自动翻书器的设计-书本翻页机设计真空气吸式【三维PROE】【15张CAD高清图纸 说明书】【YC系列】
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自动翻书器的设计-真空气吸式【三维PROE】【15张CAD高清图纸
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本科毕业设计说明书（论文） 第 36 页 共 36 页1 引言随着社会的进步和对残疾人日常生活的不断关注，设计一款成本低廉、功能稳定的自动翻书器，对帮助双手有残疾或者用手不便的人来说具有重大意义1。设计的自动翻书器要能够实现翻书功能，而且翻页成功率高，设计可靠性高，总体性能好，价格低廉2。这种装置在自动翻页扫描仪中应用也比较广泛。而且近年来，国内不少公司开始热衷于对自动翻页扫描仪的研究，特别是针对自动翻页扫描仪的翻页机构以及控制系统进行研究，这也是全设备开发过程中比较棘手的一个问题，难题也比较多3，所以自动翻书器在日常生活中的应用是非常广泛的。1.1 本课题研究意义翻页是阅读过程中必不可少的一个过程。很多人认为这只是一个简单的动作，但对于有些残疾人而言，这并不简单。所以，自动翻书器需要能够使翻页实现自动化，甚至不需要通过双手也可以实现翻页过程。人的双手比较敏捷而且十分重要，能够通过伸、握、拿来完成日常动作4。非手工阅读对音乐家和残疾人来说很有意义。举个例子，比如音乐家，他们需要的是双手在操作乐器的同时翻阅乐谱。对残疾人而言，他们由于身体缺陷不方便翻阅书籍，他们需要一些技术来帮助他们读书、读杂志和看报纸。在这种方式下，翻书器能够让残疾人像正常人一样读书。翻书器对由于神经功能受损、肌肉受伤或其它原因导致双手不便的人来说十分有利。这些人包括犯有脑血管疾病、脊椎受损、肌肉萎缩、多发性硬化症、大脑瘫痪和关节炎等疾病的人，手部失能的中老年人和双手先天性残疾患者5。翻书器能够使他们通过读书来提高自己的生活质量，读书在一个人的日常生活中必不可少。在这一领域的商业化努力过程中，绝大多数厂家都只将目标人群对准了残疾人。结果是卖出去的翻书器常常被证明在翻阅传统的书籍和杂志时操作迟钝、声音嘈杂，而且价格十分昂贵。尽管残疾人对这项技术十分关注，但这些暴露出来的问题限制了翻书器的销量。如果这项技术想要成功打开市场，就必须扩大规模、降低成本。只有把翻书器的市场从以残疾人为主的市场扩展到包括音乐家和其他需要这项技术的人员的市场，并且以阅读方便和可以非手工阅读为特色。才能够保证这项技术在残疾人和老年人中广泛使用，而且会收到钢琴家、音乐店和书店的欢迎。这种技术在医院、护理所和图书馆的应用十分明显。1.2 本课题国内外发展现状目前市场上的全自动机械翻书器有几个主导品牌。这些品牌包括GEWA自动机械翻书器、QED 自动机械翻书器、Ablenefs Flip 自动机械翻书器和采用Qidenus 技术的 QiCare自动机械翻书器和 QiVinci 自动机械翻书器，如图1.1所示。也许是由于顾客的要求，这些机器都是体积较大，材质比较坚硬，运动比较缓慢，声音比较嘈杂，而且价格比较昂贵。GEWA 自动机械翻书器来自 Zygo工厂， Zygo工厂是一个大型的工业机器人供应厂商，它为各类翻书器构提供按钮。这种翻书器需要用户通过按钮一步一步的控制翻书过程。通过橡胶滚轮控制向前翻或者向后翻，翻一页或连续翻几页，所以用户坐着或者躺着使用都十分舒服。这种翻书器不需要使用胶水或胶带，内部和外部的塑料板是用来保证阅读时书本能够水平放置。翻书过程中存在一些错误，比如翻书过程中出现粘业现象或者页面褶皱，这时可以通过另一个按钮控制橡胶滚轮精确操作。GEWA 自动翻书器能够翻阅大部分教科书、平装书和杂志，他所能翻阅的书的尺寸最大可达“12cm9cm”，最大厚度可达2cm，它的售价为5000美元，因此GEWA自动机械翻书器是最昂贵的自动翻书器之一，它的价格和重量（15磅）使它适合于慈善机构为残疾人提供帮助。另一个与这个价格差不多的自动机械翻书器是QED自动机械翻书器。QED自动机械翻书器来自售后服务与质量都有保证的英国。QED自动机械翻书器适合用来翻阅比较薄的报纸、杂志、平装版和厚度可达50mm也就是2英寸精装书。本自动机械翻书器采用一个已有专利的连接到喷嘴的真空泵来使纸张一张一张的分开。只要纸的一个角微微弯曲，就能采用异形喷嘴轻轻吸走，而且其他页面不变。通过一个狭长的木板完成翻书的动作，并且压平书本以便于阅读。QED自动翻书器的售价也是5000美元，能翻阅的书的尺寸大小和GEWA自动机械翻书器差不多。（a) GEWA (b) QED (c) Ablenet Flip (d) QiCare (e) QiVinci (f) touch turner图1.1 市场上自动翻书器实物图Ablenet Flip自动机械翻书器是进入市场的最新的一种自动机械翻书器，售价为3900美元，它是通过价格来与其他同类和同等级的产品来竞争的。如果需要翻阅一本书或者一本杂志，那么它在实际操作前的准备时间大概为2分钟，它可以一次性翻阅一页或者五页，也可以通过一直按住按钮不放来实现连续翻阅好几页。