1、燕山大學(xué)機(jī)械原理討論課（機(jī)械翻書機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）學(xué)院（系）：機(jī)械工程學(xué)院年級專業(yè)：2015級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化22班學(xué)生姓名：閆張弛楊帆劉常順李江坡指導(dǎo)教師：陳革新完成日期：目錄1 .研究背景和意義32 .設(shè)計(jì)分析和工作原理43 .各部分機(jī)構(gòu)的選型54 .方案評定和選擇75 .總結(jié)與心得9第一章研究背景和意義摘要我們設(shè)計(jì)的是供給四肢癱瘓病人使用的機(jī)械翻書機(jī)，整套裝置由起頁機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)以及翻頁機(jī)構(gòu)三大部分組成，能夠在外力的作用下實(shí)現(xiàn)對書本的翻頁功能，并且適用于大部分書籍。本文首先對國內(nèi)外成熟的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、研究，提出我們的總體設(shè)計(jì)方案，再對各個(gè)機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)方案、制作方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，最

2、后做出總結(jié)、評價(jià)和比較。關(guān)鍵詞：翻書機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)背景目前市場上最為普及的翻書機(jī)應(yīng)該是使用在復(fù)印機(jī)中，能在對書本不拆封的情況下進(jìn)行自動翻頁進(jìn)而完成對整本書的復(fù)印。此類翻書機(jī)往往采用電控控制，再輔以氣動裝置翻頁，在保證了高精度的控制下還能減小對書本的損傷，因此造價(jià)極為昂貴。另一方面，近些年國內(nèi)外出現(xiàn)一系列機(jī)械翻書機(jī)構(gòu)。如日本Sony公司推出的BooktTime和適用于樂隊(duì)指揮者的腳踏式翻頁器等。由于是普通的機(jī)械型翻書機(jī)構(gòu)，因此機(jī)構(gòu)簡單并且造價(jià)低廉，也正是我們設(shè)計(jì)的目標(biāo)。發(fā)展趨勢未來的翻書機(jī)構(gòu)將會更加智能化，自動翻書機(jī)構(gòu)可以根據(jù)紙質(zhì)的大小薄厚自動調(diào)節(jié)翻書機(jī)構(gòu)，同時(shí)使用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，自動根據(jù)光線情況

3、調(diào)節(jié)燈的明暗程度，進(jìn)而保證用戶的眼睛。便捷化，翻書器體積更小，便于攜帶。成本更加低廉，成本問題決定了其翻書器的銷售量和在生活中的普及情況。設(shè)計(jì)意義電子讀物大行其道的今天，仍有許多人偏愛紙質(zhì)書籍，習(xí)慣是很難改變的，尤其是在你不想改變的時(shí)候。隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對弱勢群體的關(guān)注不僅僅在于豐富他們的物質(zhì)生活，而且深入到怎么滿足他們的精神需求。對于四肢癱瘓的朋友們來說，想要看書相對比較困難。這是因?yàn)樗麄儫o法像正常人一樣用手翻書。雖然報(bào)刊雜志報(bào)道曾有殘疾朋友歷盡千辛萬苦學(xué)會用腳翻書，但是書離眼睛的距離太遠(yuǎn)，不利于閱讀。可對于四肢癱瘓的患者來說，用腳翻書也成了一種奢侈，因此自動翻書機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生

4、。于是我們?yōu)榉奖闼闹c瘓患者讀書，特為他們量身制做了殘疾人專用的翻書機(jī)。使殘疾朋友們能像正常人一樣自由地閱讀。第二章設(shè)計(jì)分析和工作原理設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)：使四肢癱瘓除頭部外全部失去活動能力的朋友們可以自由享受閱讀帶來的樂趣。設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的翻書機(jī)，讀者只需通過移動一小的“咬嘴棒”控制開關(guān)，即可完成單方向的翻頁功能，并且滿足可以翻閱大部分書籍。設(shè)計(jì)分析1 .書本固定：將任何一本書放置好以后，能夠保證固定在儀器上不會掉下來或者自動合上。2 .翻頁：該機(jī)構(gòu)的最終目的就是能夠在外力作用下實(shí)現(xiàn)對書本的翻頁，可再按照功能細(xì)分為起頁機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)以及翻頁機(jī)構(gòu)。a.起頁機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)

