin 2 (sin cossinsin1sinsincoscossin)sin( 22 （3）曲柄滑块动力学特性 图 3-5 为曲柄滑块机构的受力分析示意图。 图图 3-5 曲柄滑块机构受力分析示意图曲柄滑块机构受力分析示意图 从曲柄 r 传到连杆 l 上的力与滑块发出的压力之间，存在如下关系： pcp （3-3） ppccos 曲柄颈 a 处，沿半径方向的力和的关系： prpc = （3-4） prpc )cos( 将上两式联立，可得到： = （3-5） pr cos/ )cos( p 曲柄颈沿 r 方向承受与力大小相等的压力。曲柄颈沿圆周方向所受切线 pr 力与半径 r 的乘积，就是转矩 t。 pt t=r （3-6） pt 根据图 3-5 可知： （3-7）)sin(p p ct 将（3-3） 、 （3-6）式代入（3-7）式，则 15 （3-8）rpt*cos/ )sin( 从上式求出 p： （3-9）rtp/1*)sin(/cos 一般曲柄连杆机构 l4r，所以，可将 l 看成比 r 大很多，即 lr ，这时， 角趋近于零。则上式可以写成： （3-10）)sin/(rtp 按平面几何圆部分的勾股定理，可以导出 ，将(3-10)代入式中，则得：rrsr s sr r /2/sin 2 2 2 )( （3-11）)1/2/(srstp 3.2.5 凸轮机构的设计凸轮机构的设计 选用盘形凸轮的材料采用 40cr 钢（经表面淬火，硬度为 4045hrc） ，用 凸轮的远程和近程所运动的距离不同来来控制毛刷与黑板面的接触与分离，以 便能够实现部分擦除和整体擦除的功能。三维造型图如图 3-6 所示。 图图 3-6 凸轮结构三维图凸轮结构三维图 （1）凸轮升程数据 从动件半径（mm）：设定从动件半径，用来轮廓计算和测定； 凸轮基圆直径（mm）：设定凸轮基圆直径，可以用此数据微调凸轮尺寸， 因为没有凸轮的长径尺寸； 角度升程值（mm/deg）：以凸轮顶点转 180 为 0，只输入有增量的两个 角度之间（90270）的增量数据，每隔 1 进行设定（机内密化系统） ，最后制 16 成升程表，见表 3-1。 表表 3-1 凸轮轴凸轮升程表凸轮轴凸轮升程表 028.38728.3874122.58024.3028221.72221.865 128.38428.3844222.49724.1498321.71521.855 228.37528.3754322.42224.0008421.71021.846 328.35928.2614422.35323.8558521.70621.837 428.33728.3414522.29223.7148621.70321.827 528.30728.3154622.23723.5788721.70121.818 628.27128.2854722.18823.4478821.80821.808 728.22628.2494822.14523.3228921.79921.799 828.17328.2084922.10823.2029021.78921.789 928.11228.1625022.07723.0879121.78021.780 1028.04028.1115122.04922.9799221.77121.771 1127.95828.0545222.02722.8769321.76121.761 1227.86427.9935322.00722.7799421.75221.752 1327.75727.9275421.99222.6899521.74221.742 1427.63427.8565521.97922.6049621.73321.733 1527.49227.7805621.96822.5259721.72521.725 1627.32727.6995721.95822.4539821.71821.718 1727.13327.6135821.94922.3869921.71321.713 1826.90727.5225921.93922.32510021.70821.708 1926.65727.4266021.93022.27010121.70421.704 2026.39527.3266121.92022.22010221.70221.702 2126.12927.2206221.91122.17510321.70021.700 2225.86527.1096321.90122.136 2325.60626.9936421.89122.102 2425.35526.8726521.88222.072 2525.11326.7466621.87222.046 2624.88126.6166721.86322.025 2724.65926.4806821.85322.006 2824.44726.3406921.84321.991 2924.24526.1967021.83421.979 3024.05426.0487121.82421.968 3123.87325.8967221.82521.959 3223.70225.7417321.805821.949 3323.54225.5837421.79521.940 3423.39025.4237521.78621.930 3523.24825.2627621.77621.921 由于在升程段廓形圆形滚珠与廓形的切点 d1，d2 都不在滚珠与凸轮的连 17 心线上，而磨床砂轮必须磨出 d1，d2 点来，它的半径又远远大于滚珠半径， 所以必须通过计算得出凸轮廓形（d1，d2）坐标，再换算成砂轮中心的坐标， 作为磨床砂轮横向进给的依据。 （2）包络线理论 设想凸轮不转，滚柱回绕凸轮旋转，则滚柱外形形成一个圆的曲线族，凸 轮廓形实际是它的内包络线。如图 3-7，以 h 表示滚柱与凸轮轴心距，则 h=f（ ） ，以为滚柱半径，则圆的一般方程为： r f （3-12） 222 )sin()cos( r rhyhx 因为 h 也是的函数，此式可写成隐函数形式 f（x，y，）0，这里 为参变量，改变值可得不同的方程式。 图图 3-7 凸轮廓形图凸轮廓形图 曲线族中的各点斜率，据微分学，可写成： （3-13） y f x f d d x y 还可以进一步写作： （3-14） 0 d d y f d d x f y x 包络线既与曲线族相切，其上各点应与曲线族上各切点斜率相等，故也应 满足公式（3-14） 。 