这个自动翻书器能够翻阅的书本或杂志的大小范围在“4.13cm5.83cm”和”8.67cm11.69cm”之间,书籍厚度可达1.18英寸。它翻阅的速度大概为每页8s，但是在快速情况下看书的速度可达每页3s，这种自动机械翻书器的尺寸比较大，尺寸为“23.62cm18.90cm11.02cm”质量为18.74磅。更GEWA自动机械翻书器和QED 自动机械翻书器一样，它们的规格使它们更适合于布置在慈善机构中，而不是在个人家里。在这个价格范围内，另一个最近上市的全自动机械翻书器是QiCare自动机械翻书器，这种自动机械翻书器应用了来自奥地利的qidenus技术。这项技术非常适合于翻阅极薄的杂志或期刊。使用时将杂志或者期刊放在机器的阅读平面区域，使用嵌入式机构将杂志或期刊固定在那个区域。当有激活信号时，这个自动翻书系统无论向前翻阅或者向后翻阅都将会十分轻便。该操作过程可以使用多种因素控制，包括由语音控制、双向开关控制、手指控制或接近传感器控制。这种装置是为了四肢发抖或者残疾人设计的，但是该翻书器定价3000美元似乎有点高。Touch Turner自动翻书器是市场上一种经典的自动翻书器，该自动翻书器的价格为1500美元，至今还是比较昂贵的，因为该翻书器翻阅的速度比较慢。1.3 本课题研究途径在分析与这个课题相关的文献中，有人通过类人机器人来实现自动翻书器的设计，类人机器人近年来发展的还可以，是一门综合学科，它融合了机械、计算机、控制工程等学科领域的研究成果，是目前机器人研究比较热门的领域之一6。读书机器人也是类人机器人的一种，有的读书机器人是可以通过网络远程遥控，机器人可以从书架上选取读者需要的书籍，然后将文字扫描成图像传送给读者7。韩国也研制出了一种智能机器人，该机器人能够识别人脸，也能辨别文字8。读书机器人的组成是由头部、机械手臂和身体3个部分组成9。由于目前市场上的自动翻书器结构比较复杂，而且价格比较昂贵，或者适用范围比较狭小，所以本文打算设计出结构简单、价格便宜，适用范围较广的自动翻书器，它还要能够根据书籍的大小调整自动翻书器的尺寸。2 自动翻书器总体方案设计本设计是要求设计出一款自动翻书器，可以在用户的控制下自行翻书，翻书器的设计大小由书的尺寸来确定。由于不同人的阅读速度不同，所以自动翻书器需要设计出不同的速度档位，本设计准备分低速、中速、高速三个档位来控制翻书器的翻书速度，根据实验，几位同学阅读两页的时间分别为：02:12.0、00:52.9、01:22,5、00:20.4、01:43.5、02:23.9、00:54.1、00:23.1、02:01.7、01:39.7。在这个数据中，人是随机挑的，读时的页码也是通过随机数产生的，不同人的读书速度有所不同，书籍的不同页码字数也有所不同，所以测出来的数据方差很大。根据这些数据将三个档位分别设计为高速档50s翻动一次，中速档120s翻动一次，低速档180s翻动一次。由于不同书籍的开本大小可能不同，所以对于大小不同的书可以通过调整翻书器的尺寸来进行翻书。本文方案都是将自动翻书器的翻书过程分为选取单页、翻页、压紧三个步骤，选取单页就是保证每实现一次翻书动作的过程只会翻一张纸，要避免两张纸或几张纸一起翻的情况发生。翻页就是使一张纸翻180，即从书籍的右边翻到左边。压紧就是指完成翻页动作后防止刚翻的纸张边上向上翘影响阅读10。2.1 自动翻书器总体方案讨论方案一是将前两个步骤进行合并，方案二和方案三是按照上述三个步骤进行设计的，具体方案如下：方案一：该方案的基本原理是模仿人翻书时的动作，人在用手翻阅书籍时，手与纸的接触点的轨迹大体符合某种连杆曲线，所以可以选用铰链四杆机构来实现这种轨迹的运动，铰链四杆机构在运动时，其连杆平面上的每一点均可描绘成一条连杆曲线，可以通过这一点对书本的纸张产生压力，通过压力产生摩擦力就可以对书本进行翻页，而且铰链四杆机构可以实现周期性的运动，所以能够完成对书籍的连续翻页。由于在对一本书进行翻书动作时，书的厚度会逐渐发生变化，所以翻书器与书的接触点处可以加上一个弹簧，这样自动翻书器可以对这个厚度的变化自行调整。压纸机构采用齿轮齿条来实现，齿轮的旋转运动转变成齿条的上下直线运动，可以通过这个上下的直线运动来控制纸张的压紧与松开的状态。方案二：该方案的单页选取机构是通过风扇产生的吸力来实现的，电机带动风扇旋转时，气流会流动，就会产生压力差，从而产生吸力。对于翻页机构，本方案将单页选取机构安装在翻页机构上，通过吸书头的运动实现翻页步骤的操作。翻页机构可以通过曲柄摇杆机构来实现，摇杆可以安装在自动翻书器的左边或者书本的中间。翻页机构操作完成后，通过压紧装置对翻完的书籍进行压紧操作，压紧机构与方案一相同。方案三：该方案将方案二中的风扇换成了真空泵，翻页机构是通过丝杠机构实现的，就是在丝杠机构的滑块上安装一根拨杆，通过控制这根拨杆的运动实现翻页动作。该方案的具体步骤为首先松开右边的压纸装置，然后使用真空泵产生吸力来吸起一张纸，吸起来之后使用丝杠机构带动一根杆从右向左进行直线运动进行翻页操作，最后再采取压紧装置压紧已经翻好了的书本，压紧机构采用压杆来实现，然后反复重复上述过程就能完成对书籍的连续翻页。