5、主要為實(shí)現(xiàn)將患者需要翻開的下一頁掀起到半空中，便于完成翻頁機(jī)構(gòu)的翻頁動作。b.傳動機(jī)構(gòu)：由于翻書機(jī)存在兩個(gè)單獨(dú)功能的活動機(jī)構(gòu)，而卻僅有一個(gè)動力源，因此要利用傳動機(jī)構(gòu)將動力轉(zhuǎn)化，例如使產(chǎn)生上下運(yùn)動的起頁機(jī)構(gòu)的動力轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生水平運(yùn)動的翻頁機(jī)構(gòu)的動力。c.翻頁機(jī)構(gòu)：將傳動機(jī)構(gòu)傳遞而來的動力轉(zhuǎn)化成水平運(yùn)動，使翻書桿將掀起到半空中的書頁翻向書籍的另外一側(cè)，再擺動回原來的位置，完成一次翻頁循環(huán)。需要注意的是，由于起頁機(jī)構(gòu)和翻頁機(jī)構(gòu)有著明顯的次序要求，但使用的卻是同一個(gè)動力，因此要好好搭配兩機(jī)構(gòu)間的關(guān)系，使其在運(yùn)動中不發(fā)生交互，必要時(shí)還可加上一個(gè)動力輸入機(jī)構(gòu)，使輸入的動力分流，便于控制。3 .動力：由于本機(jī)

6、構(gòu)是機(jī)械翻書機(jī)，動力也只能是機(jī)械動力，而四肢癱瘓的病人只有頭部可以移動，因此動力來源可以是病人的嘴部活動，如咬嘴棒的移動，也可以是病人頭部的移動，如微抬頭或微搖頭等。對于其他電控等多樣翻書機(jī)而言，動力輸入也可以是眨眼等可通過掃描識別的微小動作。4 .紙張保護(hù)：在起頁和翻書的過程中不能對書本有太大磨損，否則會損壞書本，減少使用率。5 .兼容性：對于不同尺寸大小、不同厚度的書籍應(yīng)該具有兼容性，都可實(shí)現(xiàn)翻頁功能。工作原理綜上所述，因此該翻書機(jī)的工作原理如下：由四肢癱瘓患者頭部的微小活動將動力輸入到動力輸入機(jī)構(gòu)，動力輸入機(jī)構(gòu)對輸入的動力進(jìn)行分流，分成先后兩個(gè)動力分別通過傳動機(jī)構(gòu)依次輸入到起頁機(jī)構(gòu)和翻頁

7、機(jī)構(gòu)，使兩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動有先后次序之分。起頁機(jī)構(gòu)獲得動力后掀起書籍的下一頁，再由獲得第二動力的翻頁機(jī)構(gòu)完成對書頁的翻頁運(yùn)動，然后兩機(jī)構(gòu)回復(fù)起始點(diǎn)，完成一次翻頁動作的循環(huán)。第三章各部分機(jī)構(gòu)的選型由于本報(bào)告為機(jī)械翻書機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)報(bào)告，因此對于設(shè)計(jì)分析中的書本固定、紙張保護(hù)以及兼容性問題均沒有涉及。起頁機(jī)構(gòu)起頁機(jī)構(gòu)，顧名思義，是指掀起書頁的機(jī)構(gòu)。在翻書機(jī)的翻書過程中，這是翻書動作的準(zhǔn)備動作，也是翻書動作的關(guān)鍵，翻書動作的完成與否即在與是否成功起頁。起頁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)是如何讓書頁與起頁裝置一起運(yùn)動，另一個(gè)則是起頁裝置的上下移動了。我們由查詢資料可得，使書頁與起頁裝置一起運(yùn)動的方法主要有三類，依

8、次為傳統(tǒng)的氣動取頁、模擬人手的摩擦起頁、以及現(xiàn)在使用較多的吸附取頁。1.氣動起頁：氣動起頁是利用氣壓差來完成取頁動作，一般例子有利用風(fēng)扇將紙張吹起取頁和利用空氣壓縮機(jī)配合真空吸盤的新型氣動取頁。其中第二種例子也是吸附取頁的一種，但由于高貴的成本，因此在機(jī)械翻書機(jī)中不為常見。帶靜電或永久磁性的吸附頭將書頁吸起。2.摩擦起頁：如圖所示，摩擦塊與書頁摩擦，在通過凸輪的轉(zhuǎn)動使摩擦塊向前推進(jìn)，達(dá)到模擬人手的目的，唯一的缺點(diǎn)是無法向人手一樣在摩擦?xí)摰倪^程中從書籍中部凹凸不平的部分滑動過去，這也是機(jī)械替代人手的不足點(diǎn)。3.吸附起頁：吸附起頁是使用較多的取頁方式，通常有兩種，一種是氣動起頁中的真空吸盤，通過

