多自由度繪圖黑板設(shè)計(jì)說(shuō)明書定稿

1、1 作品設(shè)計(jì)背景及意義1.1作品設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活中的每個(gè)角落都有機(jī)器的影子。人們?yōu)榱藢で笊钪械暮?jiǎn)便，總是在創(chuàng)造新的機(jī)器來(lái)服務(wù)于自身的生活。工業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、國(guó)防現(xiàn)代化、科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化，我國(guó)在各行各業(yè)都在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，現(xiàn)代教學(xué)課堂也需要現(xiàn)代化。電腦的普及，開(kāi)創(chuàng)了信息化時(shí)代，教學(xué)投影儀的普及，開(kāi)創(chuàng)了教學(xué)的信息化時(shí)代。優(yōu)化教學(xué)課程，創(chuàng)造新型教學(xué)教具，是現(xiàn)代教育教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)?；诂F(xiàn)代優(yōu)化機(jī)械教學(xué)課堂，創(chuàng)造新型教學(xué)教具這一新趨勢(shì)，出現(xiàn)了許許多多的教具，現(xiàn)如今已存在了很多教具，例如：四桿演示機(jī)構(gòu)、齒輪演示機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)智能化黑板擦等。雖然目前創(chuàng)新型教具比較多，但是在教學(xué)中教具

2、還存在的很多空白。為了彌補(bǔ)現(xiàn)代機(jī)械教學(xué)中的教具存在的空缺，現(xiàn)做出一種教具的設(shè)計(jì)空間可變換角度的多自由度繪圖黑板。黑板并非特指黑色的板面，傳統(tǒng)意義上講是它一個(gè)可以反復(fù)書寫的平面，板面堅(jiān)硬，主要于教學(xué)。黑板從最早的用黑色涂料涂抹在木板，水泥等堅(jiān)硬物體表面，到九十年代的水磨玻璃，現(xiàn)在的彩涂鋼板，復(fù)合材料板.見(jiàn)證了世界教育事業(yè)的一步步發(fā)展，為人類傳播知識(shí)，普及教育，立下了汗馬功勞?？臻g可變換角度的多自由度繪圖黑板方案的提出來(lái)自教學(xué)課堂，所以通過(guò)教學(xué)課堂所學(xué)課程知識(shí)對(duì)其加以解決。通過(guò)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖等課程，了解到通過(guò)鉸鏈連接的多自由度原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)；通過(guò)滑塊機(jī)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)平行、垂直移動(dòng)。

3、空間可變換角度的多自由度繪圖黑板對(duì)現(xiàn)代教學(xué)課堂是一種革新?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)黑板相對(duì)角度，進(jìn)而改變黑板的視覺(jué)效果，使坐在教室旁側(cè)的學(xué)生也能夠看清楚黑板上的教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)增加兩個(gè)滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平、垂直圖形繪制，可繪制黑板平面內(nèi)任意直線。通過(guò)一中心定位銷，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓的繪制。當(dāng)非繪圖教學(xué)時(shí)，可將各繪圖工具移至黑板一側(cè)。1.2現(xiàn)有的教學(xué)黑板目前的教學(xué)黑板主要有：（1）一種是固定在墻壁上的平面黑板，簡(jiǎn)稱貼壁固定平面黑板。如圖1圖1貼壁固定式黑板其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易裝配，占用空間小，造價(jià)較低。其缺點(diǎn)是：黑板在空間和平面內(nèi)均不可動(dòng)，且板面與墻面平行，很大程度上影響觀看黑板的視覺(jué)效果。（2）一種是固

4、定在墻壁上的中間凹左右兩邊凸的黑板，簡(jiǎn)稱貼壁固定式弧形黑板。如圖2圖2貼壁固定式弧形黑板其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：黑板中間凹進(jìn)去，左右兩邊凸出來(lái)，黑板整體成弧形，固定在墻壁上。且結(jié)果簡(jiǎn)單，占空間較小，在一定程度上可以防止光照反射。其缺點(diǎn)是：因?yàn)檫@種黑板是固定在墻壁上不能移動(dòng)，防止光照反射的效果還是不夠理想。另外在弧形的黑板面上繪圖不方便而且畫出來(lái)的圖也不夠標(biāo)準(zhǔn)。（3）有一種是在安裝了固定導(dǎo)軌框架的墻壁上平行移動(dòng)的黑板，簡(jiǎn)稱導(dǎo)軌框架可移動(dòng)黑板。如圖3圖 3 導(dǎo)軌框架可移動(dòng)黑板 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在墻壁上安裝滑軌框架，再將多塊較小裝有滑輪的黑板安裝在滑軌框架上組成一個(gè)大黑板，各塊小黑板可以再導(dǎo)軌中滑動(dòng)。移動(dòng)方便，實(shí)用

