目錄

一、摘要..................................錯誤!未定義書簽。

二、設(shè)計(jì)題目及任務(wù)........................錯誤!未定義書簽。

2.1設(shè)計(jì)題目..............................錯誤保定義書簽。

2.2設(shè)計(jì)任務(wù)..............................錯誤!未定義書簽。

2.3任務(wù)分派..............................錯誤!未定義書簽。

三、運(yùn)動方案日勺設(shè)計(jì)........................錯誤!未定義書簽。

3.1整體運(yùn)動方案設(shè)計(jì)......................錯誤!未定義書簽。

3.2毛刷伸長機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)......................錯誤!未定義書簽。

3.3齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..................錯誤!未定義書簽。

四、機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)確定.....................錯誤保定義書簽。

4.1毛刷伸長機(jī)構(gòu)確定......................錯誤!未定義書簽。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)基本尺寸確定：.......錯誤!未定義書簽。

4.2齒輪齒條及傳動機(jī)構(gòu)參數(shù)及尺寸確定.....錯誤!未定義書簽。

五、運(yùn)動分析.............................錯誤!未定義書簽。

5.1整體運(yùn)動方案構(gòu)造簡圖..................錯誤!未定義書簽。

5.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析..................錯誤!未定義書簽。

位移分析...............................錯誤!未定義書簽。

5.2.2速度分析.........................錯誤!未定義書簽。

5.2.3加速度分析......................錯誤!未定義書簽。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度仿真錯誤!未定義書簽。

5.3變位齒輪設(shè)計(jì)............................錯誤!未定義書簽。

六、除塵方案日勺設(shè)計(jì)與分析及方案確定........錯誤!未定義書簽。

6.1除塵機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)........................錯誤!未定義書簽。

6.2除塵方案確定及基本參數(shù)確定.............錯誤!未定義書簽。

七、設(shè)計(jì)小結(jié)...............................錯誤!未定義書簽。

八、附錄...........錯誤!未定義書簽。

九、參照文獻(xiàn)錯誤!未定義書簽。

一、摘要

眾一直所周知，黑板是我們在學(xué)習(xí)過程中必不可少口勺平常教具之

一，從小學(xué)到大學(xué)，我們W、j學(xué)習(xí)一直與黑板相伴，這樣就離不開此外

兩樣工具，黑板擦和粉筆。而一般我們平時所使用的黑板擦不僅費(fèi)時

費(fèi)力還會導(dǎo)致粉塵污染，危害我們的健康。于是根據(jù)時代的規(guī)定，全

自動無塵黑板擦誕生了。市面上目前也有自動無塵黑板擦，不過都存

在一定的局限性和缺陷，因此，我們針對這一現(xiàn)象，用我們的想法和

創(chuàng)意設(shè)計(jì)了一款全自動無塵黑板擦，從而改善教學(xué)質(zhì)量。

二、設(shè)計(jì)題目及任務(wù)

2.1設(shè)計(jì)題目

全自動無塵黑板擦是運(yùn)用毛刷日勺高速旋轉(zhuǎn)從而與黑板產(chǎn)生

摩擦，擦除黑板上的板書；同步，運(yùn)用齒輪與齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)毛刷日勺前

行，從而使整個黑板擦除潔凈；為了到達(dá)無塵歐I效果，運(yùn)用高壓靜電

產(chǎn)生W、J電場力和小型風(fēng)扇產(chǎn)生的吸力，將粉塵吸附在清灰網(wǎng)格柵上，

完畢黑板時擦除之后，撤去電力，使粉塵因重力作用自由下落，落入

粉塵搜集盒。

工作流程圖：見圖2-1(a)、2-1(b)

①毛刷初始.伏，卷?xiàng)U1處在最短扶態(tài)②桿1開始伸長，桿4開始收縮

③桿1繼續(xù)伸長。桿4繼續(xù)收縮。桿1最長狀態(tài)，桿4最短狀態(tài)

