机械原理三级项目

燕山大学

机械原理讨论课

（机械翻书机的机构设计）

学院（系）：机械工程学院

年级专业：2015级机械设计制造及

其自动化22班

学生姓名：闫张弛杨帆

刘常顺李江坡

指导教师：陈革新

完成日期：

目录

一．研究背景和意义 (3)

二．设计分析和工作原理 (4)

三．各部分机构的选型 (5)

四．方案评定和选择 (7)

五．总结与心得 (9)

第一章研究背景和意义

摘要

我们设计的是供给四肢瘫痪病人使用的机械翻书机，整套装置由起页机构、传动机构以及翻页机构三大部分组成，能够在外力的作用下实现对书本的翻页功能，并且适用于大部分书籍。本文首先对国内外成熟的设计方案进行分析、研究，提出我们的总体设计方案，再对各个机构具体设计方案、制作方法进行详细的介绍，最后做出总结、评价和比较。

关键词：翻书机、机械

设计背景

目前市场上最为普及的翻书机应该是使用

在复印机中，能在对书本不拆封的情况下进行

自动翻页进而完成对整本书的复印。此类翻书

机往往采用电控控制，再辅以气动装置翻页，

在保证了高精度的控制下还能减小对书本的损

伤，因此造价极为昂贵。

另一方面，近些年国内外出现一系列机械

翻书机构。如日本Sony公司推出的BooktTime

和适用于乐队指挥者的脚踏式翻页器等。由于

是普通的机械型翻书机构，因此机构简单并且

造价低廉，也正是我们设计的目标。

发展趋势

未来的翻书机构将会更加智能化，自动翻

书机构可以根据纸质的大小薄厚自动调节翻

书机构，同时使用户进行远程控制，自动根据

光线情况调节灯的明暗程度，进而保证用户的

眼睛。便捷化，翻书器体积更小，便于携带。成本更加低廉，成本问题决定了其翻书器的销售量和在生活中的普及情况。

设计意义

电子读物大行其道的今天，仍有许多人偏爱纸质书籍，习惯是很难改变的，尤其是在你不想改变的时候。随着时代的进步和科技的发展，人们对弱势群体的关注不仅仅在于丰富他们的物质生活，而且深入到怎么满足他们的精神需求。?

对于四肢瘫痪的朋友们来说，想要看书相对比较困难。这是因为他们无法像

正常人一样用手翻书。虽然报刊杂志报道曾有残疾朋友历尽千辛万苦学会用脚翻书，但是书离眼睛的距离太远，不利于阅读。可对于四肢瘫痪的患者来说，用脚翻书也成了一种奢侈，因此自动翻书机便应运而生。

于是我们为方便四肢瘫痪患者读书，特为他们量身制做了残疾人专用的翻书机。使残疾朋友们能像正常人一样自由地阅读。

第二章设计分析和工作原理

设计目标

设计目标：使四肢瘫痪除头部外全部失去活动能力的朋友们可以自由享受阅读带来的乐趣。

设计要求

设计要求：设计一个结构简单、成本低廉的翻书机，读者只需通过移动一小的“咬嘴棒”控制开关，即可完成单方向的翻页功能，并且满足可以翻阅大部分书籍。

设计分析

1．书本固定：将任何一本书放置好以后，能够保证固定在仪器上不会掉下来或者自动合上。

2．翻页：该机构的最终目的就是能够在外力作用下实现对书本的翻页，可再按照功能细分为起页机构、传动机构以及翻页机构。

a.起页机构：该机构主要为实现将患者需要翻开的下一页掀起到半空中，便于完成翻页机构的翻页动作。

b.传动机构：由于翻书机存在两个单独功能的活动机构，而却仅有一个动力源，

因此要利用传动机构将动力转化，例如使产生上下运动的起页机构的动力转化为产生水平运动的翻页机构的动力。

c.翻页机构：将传动机构传递而来的动力转化成水平运动，使翻书杆将掀起到半

空中的书页翻向书籍的另外一侧，再摆动回原来的位置，完成一次翻页循环。

需要注意的是，由于起页机构和翻页机构有着明显的次序要求，但使用的却是同一个动力，因此要好好搭配两机构间的关系，使其在运动中不发生交互，必要时还可

加上一个动力输入机构，使输入的动力分流，便于控制。

3．动力：由于本机构是机械翻书机，动力也只能是机械动力，而四肢瘫痪的病人

只有头部可以移动，因此动力来源可以是病人的嘴部活动，如咬嘴棒的移动，也可以是病人头部的移动，如微抬头或微摇头等。对于其他电控等多样翻书机而言，动力输入也可以是眨眼等可通过扫描识别的微小动作。

