翻书机设计

卧室翻书机设计报告

广

机械与电气工程学院

班级：机械

姓名：

学号：110

指导老师：马坑

2013.6.13

时间：

目录

一、前言：（摘要） ......................................................................................................................... 1 二、翻书机初步设计 ....................................................................................................................... 1

（一） 、翻书动作方案设定： ............................................................................................. 1 （二） 、机构的选择： ......................................................................................................... 2 （三） 、三种方案的比较： ................................................................................................. 5 三、最终方案： ............................................................................................................................... 6

（一）、对其中的连杆滑块部分作机构的速度分析： ......................................................... 6

1． 位置分析 ................................................................................................................... 7 2． 速度分析： ............................................................................................................... 8 3． 加速度分析： ........................................................................................................... 9 （二）、对搓纸部分进行受力分析： ................................................................................... 11 （三）、对凸轮部分进行选择： ........................................................................................... 14

2、凸轮理论轮廓： ....................................................................................................... 15

1） 、推程阶段： ................................................................................. 15 2） 、远休止阶段： ............................................................................. 16 3） 、回程阶段： ................................................................................. 16 4） 近休止阶段： ................................................................................. 16 5） 、推程阶段压力角和回程阶段压力角： ..................................... 16

3、凸轮的工作廓线： ................................................................................................... 16 （四） 、连滑块齿轮组的定位与设计 ............................................................................... 18 （五） 、齿轮的选取： ....................................................................................................... 19

1． 选取锥齿轮进行换向。 ......................................................................................... 19

1） 、大锥齿轮参数如下： ................................................................. 20 2） 、小锥齿轮参数如下： ................................................................. 20

2． 渐开线圆柱齿轮设计 ............................................................................................. 21

2)、对齿轮啮合成功的要求 .................................................................. 21 3）、齿轮的中心距 ................................................................................. 22

四、总体效果图 ............................................................................................................................. 23 五、总结感想： ............................................................................................................................. 25

一、前言：（摘要）

现在网络电子资源遍布，但是纸质书籍的作用却无可替代，仍有许多人偏爱纸质书籍。 对于双手残疾的朋友们来说，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。

因此自动翻书机成为不便人士的好选择。通过分析和借鉴现有的自动翻书机设计，本课题设计一种能够满足使用要求的结构简单、线路控制简单、体积较小易携带、可折叠、成本低廉的自动翻书机。

该翻书机应满足的技术要求为：

（1）模拟人手翻书方式，提取一页。 （2）书页进行180°翻转。 （3）复位，并夹紧书。 （4）可携带，可折叠； （5）自动完成翻书工作； （6）使用电路控制；

（7）可使用电池工作，也可用插电方式工作；

下面是对翻书机的认识以及一些设计：

二、翻书机初步设计

（一）、翻书动作方案设定：

自动翻书机的功能就是代替人手完成书页的翻转动作。在翻书的过程中，人们主要完成的动作是把书页从一侧翻动到另一侧，即相当于在书页的移动过程中伴随着书页绕其装订边翻转180度。

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（二）、机构的选择：

由于翻书时将会有多个往复运动，能实现往复运动的机构很多，翻书时采用直线式推进的方法往复运动即可。功能：捏纸，翻页，释放纸，复位。

方案一：选择曲柄滑块机构：利用推杆尖端与纸面的摩擦力翻页，凸轮的特性与连杆构成压页部分。此处我分为两部分实现，搓纸与压纸机构，翻页机构。

搓纸与压纸机构如下图：

这个设计是简单的曲柄滑块机构，加上凸轮与连杆构成压页部分。 活动的构件n=5，有6个低副（分别为：4个转动副，2个移动副），1个高副（凸轮与连杆的点高副），局部自由度有一个。

-2P1Ph)F'35(261)11 自由度：F3n（利用2杆的旋转带动3杆的往复运动，使滑块直线往复运动搓纸，5号杆由B转动副带动压纸，结合下面的翻页结构即可。