圖2-1(b)機(jī)構(gòu)工作流程圖

2.2設(shè)計(jì)任務(wù)

(1)全自動無塵黑板擦的傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，毛刷擦除機(jī)構(gòu)的設(shè)

計(jì)，毛刷伸長機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及無塵機(jī)構(gòu)rJ設(shè)計(jì)；

(2)分析全自動無塵黑板擦各個機(jī)構(gòu)日勺運(yùn)動過程和功能；

(3)確定設(shè)計(jì)方案并畫出其運(yùn)動簡圖，進(jìn)行運(yùn)動分析，畫出運(yùn)

動循環(huán)圖；

(4)對方案確定的I機(jī)構(gòu)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算,matlab編程畫圖,

以及solidwcrks三維制圖；

(5)課程設(shè)計(jì)的心得以及總結(jié)：

(6)整體匯報的編寫。

2.3任務(wù)分派

彭理寅：傳動機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)與分析，方案的運(yùn)動分析，matlab

編程計(jì)算有關(guān)數(shù)據(jù)及畫圖，課程設(shè)計(jì)心得;

何壯:毛刷伸長機(jī)構(gòu)W、J設(shè)計(jì)分析與改善，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，matlab

編程計(jì)算有關(guān)數(shù)據(jù)及畫圖，變位齒輪設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)心得；

安祖煜：毛刷擦除機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)及分析，毛刷伸長機(jī)構(gòu)方案日勺

設(shè)計(jì)及分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，課程設(shè)計(jì)心得；

杭雨婷：除塵方案日勺設(shè)計(jì)與分析，運(yùn)動循環(huán)圖的繪制，凸輪機(jī)構(gòu)

整頓，課程設(shè)計(jì)心得以及總結(jié)，變位齒輪設(shè)計(jì)，匯報日勺

編寫。

三、運(yùn)動方案的設(shè)計(jì)

3.1整體運(yùn)動方案設(shè)計(jì)

基本設(shè)計(jì)原理

1）動力傳播機(jī)構(gòu)帶動齒輪，從而運(yùn)用齒輪帶動毛刷的高速旋

轉(zhuǎn)，通過刷毛與黑板之間日勺摩擦從而使黑板擦除潔凈；

2）運(yùn)用靜電或者離心式風(fēng)機(jī)對粉塵產(chǎn)生吸力，將粉塵匯集，

防止產(chǎn)生粉塵污染。

3.1.2設(shè)計(jì)規(guī)定

1）擦除面積：黑板面積（長*寬）一次性擦除完畢;

2）擦除速度：毛刷轉(zhuǎn)速：10r/s（可根據(jù)實(shí)際狀況而定）

毛刷前進(jìn)速度：lm/s（可根據(jù)實(shí)際狀況而定）

末端毛刷速度:62.7-62.9m/s（可根據(jù)實(shí)際

狀況而定）

毛刷中點(diǎn)速度：31.4-31.5m/s（可根據(jù)實(shí)際

狀況而定）

3）毛刷運(yùn)動條件：黑板上部空間能滿足毛刷轉(zhuǎn)動所需空間

4）保證毛刷對同一點(diǎn)進(jìn)行多次清理，保證清理潔凈程度，

同步保證效率，幾秒內(nèi)便可完畢清理。

5）除塵效果：肉眼所見粉塵很少。

3.2毛刷伸長機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案設(shè)計(jì)：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)+電路控制

毛刷是由兩個刷桿構(gòu)成，通過內(nèi)嵌日勺方式實(shí)現(xiàn)毛刷日勺可自動伸

長功能,并且有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連接，通過單片機(jī)控制毛刷的伸長天口收