4．纸张保护：在起页和翻书的过程中不能对书本有太大磨损，否则会损坏书本，减少使用率。

5．兼容性：对于不同尺寸大小、不同厚度的书籍应该具有兼容性，都可实现翻页功能。

工作原理

综上所述，因此该翻书机的工作原理如下：由四肢瘫痪患者头部的微小活动将动力输入到动力输入机构，动力输入机构对输入的动力进行分流，分成先后两个动力分别通过传动机构依次输入到起页机构和翻页机构，使两机构的运动有先后次序之分。起页机构获得动力后掀起书籍的下一页，再由获得第二动力的翻页机构完成对书页的翻页运动，然后两机构回复起始点，完成一次翻页动作的循环。

第三章各部分机构的选型

由于本报告为机械翻书机的机构设计报告，因此对于设计分析中的书本固定、纸张保护以及兼容性问题均没有涉及。

起页机构

起页机构，顾名思义，是指掀起书页的机构。在翻书机的翻书过程中，这是翻书动作的准备动作，也是翻书动作的关键，翻书动作的完成与否即在与是否成功起页。

起页机构的设计有两个难点，一个是如何让书页与起页装置一起运动，另一个则是起页装置的上下移动了。

我们由查询资料可得，使书页与起页装置一起运动的方法主要有三类，依次为传统的气动取页、模拟人手的摩擦起页、以及现在使用较多的吸附取页。

1.气动起页：气动起页是利用气压差来完成取页动作，一般例子有利用风扇将纸

张吹起取页和利用空气压缩机配合真空吸盘的新型气动取页。其中第二种例子也是吸附取页的一种，但由于高贵的成本，因此在机械翻书机中不为常见。

2.摩擦起页：如图所示，摩擦块

与书页摩擦，在通过凸轮的转动使摩

擦块向前推进，达到模拟人手的目

的，唯一的缺点是无法向人手一样在

摩擦书页的过程中从书籍中部凹凸

不平的部分滑动过去，这也是机械替

代人手的不足点。

3.吸附起页：吸附起页是使用较

多的取页方式，通常有两种，一种是

气动起页中的真空吸盘，通过空气压

缩机使吸盘产生负压，从而吸附书

页；另一种则是静电吸附，借助一个带静电或永久磁性的吸附头将书页吸起。

经过综合比较，我们选择了成本低廉使用最广的静电吸附作为我们取页的方法。

对于起页装置的上下移动，我们也设计了两种机构方案。分别是一个五杆的曲柄滑块机构以及一个凸轮滑块机构。

对于这两种机构而言，均是将转动转化成直线移动，进而带动吸附头的上下移动，我们经过还是选择了下图的曲柄滑块机构，原因是该机构比凸轮机构简单，更加符合我们设计的初衷。

翻书机构

对于翻书机构的设

计，我们也是从两个方面

进行的，一是翻书形式的

确定，另外一个则是翻书

机构的确定。

我们通过讨论得出，

机械的翻书臂主要分成两

种形式。

一个是等同于摇杆式

的翻书臂，其结构是一根摇杆带

着翻书臂，绕与书轴同轴线的旋转副摆动，其运动过程等同于一个空间的扇形。另外一种则是水平方向上的翻书臂，结构较为简单。一般表现为水平移动的翻书臂和水平方向上的摇杆翻书臂。

对于第一种的空间式摇杆翻书臂，其翻书杆在水平和竖直方向上均有运动，有可能会触碰到使用者；第二种的水平移动式翻书臂，需要对翻书臂做可以水平运动的滑轨，在经济效益上略低于水平式摇杆翻书臂，因此我们选择水平方向上的摇杆翻书臂作为最终的方案。