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翻页机构如下：

活动的构件n=3，有4个低副（分别为：3个转动副，一个移动副）。

-2P1Ph)33(240)1自由度：F3n（

由1杆带动2杆带动滑块往复直线移动，带动3杆往复移动。

方案二：由齿轮，圆锥齿轮，连杆，凸轮，顶杆，弹簧构成的机构。

输入轴带动一个齿轮，利用齿轮边上固定一杆带动另外的齿轮，从而带动其他。

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有10个活动构件，n=10；有10个转动副，3个移动副，因此P1=13；有3个高副，Ph=3；

F3n（-2P1Ph)F'310(2133)1

搓页由杆6带动的摩擦轮通过摩擦吸起纸张，再由滑块带动的杆翻页，由凸轮带动的杠杆夹子压书，由弹簧控制放松压书处。

方案三：由圆锥齿轮，连杆，滑轮，凸轮，顶杆，皮带轮组成。

由滑轮（部分面有摩擦，多数面光滑）来搓纸；由凸轮带动连杆使翻页杆得以从右下逐渐到左上来翻动书页；由凸轮(2)带动滑轮上移，把顶杆顶上，另一边压下，压住书面。 动力由转动副A提供。

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有7个活动构件，n=7；有3个转动副，3个移动副，因此P1=6；有5个高副，Ph=5；3个局部自由度。

F3n（-2P1Ph)F'37(265)31

（三）、三种方案的比较：

优点 方案一 连杆机构构件之间是转动低副连接，传动可靠，承载能力大，耐磨性好。 能实现多种运动形式的变换和多种运动规律的输出。结构简单，加工容易。 机械效率低，要2个电机带动 方案二 可以将凸轮的转动，变换为从动件的连续或间隙的往复运动或摆动；齿轮承载大；移动速度中等 方案三 运动比较平稳，只需1个电机即可带动，相对而言结构比较简单。 缺点 选取 结构复杂，制造安装成本高，所需的精度大。 所需的构件多 综合后选取第三种方案，相对而言结构不太复杂，运动也比较平稳，操作较简单，对后续电路设计方面比较适合。 页 第 5

三、最终方案：

有活动构件n=7，有移动副2个，转动副5个，P1=7；有高副6个，Ph=6；

-2P1Ph)37(276)1 自由度为：F3n（

（一）、对其中的连杆滑块部分作机构的速度分析：

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注：r1为连杆1的长度，r1=66mm；r2=100mm为连杆2长度；r3为滑块到电机轴水平距离；r4为滑块到电机轴的垂直距离。周期t=3s，w1=2/3π 。a为滑块的加速度，a2为杠2的角加速度。

1．位置分析

因为每分钟r1r20次，T=3s，ω=2π/T=2/3π,

2r3r4

r1eiA1r2eiA2r3r4 r1cos1r2cos2r3

r1sin1r2sin2

所以

2arcsin(r1r2sin1)

r3r1cos1r21sin2122

Matlab分析： %位置分析

t=(0:0.01:3); r1=66; r2=100; r4=25;

w1=2/3*pi; A1=w1*t;

A2=asin((r1*sin(A1)-r4)/r2); r3=r1*cos(A1)+r2*cos(A2); plot(t,r3,'k')

xlabel('时间t/sec')

ylabel('滑块距电机距离r3/mm')

第 7

页 (1)

2．速度分析：

(1)式子对时间t求导： 得到：

ir1A1eir2A2eiA1iA20 (2)

r11cosA1r22cosA20

-r11sinA1r22sinA2v滑块

联立上面两个式子得到：

2r11sinA1r2sinA2

A2arcsinA1arccosA1

Matlab分析： %速度分析

t=(0:0.01:9); r1=66; r2=100; r4=25;

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w1=2/3*pi; A1=w1*t;

