开题报告-风扇吸尘式无尘粉笔擦结构设计与模型制作.docx

毕业设计（论文）开题报告题 目：风扇吸尘式无尘粉笔擦结构设计与模型制作学 生： 学 院： 专 业： 学 号： 指导老师： 起迄日期： 2016.3.21-2016.4.10 设计地点： 2016年4月9日毕业设计（论文）开题报告一、文献综述1. 引言粉笔和黑板作为主要的教学工具一直使用至今，它们对教育事业的发展起到了极大的促进作用。但在黑板擦拭过程中会产生的大量粉尘。粉笔灰的主要成分是硫酸钙，化学式CaSO4，熔点1450，相对密度2.96，难溶于水，它的水合物CaSO42H2O俗称石膏(或生石膏)。人吸多了粉笔灰有可能会患肺尘埃沉着症，简称尘肺，是长期吸入有害粉尘在肺内沉着，引起的以粉尘结节和肺纤维化为主要病变的常见职业病。临床常伴有慢性支气管炎，肺气肿和肺功能障碍。肺尘埃沉着症无特意的临床表现，其临床表现多与合并症有关，如咳嗽、咳痰、胸痛、呼吸困难、咯血以及其他不同程度的全身症状，常有消化功能减退。粉笔灰的飘散，严重影响师生的身体健康。而现在传统粉笔擦具有的弊端是：(1)无法减轻粉笔灰的污染；(2)无法将黑板擦拭干净；(3)不能清除死角。前人在此基础上进行了研究改进，绝大多数采用机械、电动的方法自动或半自动的擦去粉笔字，有采用静电除尘，利用静电吸附粉尘1；有采用大功率吸尘器吸尘，把大功率的吸尘器管道和粉笔擦相连，黑板擦擦掉的粉尘直接被大功率管道吸走2；有借助汽车的雨刷装置刷擦黑板，但没有解决粉尘随处飘的问题；有把黑板擦固定在导轨上，利用导轨的上下和左右移动来擦除粉笔灰，但也没解决粉尘四处飘散的问题，达不到保护教师、学生免受粉笔灰之苦的效果；有些不能实现局部的擦拭；有些可以吸尘，但这类吸尘粉笔擦价格较贵，且结构比较复杂。为降低教学过程中粉尘的产生，本课题旨在研究出一种新型粉笔擦，通过对传统粉笔擦内部结构进行改进，利用吸尘功能将擦黑板过程中的粉尘自动吸入到吸尘装置中，最终保障师生的身体健康。2. 国内外研究现状随着现代工业的发展和人们生活水平的逐步提高，吸尘器已经在工业部门、教育场所及家庭生活中得到普遍应用。电动粉笔擦吸尘器为真空吸尘器的一类。真空吸尘器是利用高速风扇在强力抽吸时所造成的负压，把粉尘清除掉的一种电器，是现代办公、学校等场合清扫工作的理想器具3。1964年松下电器产业株式会社的鹰野和沼田在东京奥林匹克运动会期间研发成功并推出了第一代电动粉笔擦吸尘器，经过四十余年的发展，电动粉笔擦吸尘器已有三次大的改进,至今该公司的电动粉笔擦吸尘器销量余百万台。目前,在欧美日等国教育系统中广泛使用的粉笔擦吸尘器有松下电器产业株式会社的第三代产品M C -330E(图1(a)，日立株式会社的日立CV-6J(图1(b)，美国Claridge Products and Equipment,Inc.的Electric-Powered Eraser Cleaner(图1(c)和美国: GBC Office Products Group的Little Giant Eraser Cleaner(图1(d)。（a） （b）（c） （d）图1 国外知名公司的电动粉笔擦吸尘器我国的教育系统仍主要采用传统黑板-粉笔擦-粉笔构架模式。粉笔灰尘问题是传统黑板-粉笔擦-粉笔构架中普遍存在的问题。统计分析表明，粉笔粉尘的90%来源于粉笔擦的积累粉尘的飞扬与粉笔擦清灰过程的粉尘飞扬，粉笔擦在清除黑板过程中摩擦起尘仅占10%，因此，清除粉笔擦上积累的粉尘具有现实的意义。粉笔灰尘问题影响了教育系统广大师生的身心健康，亦影响了使用场合的公共环境卫生(图2)。