現(xiàn)代黑板系統(tǒng)的設計

周正元

(常州信息職業(yè)技術學院機電工程學院 江蘇常州 213164)

0 引言

黑板的基本功能是用粉筆寫字，或在白板上用水筆寫字。字體擦除用黑板擦人工擦去。由于簡單實用，目前多數(shù)黑板仍采用這種方法。需要用多媒體投影教學時，需要在黑板的一半處放下幕布。但粉筆寫字難免有粉筆灰，擦去字跡又要花費時間，在黑板的一半處放下幕布減少了書寫空間。有些專利技術也作了一些改進，采用直流電機驅動電動擦拭黑板，但擦拭裝置在前方，難免仍有灰起［1-2］;有些采用滑移式黑板來保證黑板書寫空間［3］，不僅機構復雜，且占地面積增大;有些用磁性黑板［4］，易擦其無污染，但磁性板豎直時效果不好，且字太淡看不清。為此，筆者設計了一種新型可移動現(xiàn)代黑板系統(tǒng)，既可以手寫，也可以投影進行多媒體教學。手寫后采用機械電動擦拭裝置，省時、省力。將攝像頭引入教學系統(tǒng)，在演示小模型或實物，或評講作業(yè)時可通過投影展示，適合于實訓基地移動教學。

1 創(chuàng)新設計特點

多功能黑板多數(shù)都是在原黑板基礎上增加投影幕布，增加電動擦拭裝置或利用多塊板相互滑移時擦拭。本設計在功能上有相似之處，但結構上有以下顯著的創(chuàng)新特點。

1)采用傳動帶式白板技術，既能書寫，也可投影，遮光板切換，比現(xiàn)有左右分半式在同樣投影面積下節(jié)約一半空間，便于移動。

2)以齒輪傳動快速自動擦除，比傳統(tǒng)轉動雨擦式效果好;用水筆書寫無灰塵，潔凈無污染。

3)將攝像頭引入教學系統(tǒng)，在演示小模型或實物，或評講作業(yè)時可通過投影展示。

4)白板移動、遮光板切換、PPT 翻閱均可用遙控器操作。

5)本黑板適合于普通課堂教學，更適合于移動教學系統(tǒng)。

2 工作原理

本設計將投影儀9 直接安裝在黑板上方，采用一體可移動結構，利用底座上的移動滾輪1 可將黑板在實訓車間或實驗室移動使用(見圖1)。序號4為傳動帶式白板，有內置上下滾筒，滾筒由電機8 驅動。

本文的驗證問題可描述為：給定系統(tǒng)狀態(tài)轉換模型TS，系統(tǒng)安全屬性φsafe以及系統(tǒng)運行時的觀測序列o1,…,ot，目標是 (1)計算在t時刻系統(tǒng)滿足安全屬性的概率Prt(TS φsafe|o1,…,ot;TS)，(2)當系統(tǒng)違背安全屬性時，求解系統(tǒng)最大可能的執(zhí)行路徑作為系統(tǒng)違背安全屬性的反例.針對該問題，圖1給出了本文驗證方法的框架.

圖1 現(xiàn)代黑板系統(tǒng)

2.1 板書的書寫

用作書寫板時，遮光板10 遮住了投影儀9 的光線，使之不干擾現(xiàn)有板書。一板寫滿后，可通過按鈕6 上移白板，空出空白處繼續(xù)書寫。上移白板是通過電機8 驅動主動齒輪12 實現(xiàn)的。也可以通過電機反轉下移白板，傳動帶白板上下端各裝了一個滾筒，滾筒用軸承安裝在立柱上，滾筒轉動，帶動白板上移或下移。

2.2 板書的擦拭

板書上移至黑板后側后，后側面有電動擦拭輥15，其傳動過程見圖1(b)。

驅動電機8 轉動后，同軸的主動齒輪12 開始逆時針轉動，黑板上移。與齒輪12 嚙合的中間齒輪13 被齒輪12 帶動反轉。擦拭滾筒用兩只軸承座固定在立柱后側，從動齒輪14 在中間齒輪13 驅動下也是逆時鐘轉動，這樣，轉動方向與白板接觸部分運動方向相反，利用摩擦實現(xiàn)了字跡的擦除。

