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1、1 作品设计背景及意义1.1作品设计 随着现代社会经济的发展，生活中的每个角落都有机器的影子。人们为了寻求生活中的简便，总是在创造新的机器来服务于自身的生活。工业现代化、农业现代化、国防现代化、科学技术现代化，我国在各行各业都在实现现代化，现代教学课堂也需要现代化。电脑的普及，开创了信息化时代，教学投影仪的普及，开创了教学的信息化时代。优化教学课程，创造新型教学教具，是现代教育教学创新设计的新趋势。基于现代优化机械教学课堂，创造新型教学教具这一新趋势，出现了许许多多的教具，现如今已存在了很多教具，例如：四杆演示机构、齿轮演示机构、带传动智能化黑板擦等。虽然目前创新型教具比较多，但是在教学中教具
2、还存在的很多空白。为了弥补现代机械教学中的教具存在的空缺，现做出一种教具的设计空间可变换角度的多自由度绘图黑板。黑板并非特指黑色的板面，传统意义上讲是它一个可以反复书写的平面，板面坚硬，主要于教学。黑板从最早的用黑色涂料涂抹在木板，水泥等坚硬物体表面，到九十年代的水磨玻璃，现在的彩涂钢板，复合材料板.见证了世界教育事业的一步步发展，为人类传播知识，普及教育，立下了汗马功劳。空间可变换角度的多自由度绘图黑板方案的提出来自教学课堂，所以通过教学课堂所学课程知识对其加以解决。通过机械原理、机械设计、机械制图等课程，了解到通过铰链连接的多自由度原理，来实现角度调节；通过滑块机构，来实现平行、垂直移动。
3、空间可变换角度的多自由度绘图黑板对现代教学课堂是一种革新。可以通过调节黑板相对角度，进而改变黑板的视觉效果，使坐在教室旁侧的学生也能够看清楚黑板上的教学内容。通过增加两个滑块机构实现水平、垂直图形绘制，可绘制黑板平面内任意直线。通过一中心定位销，可实现旋转，进而实现圆的绘制。当非绘图教学时，可将各绘图工具移至黑板一侧。1.2现有的教学黑板目前的教学黑板主要有：（1）一种是固定在墙壁上的平面黑板，简称贴壁固定平面黑板。如图1图1贴壁固定式黑板其结构特点：结构简单，易装配，占用空间小，造价较低。其缺点是：黑板在空间和平面内均不可动，且板面与墙面平行，很大程度上影响观看黑板的视觉效果。（2）一种是固
4、定在墙壁上的中间凹左右两边凸的黑板，简称贴壁固定式弧形黑板。如图2图2贴壁固定式弧形黑板其结构特点：黑板中间凹进去，左右两边凸出来，黑板整体成弧形，固定在墙壁上。且结果简单，占空间较小，在一定程度上可以防止光照反射。其缺点是：因为这种黑板是固定在墙壁上不能移动，防止光照反射的效果还是不够理想。另外在弧形的黑板面上绘图不方便而且画出来的图也不够标准。（3）有一种是在安装了固定导轨框架的墙壁上平行移动的黑板，简称导轨框架可移动黑板。如图3图 3 导轨框架可移动黑板 其结构特点：在墙壁上安装滑轨框架，再将多块较小装有滑轮的黑板安装在滑轨框架上组成一个大黑板，各块小黑板可以再导轨中滑动。移动方便，实用
5、效果较好。其缺点是：安装复杂，容易损坏出故障或者卡住，占空间位置较大，造价较高。1.3作品研究意义空间可变换角度的多自由度绘图黑板不仅解决了学生观看黑板的视觉难度，而且提高了老师授课的教学强度；同时也为解决老师绘图教学，携带绘图工具的麻烦和利用工具手动绘图的不准确性等问题，给老师绘图教学带来极大的方便。这款教具的设计制作是很有实用意义的，且其制作简单，总体造价便宜等特点，很值得推广使用。2作品总体设计2.1本作品设计思路 机械设计的一般过程是：机械设计是根据市场需求及实际需要，对机械产品的功能、原理、技术参数进行规划决策并以一定的形式表达出来的过程。运用机械设计的一般过程，提出合理的设计思路，
6、（1）考察实际需求；（2）确定产品功能； (3)对产品的执行机构，传动机构，原动机构进行设计； (4)技术参数设计：对产品的材料、尺寸、结构、 强度等进行选择及校核。按照这个思路对空间可变换角度的多自由度绘图黑板进行设计 。针对产品的性能需求，提出利用多段连杆铰接的机构来链接黑板与墙壁，从而改变黑板与墙壁之间的角度，目的是高效地削弱光照反射。同时可以相对于墙壁来移动黑板。2.2作品结构 下图是作品的三维整体图：2.3作品的拆分部件2.3.1黑板可调角度部件空间可变换角度的多自由度绘图黑板，主体主要由黑板、支架（与墙壁同作用）、若干铰链连杆机构、滑块、抱闸、滑杆、直尺、带槽尺、导轨、支架底座等部
7、分组成。结构如下图4所示：图 4 整体结构简图2.3.2铰链连杆机构其工作原理：空间可变换角度的多自由度绘图黑板的主要设计思想源于机械臂的原理。采用4个铰链连杆机构（每个都是有4根连杆首尾铰接在一起如图5）来连接黑板和支架（墙壁）使得黑板可以相对于支架（墙壁）移动甚至可以使黑板和支架（墙壁）之间呈一定角度，这样就消除光照反射问题。图5铰链连杆机构连接方式2.3.3制动装置另外为了控制黑板的位置，需要加入制动装置，只要制动4个铰链连杆机构中的一个就可以控制黑板的移动位置。采用电子抱闸的断电锁住，通电松开的原理来控制部分连杆的制动。连接方法如图6：图6制动部分2.3.4黑板绘图部件在黑板上下两边缘