9、空氣壓縮機(jī)使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，從而吸附書頁；另一種則是靜電吸附，借助一個(gè)經(jīng)過綜合比較，我們選擇了成本低廉使用最廣的靜電吸附作為我們?nèi)№摰姆椒āτ谄痦撗b置的上下移動，我們也設(shè)計(jì)了兩種機(jī)構(gòu)方案。分別是一個(gè)五桿的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及一個(gè)凸輪滑塊機(jī)構(gòu)。對于這兩種機(jī)構(gòu)而言，均是將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成直線移動，進(jìn)而帶動吸附頭的上下移動,我們經(jīng)過還是選擇了下圖的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，原因是該機(jī)構(gòu)比凸輪機(jī)構(gòu)簡單，更加符合我們設(shè)計(jì)的初衷。翻書機(jī)構(gòu)對于翻書機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們也是從兩個(gè)方面進(jìn)行的，一是翻書形式的確定，另外一個(gè)則是翻書機(jī)構(gòu)的確定。我們通過討論得出，機(jī)械的翻書臂主要分成兩種形式。一個(gè)是等同于搖桿式的翻書臂，其結(jié)構(gòu)是一根搖桿帶著翻

10、書臂，繞與書軸同軸線的旋轉(zhuǎn)副擺動，其運(yùn)動過程等同于一個(gè)空間的扇形。另外一種則是水平方向上的翻書臂，結(jié)構(gòu)較為簡單。一般表現(xiàn)為水平移動的翻書臂和水平方向上的搖桿翻書臂。對于第一種的空間式搖桿翻書臂，其翻書桿在水平和豎直方向上均有運(yùn)動，有可能會觸碰到使用者；第二種的水平移動式翻書臂，需要對翻書臂做可以水平運(yùn)動的滑軌，在經(jīng)濟(jì)效益上略低于水平式搖桿翻書臂，因此我們選擇水平方向上的搖桿翻書臂作為最終的方案。確定了翻書形式之后，在對翻書機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，我們小組內(nèi)部產(chǎn)生了較大的分歧。一個(gè)方案認(rèn)為應(yīng)該盡可能簡單，使用一根桿即可，對于這根桿的翻書動作的執(zhí)行與回程都靠動力的輸入以及彈簧的回程來完成。另外一種方案則

11、是采用曲柄搖桿四桿機(jī)構(gòu)，只使用輸入的動力就可使翻書桿獨(dú)立完成翻書與回程的動作。如圖示傳動機(jī)構(gòu)與翻書機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的是，我們小組在傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上有著出奇的一致性，那就是使用錐齒輪傳動。由翻書機(jī)的起頁機(jī)構(gòu)和翻書機(jī)構(gòu)可知，起頁機(jī)構(gòu)是一個(gè)豎直方向上的運(yùn)動，而翻書機(jī)構(gòu)則是一個(gè)水平方向上的運(yùn)動，因此對于這種空間動力的傳動問題，只能使用錐齒輪的嚙合來解決。動力輸入機(jī)構(gòu)（動力分流機(jī)構(gòu)）與上邊提及的三個(gè)機(jī)構(gòu)不同的是，這個(gè)機(jī)構(gòu)本來不在我們的預(yù)想設(shè)計(jì)中，但是在整個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，總是會出現(xiàn)起頁機(jī)構(gòu)與翻頁機(jī)構(gòu)的干涉，因此我們才另外多加了這么個(gè)動力分流的機(jī)構(gòu)，作用是避免起頁機(jī)構(gòu)與翻頁機(jī)構(gòu)的干涉，即產(chǎn)生一個(gè)先后次序問題