确定了翻书形式之后，在对翻书机构的设计过程中，我们小组内部产生了较大的分歧。

一个方案认为应该尽可能简单，使用一根杆即可，对于这根杆的翻书动作的执行与回程都靠动力的输入以及弹簧的回程来完成。

另外一种方案则是采用曲柄摇杆四杆机构，只使用输入的动力就可使翻书杆独立完成翻书与回程的动作。如图示

传动机构

与翻书机构设计不同的是，我们小组在传动机构的设计上有着出奇的一致性，那就是使用锥齿轮传动。由翻书机的起页机构和翻书机构可知，起页机构是一个竖直方向上的运动，而翻书机构则是一个水平方向上的运动，因此对于这种空间动力的传动问题，只能使用锥齿轮的啮合来解决。

动力输入机构（动力分流机构）

与上边提及的三个机构不同的是，这个机构本来不在我们的预想设计中，但是在整个机构的设计过程中，总是会出现起页机构与翻页机构的干涉，因此我们才另外多加了这么个动力分流的机构，作用是避免起页机构与翻页机构的干涉，即产生一个先后次序问题。

对于这个机构的设计，我们小组也有两个不成熟的构想，如图所示。

左侧图片采用的是一个棘轮，构想是在患者头部输入动力后，沿锥齿轮传入的转动方向是箭头所指，此时与其配合的轮盘不发生转动，当患者完成动力输入动作后，被压缩的弹簧推动原动件反转，输入的动力反向与箭头相反，此时棘轮带动着轮盘转动，进而带动翻书机构工作，此设想是基于翻书机构为曲柄摇杆四杆机构的。但是，

这个设想有一个巨大的缺陷，即若是轮盘上的

小柄是一个不能发生变形的刚体，则该构想无

法成立，若是能够发生变形的材质，也会出现

该工件易损坏的情况。

右侧的图片则是采用齿轮齿条啮合，该构想基于翻书机构为一根杆。工作原理如下，当患者用过点头使杆下降，起页机构与翻书机构同时工作，患者头部松开，压缩的弹簧使杆上升，对于一根杆的翻页机构而言，这个杆上升传递的动力就是翻页杆回程的动力。只是与左图方案相比，该图并没有解决企业机构与翻页机构的干涉问题。该方案的设想是更改与翻页机构的齿轮比使翻页机构的转动速度比起页机构的工作速度慢，进而达到避免起页机构与翻页机构的干涉问题。

第四章方案评定和

选择

方案成形

经过上述的机构设计与

分析，我们共获得了两种方

案。

方案一：

起页机构：曲柄滑块机构

传动机构：锥齿轮

翻页机构：单杆

动力机构：齿轮齿条啮合

如图所示，患者通过下巴向下顶，使

齿条运动，进而带动两个齿轮转动，使起

页机构取页，翻页机构工作。外力消失，

原动件下弹簧恢复原状，带动两机

构回到起始点

方案二：

起页机构：曲柄滑块机构

传动机构：锥齿轮

翻页机构：曲柄摇杆机构

动力机构：棘轮

如图所示（图示机构不完整，

仅供参考），患者通过咬嘴棒带动原

动件旋转一定的距离，滑块上下移

动。在弹簧的作用下，原动件发生

反转，棘轮正转，带动翻页机构工

作。

方案选择

优缺点讨论：

方案一：

优点：结构简单。

缺点：存在齿轮齿条啮合，要求精度高，成本高。

方案二：

优点：连杆机构数量较多，构件之间多是转动低副连接，传动可靠，承载能力大，耐磨性好。

缺点：连杆机构机械效率低，有惯性；棘轮配合存在致命缺陷。

综上所述，我们选择方案一。

第五章总结与心得

成员分工

闫张弛：方案讨论、材料收集

杨帆：方案设计、材料收集

李江坡：方案设计、三维建模、PPT制作

刘常顺：方案设计、Word制作

心得体会

闫张弛：课程设计培养了我们的综合运用机械原理课程及其他相关课程理论知识来解决实际问题的能力，做到了学以致用。在设计期间我们协同工作，共同面对机械课程设计当中遇到的困难，培养了我们的团队精神。在这些过程当中我充分的认识到自己在理论知识具体应用方面的不足，将来要进一步加强，今后的学习需要更加的努力。本次课程设计不仅仅是对自己所学的知识的一次系统总结与应用，还是对自己实践能力的一次检验。