2.3 多媒體投影的使用

講解過程中，如果需要使用多媒體投影，可先按電動按鈕6 中的快速上移按鈕，直至無字。按電動按鈕6 中的遮光板按鈕，遮光板移開。投影儀一直處于打開狀態(tài)，此時平板電腦5 上的內容顯示并投影在白板4 上。投影儀采用超短焦投影儀，在白板前方0.31 米處就可以投射80 英寸的屏幕。

2.4 遙控操作的實現(xiàn)

本設計遙控裝置面板共設置7 個按鈕(見圖2)，其中右側四個按鈕分別用于控制黑板的“快上”、“向上”、“向下”，其下的“遮光”是切換到投影時或切換到書寫狀態(tài)時，遮光板是否遮住投影儀的復按按鈕。按鈕按下，遙控裝置對應的繼電器輸出觸頭閉合，接通電機的正轉接觸器或反轉接觸器。左側的“前翻”、“后翻”用于多媒體課件的翻閱，其下的“攝像”是切換到攝像頭投影成像。“快上”與“向上”是通過雙速電機實現(xiàn)的。

圖2 遙控器面板

2.5 攝像頭的使用

在教學過程中，經(jīng)常會遇到要展示的實物或模型很小，稍微遠點的學生無法看清。此時，利用連接在電腦上的攝像頭，將小模型或作業(yè)，投影到整個屏幕，觀察效果趨于理想。

3 傳動設計計算

電機功率的選取、齒輪參數(shù)的確定，都必須以計算為依據(jù)。

3.1 電機功率的選取

圖3 力矩的測試

電機功率可由公式(1)計算而得:

式中:T—力矩，單位為N·mm;

n—軸的轉速，單位為r/min;

P—電機功率，單位為kW。

電機實際功率應由以上計算功率再乘以安全系數(shù)1.5。本設計取P=0.18 kW。

3.2 齒輪參數(shù)的確定

1)模數(shù)m 的確定。齒輪模數(shù)的大小，關乎齒輪強度。齒輪齒根彎曲強度設計公式為［5］:

式中:YFS—復合齒形系數(shù)，查表確定;

［σF］—許用彎曲應力。

經(jīng)計算，取m=1

2)齒數(shù)z 的確定。這里三只齒輪齒數(shù)相同，為保證結構緊湊，并考慮到兩只滾筒中心距離在80～100 之間，z 取86，標準圓柱齒輪參數(shù)計算如下。

3)分度圓直徑:d=mz=86

4)齒頂圓直徑:da=d +2h*a m=88，其中齒頂高系數(shù)h*

a=1

5)齒根圓直徑:df=d－2h*a m=83.5，其中徑向間隙系數(shù)c*=0.25

由于齒輪傳動結構緊湊，性能穩(wěn)定可靠，傳動效率高，即使黑板頻繁移動、反復移動，都不會產(chǎn)生噪音，效果較好。

4 結束語

新型現(xiàn)代黑板系統(tǒng)緊扣黑板基本功能要求，采用傳動帶式白板技術，將書寫與投影合二為一。利用遮光板可避免投影可能對書寫的干擾，利用快速移動及電動擦拭技術避免了書寫后對投影效果的干擾。采用水筆書寫，消除了粉筆的污染因素。利用電腦可多任務運行，引進了攝像頭技術，使講解展示細小模型或作業(yè)時學生一覽無遺，效果極佳。雖然本設計從實驗室、實訓車間需求出發(fā)研制的，其創(chuàng)新技術同樣適用于一般的教室，具有廣泛的應用前景。

［1］陳亦佳.多功能黑板:中國，ZL200910222247.7［P］.2011-05-18.

［2］褚陽.多功能黑板:中國，ZL200720300562.3［P］.2008-12-03.

［3］李廣磊.多功能黑板:中國，ZL201020155009.7［P］.2011-02-02.

［4］尹少宇.多功能黑板:中國，ZL200920016545.6［P］.2009-08-21.

［5］隋明陽.機械設計基礎［M］.第2 版.北京:機械工業(yè)出版社，2008:220-249.