12、。對于這個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們小組也有兩個(gè)不成熟的構(gòu)想，如圖所示。左側(cè)圖片采用的是一個(gè)棘輪，構(gòu)想是在患者頭部輸入動力后，沿錐齒輪傳入的轉(zhuǎn)動方向是箭頭所指，此時(shí)與其配合的輪盤不發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)患者完成動力輸入動作后，被壓縮的彈簧推動原動件反轉(zhuǎn)，輸入的動力反向與箭頭相反，此時(shí)棘輪帶動著輪盤轉(zhuǎn)于翻書機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿四桿機(jī)構(gòu)的。但是，這個(gè)設(shè)想有一個(gè)巨大的缺陷，即若是輪盤上的小柄是一個(gè)不能發(fā)生變形的剛體，則該構(gòu)想無法成立，若是能夠發(fā)生變形的材質(zhì)，也會出現(xiàn)該工件易損壞的情況。動，進(jìn)而帶動翻書機(jī)構(gòu)工作，此設(shè)想是基右側(cè)的圖片則是采用齒輪齒條嚙合，該構(gòu)想基于翻書機(jī)構(gòu)為一根桿。工作原理如下，當(dāng)患者用過點(diǎn)頭使桿下降，起頁機(jī)構(gòu)

13、與翻書機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，患者頭部松開，壓縮的彈簧使桿上升，對于一根桿的翻頁機(jī)構(gòu)而言，這個(gè)桿上升傳遞的動力就是翻頁桿回程的動力。只是與左圖方案相比，該圖并沒有解決企業(yè)機(jī)構(gòu)與翻頁機(jī)構(gòu)的干涉問題。該方案的設(shè)想是更改與翻頁機(jī)構(gòu)的齒輪比使翻頁機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動速度比起頁機(jī)構(gòu)的工作速度慢，進(jìn)而達(dá)到避免起頁機(jī)構(gòu)與翻頁機(jī)構(gòu)的干涉問題。第四章方案評定和選擇方案成形經(jīng)過上述的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，我們共獲得了兩種方案。方案一：起頁機(jī)構(gòu)：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)：錐齒輪翻頁機(jī)構(gòu)：單桿動力機(jī)構(gòu)：齒輪齒條嚙合如圖所示，患者通過下巴向下頂，使齒條運(yùn)動，進(jìn)而帶動兩個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動，使起頁機(jī)構(gòu)取頁，翻頁機(jī)構(gòu)工作。外力消失，原動件下彈簧恢復(fù)原狀，帶動兩機(jī)

14、構(gòu)回到起始點(diǎn)方案二：起頁機(jī)構(gòu)：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)：錐齒輪翻頁機(jī)構(gòu)：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動力機(jī)構(gòu)：棘輪如圖所示（圖示機(jī)構(gòu)不完整，僅供參考），患者通過咬嘴棒帶動原動件旋轉(zhuǎn)一定的距離，滑塊上下移動。在彈簧的作用下，原動件發(fā)生反轉(zhuǎn)，棘輪正轉(zhuǎn)，帶動翻頁機(jī)構(gòu)工作。方案選擇優(yōu)缺點(diǎn)討論：方案一：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)：存在齒輪齒條嚙合，要求精度高，成本高。萬案一：優(yōu)點(diǎn)：連桿機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，構(gòu)件之間多是轉(zhuǎn)動低副連接，傳動可靠，承載能力大，耐磨性好。缺點(diǎn)：連桿機(jī)構(gòu)機(jī)械效率低，有慣性；棘輪配合存在致命缺陷。綜上所述，我們選擇方案一。第五章總結(jié)與心得成員分工閆張弛：方案討論、材料收集楊帆：方案設(shè)計(jì)、材料收集李江坡：方案設(shè)計(jì)、三

15、維建模、PPT制作劉常順：方案設(shè)計(jì)、Word制作心得體會閆張弛：課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們的綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程及其他相關(guān)課程理論知識來解決實(shí)際問題的能力，做到了學(xué)以致用。在設(shè)計(jì)期間我們協(xié)同工作，共同面對機(jī)械課程設(shè)計(jì)當(dāng)中遇到的困難，培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊(duì)精神。在這些過程當(dāng)中我充分的認(rèn)識到自己在理論知識具體應(yīng)用方面的不足，將來要進(jìn)一步加強(qiáng)，今后的學(xué)習(xí)需要更加的努力。本次課程設(shè)計(jì)不僅僅是對自己所學(xué)的知識的一次系統(tǒng)總結(jié)與應(yīng)用，還是對自己實(shí)踐能力的一次檢驗(yàn)。楊帆：我覺得這次的設(shè)計(jì)讓我們體會到了一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，所有的步驟。每一步都讓我們自己去做，去體會，讓我們真正得到了實(shí)際中的鍛煉。從前期的產(chǎn)品開發(fā)所做的調(diào)研