曲线族方程 f（x，y，）=0 的全微分为： 0 d f d y f d x f df yx （3-15） 18 即： （3-16） 0 d f d y f d x f yx 包络线上各点既是曲线族里的点，其斜率又应满足公式(3-14)，将（3-14） 、 （3-15）式联立，可得： （3-0 f 17） 即包络线方程，解此式得出以表示得 x、y 值，即包络线上的各点坐标。 （3）凸轮廓形坐标 滚柱曲线族方程的隐函数形式 0)sin()cos( 222 r rhyhx 将此式对微分后使 0 f 解出 x、y 值为 （3-18） sincos cossin 1 cos d d h d d h r hx h h f sincos cossin d d h d d h d d hx y h hh 由于求曲线族的内包络线，故式（3-18）中正负号应取负号。 计算中微分以差分代替，即表列函数中若对应于，则取 d dh n h n 11 11 nn nnh hh d d 表 3-2 为 c 语言编程计算凸轮轴、两面的坐标值为、值。 1 y 2 y c h c 表表 3-2 凸轮的凸轮的、值值 c h c 19 1 y 2 y c c h c c h c c h c c h 1.561148.38254.642141.9991.561148.38263.823142.299 3.169148.36855.205141.9883.076148.36964.134142.270 4.778148.34255.765141.9804.591148.34863.823142.239 6.435148.30556.514141.9706.154148.31664.134142.205 8.092148.25657.326141.9617.624148.27864.888142.184 9.798148.19458.200141.9529.09565.159148.234142.162 11.599148.11459.201141.94310.615148.18065.476142.138 13.356148.02160.202141.93312.089148.11965.844142.120 15.256147.90561.202141.92413.565148.05266.141142.101 17.251147.76462.603141.91415.090147.97466.491142.081 19.296147.59863.203141.90516.571147.89166.894142.066 21.484147.39564.267141.89518.007147.80467.229142.053 23.857147.14665.205141.88519.492147.70667.557142.038 26.504146.82966.205141.87620.980147.60268.512142.023 29.460146.42567.206141.86622.472147.49068.953142.011 33.699145.74668.206141.85723.966147.37069.517142.000 26.587145.19969.271141.84725.464147.24370.142141.988 39.238144.68370.208141.83726.966147.10970.703141.980 42.699143.93071.208141.82828.425146.97271.451141.971 44.568143.50272.209141.81829.935146.82472.263141.962 45.900143.19573.209141.80931.497146.66273.200141.953 46.880142.97074.274141.79933.016146.49874.201141.943 47.610142.80575.211141.78934.540146.32675.202141.934 48.158142.68576.211141.78036.069146.14676.202141.924 48.596142.59277.276141.77037.557145.96577.139141.916 48.959142.51778.213141.76039.096145.77278.203141.906 49.288142.45279.213141.75140.642145.57079.204141.896 49.582142.39680.214141.74142.100145.37580.141141.888 49.795142.32682.023141.72545.033144.96682.206141.868 （4）砂轮的中心坐标 在廓形磨削中砂轮也可想象为绕凸轮旋转，磨削点即为滚轮于廓形的切点 d，如图 3-8，以 c 表示砂轮中心，rc 为砂轮半径，则只要求出砂轮中心的极 坐标 hc=f（） ，既可作为数控磨床的横进给数据。 c 由式（3-18）几何关系可导出： 20 （3-19） d f c dc xh r r xxcos （3-20） d f c dc yh r r yysin （3-21） 2 1 22 )( ccc yxh （3-22） c c c x y arctan 查表 3-2，取=125, =5，计算得出凸轮的、值。为了便于数控 c r f r c h c 编程，、的数值经过圆整、插补使角度为间隔 1的整数值。 c h c 图图 3-8 廓形磨削示意图廓形磨削示意图 3.2.6 磨削圆周进给量计算磨削圆周进给量计算 如图 3-7、图 3-8 所示，当磨削中凸轮以匀速旋转时，磨削点 d 沿廓形移 动的弧长式变化的，以 s 表示弧长，则当不变时，有很大的变化，造成 t d d t s d d 工件转一圈中法向磨削力和磨削热都在变化，这必然使工件弹性变量不一致而 影响廓形误差，并容易在很大处发生烧伤，现代磨床工件主轴采用交流变频 t s d d 传动，完全可以做到使工件在一转中转速不均匀，有意在其式大的部分使工件 21 转速变慢，从而减少磨削力不均匀程度以避免烧伤和廓形误差。故首先应计算 若干工件匀速旋转，沿圆周变化规律。 