5、效果較好。其缺點(diǎn)是：安裝復(fù)雜，容易損壞出故障或者卡住，占空間位置較大，造價(jià)較高。1.3作品研究意義空間可變換角度的多自由度繪圖黑板不僅解決了學(xué)生觀看黑板的視覺(jué)難度，而且提高了老師授課的教學(xué)強(qiáng)度；同時(shí)也為解決老師繪圖教學(xué)，攜帶繪圖工具的麻煩和利用工具手動(dòng)繪圖的不準(zhǔn)確性等問(wèn)題，給老師繪圖教學(xué)帶來(lái)極大的方便。這款教具的設(shè)計(jì)制作是很有實(shí)用意義的，且其制作簡(jiǎn)單，總體造價(jià)便宜等特點(diǎn)，很值得推廣使用。2作品總體設(shè)計(jì)2.1本作品設(shè)計(jì)思路 機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程是：機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)市場(chǎng)需求及實(shí)際需要，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的功能、原理、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃決策并以一定的形式表達(dá)出來(lái)的過(guò)程。運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，提出合理的設(shè)計(jì)思路，

6、（1）考察實(shí)際需求；（2）確定產(chǎn)品功能； (3)對(duì)產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，原動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)； (4)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)：對(duì)產(chǎn)品的材料、尺寸、結(jié)構(gòu)、 強(qiáng)度等進(jìn)行選擇及校核。按照這個(gè)思路對(duì)空間可變換角度的多自由度繪圖黑板進(jìn)行設(shè)計(jì) 。針對(duì)產(chǎn)品的性能需求，提出利用多段連桿鉸接的機(jī)構(gòu)來(lái)鏈接黑板與墻壁，從而改變黑板與墻壁之間的角度，目的是高效地削弱光照反射。同時(shí)可以相對(duì)于墻壁來(lái)移動(dòng)黑板。2.2作品結(jié)構(gòu) 下圖是作品的三維整體圖：2.3作品的拆分部件2.3.1黑板可調(diào)角度部件空間可變換角度的多自由度繪圖黑板，主體主要由黑板、支架（與墻壁同作用）、若干鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)、滑塊、抱閘、滑桿、直尺、帶槽尺、導(dǎo)軌、支架底座等部

7、分組成。結(jié)構(gòu)如下圖4所示：圖 4 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.3.2鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)其工作原理：空間可變換角度的多自由度繪圖黑板的主要設(shè)計(jì)思想源于機(jī)械臂的原理。采用4個(gè)鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)（每個(gè)都是有4根連桿首尾鉸接在一起如圖5）來(lái)連接黑板和支架（墻壁）使得黑板可以相對(duì)于支架（墻壁）移動(dòng)甚至可以使黑板和支架（墻壁）之間呈一定角度，這樣就消除光照反射問(wèn)題。圖5鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)連接方式2.3.3制動(dòng)裝置另外為了控制黑板的位置，需要加入制動(dòng)裝置，只要制動(dòng)4個(gè)鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)中的一個(gè)就可以控制黑板的移動(dòng)位置。采用電子抱閘的斷電鎖住，通電松開(kāi)的原理來(lái)控制部分連桿的制動(dòng)。連接方法如圖6：圖6制動(dòng)部分2.3.4黑板繪圖部件在黑板上下兩邊緣

8、固定安裝兩個(gè)導(dǎo)軌，兩個(gè)導(dǎo)軌里配裝相對(duì)應(yīng)的滑輪，再用一根光桿作為滑桿連接在兩個(gè)滑輪上。然后在用一個(gè)滑塊套裝在光桿上，滑塊的另一端用銷釘連接直尺1，直尺1另一端再用蝶形螺母連接尺2.這樣的安裝結(jié)構(gòu)使得滑輪在導(dǎo)軌中滑動(dòng)帶動(dòng)滑桿左右移動(dòng)，從而 滑塊和直尺1、尺2也可以左右移動(dòng)。直尺1可以繞著滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)就可以在黑板上畫出不同角度的直線，尺2可以繞著直尺1轉(zhuǎn)動(dòng)就可以在黑板上畫圓。因?yàn)槌?上開(kāi)了很長(zhǎng)的粉筆槽，就可以實(shí)現(xiàn)不同半徑的圓的繪制。圖7 繪圖功能部分簡(jiǎn)圖2.4作品基本尺寸選取黑板是教學(xué)的必需品，所以作品的設(shè)計(jì)應(yīng)符合生活中的細(xì)節(jié)盡量做到人性化設(shè)計(jì)。經(jīng)理論分析，此設(shè)計(jì)制作涉及尺寸問(wèn)題如下：1、黑板的自由度是

