自动擦黑板机总体设计.docx
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自动擦黑板机总体设计
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自动擦黑板机装置的总体设计
张辉冯松张微袁伟
内容提要：
1．任务分配
2．设计创新性
3．市场调研及需求分析
4．概念设计
、
5．方案结构化
6．方案评估
7．可靠性设计
任务分配：
张辉：
总体概念设计，基于CATIA有限元分析，公理设计，VB动画演示制作，PPT演示文稿制作，任务报告整理。
冯松：
基于CATIA的结构设计，PPT演示文稿整理。
张微：
可靠性设计，有限元分析，PPT演示文稿的整理。
）
袁伟：
市场调研，PPT演示文稿的整理。
一、设计创新性：
第一：
本次设计的核心装置齿轮连杆的动力传递系统及执行机构是创新点。
尤其是动力传动系统，巧妙地运用了不完全齿轮实现执行机构的往复摆动，并且达到了结构的布局合理和紧凑。
另外执行机构高度模拟了人体的运动，巧妙地设计保证了产品的效果。
第二：
另外本次设计的产品是市场上目前很少见的产品，本设计弥补了这个空缺，市场前景看好。
产品的开发流程分为产品设计规划、方案设计、技术设计、施工设计四个部分。
本设计进行到技术设计部分，很多细节问题并没有涉及，也有很多地方值得改进，其具体的价值还有待市场的考验。
目前类似的产品主要还是一些专利和设想，真正投入市场的几乎没有。
另外这些专利和设计在我们看来有明显的缺陷和不足之处。
现在市场上流行一种“电动吸尘黑板擦”，这种产品和本设计有一定的相似之处，但二者还是有明显不同之处。
“电动吸尘黑板擦”如下图（右）所示，它算是一个半自动产品，而本设计是全自动产品。
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另外还有一些专利也是设计了全自动的擦黑板机，但在我们看来他们的设计有很多不足之处，这正是这一类的产品迟迟不能投入市场的原因。
比如有一种专利，它的擦黑板原理仅仅是利用了旋转的运动，这样擦拭效果会很不好，粉笔末不是擦下黑板，而是涂抹在黑板上，效果很差，另外这种方法会有明显的擦拭死角，即长方形黑板的很多地方是无法擦到的。
比如还有一种专利是利用了简单的往复运动来擦拭，这种运动形式不仅实现复杂成本高，而且需要很高的运动速度。
所以本次设计的关键创新之处就在于它的良好的擦拭效果，和简单可靠的动力传动设计，这个具体的创新性大家可以在后面的结构设计讲解的时候清楚的看到。
二、市场调研及需求分析
产品的设计成功与否最终是由市场所决定的，而产品的设计规划需要结合产品生产企业的实际情况，进行调研与分析。
由于各种原因我们只能借由网络进行相关资料的收集，企业信息也无法获得，所以调研结果具有不完整性，分析带有一定的主观性。
虽然现在多媒体教学得到了广泛应用，但很多学科教学还需要大量的板书，如数学、物理、化学的公式推导过程等。
而目前手动擦黑板效率低，粉笔末飞扬，对教师的健康有很大伤害。
尤其是对于一些需要大量板书的教学更是如此。
根据国家有关报告1993年统计资料显示：
我国教师每年因上课吸入的粉笔灰约200克/人，死于肺部疾病、癌症的约20%/年。
可见粉笔灰可怕的吞嚼着教师的生命，因此急需一种产品减少或避免此类情况的发生。
另学校数量从1910年的37888所激增到2003年的70万所小学、10071所中学、2322所高等学府。
可谓市场潜力巨大。
黑板擦全国将近10亿的市场空间。
根据我们的调研目前市场上还很少有类似“自动擦黑板机”的产品，市场约为空白，这样调研和分析具有更高的难度。
类似的产品主要还是一些专利和设想，真正投入市场的几乎没有。
现在市场上流行一种“电动吸尘黑板擦”（如前面所示），它的需求量之大可以给我们一个参考。
据网上资料的初步统计这种产品仅学校市场潜在销量在1000万台以上，再加上家庭或办公等场所的需求，市场潜力非常巨大。