2.2 自动翻书器总体方案对比方案二比方案一好一些，因为方案一如果纸张之间的粘度较大，翻书时会翻起两张，而且接触点之间的压紧力也不好控制，或者控制起来比较麻烦。所以纸张的翻起效果比较差，纸张也容易遭到损伤11。在翻页过程中需要检测书籍的厚度，在对书籍纸张的厚度进行检测的过程中，即使是一本书，也会出现纸张的厚度有的厚，有的薄，对于不同的书籍来说，这种情况更严重12。在科研工作者利用的各种翻页方法中，利用真空的吸盘进行单页选取的方法对书页几乎不会造成什么损伤，具备比较好的纸页翻起效果13。方案二采用风扇吸取纸张，能够保证每次只吸取一张纸，而且对吸书头进行机械运动，机构相对来说也比较简单，但存在一个问题，如果摇杆机构放在自动翻书器左边的话，容易对纸张产生破坏，如果放在书籍的中间的话，考虑到平衡，所以需要在前后都需要设计一个摇杆，这样将会挡住读者的视线。方案三与方案二相比，有两大不同点，一是吸纸装置不是采用风扇产生压力差来保证，而是采取真空泵来吸纸，真空泵的原理更吸尘器一样，打开真空泵时，与之相对应的吸书头会产生吸力，此吸力用于吸纸比较可靠，如果在实际情况下吸力很大，可以在吸书头上设计出网格状的挡板，这样能够有效地避免纸张发生破坏的情况发生。只要断开电源，吸力就可以消失，同时吸书头与纸张之间的密封性能也不是很好，所以只要断开电源，自动翻页机构来翻页时，纸张能够十分自然的掉下来。而是翻页机构的不同，使用曲柄摇杆机构的弊端在上面已经描述了，采用丝杠机构运动比较平稳，对于不同开本的书籍，丝杠的行程可以做出相应的调整，拨杆的高度通过合理的设计也可以进行调整，所以本设计符合设计要求。综上所述，本设计采用方案三进行设计。3 自动翻书器各个模块机构设计自动翻书器分为三大模块：单页选取机构、自动翻页机构和压纸机构。下面对这3个部分进行详细的设计。3.1 自动翻书器单页选取机构设计 自动翻书器的单页选取机构是实现每次只翻一页的任务，完成该任务有多种实现方式。比如带弹簧的触点、带有风扇叶片的电机、真空泵、吸盘，表3.1分别分析了这几种单页选取机构的优缺点，然后在这几种机构中选出一种合适的单页选取机构。通过比较发现真空泵的效果最好，而且市场上也有成品卖，只需将它应用到本设计中即可。本设计选用的真空泵如图3.1所示。表3.1 单页选取机构的比较单页选取机构优点缺点带弹簧的触点通过合理的设计，可以产生合适的预紧力，通过一定的圆弧运动，再加上纸张的惯性作用，比较方便的对纸张进行翻阅。有的书本由于纸张之间的粘性较大，一次翻阅能够翻阅2页或者多页，而且随着翻页动作的进行，书本的厚度在发生变化，预紧力的控制也比较困难。带有风扇叶片的电机只要通过控制电机的转、停，就可以实现吸纸、放纸的动作，且吸力的大小可由电机的功率大小控制，能够每次都确保只吸取一张纸。自己设计的机构密封性较差，有时会发生吸不起来的情况。真空泵能够较好的实现吸取动作，吸力的大小可以通过电机功率的大小或者吸头的大小进行控制吸盘结构比较简单不一定能够一次吸取成功，而且质量越好，松开时越困难，或者设计的结构比较复杂。图3.1 微型真空泵本真空泵的具体参数如下：名称: 微型真空泵工作电压：DC9V12V额定电流：500mA额定功率：6W抽气流量：12L/min重量：280g尺寸：102mm40mm70mm一张A4纸的质量约为4.3657g，由于纸张的规格有所不同，所以纸张的质量也没有一个定数，因此可以模仿机械设计中常用的方法，取安全系数为2，重量约为8.7314g。单页选取机构需要设计出一个直径合理的的圆型吸头，假设吸书头的直径为15mm，则其有效面积为：纸张的质量为：完成吸取动作需要产生的压强为：所以选取的真空泵只要能够产生484.4Pa的压强就能符合要求。风压与风速有直接关系为： (3.1) 式中：W-风产生的风压（kPa），-空气的密度（kg/m3）,v-风速（m/s）。该真空泵的流量为12L/min，又由于吸书头的有效面积为176.7146，根据真空泵的流量除以吸书头的有效面积能够算出风速为1.132m/s，由于空气密度一般为常值1.29kg/m3，带入公式3.1可以算出风产生的压力为0.8265kPa，即826.5Pa，大于设计所需的484.4Pa，所以15mm的吸书头满足设计要求，如果在实际应用时由于吸力过大而让纸张发生损坏的话，可以对吸书头再进行改进，在口部加上一个稀疏的网格，这样能够有效地避免书籍的破坏。吸书头的直径不同时，吸起单页所需要的压强与真空泵能够产生的压强都会产生变化，表3.2列出了吸书头的直径为10mm、15mm与20mm的具体计算结果，考虑到吸书头需要设计的比较小巧，产生的压强适中且尽量避免由于压强过大导致纸张发生破坏，所以直径选择为15mm。表3.2 吸书头设计参数吸书头直径（mm）吸起纸张所需压强（Pa）真空泵能够产生的压强（Pa）101089.94180.915484.4826.520272.473261.7在选择时真空泵常见的流量有5L/min和12L/min两种，如果选择5L/min的真空泵，它的风速为0.47m/s，真空泵能产生的风压为142.48Pa，小于设计所需的484.3969Pa，所以本设计选取了流量为12L/min的真空泵。