16、工作，需求分析，到機(jī)構(gòu)的選型分析，再到整機(jī)的尺寸的計(jì)算，繪圖和仿真，每個(gè)人每個(gè)細(xì)節(jié)都在用心去做。我們不只是照著已有的尺寸畫一下書本上現(xiàn)成的圖樣，而是要考慮尺寸配合，設(shè)計(jì)優(yōu)化，甚至是市場發(fā)展前景，盡管你設(shè)計(jì)出來的東西還不完全很完善，也許不比那些市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品先進(jìn)，但我覺得我們的努力是很有價(jià)值的，我們的體會也是對我們以后真正走上工作崗位，真正在設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目是很有幫助的。課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我們的綜合運(yùn)用機(jī)械原理課程及其他相關(guān)課程理論知識來解決實(shí)際問題的能力，做到了學(xué)以致用。在設(shè)計(jì)期間我們協(xié)同工作，共同面對機(jī)械課程設(shè)計(jì)當(dāng)中遇到的困難，培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊(duì)精神。在這些過程當(dāng)中我充分的認(rèn)識到自己在理論知識具體應(yīng)

17、用方面的不足，將來要進(jìn)一步加強(qiáng)，今后的學(xué)習(xí)需要更加的努力。本次課程設(shè)計(jì)不僅僅是對自己所學(xué)的知識的一次系統(tǒng)總結(jié)與應(yīng)用，還是對自己實(shí)踐能力的一次檢驗(yàn)。當(dāng)然由于時(shí)間的關(guān)系我們的方案并不成熟，我們的作品有很多需要改進(jìn)的地方，希望老師批評指正。李江坡：一周的機(jī)械設(shè)計(jì)過程充滿起伏，使我認(rèn)識到原理圖到實(shí)際機(jī)構(gòu)的距離。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，不管是哪個(gè)方案，機(jī)構(gòu)的原理簡圖其實(shí)都不復(fù)雜，運(yùn)動在理論上都能輕松實(shí)現(xiàn)，用到的基本構(gòu)件都是在課堂上學(xué)過的，一般都是連桿，齒輪。但是，很顯然，各種簡單運(yùn)動組合成復(fù)雜運(yùn)動并使之協(xié)調(diào)進(jìn)行，不發(fā)生干涉并不是一件簡單的事，涉及到各種機(jī)構(gòu)的串并聯(lián)，因此，一個(gè)完整、清晰的機(jī)構(gòu)簡圖也并不容易得到。

18、其次，一個(gè)很完美的機(jī)構(gòu)簡圖并不意味著工作的基本完成，相反，這僅僅意味著跨出了一小步。從我自己及旁人的時(shí)間分配上，可以得出一個(gè)結(jié)論：機(jī)構(gòu)的合理布局比得到一個(gè)機(jī)構(gòu)簡圖困難得多。往往是整個(gè)機(jī)構(gòu)的原理及運(yùn)動簡圖得到后，卻要將大量的時(shí)間用在布局上，而且這布局的工作一般都涉及到零部件尺寸的修改與校正，每一個(gè)尺寸的變動往往會牽連到其他零部件，可謂“牽一發(fā)而動全身”，整個(gè)過程是修改再修改，極其繁瑣，真是“細(xì)節(jié)決定成敗”。當(dāng)完成了整個(gè)三維模型后，我自己很明顯的感覺到模型與實(shí)物的差別，很多細(xì)節(jié)處都是不盡合理的，有的甚至直接忽略了，比如，兩個(gè)連桿的錢接在模型上就是通過各打一個(gè)孔然后用銷釘插入而實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)物中肯定沒有這么簡單，起碼會考慮銷釘是否脫落的問題。再比如在設(shè)計(jì)過程中，我們往往都是優(yōu)先考慮機(jī)構(gòu)能否運(yùn)動，而將傳動性能置于其次，沒有考慮機(jī)械的效率。整個(gè)過程真是充滿艱辛，許多知識與操作都是從毫不知道到熟練掌握。如果再來一次課程設(shè)計(jì)，我相信我們會做得更好，而且會更有效率。劉常順：總體而言，此次課程設(shè)計(jì)很有效果，有付出也