【
另外我们联系了一些初中高中及大学的老师和其他教职工，本次调研的所有消费者均对我们的自动擦黑板机均表示有兴趣，如果价格合理，实用性强的话可以考虑购买。
我们设计的产品虽然不如上述产品成本低，适应程度高，但我们的设计具有全自动的特点，它快捷方便，完全不需要人的控制和参与，不会打断使用者的工作，并且成本也不是很高，这是我们设计的优势。
所以我们初步估计我们设计的产品具有很大的潜在市场需求量，是值得开发和推广的。
三、概念设计
总体思路：
本次设计所要实现的功能如下：
1.连续自动擦拭黑板。
2.能擦干净，不留下痕迹
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3.整个黑板都能擦得到，不留死角
4.擦拭要迅速。
5.尽量避免粉尘飞扬。
由上述功能可得到以下的行为：
1.需要二维的运动，即需要一个沿黑板横向擦拭的运动，还需要一个沿黑板纵向的移动。
2.要尽量使擦拭有较高的速度，并且将粉笔末尽量擦向一个方向（类似人体手臂的动作最好）
3.擦拭的轨迹包络线要覆盖整个长方形的黑板。
4.整个动作过程最好在2分钟之内完成。
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5.有条件的话要可以吸尘。
结构转换
1.需要二维的运动，即需要一个擦拭的运动，还需要一个移动。
对于这种行为我们可以用一个沿黑板水平移动的平台，然后在平台上设计擦拭动作，而这种移动可采用齿轮齿条传动。
如下图所示：
2.要尽量使擦拭有较高的速度，并且将粉笔末尽量擦向一个方向（类似人体手臂的动作最好）
通过联想汽车刮雨器的动作，我们联想到用平行四边形机构来作这个执行机构，这样既保证了速度，又使粉笔末擦向两边。
）
汽车擦雨器平行四边形执行机构
3.擦拭的轨迹包络线要覆盖整个长方形的黑板。
这就要求横向齿轮齿条传动在平行四边形执行机构向一个方向摆动的时间内传动的距离不能长于平行四边形的短杆（两个摆杆）的长度。
当然还要设计平行四边形杆的长度使其能将整个黑板包括。
4.整个动作过程最好在2分钟之内完成。
—
这就要求我们设计的齿轮齿条传动的不仅速度不能过慢，但也要考虑到擦得太快可能会出现擦不干净，甚至如3中所述的漏擦。
所以设计成来回擦两遍，第一遍为粗擦，要有较快的速度；第二遍为精擦，降低速度，保证质量。
5.有条件的话要可以吸尘。
我们可以考虑用一个吸风机来吸尘，也可以考虑用静电发生装置来吸尘。
考虑到经济型这个设计不详细讨论。
下面具体讨论用什么样的传动装置来实现平行四边形的往复摆动。
这个设计既要传动简单，又要结构紧凑，还要使机器的可靠性强。
我们小组通过讨论决定采取齿轮传动，通过不完全齿轮的设计实现往复的摆动，如下图所示：
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动力由小齿轮a经过大齿轮b的减速传递到同轴不完全齿轮c上，c在半个旋转周期内驱动齿轮d，使其旋转半周，然后驱动齿轮e，e再驱动f，使f旋转半周，这里的e是一个惰轮但，起到转化运动方向的作用。
这个设计不用换挡，结构紧凑，其巧妙的实现了往复摆动的功能。
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;
总体的转换和结构设计到此就完成了，我们完全按照从功能到行为，从行为到结构的设计，与此同时我们发挥了联想和创造。
现在我们看一下设计的在这个机械的运动演示：
:
四.结构设计与CAE分析。
结构设计：
我们用CATIA三维软件对其结构进行了大体设计，具体可看录制的视频：
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CAE分析：
本设计仅仅对齿轮和摆杆进行简单的有限元应力、应变分析。
下图是齿轮的应力图：
下图是齿轮的应变图：
下图是摆杆的应力图：