选好了真空泵之后，还需要设计出合理的吸书头与之相对应。吸书头的外形为阶梯轴，在直径较小的轴上端加工出了螺纹，使用螺母和垫圈与之相连接，这样有利于对不同开本大小的书籍进行调整，只需要将螺母松开，将吸书头移动到所需的位置即可。吸书头的外形和尺寸如图3.2所示。1-M10螺母 2-M10垫片 3-吸书头图3.2 吸书头简图根据实际测量，管子的直径约为6mm，所以安装管子的轴端内径设计为5mm，外径设计为6mm，由前面的计算可知，15mnm的吸书头符合设计要求，所以外径设计为18mm，内径设计为15mm，中间段是需要拧紧的，考虑到螺栓具有标准件，所以设计为10mm，这样就可以选用标准件M10的螺母和垫圈，具体零件图如图3.3所示。图3.3 吸书头零件图吸书头可放于书本的右上角，右边的压纸机构松开时，使真空泵运转，吸书头就能将纸张吸起，由于不同书籍的尺寸大小会有所不同，厚度也会有所不同，所以吸书头的位置需要能够很好地进行调节，所以在设计时我考虑使用活动机构，能够控制吸书头的位置，这样能够对于需要翻阅的不同尺寸的书本，可以人为自动调整。具体机构如图3.4所示，由于纸张的厚度不同，或者纸张的软硬程度不同，设计的高度也应有所不同，所以高度方向可以通过光杆支座4进行调节，32开本的书和16开本的书宽度不同，所以吸书头的左右位置可以通过吸书头移动架1进行调节，不同开本的书籍的长度也会有所不同，可以通过吸书头移动架和吸书头固定架3在光杆支座4上调节角度，保证吸书头的位置在纸张的右边，这样会尽可能的减少遮住的面积，只要调整合理，遮住的面积比较有限，读者在阅读到那部分时如果有遮挡，只需要稍微倾斜一下身子就能够顺利读完。1-吸书头移动架 2-吸书头 3-吸书头固定架 4-光杆支座 5-软管 6-真空泵图3.4 自动翻书器的吸纸装置在图3.3中，真空泵6与吸书头2之间是通过塑料软管5连接的，塑料软管通过光杆支座4的上侧，这样能够控制塑料软管的摆放位置，这样不会影响丝杠的正常运转，也不会影响压纸机构的正常运转。光杆支座的直径设计需要考虑到小巧性，所以将直径设计为25mm，在设计高度时，需要考虑到所有书籍的尺寸，书籍的参考高度为30mm，拨杆的高度为5mm，所以吸书头的底部距离书本的距离至少为35mm，由于不可能贴着书翻，所以需要有一个合适的行程，拿新东方考研英语词汇为例，100mm完全满足要求，由于该书属于比较大的书籍，所以将行程的最大值设计为100mm，根据其他尺寸，将整体尺寸取整，光杆支座的高度设计为150mm比较合适，实际行程为99mm，其具体尺寸如图3.5所示。图3.5 自动翻书器光杆支座零件图吸书头固定架需要保证对于尺寸大小不同的书籍均能适用，所以设计的行程能够到达最小书籍的右侧向内30mm，经取整后，长度设计为180mm，实际行程为到达最小书籍右侧向内32mm，在旋转后数值会稍微减少，但也能符合设计要求。宽度与吸书头的直径相对应，设计为32mm，具体尺寸如图3.6（a）所示，与之相对应的吸书头固定架的尺寸如图3.6（b）所示。（a）（b）图3.6 自动翻书器的吸书头移动架和固定架零件图本设计的自由度比较多，所以能够适合对多种书本的阅读，但在具体设计时，上面的悬挂装置在选材料时需要选取质量较轻的，这样可能减少右边光杆支座上的应力应变，在设计时，光杆上的螺栓螺母连接，右边之所以设计的计较厚，原因是需要通过右边的质量对左边的质量进行平衡，这样也能够尽可能的减少应力应变，右侧设计成一个平面也能够方便螺母的拧紧操作。吸书头的具体位置可以通过3个自由度来进行控制，上下的移动、左右的移动和绕竖直方向上的旋转。这样，对于开本大小不同的书籍都能够进行阅读。在安装时安装在自动翻书器的箱体的右上方，具体位置如图3.7（a）所示，右下方用于安装压纸机构，这样设计安排的也比较适合。安装时距离边上留出几毫米的距离，避免与边缘相切，经测量距离右侧35mm，前侧124mm，真空泵安装时距离上侧10mm，前侧91mm。具体尺寸如图3.7（b）和3.7（c）所示，1-箱体 2-吸纸机构（a）（b）（c）图3.7 自动翻书器单页选取机构安装位置3.2 自动翻书器翻页机构设计自动翻书器翻页机构需要实现的功能是将纸张翻转180，执行机构适宜选择旋转机构或直线机构，旋转机构比如曲柄摇杆机构，棘轮，槽轮机构等等，直线机构包括丝杠机构等等。在论文前面方案分析部分讨论到，使用曲柄摇杆机构，如果只是放在自动翻书器的后面，那么平衡难以把握，如果在前面、后面都安装的话，那么会影响实现读者的视线。所以本设计中采取了使用直线运动的方式，直线运动方式也有好多种，比如丝杠运动、齿轮齿条运动、带传动、曲柄滑块运动、四杆机构等等，对于齿轮齿条机构而言，价格比较便宜，在设计时可以很好地将齿轮的旋转运动转变为齿条的水平直线运动，在齿条上加上一根杆子，可以实现杆子的左右运动，但齿轮齿条传动也有一定的弊端，比如，书本的参考宽度为420mm，所以齿条的行程差不多300mm到400mm，所以在齿条向左走完一个行程时，齿条就会超出300mm或400mm，而且为了控制好齿条的平衡，齿条的长度就比较长，所以在本设计中不太合适。