8、固定安装两个导轨，两个导轨里配装相对应的滑轮，再用一根光杆作为滑杆连接在两个滑轮上。然后在用一个滑块套装在光杆上，滑块的另一端用销钉连接直尺1，直尺1另一端再用蝶形螺母连接尺2.这样的安装结构使得滑轮在导轨中滑动带动滑杆左右移动，从而 滑块和直尺1、尺2也可以左右移动。直尺1可以绕着滑块转动就可以在黑板上画出不同角度的直线，尺2可以绕着直尺1转动就可以在黑板上画圆。因为尺2上开了很长的粉笔槽，就可以实现不同半径的圆的绘制。图7 绘图功能部分简图2.4作品基本尺寸选取黑板是教学的必需品，所以作品的设计应符合生活中的细节尽量做到人性化设计。经理论分析，此设计制作涉及尺寸问题如下：1、黑板的自由度是
9、多少，能否成功实现所需功能2、在黑板上写字时对黑板施加的力与所需使用的电子抱闸的数量和规格的关系；3、黑板地端离地高度，支架高度；4、黑板与墙壁（支架）的最大距离对作品所占空间的影响；根据调查分析， 黑板地端离地高度约为650mm，黑板采用800*1200mm规格，则支架高度约为650+800+(200300)mm ，取1700mm。为使所占空间尽量小取黑板与墙壁（支架）的最大距离为300mm。在黑板上写字时对黑板所施加的力F4N自由度计算由图5可计算黑板自由度F=3n-2Pl=3*3-2*3=32.5作品稳定性设计在无抱闸控制的3个部分铰链机构中4段杆长分别为50mm、100mm、80mm、
10、70mm（如图8）。这些杆只能水平转动，在竖直方向只受黑板的重力和自身重力。黑板重量约4kg，重40N。所以竖直方向稳定。图8有抱闸的那部分铰链机构（如图9），分成3段长各为50mm、180mm、70mm。各杆只能水平转动，竖直方向可以保证稳定。图9当抱闸断电制动时，力F对两个抱闸产生的力矩W1=F*70 N mm0.28N m；W2 =F*(70+180) Nmm1N m。查资料知抱闸规格如下表:由于抱闸承受最大力矩为W21N m，所以选取规格名称为TQMB1-1的抱闸。这种规格的抱闸结果尺寸如下图：图102.6绘图工具尺寸选取黑板的宽为800mm，两个导轨竖直方向高度之和为2*40=80m
11、m。则可知黑板可书写部分竖直宽度为800-80=720mm。设定滑杆长720mm，直尺1长400mm，尺2长300mm。3作品的创新点及应用1、作品运用铰链连杆低副机构连接黑板和支架（墙壁）实现黑板的空间移动和旋转。 2、作品的多自由度绘图黑板自带绘图工具。3、作品运用导轨滑块机构带动绘图工具在黑板上移动，使之实现用黑板自带的绘图工具在黑板任意位置作图。4、作品运用低功耗而又高效廉价的电磁抱闸来当作制动机制。4作品的优点与不足4.1 作品的优点同现在现有存在的黑板相比较，此设计的多自由度绘图黑板综合了现有的多种黑板的功能。采用铰链连杆机构，可以任意调整黑板的位置；加入制动装置保证了作品的使用性
12、能；作品自带绘图工具且结构新颖功能强大；整体结构简单，易于加工制作，成本较低，实用效果很好。4.2 作品的不足各个部件加工精度要求较高，任何零件损坏过于严重都可能使本作品运作时产生干涉。5作品的运用前景目前教学课堂所使用的黑板要么不能移动或旋转来改善光照反射问题;要么没有自带绘图工具，不方便在黑板上绘图。空间可变换角度的多自由度绘图黑板涵盖市场上现有黑板的多种功能。不仅可以防止光照反射，还自带绘图工具等。对提高教学质量具有重大意义，对黑板类教具是一种大胆的创新。6结束语为了提高大学生的创新能力，也为实现梦幻课堂出份力，设计了空间可变换角度的多自由度绘图黑板。该作品虽然在功能上有较大创新与改进，
13、但仍存在不足之处，有待改进。请各位评委给予宝贵建议，为优化教学课堂提供更好的教具。参考文献1濮良贵，纪名刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社，20062机械设计手册.第2册.机械设计手册编委会编著.第3版.北京：机械工业出版社.2004.83于永，齐民主.机械工程材料，8版.大连理工大学出版社，20104杨晓兰，唐一科. 机械设计基础课程设计，华中科技大学出版社，20065孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.7版.北京：高等教育出版社，20066何铭新，钱可强.机械制图.5版.北京：高等教育出版社，20037机械工程手册编辑委员会编.机械工程手册：传动设计卷.第二版.北京：机械工业出版社,1997