9、多少，能否成功實(shí)現(xiàn)所需功能2、在黑板上寫字時(shí)對(duì)黑板施加的力與所需使用的電子抱閘的數(shù)量和規(guī)格的關(guān)系；3、黑板地端離地高度，支架高度；4、黑板與墻壁（支架）的最大距離對(duì)作品所占空間的影響；根據(jù)調(diào)查分析， 黑板地端離地高度約為650mm，黑板采用800*1200mm規(guī)格，則支架高度約為650+800+(200300)mm ，取1700mm。為使所占空間盡量小取黑板與墻壁（支架）的最大距離為300mm。在黑板上寫字時(shí)對(duì)黑板所施加的力F4N自由度計(jì)算由圖5可計(jì)算黑板自由度F=3n-2Pl=3*3-2*3=32.5作品穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在無(wú)抱閘控制的3個(gè)部分鉸鏈機(jī)構(gòu)中4段桿長(zhǎng)分別為50mm、100mm、80mm、

10、70mm（如圖8）。這些桿只能水平轉(zhuǎn)動(dòng)，在豎直方向只受黑板的重力和自身重力。黑板重量約4kg，重40N。所以豎直方向穩(wěn)定。圖8有抱閘的那部分鉸鏈機(jī)構(gòu)（如圖9），分成3段長(zhǎng)各為50mm、180mm、70mm。各桿只能水平轉(zhuǎn)動(dòng)，豎直方向可以保證穩(wěn)定。圖9當(dāng)抱閘斷電制動(dòng)時(shí)，力F對(duì)兩個(gè)抱閘產(chǎn)生的力矩W1=F*70 N· mm0.28N· m；W2 =F*(70+180) N·mm1N· m。查資料知抱閘規(guī)格如下表:由于抱閘承受最大力矩為W21N· m，所以選取規(guī)格名稱為TQMB1-1的抱閘。這種規(guī)格的抱閘結(jié)果尺寸如下圖：圖102.6繪圖工具尺寸選取黑板

11、的寬為800mm，兩個(gè)導(dǎo)軌豎直方向高度之和為2*40=80mm。則可知黑板可書寫部分豎直寬度為800-80=720mm。設(shè)定滑桿長(zhǎng)720mm，直尺1長(zhǎng)400mm，尺2長(zhǎng)300mm。3作品的創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用1、作品運(yùn)用鉸鏈連桿低副機(jī)構(gòu)連接黑板和支架（墻壁）實(shí)現(xiàn)黑板的空間移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。 2、作品的多自由度繪圖黑板自帶繪圖工具。3、作品運(yùn)用導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)繪圖工具在黑板上移動(dòng)，使之實(shí)現(xiàn)用黑板自帶的繪圖工具在黑板任意位置作圖。4、作品運(yùn)用低功耗而又高效廉價(jià)的電磁抱閘來(lái)當(dāng)作制動(dòng)機(jī)制。4作品的優(yōu)點(diǎn)與不足4.1 作品的優(yōu)點(diǎn)同現(xiàn)在現(xiàn)有存在的黑板相比較，此設(shè)計(jì)的多自由度繪圖黑板綜合了現(xiàn)有的多種黑板的功能。采用鉸鏈連桿

12、機(jī)構(gòu)，可以任意調(diào)整黑板的位置；加入制動(dòng)裝置保證了作品的使用性能；作品自帶繪圖工具且結(jié)構(gòu)新穎功能強(qiáng)大；整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制作，成本較低，實(shí)用效果很好。4.2 作品的不足各個(gè)部件加工精度要求較高，任何零件損壞過(guò)于嚴(yán)重都可能使本作品運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生干涉。5作品的運(yùn)用前景目前教學(xué)課堂所使用的黑板要么不能移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來(lái)改善光照反射問(wèn)題;要么沒(méi)有自帶繪圖工具，不方便在黑板上繪圖?？臻g可變換角度的多自由度繪圖黑板涵蓋市場(chǎng)上現(xiàn)有黑板的多種功能。不僅可以防止光照反射，還自帶繪圖工具等。對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量具有重大意義，對(duì)黑板類教具是一種大膽的創(chuàng)新。6結(jié)束語(yǔ)為了提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，也為實(shí)現(xiàn)夢(mèng)幻課堂出份力，設(shè)計(jì)了空間可變換角度的多自由度繪圖黑板。該作品雖然在功能上有較大創(chuàng)新與改進(jìn)，但仍存在不足之處，有待改進(jìn)。請(qǐng)各位評(píng)委給予寶貴建議，為優(yōu)化教學(xué)課堂提供更好的教具。參考文獻(xiàn)1濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).8版.北京：高等教育出版社，20062機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第2冊(cè).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)編著.第3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004.8