縮，以此防止黑板上部空間不能滿足毛刷所需要的運(yùn)動空間（即黑板

上部空間不夠高），在擦除的過程中，四個可自動伸縮日勺刷桿應(yīng)實(shí)既有

規(guī)律的伸縮變換。

通過電路控制，每個刷子轉(zhuǎn)過180°之后開始向上轉(zhuǎn)動時開始收

縮，轉(zhuǎn)過270。時收縮到最短，開始伸長，轉(zhuǎn)到360。時伸到最長，

隨機(jī)保持180°。

0180270360旋轉(zhuǎn)角度/°

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完全可以實(shí)現(xiàn)可自動伸縮的功能，通過電控制模塊

可到達(dá)有規(guī)律日勺變換，實(shí)目前擦除時滿足黑板上部空間日勺規(guī)定，因此

選擇這一機(jī)構(gòu)。

3.3齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過點(diǎn)擊控制按鈕驅(qū)動齒輪，使其在固定日勺齒條上滾動，以帶動

刷子向前滾動，實(shí)現(xiàn)擦除功能。

簡圖:（圖3-2-1）

圖3-3-1齒輪齒條簡圖

實(shí)物圖：（圖3-2-2）

圖3-2-2齒輪齒條實(shí)物圖

通過用電機(jī)驅(qū)動就可實(shí)現(xiàn)刷子的前進(jìn)，這一安方案簡潔可實(shí)行起來以

便快捷。

、機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)確定

4.1毛刷伸長機(jī)構(gòu)確定

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)基本尺寸確定:

尺寸確定:

下毛刷長500mm曲柄長500nlm毛刷最長：970mm

上毛刷長500mm連桿長500mm毛刷最短：517mm

裝配規(guī)定：刷毛裝在下毛刷背面，及上毛刷背面中間20mm,這樣刷毛不會影響

毛刷口勺伸縮。（見圖

上毛刷（正背面實(shí)物圖）：

下毛刷:

曲柄滑塊：曲柄：500mm,連桿：500mm,滑塊做大行程：387mm

曲柄:

連桿:

整體實(shí)物圖:

重要參數(shù)確定：（G根據(jù)實(shí)際狀況更改）

毛刷轉(zhuǎn)速位移速度末端毛刷速度毛刷中點(diǎn)速度

10r/slm/s

結(jié)論：這樣的尺寸確定，裝配規(guī)定和重要參數(shù)確實(shí)定可以保證對同一點(diǎn)進(jìn)行

多次清理，保證清理潔凈程度，同步保證效率，幾秒內(nèi)便可完畢清理。

4.2齒輪齒條及傳動機(jī)構(gòu)參數(shù)及尺寸確定

1、齒輪基本參數(shù)確定：（圖4-2-1）

齒數(shù)*模數(shù)*齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)齒根圓角齒寬*壓力角

17齒2mm10.250.383020

2、齒條基本參數(shù)確定

模數(shù)*齒頂高系數(shù)頂隙系數(shù)齒寬*壓力角

2mm10.253020

實(shí)物圖：

圖4-2-1齒輪齒條實(shí)物圖

（3）原動機(jī)及傳動系統(tǒng)初步確定

電機(jī)功率規(guī)定：200W

電機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)定：10r/s

傳動比i:電機(jī)齒輪同軸，1:1

凸輪電機(jī)轉(zhuǎn)速：10r/s

上述參數(shù)是在三維建模W、J基礎(chǔ)上確定的參數(shù)，詳細(xì)出J數(shù)據(jù)可根據(jù)

實(shí)際狀況確定，此外由于全自動無塵黑板擦日勺運(yùn)動規(guī)定不是那么嚴(yán)

格，在選擇日勺時候考慮有關(guān)影響原因即可到達(dá)想要的規(guī)定

五、運(yùn)動分析

5.1整體運(yùn)動方案構(gòu)造簡圖

由動機(jī)位皆

小結(jié)：此方案沒有復(fù)雜的J電路控制，只需電機(jī)驅(qū)動即可完畢全套

動作，故障率低，易維修，但由于有四個凸輪而使得成本有所上升。

5.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分析參照，詳細(xì)實(shí)際要用時只是一部分，曲柄變?yōu)殚g歇

的擺動：

521位移分析

移。1、角速度外和角加速度。1，試求連桿2的角位移力、角速

????