近20年来，我国科技工作者对传统黑板-粉笔擦-粉笔构架及其组成中的黑板、粉笔擦亦试图作较多的改进，出现了若干设想和设计，如无尘粉笔、无尘黑板、电动粉笔擦等4。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。上述美国日本公司的电动粉笔擦吸尘器在技术上已经成熟并亦在国外发达国家教育系统广泛应用。但是上述电动粉笔擦吸尘器结构比较复杂，价格昂贵(每台数百美元)，在我国难以推广应用5。目前粉笔擦外壳有塑料和铝材两种，分别用注塑和折弯成型，都是需要模具的大批量生产，由于本课题所设计的粉笔擦是新款产品，属于新产品单件生产，适合单件生产的生产方式。单件生产的方式有塑料数控切削、3D打印。图2 粉笔灰尘问题严重影响广大师生的身体健康塑料数控切削：塑料件一般采用直接成型的生产方法，但有些塑料件直接成型困难或对单件小批量生产时，可以进行切削加工。塑件的切削加工一般采用加工金属的设备。由于塑料件的性能和金属件相差较大，且塑料品种繁多，其种类不同性能也有较大差异，所以塑料件的切削加工有其自身的特点。通过查阅资料，与金属材料切削研究相比，国内外对于塑料材料的切削研究较少，特别是粉笔外壳的切削研究更是很难查到。塑料材料种类多、性能也有较大差异，对不同塑料材料切削时的切削参数也会有区别。所以本产品不采用这种加工方式。本文的无尘粉笔擦的外壳打算采用现在比较流行的加工方法3D打印。3D打印（3D printing，又称三维打印）是一种快速成形技术，它以数字化模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体。由于其在制造工艺方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生产工具”。3D打印技术早在20世纪90年代中期就已出现6，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。经过20多年的发展，该技术已更加娴熟、精确，且价格有所降低。目前，3D打印技术已经应用到许多学科领域，工程师和工业设计师利用3D打印将设计方案转换为原型并测试；外科医生使用3D打印制作器官模型以协助策划复杂的手术方案；考古学家和博物馆的技师利用3D打印制作珍贵文物的复制品，并在此基础上开展研究7，这样的创新应用正不断进入大众的视野。目前，3D打印已应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域,可替代这些领域所依赖的传统精细加工工艺8。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为其开拓了更广阔的发展空间9。表1 各类粉笔擦之间的比较 粉笔擦比较项目普通粉笔擦静电式粉笔擦吸尘器式粉笔擦小电机+电扇式粉笔擦湿毛毡式粉笔擦原理通过擦拭材料直接吸附粉笔灰通过高压产生静电，粉尘在高压下的静电感应，带电产生静电吸附于高压电极主要是利用吸尘器的吸尘功能与粉笔擦相结合，使粉笔灰积尘储存于积尘箱里利用电机带动电扇旋转，使粉笔擦内外产生气压差，通过气流的流动，把粉笔灰吸入积尘盒内储存通过湿毛毡吸附原理，使粉笔灰牢牢的粘在擦拭部分尺寸最小较大很大较小较小粉尘附着情况不牢固，附着于擦拭材料上较牢固，附着于高压电极上牢固，储存在专门的积尘箱里较牢固，储存在内嵌的积尘盒里较牢固，附着于湿润的毛毡上擦拭效果中优优良良扬尘情况明显不明显不明显不明显不明显价格约3-10元约100-200元约500-1000元约50-100元约30-60元优点结构简单，价格低廉，材料易获得，易于制作除尘效