A2=asin(A1)/acos(A1);

w2=(r1*w1*sin(A1))/(r2*sin(A2)); v2=w2*r2;

plot(t,v2,'k')

xlabel('时间t/sec')

ylabel('速度v2/mm/sec')

3．加速度分析：

把（2）式子对时间t求导得到：

-r112cosA1r222a2cosA2a

r112sinA1r222a2sinA20

联立：A2arcsin((r1sinA1-r4)r2),

2(-r11cosA1)(r2cosA2),

a2-(r112sinA1)(r222sinA2),

得到

a-r1w12cosA1-r2w22a2cosA2

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Matlab分析：

%加速度分析

t=(0:0.01:9); r1=66; r2=100; r4=25;

w1=2/3*pi; A1=w1*t;

A2=asin((r1*sin(A1)-r4)/r2);

w2=(-r1.*w1.*cos(A1))/(r2*cos(A2));

a2=-r1*w1.*w1.*sin(A1)/r2*w2.*w2.*sin(A2); a=-r1*w1.*w1.*cos(A1)-r2*w2.*w2.*a2.*cos(A2); plot(t,a,'k')

xlabel('时间t/sec')

ylabel('滑块加速度a/mm/sec^2')

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把滑块3距电机的水平距离r3，速度v2，加速度a汇集于一张图可以进行分析。

分析：可以看见3秒为一个周期,速度由0开始逐渐与图示方向相反加速（保证了设备运转平稳，不容易对纸张造成较大的伤害）。由曲线y1=r3可以知道，滑块3可以实现慢进快回的效果，有效地保证了纸张被摩擦时的均匀，快速回程减少了翻页的时间。可以达到1分钟20页。

（二）、对搓纸部分进行受力分析：

连杆部分，橡胶（摩擦部分）随着电机转动左右移动，对纸张产生摩擦力，从而达到搓起纸面的效果。受力分析可以知道橡皮的摩擦不会对纸张造成损害。

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方位角10~360（度），角速度1，r166mm，r2100mm,周期t3s，位移r3r1cosA1r2cosA2 mm，速度向量方程：v滑块v1v312r3/t？？大小竖直r1r2方向

在曲柄滑块机构中，滑块通过下表面与书页摩擦而搓起书页。同时，杠类零件在铰接的过程中，不同的材料会导致摩擦力不同，所以材料的选择很重要。下面是网上查阅的不同材料的摩擦系数。

由表格中可以查阅到翻书机所需要的铸铁，橡胶，各种铁合金的摩擦系数，为下面力的分析提供了数据。通过对比各种材料的不同摩擦系数及特性，最后选择橡胶作为滑块的材料，可以充分满足设计方案所需工况。

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各种力的计算：采用解析法计算

杆用45钢为材料。则45钢的密度为7.85g/cm^3。 即7.85g/cm,

各杆件质量m1V114.6g

3m2V222.2g

r166; r2100;r425; 123;A11t；lAs133;lBs250;