下图是摆杆的应变图：
（
五.方案评估。
本设计的功能需求如下：
FR1=擦拭迅速
FR2=擦拭自动连续
FR3=擦拭干净
如下分解FR3得：
…
FR31=擦拭无痕
FR32=擦拭没有死角
本次设计的设计参数DPs如下：
DP1=设计齿轮齿条传动的横向移动速度和摆杆摆动速度
DP2=设计横向移动装置
DP3=执行机构的设计
分解为：
DP31=采用平行四边形执行机构
'
DP32=设计摆杆、连杆的长度
设计功能需求和设计参数之间的关系表如下：
第一层FRs分解及其DPs映射
…
其中：
FR1=擦拭迅速
FR2=擦拭自动连续
FR3=擦拭干净
DP1=设计齿轮齿条传动的横向移动速度和摆杆摆动速度
DP2=设计横向移动装置
~
DP3=执行机构的设计
第二层FRs分解及其DPs映射
其中：
FR31=擦拭无痕
FR32=擦拭没有死角
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DP31=采用平行四边形执行机构
DP32=设计摆杆、连杆的长度
由此可见：
这个设计是耦合设计。
六、自动擦黑板机的可靠性分析
此处系统失效的可靠性判据为：
不能完成擦黑板的工作，如擦不干净、机构变形、部件磨损或损坏等。
因此将系统分为四个部分，分别分析四个部分的可靠度：
【
一、平行双曲柄机构失效判据：
丧失运动精度
二、齿轮传动机构失效判据：
齿轮疲劳损伤
三、轴承系统失效判据：
轴承疲劳损伤
四、动力系统（电机、螺旋传动装置）失效判据：
系统损坏（多原因、可靠性数据由厂家提供）
一、平行双曲柄机构
此机构为对称机构，双曲柄轮换作为输入件，此时设AB为主动件，CD为从动件，输入为转角α，输出为为转角β，AB长为r，BC长为l，曲柄角速度为ω，角加速度为ε。
易得。
用*表示理想值，则有
\
故在不考虑机构尺寸误差的情形下，输出误差只与输入误差有关。
因系统只
对机构的位移精度有要求，故不考虑速度精度及加速度精度。
但是机构尺寸往往存在误差，在此条件下
^
机构实际上发生了变形，此时我们假设输入转角为理想值，，则
&
为计算可靠度的概率模型可先求取角位移的均值μ和方差σ2，已知r、l的统计特征值分别为μr、μl，和σr、σl，则
~
设尺寸误差服从正态分布，所以位移误差也服从正态分布，故有
其中，μ0、σ0为允许的极限位移误差的均值和标准差。
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二、齿轮传动机构
1、确定齿面接触应力的分布参数
由GB3490-83，齿轮节圆出的计算接触应力为
其中，σH为齿面接触应力，[σH]为齿面许用接触应力，ZH为节点啮合系数，ZE为弹性系数，Zε为重合度系数，Zβ为螺旋角系数，Ft为齿轮端面与分度圆相切的工作齿面间的作用力，其均值为
#
为小齿轮传递的名义转矩均值，d1为小齿轮分度圆直径，b为齿宽，i为传动比，KA为使用系数，KV为动载系数，KHβ载荷分布系数，KHα为端面载荷分配系数。
2、确定齿面接触疲劳强的的分布参数
3、齿面接触疲劳强度的可靠度系数
Ｃｎ为综合变异系数
所以
系统共有６个齿轮，构成串联系统，则
三、轴承系统
轴承的可靠度分布呈威布尔分布，取轴承的工作时间小于额定寿命，则有
ＬＦ为不同可靠度是的轴承寿命，Ｌ0为最小寿命，Ｌθ为特征寿命，β为形状参数。
共有８个轴承，构成串联系统，故
四、动力系统
电机及螺旋传动系统的可靠度R4由生产方给定。
故系统总的可靠性为
由可靠性分析可知，若要提高系统可靠度，可分别提高4个系统的可靠度。
可采取增加并联系统的措施提高可靠度，但会增加系统复杂程度，或将系统改为柔性设计，以上需在后续的技术设计及施工设计中加以改进。
为保证各系统的工作可靠，可在方案设计前进行可靠度分配设计，以确定各系统的强度或结构要求，再进行详细的施工设计。
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