果好，无噪音，体积较小除尘效果非常好，完全不会有粉笔灰的飘散利用电机带动电扇旋转，使粉笔擦内外产生气压差，通过气流的流动，把粉笔灰吸入积尘盒内储存结构较为简单，粉尘吸附率高，不需要任何附加能源，材料易获得，便于制作缺点除尘效果较差，粉笔灰易飘散电路复杂，使用寿命短，不安全价格昂贵，需要使用市电，噪声较大，体积较大储存粉尘的能力较差，粉尘易于从粉笔擦内部飘散出来擦拭完黑板后，要待黑板干后，才能继续书写，影响教学进度与传统制造技术相比，3D打印不必事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，因此，在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源10。3D打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，也适合于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程等。因此，3D打印产业受到了国内外越来越广泛的关注，将成为下一个具有广阔发展前景的朝阳产业。3D打印技术的快速发展使其成为近几年国内外快速成形技术研究的重点11-12。目前，美国、欧洲和日本都站在21世纪制造业竞争的战略高度，对快速成形技术投入了大量的研究，使3D打印技术得到了迅速发展13。3. 参考文献 1 康易超, 钟寿仙, 林春丹, 等. 高压静电吸附除尘新型板擦的研制J. 大学物理实验, 2014, 27(4): 84-87.2 袁湘月, 年兴, 朱怡霖, 等. 新型除尘黑板擦的研究与改进J. 机电产品开发与创新, 2012, (7): 50-51.3 林栋. 一种无尘粉笔擦的设计研究J. 科技传播, 2016, 1(下): 197-198.4 胡震禹, 万卉. 新型电动黑板擦吸尘器的研制J. 中国现代教育装备, 2008, 10: 41-43.5 姜文涛, 侯启龙, 侯泉. 吸尘黑板擦的设计J. 科技传播, 2012(8): 73-76.6 Walters P, Davies K. 3D printing for artists: research and creative practiceJ. Journal of the Norwegian Print Association, 2010, (1): 12-15.7 Tim Owens. 7 things you should know about 3D printing EB/OL. EB/OL. /ir/library/pdf/ELI7086.pdf. 8 李小丽, 马剑雄, 李萍, 等. 3D打印技术及应用趋势J. 自动化仪表, 2014, 35(1): 1-5. 9 刘厚才, 莫建华, 刘海涛. 三维打印快印快速成形技术及其应用J. 机械科学与技术, 2008, 27(9): 1184-1186.10 Scan E M. Three-dimensional printing technique: US patent, No.5204055P. 1993.11 王雪莹. 3D打印技术与产业的发展及前景分析J. 中国高新技术企业, 2012, 26:3-5.12 王忠宏, 李扬帆, 张曼茵. 中国3D打印产业的现状及发展思路J. 经济纵横, 2013, 01: 90-93.13 刘光富, 张曙. 快速成形制造技术的发展与展望J. 制造业自动化, 2002,24(6): 1-4.2、 研究（或设计）内容1. 