带传动能够避免上述的问题，因为带传动是旋转运动，是皮带绕在带轮上转动，只需要在皮带上安装上一个机构固定一根杆即可，但皮带本身稳定性也不是很高，加上在装上一根杆子，皮带中间部位下垂更加严重了，在翻书时可能会碰到书本，因此也不适合。曲柄滑块机构能够将电机的旋转运动转变为滑块的水平运动或者圆弧运动，由于其效率比较低，存在惯性力，所以适合于冲击，不适合将旋转运动转变为直线运动或者曲线运动，并且摩擦力也比较大，磨损比较严重。四杆机构在以往的案例中有应用，如图3.8所示，由于本设计需要对不同开本的数进行翻页机构，使用四杆机构设计出来的确比较简单，但是对于不同开本的自动翻书器不能调整，这是使用四杆机构设计成翻页机构的弊端，但丝杠机构能够将旋转运动转变为直线运动，也是最常用的机构之一，对于丝杠机构，根据设计所要求的精度、行程、电机的不同，价格也会有很大的一个变化范围，从几十元到数万元不等，本设计只需要将电机的旋转运动转变为杆件的直线运动，对于电机，我们不需要选取精度最高的伺服电机，选取步进电机即可，而且直线运动所需的精度也不是很高，所以选取一套普通的丝杠装置即可，图3.9所示的丝杠机构比较适合，它配合了导轨，所以在滑块上面能够稳定的固定一根杆子，并且运转比较平稳，且价格也比较合理，可以通过控制时间来控制它的行程，所以可以对不同大小的书籍进行翻阅，根据行程的不同，它有很多规格，如表3.3所示，由于书本开本的大小有大有小，所以根据行程，书本的宽度为420mm，自动翻书器在进行翻页步骤时只需翻到左边的中间位置即可，如图3.10所示，图中的书本是16开本，丝杠机构的行程选为400mm即可。图3.8 自动翻书器中的四杆机构图3.9 梯形丝杠直线导轨 表3.3 42梯形丝杠滑轮式直线导轨滑台选型表规格型号电机参数水平载重（kg）垂直载重（kg）总长（mm）有效行程（mm）重量（kg）电流（A)电压（V)转矩Ncm身长（mm）DG42T2001.212-32454830102481001.035DG42T3001.212-32454830103482001.215DG42T4001.212-32454830104483001.315DG42T5001.212-32454830105484001.535DG42T6001.212-32454830106485001.675图3.10 丝杠行程的确定所以在此选用400mm的梯形丝杠滑轮式直线导轨滑台，该导轨的型号是DG42T500，由于该丝杠机构是成套的，所以不需要自己选择零件进行装配，减少了设计费用和设计时间。在设计上面的拨杆机构时要尽量保持平稳，这样能够比较平稳的运行，也能减少电机在运转过程中产生的噪音。丝杠机构的导程有1mm、2mm、4mm、8mm四种，对于本设计而言，本设计是需要在尽量少的时间内完成翻页这个动作，而电机的转速是一定的，所以导程越大，翻页机构中的杆件的运动速度越快，自动翻书器的运动周期越短，所以在选择导程时，本设计选择导程为8mm的。该丝杠的其他参数如表3.4所示。表3.4 丝杠的具体参数详细说明往返精度0.1mm-0.5mm温升80环境温度-10-+40绝缘电阻100M MIN 500VDC绝缘等级B在选择翻页机构时，翻动一页纸所需的时间也是重要的参考因素，因为本设计的要求有一点：要求翻书器的翻书速度高速档50s翻动一次，中速档120s翻动一次，低速档180s翻动一次。所以翻页的时间不能太长，最好在5s左右，执行时间跟步进电机的转速有关，步进电机的转速一般会经历加速阶段和稳定运转阶段，步进电机的加速时间一般为0.1s至1s之间，步进电机的起步速度一般在10r/min至100r/min，步进电机的最大速度一般在600r/min至1200r/min之间，丝杠的行程为400mm，所以自动翻书器在执行翻页动作时，只需要步进电机旋转50转即可，可以简单地估计出执行时间小于5s。该丝杠在速度方面的参数为1mm/s-66mm/s，以最快速度走满全程需要6s。由于书本的厚度没有一个定值，本设计需要对不同大小的书本均适用，所以本设计将杆件的高度设计成了可调节的，如图3.11所示，根据书本大小的不同，可以对杆件进行高度的调节。1-梯形丝杠 2-拨杆支座 3-M10 4-拨杆图3.11 可调节高度的翻页杆具体的设计为，在丝杠机构的滑块上，固定一个拨杆支座2，拨杆4通过螺栓3拧紧在支架上，当需要翻阅的书籍厚度不一样时，可以用手拧松螺栓3，这样就能够在拨杆支座2上自由的调节拨杆4的高度。丝杠的左右距离可以通过编程来实现，只需要控制步进电机的通电时间就可以达到控制左右距离的控制，走合适的距离既能够节省电源，也有利于提高翻阅速度。拨杆的三维图和二维图如图3.12所示，支座的三维图和二维图如图3.13所示。在拨杆支架高度的设计问题上，根据实验，行程控制到100mm就可以满足使用要求。