度。2和角加速度02及滑塊3的位移S、速度S和加速度S。按圖

1中四邊形OABC各矢量的方向，有：

L/a+L2e^=s+ib(1)

分別取實(shí)部和虛部，并在b前加符號系數(shù)N,得:

S=kCOS。1+L2cosA(2)

4=arcsin坐凸包的(3)

%

式中，當(dāng)偏距b位于y軸日勺正方向時，N=1反之N二—1。

522速度分析

將式（1）對時間求導(dǎo)，得

LM'i*+右我％娛=$'（4）

由此解得

也也（5）

COS。？

。"嚴(yán)號（6）

Lycos（p2

5.2.3加速度分析

將式（4）對時間求導(dǎo)，得

工\心即_L@：尹-L/2*=5〃（7）由此解得

4=L』，sin（\一心）+cos（＜一圾）］+4。丁信）

COSA

由〃L^-sinQ—L/'cosq+L^jsin'e）

L2COS@；

524曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度仿真

已知：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，曲柄長弓=36加加，連桿長q=140加%,

曲柄的角速度02=185rad/s。曲柄滑塊具有一種自由度，仿真認(rèn)

為①2輸入來計(jì)算g和.

圖2曲柄滑塊運(yùn)動簡圖

建立如圖所示的I封閉矢量圖，則曲柄滑塊日勺閉環(huán)矢量方程為

，3+4二彳（1。）

將此方程分別分解到x軸和y軸坐標(biāo)軸上，得到

r2cos%+rcosq=/;

(H)

r2sin02+1%sin4=0

將上式對時間求導(dǎo)，有

-r2w2sin02-4嗎sin0y=

(12)

r2w2cos02+q%cos4=0

其中：4’是4大小日勺變化率，方程（12）寫成矩陣形式為

Gsin仇1］嗎=F-^vv2sin^2n

-4cos4o弓卬2cosa

已知條件：曲柄的初始角加速度%=>0rad/52,其他條件同上。將

式（13）對時間求導(dǎo)，寫成矩陣形式:

22

sina-/pv2cos02-r2a2sin0.-/pv3cosft

2

-4cos4-^vv2sin32+r2a2cos02-4w：sing

1）計(jì)算曲柄長度和連桿長度

H

R——二50，〃，〃

2

L=P_R=（300—50）加機(jī)=250mm

2）計(jì)算機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)影響因素，即滑塊位移

函數(shù)〃（R,L）關(guān)于曲柄長度R和連桿長度L的偏導(dǎo)

數(shù)。

由于滑塊銷心P點(diǎn)的位移函數(shù)

h.=R[\-cos0.+—sin20.=360,

則關(guān)于曲柄長度R和連桿長度L的偏導(dǎo)數(shù)為

dh,八

—=1-0086/；

dRJ

dh_sin261^

~dL~-T

Matlab建模分析（源程序見附錄）:

?Untitled

輸入曲柄的長度11=100

輸入連桿的長度12=200

輸入滑塊軸心偏心距e=0

?Untitled

輸入曲柄的長度11=100

輸入連桿的長度12=200

輸入滑塊軸心偏心距e=20

?Untitled2

*****曲柄號塊機(jī)構(gòu)的等影響法精度綜合******

輸入機(jī)構(gòu)運(yùn)動精度影響尺度數(shù)目N=2

輸入滑塊的行程的均值（mm）H=100

輸入曲柄渭塊軸心至巖徜最遠(yuǎn)距離（麗）P=300

輸入消塊位置允許誤差（所）DH=0.5

能能?計(jì)算結(jié)果能鮑?