工作原理根据表1各类粉笔擦的对比，该设计弥补了小电机+风扇式粉笔擦和湿毛毡式粉笔擦的缺点，本产品是两者的结合体。主要利用底部绒毛材质的擦拭材料让粉尘从黑板上掉落下来 ，通过电机带动风扇转动，使粉笔擦内外部形成压力差 ，产生强大的向后气流，粉尘在气流的带动下被吸入粉笔擦中部积尘盒里。积尘盒内腔表面布上了一定厚度的吸尘海绵，它能牢牢吸附被吸进积尘盒的粉笔灰，使粉笔灰不至于又从进口飘散出来，积尘盒里还有给吸尘海绵补水的装置，使海绵一直保持湿润状态，增强海绵的吸尘能力。安装在集尘盒内部上方的过滤网把粉笔灰留在盒内，空气从过滤网排除。当粉灰尘累积到一定程度后将将积尘盒外壳打开，把整个积尘盒拿出来清洗。无尘粉笔擦的原理如图3。图3 无尘粉笔擦工作原理图2. 组成擦拭部分：毛毡条、固定板等。吸尘装置：电动机、风扇、电池盒、充电电池、开关、电线、外壳、指示灯、充电口等。积尘装置：吸尘海绵、积尘盒、粉尘过滤片、空气过滤片、外壳等。保湿补水装置：小型可封闭集水器、引流导管、导管夹层外壳、开关等。辅助固定材料：螺钉、防水胶、502胶等。三、研究（或设计）方案1. 结构的总体设计无尘黑板擦由擦拭部分、吸尘装置、积尘装置、保湿补水装置四部分组成，图4无尘粉笔擦结构图，图5无尘粉笔擦三维模型14是一款无尘粉笔擦的设计图，本产品是上述产品的改进，主要是对积尘装置的改进，在积尘盒里的内壁贴上吸尘海绵，提高了吸尘率，减少了粉尘的溢出。而且本产品还增加了一个保湿补水装置给吸尘海绵保湿，进一步提高了产品的吸尘率。各部分都是独立的模块，每个模块之间的连接是通过螺钉锁紧的。如果有模块坏了，便于更换模块或检修。图4 无尘粉笔擦结构图 图5 无尘粉笔擦三维模型（1）擦试部分擦拭部分采用绒毛材料 ，该材料的擦拭效果好 ，使用时能比较有效擦去黑板上的粉笔痕迹。比如：毛毡。使用502胶把毛毡条按图5的排列方式贴在固定板上，固定板通过螺钉锁在积尘盒外壳的下底面，固定板上有个大孔与积尘盒和积尘盒外壳底面的大孔相对的，那是吸尘的入口。（2）积尘装置的设计积尘装置由吸尘海绵、积尘盒、粉尘过滤片、空气过滤片、外壳等组成。粉尘过滤片要求有比较好的通气性能 ，同时还要能够将粉尘吸进 ，而且不能使粉尘把孔洞给堵了，因此选用使用塑料做成的孔洞较大的网状结构，它的作用是使大部分的粉尘可以通过孔洞，而且使一些团聚起来的粉尘不至于掉出来，便于粉尘的统一处理。空气过滤片采用双层吸尘海绵 ，主要起使空气流通，抑制粉尘进入吸尘装置，影响电机工作，也为了防止粉尘飘出粉笔擦，降低除尘的效果。积尘盒内侧壁也粘上一层除尘海绵，而且保湿补水装置，使海绵一直保持潮湿状态，提高海绵对粉尘的吸附率，使粉尘不容易从进口飘出积尘盒，最终让粉尘留在积尘盒里。当灰尘累计到一定程度后便可打开积尘盒外壳，积尘盒外壳内部侧面有导轨，积尘盒可以很容易的拉出来清洗，该机构是模仿抽屉而得到的。（3）吸尘装置的设计吸尘装置由电动机、扇叶、电池盒、充电电池、开关、电线、外壳等组成。打开开关后电动机带动扇叶旋转 ，产生极强的吸力 ，使积尘盒内外产生有效的压力差 ，从而形成了较强的气体流动，气体流动带动了粉尘的流动。最终将灰尘吸入到积尘盒内储存。（4）保湿补水装置的设计保湿补水装置由小型可封闭集水器、引流导管、导管夹层外壳、开关等。把导管夹层用螺钉锁在积尘盒外壳上，用于保护导管的分布，导管的总接口与小型封闭集水器相连，总接口与各分导管相连呈放射状，靠近总接口的出水口选用细一点的导管，远离总接口的出水口选用粗一点的导管，使各内侧的海绵的湿润程度基本相同。提高海绵对粉尘的吸附率，使粉尘不容易从进口飘出积尘盒，最终让粉尘留在积尘盒里。2. 性能特点该无尘粉笔板擦通过手动擦除黑板字迹，同时由吸尘装