t s d d 图 3-8 中 d 点极坐标为、，则有 d r d 2 1 22 )( ddd yxr d d d x y arctan 而 t s t s d d d d d d d d 若=常数，即工件均速转动， t d d d d d d d d s t s 根据微分学可得： 2 1 2 d r s r d d d d d d d 仍如上文，以差分代替微分，即若对应，取 n d n d r )1()1( )1(1 ndnd ndnd d d rr d dr 即可计算各点，编程后计算得出数据如表 3-3。 d s d d 3.3 滚筒的设计滚筒的设计 选用毛毯式长 400mm 直径 30mm 的滚筒，在滚筒中间穿插一根总长 800mm 且直径为 2mm 的钢丝做成所需形状，需要弯曲成形。将其固定于黑板 擦平板的两端，再将滚筒固定在小电机固定平板上，在电机和弹簧的带动下， 使滚筒和毛刷与黑板面一起相互分离、接触。其工作原理与黑板擦除装置极其 类似。如图 3-9 所示。 22 图图 3-9 清洁装置清洁装置 表表 3-3 凸轮圆周进给量数据表凸轮圆周进给量数据表 y1y2 ns dd ns dd ns dd ns dd 223.38793122.0670223.38593123.0738 323.38873221.5662323.38483223.0223 423.39293321.1149423.38503322.9574 523.39693420.6967523.37993422.8626 623.40833520.2887623.37513522.7535 723.42593619.9037723.37233622.6294 823.44183719.5628823.36543722.4905 923.47943819.2430923.35783822.3204 1023.53503918.94711023.35483922.1218 1123.60404018.68671123.34574021.9240 1223.70734118.43851223.33124121.7123 1323.85914218.21111323.32204221.4739 1424.09604318.01851423.31214321.2251 1524.20934417.85281523.30204420.9797 1625.78864517.68131623.29174520.7255 1725.92744617.54171723.28144620.4638 1826.25284717.43441823.27154720.1968 1927.58374817.33251923.25194819.9394 2027.53814917.24482023.24234919.6998 2127.38715017.17952123.24285218.9857 2227.04625117.12302223.23315318.7582 2326.57505217.07932323.22485418.5522 2426.02265317.04332423.21805518.3646 2525.43565417.01542523.19895618.1755 2624.84085516.99612623.19485718.0071 2724.25935616.98112723.19185817.8571 23 3.4 吸尘装置的吸尘装置的选择选择 在黑板擦的擦除与吸附装置的选择中，采用了在每个小黑板擦板块的正面 等距离的安装带有电动机的毛刷，如图 3-10，并在毛刷的正面背部安装带有风 扇的吸尘装置，如图 3-11，使其粉笔灰能够在风力的带动下，从而进行灰尘的 吸附与收集。 图图 3-10 粉尘擦除装置粉尘擦除装置 图图 3-11 粉尘吸附收集装置粉尘吸附收集装置 3.5 电路控制的设计电路控制的设计 3.5.1 硬件系统的设计硬件系统的设计 全自动吸尘清洗黑板擦的硬件部分由核心控制器（单片机 at89s52） 、电 源模块、驱动模块和无线遥控收发模块组成。硬件结构示意图如图 3-12 所示。 图图 3-12 硬件结构图硬件结构图 24 3.5.2 最小系统设计最小系统设计 本作品控制系统主要以at89s52 单片机为控制核心，加以直流 减速电机、无 线收发模块、电机驱动模块、电源电路及其他电路构成，来实现控制全自动 。 它具有成本低，控制可靠简单等优点。at89s52 单片机最小系统图如图3-13 所示。 图图 3-13 at89s52 单片机小系统图单片机小系统图 3.5.3 无线收发模块无线收发模块 无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数 据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。所使用的无线收发 模块具有接受灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强等特点。为 保证系统运行稳定，采用芯片sc2262，pt2272 进行数据编解码。 sc2262 是 pt2272 与配对使用的一块遥控解码专用集成电路，采用cmos 工 艺制造，它最大拥有12 为的三态地址管脚，可支持多达531441 个地址的编码。 因此极大地减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使之匹配的可能性。 25 at89s52 单片机：主要完成待发数据的组织与处理，向sc2262、pt2272 模块发 送数据信号。 （1）sc2262 发射器电路设计如图 3-14 所示。 图图 3-14 sc2262 发发射射器器电电路路设设计计图图 （2）pt2272 接收器电路设计如图3-15 所示。 26 图图 3-15 pt2272 接接收收器器电电路路设设计计 模块的主要技术参数： 第 1 章、工作频率：315m 第 2 章、工作电压：dc5v 第 3 章、工作电流：3ma 第 4 章、工作原理：超再生 第 5 章、调制方式：ask 第 6 章、编码芯片：sc2272（pt2272、pt2294），芯片兼容 第 7 章、灵敏度：优于-105dbm（50） 第 8 章、输出信息：互锁（l）或非锁（m）或自锁（t） 第 9 章、遥控距离：20-100 米以上（此距离为配套不同发射器的开阔地实 测距离） 模块的引脚功能，接收模块的七个引脚分别为 d3、d2、d1、d0、gnd、vt、vcc，其中 vcc 为 dc5v 的供电端，gnd 为 接地端，vt 端为解码有效输出端，只要发射器的数据码有输出，vt