拨杆的长在设计时需要考虑到所有开本的书籍，拨杆对的长度只要达到书籍的一半即可，由于书籍在放置时都是对中放置的，所以书籍的中心线始终是同一条线，经测量，拨杆总长设计为222mm。（a）（b）图3.12翻页机构的拨杆（a）（b）图3.13翻页机构的拨杆支架在安装丝杠机构时，由于需要控制翻页杆件的高度，所以需要将整个丝杠机构下沉安装，这样能够保证保证杆件能够在合适的量程内移动。通过计算，将丝杠下降了55mm进行安装，这样能够降低拨杆与书籍的实际距离。下面对该四港机构的强度进行校核，该丝杠水平载重30kg，竖直载重10kg，所以需要对该翻页机构的重量进行校核，只要改翻页机构的重量小于10kg，就合格，丝杠的联轴器、电机等强度都会在合理范围之内。首先需要对自动翻页机构的装配图测一下体积，由proE模拟出的图形中可以测出体积为1.084105，如图3.14所示。钢的密度约为7.85g/，各种铝的质量都低于3g/，如表3.5所示，假设全部由刚制成，质量为0.85kg，远远小于10kg，所以自动翻页机构的强度符合要求14。图3.14 翻页机构的体积表3.5 常用金属的密度材料名称密度（g/)普通碳素钢7.85优质碳素钢7.85碳素工具钢7.85防锈铝LF2、LF432.68LF32.67LF5、LF10、LF112.65LF62.64LF212.73锻铝LD2、LD302.7LD42.65LD52.753.3 自动翻书器压纸机构设计有的书本由于纸张的原因，可能在阅读过程中会自动翘起，或者在你正在阅读时刮风使纸张翘起，如图3.15所示，甚至发生翻页的情况，从而影响正常阅读，所以在完成翻页步骤之后需要立即压紧。图3.15 未加压纸机构时可能出现的情况所以，只需要设计出合理的压纸机构就能避免上述情况的发生，本设计设计除了两种不同的方案。方案一：本自动翻书器的压纸机构打算使用电机进行驱动，因为电机的输出为旋转运动，压纸装置所需的运动是直线运动，所以需要找出一个合理的机构，能够将旋转运动转换为直线运动即可，符合的机构有齿轮齿条运动、丝杠机构、曲柄滑块机构、导杆机构等等。本方案打算采用齿轮齿条，齿轮正转，压纸装置进行压紧，齿轮反转时，压纸机构进行放松操作，齿轮的正转、反转可以通过电机的正转、反转来实现。压纸的位置可以选择在书本的上侧、中间、下侧，经过多次试验，发现在中间压紧，效果最好，所需的预紧力也比较小，看起来也比较美观，材料的选择应选取尽量透明的材料，因为压住书本的面积较小的话，可能压不住或者达不到预期的目的，所以采用透明的，这样，压住了字也不会影响阅读。但在设计时中间部位在单页选取位置的移动范围之内，所以将自动翻书器的压纸装置设计在书本的中下部分，效果图如图3.16所示：图3.16 加压紧机构后的效果图压紧机构采用齿轮齿条运动副，运动的传递方式是，电机为动力源，通过联轴器与定位齿轮的轴相连，轴与齿轮通过键连接，齿条定位时只留下上下移动这一个自由度。一开始我们就对书本的厚度给出了一个参考值，即30mm，原因为，除了工具书外，大多数书的厚度不会多余这个尺寸，对于工具书而言，它的主要作用不是给读者阅读的，而是查阅的，我们也知道，工具书是先看目录，然后更具目录确定自己所要查找的信息大概在那几页，然后才在那些页码中找。所以本设计没有考虑这种工具书，所以我们选用的齿轮齿条的行程50mm即可满足要求。电机的正转、反转、停止通过电气控制方式，左右两个压纸装置是一样的，既对称，又减少了设计难度，也符合基本的设计原则。通过合适的电气控制，能够达到设计目的。方案一能够实现设计目的，但是使用齿轮齿条机构时，需要准备的零件为步进电机、联轴器、步进电机支架、轴、键、轴承、轴承支座、齿轮、齿条等，齿条的摆放位置为竖直摆放，它的重力只能通过齿轮、齿条之间的啮合力来平衡，对于齿轮齿条的使用寿命来说大打折扣，而且还存在一个问题，随着书本的尺寸大小的不同，齿轮齿条的位置需要进行变换，还有一个问题，随着翻书过程的进行，书本右边的厚度在不断减少，左边的厚度在不断增加，齿轮齿条的行程也难以把握，如果设计成一个定值，那么随着纸张的减少或增加，压紧装置的压紧度会不断减少和增加，如果书本的压紧程度过低，可能起不到压紧效果，如果书本的压紧程度过高，那么就会增加整个装置的应力应变，如果应力应变超出自动翻书器所能承受的范围，那么自动翻书器就会产生破坏。所以，该方案需要改进，需要简化，在老师的建议下，我想出了方案二。方案二：压紧机构的部件图如图3.17所示，通过控制步进电机的正反转就能够控制纸张的压紧与松开，而且压紧时，是通过杆子的重力对书本进行压紧，避免了上述中的问题，当右边需要松开时，只需要让电机逆时针转动180度，就能够是杆件抬起，这样就能够进行单页选取和翻页操作。当翻页进行到一半时，就可以让电机顺时针转动180度，这样，书本能够实现压紧操作，具体角度为中间偏内侧10。且随着翻书动作的进行，书本的厚度发生变化，杆件的压紧作用丝毫没有减弱。在杆件的选材方面，需要选取透明的材料，比如塑料等等，因为本毕业设计需要对不同尺寸的书本均能够适用，所以杆件的长度会比较长，所以本设计吸收了鱼竿的设计原理，设计成了伸缩杆，这样，当所需翻的书籍的开本比较大时，杆件相对比较短，当所需翻的书籍的开本比较小时，杆件相对比较长，可以根据实际情况自己进行相应的调整。