JrD4L32103 ，

M---圆柱体质量，D---圆柱体直径，r---材料比重

构件1质心S1加速度：

aS1xlAs112cos1 aS1ylAs112sin1

构件2质心S2加速度：

aS2xr112cos1lBs222cos2a2sin2 aS2yr112sin1lBs222sin2a2cos2

构件3质心S3加速度：

aS3xr112cos1l222cos2a2sin2

aS3y0

求惯性力和惯性力矩：

F1xm1as1x； F1ym1as1y； F2xm2as2x； F2ym2as2y；

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F3xm3aS3x； F3ym3aS23y；

M1-JS11； M2-JS2；

对构件1受惯性力，构件2和4对它的作用力和平衡力矩，对质心S1取矩

MbFR12xys1ysBFR12yxBxs1FR14xys1yAFR14yxAxs10

-FR12xFR14x-F1x -FR12yFR14y-F1y

对构件2作以上一样的分析：

FR12xys2yBFR12yxBxs2FR23xys2yCFR23yxCxs2-M2FR12xFR23x-F2x

FR12yFR23y-F2y

对构件3分析：

FR23xF3xFr

FR23yFR34yF3y

通过对比各种材料的不同摩擦系数及特性，最后选择作为橡胶滑块的材料，可以充分满足设计方案所需工况。

（三）、对凸轮部分进行选择：

1、初步计算：为了满足每分钟可以翻20页的需求，凸轮中推杆需要3s内走50mm

行程（推程加回程）。那么h=25mm，选取凸轮基圆半径

r025mm，rr5mm（滚子的半径）；

对于对心直动滚子盘型凸轮机构：e0,S0r0。

x(r0S)sin,y(r0S)cos 页 第 14

如下图所示，连接凸轮的曲柄滑块结构，在滑块移动到最远时（推杆推得最远），滑块移动最近时的情况。

由图和计算可以得到滑块要在3秒中实现一个来回，即滑块要在3秒中移动282mm，就是1秒移动94mm。

v94/661.43rad/s85.5r/min

r1

由以上推杆的运动可以推得凸轮的轮廓。

2、凸轮理论轮廓：

1）、推程阶段：

01180。

S1h1-2-sin21/01/2h21/sin41/210，

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2）、远休止阶段：

0245。/4 S250 20,/4

3）、回程阶段：

0390/2 30，/2

。334455S3(10h3)/0315h3/036h3/03

4）近休止阶段：

0445/4 40，/4

。 S40

5）、推程阶段压力角和回程阶段压力角：

dS/darctan

r0S

012，每5度求一个坐标，在1阶段：2阶段：在3阶段：1，

4阶段：

01023，

0102034。

3、凸轮的工作廓线：

xxrrcos2 ，

2Yyrrsin

22dxdxdydydxdysin/cos ， /

dddddd

（1）、推程：10，

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dxdS2h()sin1(r0S)cos11cos41sin1(r0S)cos1dd

dy2h1cos41cos1(r0S)sin1 d

（2）远休止阶段：20，/4

dxdy(r0S)cos(/21) ， (r0S)sin(/22) dd（3）、回程阶段：30，/2

dx/d810h32/34860h33/47290h34/5sin(3)(r0S)cos(3)dy/d810h32/34860h33/47290h34/5cos(3)(r0S)sin(3)

（4）近休止：40，/4

dxdy(r0S)cos4(/34) (r0S)sin(4/34) dd

设计出的凸轮如下：

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（四）、连滑块齿轮组的定位与设计

其受力分析如上图，要使曲柄一端与橡皮擦（滑块）相连，另一边与齿轮相连，则需要满足一下条件来算出齿轮的位置与大小。就是AB=EF。

要满足：(70.5-b)a(ab)，当b=15时，a=95.175，此时的a太大，会导致后面的翻页杆要很小，所以不行。

当b=25时，a=28.905，取a=28mm，此时翻页杆可以取到96mm，可以满足翻页杆的需要。因此的齿轮与曲柄连接处应取半径25mm。 而齿轮大小可以由一下方法得出。

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（五）、齿轮的选取： 1．选取锥齿轮进行换向。

由上面可以得知角速度=85.5 r/min，可以选取锥齿轮的情况如下： 一对锥形齿轮选取模数为2.0，大齿轮齿数24，小齿轮齿数12。

材料的选用主要根据：齿轮工作时载荷的大小，转速的高低及齿轮的精度 载荷大小（齿轮传递转矩的大小）：轻载荷、中载荷、重载荷和超重载荷 齿轮工作时转速越：低速齿轮(1—9 m／s)；中速齿轮(6～10 m／s)；高速齿轮(10。15 m／s）

齿轮的精度：精度越高，公差小，齿轮啮合紧密，传动平稳 传动比：n1、n2，模数相等，齿数比：z0 初级齿轮面分度圆直径m：D0 模数为m

初级齿轮转速：22000(m*z0)/6000 一级齿轮转速：22000(m*z0)/6000n1

一级齿轮上齿面转速：22000*(m*z0)*Z'/6000*n1 =22000*m*Z'/6000n1

22z0

轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮，选用中碳钢，如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等钢制造，常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮，正火硬度HBSl60～200；一般调质硬度HBS200～280。