杨帆：我觉得这次的设计让我们体会到了一个产品设计的整个流程，所有的步骤。每一步都让我们自己去做，去体会，让我们真正得到了实际中的锻炼。从前期的产品开发所做的调研工作，需求分析，到机构的选型分析，再到整机的尺寸的计算，绘图和仿真，每个人每个细节都在用心去做。我们不只是照着已有的尺寸画一下书本上现成的图样，而是要考虑尺寸配合，设计优化，甚至是市场发展前景，尽管你设计出来的东西还不完全很完善，也许不比那些市场上现有的产品先进，但我觉得我们的努力是很有价值的，我们的体会也是对我们以后真正走上工作岗位，真正在设计一个项目是很有帮助的。

课程设计培养了我们的综合运用机械原理课程及其他相关课程理论知识来解决实际问题的能力，做到了学以致用。在设计期间我们协同工作，共同面对机械课程设计当中遇到的困难，培养了我们的团队精神。在这些过程当中我充分的认识到自己在理论知识具体应用方面的不足，将来要进一步加强，今后的学习需要更加的努力。本次课程设计不仅仅是对自己所学的知识的一次系统总结与应用，还是对自己实践能力的

一次检验。

当然由于时间的关系我们的方案并不成熟，我们的作品有很多需要改进的地方，希望老师批评指正。

李江坡：一周的机械设计过程充满起伏，使我认识到原理图到实际机构的距离。整个设计过程中，不管是哪个方案，机构的原理简图其实都不复杂，运动在理论上都能轻松实现，用到的基本构件都是在课堂上学过的，一般都是连杆，齿轮。但是，很显然，各种简单运动组合成复杂运动并使之协调进行，不发生干涉并不是一件简单的事，涉及到各种机构的串并联，因此，一个完整、清晰的机构简图也并不容易得到。其次，一个很完美的机构简图并不意味着工作的基本完成，相反，这仅仅意味着跨出了一小步。从我自己及旁人的时间分配上，可以得出一个结论：机构的合理布局比得到一个机构简图困难得多。往往是整个机构的原理及运动简图得到后，却要将大量的时间用在布局上，而且这布局的工作一般都涉及到零部件尺寸的修改与校正，每一个尺寸的变动往往会牵连到其他零部件，可谓“牵一发而动全身”，整个过程是修改再修改，极其繁琐，真是“细节决定成败”。当完成了整个三维模型后，我自己很明显的感觉到模型与实物的差别，很多细节处都是不尽合理的，有的甚至直接忽略了，比如，两个连杆的铰接在模型上就是通过各打一个孔然后用销钉插入而实现的，但实物中肯定没有这么简单，起码会考虑销钉是否脱落的问题。再比如在设计过程中，我们往往都是优先考虑机构能否运动，而将传动性能置于其次，没有考虑机械的效率。整个过程真是充满艰辛，许多知识与操作都是从毫不知道到熟练掌握。如果再来一次课程设计，我相信我们会做得更好，而且会更有效率。

刘常顺：总体而言,此次课程设计很有效果,有付出也有收获,我在这次的设计中感到知识欠缺,与人合作交流方面还存在很大的漏洞,整体和全局的把握上有欠缺,前一段时间分工不是很明确,有些设计的顺序不正确, 无用功做了很多,在设计制作的过程中,电脑必不可少,网络的利用很重要,除了课本上的知识,我们对与画图和设计知识有关的相关技术和软件知识也应当有所了解.机械原理的课程设计时间虽然不长,但留给我们思考的和学习的东西还有很多. 我们这次的设计只能说是完整机械设计的一部分，但是过程种我们还是用到了很多学过的知识。知识的整合，让我对机械这个行业有了更深的了解。

参考文献

[1]机械原理安子君主编国防工业出版社

[2]机械原理—基础篇杨家军主编华中科技大学出版社