因为在翻阅过程中，杆件会遮挡在字上，所以选取透明的材料为佳，这样，在翻阅的过程中，压纸机构压住了字也不会影响阅读。1-内压杆 2-外压杆 3-42电机支座 4-42步进电机 5-联轴器 6-转杆7-压杆档杆 8-压杆固定轴 9-压杆支座图3.17 压紧机构整体图在电机的选择上，最常用的电机分为普通电机、步进电机和伺服电机，在这儿由于需要进行较为精确的角度转动，所以只能在步进电机和伺服电机中间选取，但由于伺服电机的价格过于昂贵，所以本设计的压纸机构优先考虑采用步进电机。步进电机从小到大可分为20、28、42、57、60、80、86、90、110、130等等，但20步进电机和28步进电机使用的比较少，常用的是42步进电机和57步进电机，由于该压紧机构所需额的扭矩也不大，所以本设计打算采用42步进电机。42电机的型号如表3.6所示。表3.6 42步进电机的型号电机型号步距角（）保持转矩（kgcm）（驱动器）工作电压（V)相电流（A)相电感（mH）相电阻（）引线数（No.)重量（kg）电机长度（mm）42BYGH28-401A1.82.3241.03.23.040.22842BYGH28-402A1.82.2240.4353040.22842BYGH34-401A1.82.3241.03.23.040.223442BYGH34-402A1.82.3241.323442BYGH34-403A1.82.2240.4353040.223442BYGH40-401A1.83.340.284042BYGH40-402A1.83.3241.05.52.540.284042BYGH40-403A1.83.3240.4353040.284042BYGH47-401A1.85.540.354742BYGH47-402A1.85.5240.4323040.354742BYGH60-401A1.87.040.560压纸机构的电机的选择是根据所需的转矩及一些其余因素决定的，步进电机所需带动和拨动的机构的体积之和为1.668104,密度还是参考为7.85g/，所以质量为0.13kg，因为总长度约为18cm，所以转矩一定小于2.34kgcm，所以42步进电机都符合，所以本设计选取了42BYGH47-402A型号的步进电机，符合使用要求，而且电机的运转也比较平稳。压杆是通过自身的重力作用对纸张进行压紧的，所以压杆跟轴之间是间隙配合的，且接触面之间的表面粗糙度应该比较小，这样才能够保证使用寿命，压杆是伸缩杆，所以是两根，所以需要留出安装的洞，这样装配起来也比较方便。压杆的三维图和二维图如图3.18所示。（a）（b）（c）图3.18 压杆机构右侧的矩形口子用来安装左边的内压杆，伸缩杆的总长需要根据开本最小的书籍来设计，压的距离距离右侧边缘的距离设计为35mm比较合适，再加上考虑壁厚，最后的设计尺寸如上图所示，压杆是通过转杆的转动来带动的，转杆的三维图和二维图如图3.19所示，由于两侧空的距离有限，所以转杆的上下杆的距离越短越好，但是距离越短，转动转杆所需的转矩就越大，所以转杆的上下杆的距离越长越好。综合考虑，我将杆件的上下杆之间的距离设计为70mm，这样既充分利用了箱体两侧的距离，有给书籍的放置留下了合适的余量。转杆的长速也与内外压杆相对应，设计尺寸为30mm，能够比较平稳的将压杆进行转动。（a）（b）图3.19 拨杆简图拨杆与电机是通过联轴器相连的，电机的轴与拨杆的轴通过联轴器相连。松开时只需要将伺服电机旋转一个角度就能达到预期的要求，在上面还设计了一个挡杆来避免杆件旋转到另外一侧。中间需要留500mm的距离用来放置书籍。在定位时，还需要考虑在书籍上压的位置，我们需要尽可能将压制机构向上移动，又要考虑到不能影响单页选取机构的转动，所以在设计时整个压制机构距离底端的距离为49mm，压的位置在书籍的中下方。压纸机构的安装效果图如图3.20（a)所示，具体尺寸如图3.20（b）所示。1：左侧压纸机构 2：箱体 3：右侧压纸机构（a）（b）图3.20 压纸机构的安装位置3.4 自动翻书器外形箱体的设计自动翻书器外形箱体的大小跟书籍尺寸的大小有直接关系，所以需要对各类书籍的尺寸做一些测量，书籍的尺寸大小由开本决定，开本是指一本书幅面的大小。它是以把一整张纸裁开的张数作为标准来表明书的幅面大小的。切成幅面相等的16小页，叫16开，切成篇幅相等的32小页叫32开，以此类推。由于整张原纸的大小也有不同规格，所以，切成小页的大小也会有所不同。比如把787mm1092mm的纸张切成的16张小页叫小16开，或16开。而把850mm1168mm的纸张切成的16张小页叫大16开，以此类推。通常使用的开本尺寸表3.7所示。表3.7 常见书籍的尺寸标准长（单位：mm)宽（单位：mm)大16开本262187小16开本260184大32开本203140小32开本184130A4297210A5210148由表3.7可知，常用尺寸最大的是A4，其长度为297mm，宽度为210mm。