曲柄的長度的均值R=50.000mm

連桿的長度的均值L=曲柄長度影響系數(shù)的最大絕對值CRm=2.000000

連桿長度影響系數(shù)的最大絕對值CLm=0.500000

曲柄長度宛許的最大偏差DRm=0.176777mm

連桿長度允許的最大偏差DLm=0.707107mm

位移線圖速度線圖a

10_'

'ME

g

跳

「

檔

。E

P去

、

您E

M耍

、

3綸?O

瞰

6超

>00小?

:襄

?煙

ISO木

地

300400500600100200300400500600700

曲柄轉(zhuǎn)角6,曲柄轉(zhuǎn)角6,

加速度線圖曲的滑塊機(jī)構(gòu)

z

”.

E

￡

?

檔

具

去

襄

300400S00600

曲柄轉(zhuǎn)角8r

對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

強(qiáng)圖

速度

圖

位移線

2

。7

、

海￡

口￡、

0魅

?

匯?

然去

求

2

400

350

M0

250

200

150

100

50

(

?50

機(jī)構(gòu)

柄滑塊

偏置曲

經(jīng)測定，最小壓力角：29°曲柄滑塊機(jī)構(gòu)日勺速度加速度圖可看出完全

可以實(shí)現(xiàn)所需要的規(guī)定，其最小壓力角為29度在傳動過程中的沖擊

力很小并且傳動輕快靈活無死點(diǎn)，因此選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是可行的0

5.3變位齒輪設(shè)計(jì)

不出現(xiàn)根切的最小變位系數(shù)

加工不大于17個齒的齒輪，又要防止根切，就要將齒條刀向遠(yuǎn)

離輪坯輪心方向移動一段距離力％,使刀具齒頂線位于理論嚙合點(diǎn)

之下。即小、--2

(/za-x)m<rsina

2

x>K-d-esina-ax/{(1———/)

2z.

因此，用原則齒條刀切制少于最小齒數(shù)齒輪不出現(xiàn)根切日勺最小變位系

數(shù)要進(jìn)行討論：

NQ=rsin?a

?.?ha=*m,

NQ=PNsina-rsin2a

、廠mZ.z

xm>hm------sina

a2

即x*紅￡z

"2

??7二2%.?Sil?J

sma2Zmin

7-7

Txmin=Ka(137——

,min

討論:

2

/inlra--csina-Aa7、1———/)

z.

2min

.17-z

①當(dāng)兒=1、a=20\zmin=17時，一

②當(dāng)Z<17時，Xmin>°，為了防止根切，刀具應(yīng)向遠(yuǎn)離

輪坯輪心方向移動不少于距離xminrn這時，齒輪日勺分度圓與齒條

刀日勺中線相離。

③當(dāng)z>17時，xmin<0只從不根切的角度看，刀具可向輪坯輪

心方向移動，距離不超過4加機(jī)。這時，分度圓與中線相交。

5.3.2變位齒輪尺寸計(jì)算

1）、與原則齒輪相比沒有變化的尺寸和參數(shù)

參數(shù)：/幾a，K，c*,Z。

尺寸：r,，7,P。

2）、與原則齒輪相比變化的尺寸

分度圓齒厚S與齒間e:

Tim

s=-+---Ixmtga

2

rem

-Ixmtga

2

齒根?與hf齒頂曷兒:

hf=（/z，+c）m-xm

在保證齒全高不變時：

ha=+xm

齒根圓半徑。與齒頂圓半徑

rf=r-hf=r-（Jia+c*-x）m

在保證齒全高不變時：

%=r+4=『+（h*&+x）/n

Matlab建模分析（源程序見附錄）：

漸開線齒輪時仿真模擬圖：（自定義模數(shù)m=10,zl=10,z2n9兩種）

八MAILABK2UllbM

FileEditDebugParallelDesktopWindowHelp

QIx一廣^星i?CurrentFolder

Shortcuts?HowtoAdd幻What'sNew

CommandWindow

>>chilunfangzhen

請輸入新開線齒輪模數(shù)m=10

請輸入浙開線齒輪齒數(shù)z=10

>>chilunfangzhen

請輸入新開線齒輪模效n=10

請輸入新開線法輪相數(shù)z=19

fx?