在这里为低速运行，选取中碳钢处理的齿轮，只用到1级锥形齿轮传递。分析计算后可以选取一下参数。

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1）、大锥齿轮参数如下：

2）、小锥齿轮参数如下：

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2．渐开线圆柱齿轮设计

1）、分析：由上面分析可以得出：选取相同模数m=2.0，大齿轮Z1=26，小齿轮Z2=14。 传动比i=Z1/Z2=13/7 ；

分度圆直径d1=mZ1=52mm，d2=mZ2=28mm ；

zmcos(rb/r)、rbrcos分度圆压力角，是决定齿廓形状的主要参数，arccos2这里取标准值20。 ； 齿顶高系数ha=1; 顶隙系数c=0.25 ；

**

下图是齿轮啮合时的情况以及齿轮的参数表现：

2)、对齿轮啮合成功的要求

齿廓啮合点都应位于啮合线N1N2上，因此要使齿轮能正确啮合传动，应使处于啮合线上的各对齿轮都能同时进入啮合，为此两齿轮的法向齿距应该相等，即

pb1m1cos1ph2m2cos2

m1cos1m2cos2

式中的m1、m2及1、2分别为两轮的模数和压力角。由于模数和压力角都标准化，为满足上式应使：

m1m2m ， 12

所以一对渐开线齿轮正确的啮合条件是两轮的模数和压力角分别相等。为此所选的啮合齿轮

模数皆为m=2.0，压力角皆为20。。

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3）、齿轮的中心距

齿轮传动中心距的变化虽然不影响传动比，但会改变顶隙和齿侧间隙等的大小。在确定中心距时要满足一下两点：

I、保证两轮的顶隙为标准值，在一对齿轮传动时，为了避免一轮的齿顶与另一轮的齿槽底部以及齿根过渡曲线部分相抵触，并有一定空隙以便储存润滑油，因此在一轮的齿顶圆与另一轮的齿根圆之间有一定的间隙，称为顶隙。顶隙的标准值为ccm。

当顶隙为标准值时，两轮的中心距为：

*ara1crf2(r1ha*m)c*m(r2ha*mc*m)r1r2m(z1z2)/2

II、保证两轮的理论齿侧间隙为零，虽然在实际齿轮传动中，在两轮的非工作齿侧间总要留有一定的齿侧间隙。但齿侧间隙一般很小，由制造公差来保证。所以在计算齿轮的名义尺寸和中心距时，都按照齿侧间隙为零来计算。要使一对齿轮在传动时的齿侧间隙为零，需要使一个齿轮在节圆上的齿厚等于另一个齿轮在节圆上的齿槽宽。

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四、总体效果图

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五、总结感想：

经过多个星期的探讨学习，设计出了翻书机，在这多个星期内，学到了许多。学到了多杆机构的设计（曲柄滑块机构的设计），齿轮的设计以及要注意的事项，凸轮的设计。期间用到了多种辅助工具，如：matlab，solidworks，3dmax等软件的使用也更加熟练。更重要的是在设计的过程中不断改进方案的缺点，不断地进步了。也初步设计出来所要的翻书机。

一个学期的学习与实践，我认识到原理图到实际机构的差距。整个设计过程中，原理图是比较简单的，所用到的都是老师讲过的构件，比如：连杆，齿轮，凸轮等。但是，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，因此，一个完整、清晰的机构简图并不容易得到。其次，一个好的简图出现并不意味着基本完成了，相反这只是开始。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”。在做出整个三维图后，发现与实际有挺大的区别，这又要不断更改。另外对于机构的运动与力的分析也是一个重要的环节，这个环节不但要计算很多，还要运用到各种软件进行模拟。整个过程是艰辛的，可是收获也是很多的。

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