所以本设计设计的箱体只要能够翻阅这种书籍即满足设计要求。书籍的厚度没有国标，根据我这么多年的上学经验，书本的厚度取30mm作为参考值比较合适。图3.21是该自动翻书器的箱体的三维图，图3.22是二维图，其中（a）图是俯视图，（b）图是主视图，（c）图是左视图，箱体的尺寸计算如下。图3.21 自动翻书器箱体三维图（a） （b）（c）图3.22 自动翻书器的外形箱体由于书籍的参考尺寸为297mm210mm30mm，书籍展开时，尺寸约为420mm297mm，由于设计时需要在长度和宽度上留一些设计余量。在长度方向的设计余量需要考虑压紧装置和丝杠装置，本设计选取的丝杠的有效行程为400mm，实际有效行程为403mm，所以在设计时需要充分考虑好丝杠机构的具体尺寸和安装位置，丝杠的总长为548mm，总宽为80mm，在长度方向上由于翻页机构不需要翻到书籍的最左边，但需要从书籍的最右边开始翻，而且还需要留下足够的余量，所以将丝杠行程403mm分为170mm和233mm，即中心线左侧的行程为170毫米，中心线右边的行程为233mm。经测量，箱体的右侧部分的尺寸至少为294mm，所以本设计取整为300mm，这样安装这款丝杠机构比较合理。整体尺寸经过计算可得设计为600mm比较合适，具体分为90mm+420mm+90mm。左边的90mm作为设计余量，用来设计压纸机构，中间的420mm是书本的参考尺寸，右边的90mm用于设计右边的压纸机构和单页选取机构，长度方向上的尺寸设计比较合理。宽度方向需要留出安装丝杠机构的设计余量，丝杠机构的总宽度为80mm，书本的参考长度为297mm，为了放置书本时比较方便，在自动翻书器上需要留出的尺寸要比参考尺寸大一些，取为305mm，所以在宽度方向上的设计尺寸综合考虑了书籍的大小、丝杠的大小以及他们的安装位置，设计为390mm。丝杠与自动翻书器的外形箱体是通过螺栓连接的，在导轨支架与自动翻书器的箱体连接时外部需要一定的距离，以保证连接的强度，又考虑到箱体的尺寸最好是个整数，所以自动翻书器的箱体的宽度取为390mm最为适合。自动翻书器的高度要考虑到真空泵的安装，翻页机构的拨杆的高度的行程，所以设计为80mm，拨杆高度的最低行程为20mm，而且箱体的壁厚也比较均匀。综上所述，整体尺寸设计的比较合理，整体尺寸确定为600mm390mm80mm。3.5 自动翻书器的电气控制及整体图自动翻书器的整体图如图3.23所示，对于本毕业设计而言，主要的目的对不同的书籍进行翻阅，在整个机器的运转过程中，顺序比较重要，首先需要将需要翻阅的书籍按照指定位置放好，将书籍手动翻到第一页，让两个压纸机构对书籍进行压紧，然后启动机器，先要使右侧的压紧机构的步进电机逆时针旋转180度，然后停止转动，接着接通真空泵的电源，完成单页选取操作，再接通丝杠的步进电机，然后丝杠走完设定的行程，由于只是走到左侧的中间位置，且步进电机的精度较高，所以通过时间就可以控制丝杠的行程，走完后立马反向运动且右侧的步进电机顺时针转动180度对纸张进行压紧操作，使丝杠回到起点，以便于下次运行，在翻页机构运动的同时，左侧的压紧机构的步进电机顺时针转动180取消压紧，当丝杠在往回运动时，左侧的压紧装置的步进电机逆时针旋转180，对已经饭好了的书籍进行压紧操作。对于3个不同的档位，可以通过控制2次翻页动作的时间间隔来实现，在日常生活中，插电方式和采用蓄电池是比较常用的供电方式，所以在本设计中两种方式都可以用来提供电源，如果采用蓄电池的话，比插电方式使用方便，自动翻书器摆放的位置也比较自由。如果使用蓄电池的话，需要对蓄电池周期性的进行充电，也需要对蓄电池做好保养工作。综上所述，本设计决定两种供电方式都可以15。1-箱体 2-左侧压纸机构 3-A4大小的书籍 4-右侧压纸机构 5-自动翻页机构 6-单页选取机构图3.23 自动翻书器整体图4 自动翻书器的未来展望在自动翻书器的设计过程中，有一些问题是需要解决的，比如适用范围和人机协调。书籍的开本大小不同和厚度的不同就会导致设计时需要的尺寸也有所不同，所以设计时需要设计成可调的，尽可能多的扩大适用范围，对于本设计而言，能够适用的开本范围有大16k、小16k、大32k、小32k、A4、A5及其他一些不是常用开本的但与这些开本相近的，书籍的厚度是在30mm以内。本设计的压纸机构是通过伸缩杆来达到预期的目的，我们还可以依靠燕尾槽托板滑块来设计，将单页选取机构和压纸机构放在滑块上，燕尾槽托板滑块可以加上丝杠机构，丝杠的动力源选择手轮，这样可以通过转动手轮对滑块进行左右移动，压纸机构和单页选取机构也会跟着左右移动，这样杆件的长度就可以设计的比较短，能够扩大适用范围。对自动翻页机构而言，本文是通过M10的螺母来实现的，调高度时需要先松开螺栓，然后调整，最后再拧紧螺栓，还可以模仿显微镜的镜头的粗调机构，使用丝杠机构或者齿轮齿条机构，这样通过转动手轮机构就能实现杆件的上下移动，这样在使用过程中也会更加方便。结束语本自动翻书器的设计能解决音乐家在演奏乐器
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