下面是根切與不根切詳細(xì)圖:

Z1=10產(chǎn)生明顯根切

Z2=19不發(fā)生根切

假如在實(shí)際中要用到變位齒輪我們也可以建立模型來算出齒輪各個

參數(shù)（源程序見附錄）：取定z=8

?Untitled

齒頂高系數(shù)與頂隙系數(shù)之和he=1.25

==========變位齒輪齒輪/數(shù)==========

后數(shù)Z=8

壓之角alf=20度

模數(shù)m=5.000mm

齒頂高系數(shù)hx=1.00

頂隙系數(shù)ex=0.25

變位系數(shù)X=0.593

==========交位齒輪測里和計(jì)算數(shù)提==========

跨齒數(shù)k=2

則里比根圓直徑df0=33.430nun

齒根高h(yuǎn)f=3.285mm

基圖缶距Pb=14.700mm

測量齒輪公法線長度Wk=24.730mm

標(biāo)準(zhǔn)齒輪公法線長度Wkb=22.701mm

========密輪副嚙☆角和新開線函和值========

嚙合角alfp=32.364度

嚙合角新開線函顏值Qp=0.0688793

==========變位缶輪齒厚和嚙合角==========

分度圖齒厚s=10.013mm

缶頂圓位厚sa=2.775nun

基圖總厚sb=9.969m

缶頂壓力角alfa=44.904度

嚙合角alfp=32.364度

========安位法掄參數(shù)和幾何尺寸========

中心距分離系數(shù)y=0.900

齒頂變動系數(shù)sgm=0.286

標(biāo)準(zhǔn)中心距a=40.000nun

實(shí)際中心距ap=44.500mm

缶頂圖直徑da=53.068irun

分度國直徑d=40.000nun

基圖1徑db=37.588nun

缶根圓直徑df=33.432m

公法線長度Wkp=24.730nun

變位系數(shù)x=0.593

通過上述仿真我們懂得了漸開線齒輪時形成過程，及發(fā)生根切的條

件，當(dāng)齒數(shù)不大于17時將發(fā)生根切，配合時就要用到變位系數(shù)等有

關(guān)參數(shù)，在齒輪齒條日勺選擇過程中也許用到變位齒輪，上述建模仿真

分析將為我們提供很大W、J以便及參照價值。

六、除塵方案的設(shè)計(jì)與分析及方案確定

6.1除塵機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

方案一：離心式風(fēng)機(jī)吸塵（類似于吸塵器）

同〈一離心式風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)分解示意圖

1一吸入口；2—葉輪前盤；3一葉片；4—后盤；5—機(jī)殼；

6一出口；7—節(jié)流板，即風(fēng)舌；8一支架

工作原理：由電機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪中的葉片迫使氣體旋轉(zhuǎn)，對氣

體做功，使其能量增長，氣體在離心力的作用下，向葉輪四面甩出，

通過渦型機(jī)殼將速度能轉(zhuǎn)換成壓力能，當(dāng)葉輪內(nèi)的氣體排出后，葉輪

內(nèi)日勺壓力低于進(jìn)風(fēng)管內(nèi)壓力，新的氣體在壓力差日勺作用下吸入葉輪，

氣體就持續(xù)不停的從泵內(nèi)排出。

長處：吸塵效果好

缺陷：耗能高，噪音大，設(shè)備復(fù)雜

方案二：靜電除塵

電除塵器的工作原理

1-電暈線；2-電子；3-離子

4-粉塵顆粒；5-陽極板

工作原理：具有粉塵顆粒的氣體，在接有高壓直流電源口勺陰極線（又

稱電暈極）和接地的陽極板之間所形成日勺高壓電場通過時，由于陰極

發(fā)生電暈放電、氣體被電離，此時，帶負(fù)電的氣體離子，在電場力日勺

作用下，向陽板運(yùn)動，在運(yùn)