【文章內(nèi)容簡介】 用了單片機控制，實現(xiàn)了自動化、機電一體化，殘疾朋友只需用腳或者其他部位觸動開關(guān)，即可達到自動翻書的目的。 研究的內(nèi)容 通過分析和借鑒現(xiàn)有的自動翻書機設(shè)計，本課題設(shè)計一種能夠滿足使用要求的結(jié)構(gòu)簡單、線路控制簡單、體積較小易攜帶、可折疊、成本低廉的自動翻書機。該翻書機應(yīng)滿足的技術(shù)要求為： （ 1）模擬人手翻書方式，提取一頁； （ 2）書頁進行 180176。翻轉(zhuǎn)； （ 3）復(fù)位，并夾緊書； （ 4）可攜帶，可折疊； （ 5）自動完成翻書工作； （ 6）使用電路控制； （ 7）可使用電池工作，也可用插電方式工作； （ 8）可遙控控制。 第 7 頁 共 38 頁 本翻書機 構(gòu) 基本方案設(shè)計是使用搓紙機構(gòu)和壓頁機構(gòu)兩個部分來完成以上 動作過程，并用控制電路實現(xiàn)。考慮到翻書機能夠折疊，故每個機構(gòu)都分為左右兩個機構(gòu)，以完成各側(cè)的功能。左側(cè)向右側(cè)翻轉(zhuǎn)書頁時，用左側(cè)搓紙機構(gòu)搓左側(cè)書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸右側(cè)書頁一半時，右側(cè)側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使左側(cè)搓紙機構(gòu)順利的空回到原位置，準(zhǔn)備下一次的翻頁動作。右側(cè)向左側(cè)翻書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，右側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸左側(cè)書頁一半時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使右側(cè)搓紙機構(gòu)順利 的空回到原位置，準(zhǔn)備下一次的翻頁 。 搓紙機構(gòu) 搓紙機構(gòu)主要是完成書頁從一側(cè)翻轉(zhuǎn)到另一側(cè)。現(xiàn)有的許多翻書機在實現(xiàn)書頁翻轉(zhuǎn)功能時采用兩種機構(gòu)：捏紙機構(gòu)和翻頁機構(gòu)。我經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)只要搓紙塊與書頁之間的摩擦力達到一定范圍，增加搓紙距離就可以將書頁翻轉(zhuǎn)過去。這樣就可以只用搓紙機構(gòu)即可實現(xiàn)單張書頁的移動、翻轉(zhuǎn)。 （ 1） 機構(gòu)選擇 本翻書機翻書采用直線式推進方式。能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)直線運動的機構(gòu)有很多，但是最常見的機構(gòu) [是凸輪機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、齒輪 齒條機構(gòu)、鏈傳動 [，此外，現(xiàn)在市場 上出現(xiàn)的工業(yè)直線執(zhí)行器也能實現(xiàn)直線運動。六種機構(gòu)的比較如下： 表 21 六種機構(gòu)比較 機構(gòu)名稱 優(yōu)點 缺點 凸輪機構(gòu) 幾乎可以實現(xiàn)從動件的無限多種運動規(guī)律?？梢詫⑼馆喌霓D(zhuǎn)動，變換凸輪從動件是高副接觸，壓強較大，易磨損，凸輪輪廓 第 8 頁 共 38 頁 為從動件的連續(xù)或間隙的往復(fù)運動或擺動。 線的制造精度對動力影響很敏感。 凸輪副對材料的選用和加工以及熱處理要求較高。 曲柄滑塊機構(gòu) 連桿機構(gòu)構(gòu)件之間是轉(zhuǎn)動低副連接，傳動可靠，承載能力大，耐磨性好。 能實現(xiàn)多種運動形式的變換和多種運動規(guī)律的輸出。 連桿機構(gòu)中運動副元素多為圓柱面或平 面，無需特殊機床加工，且加工精度容易得到保證。 機械效率低，有慣性力 螺旋機構(gòu) 能將回轉(zhuǎn)運動變換為直線運動。運動準(zhǔn)確性高，且有很大的減速比；工作平穩(wěn)、無噪聲，可以傳遞很大的軸向力。結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。 由于螺旋副為面接觸，且接觸面間的相對滑動速度較大，故運動副表面摩擦、磨損較大，傳動效率較低。 齒輪 齒條機構(gòu) 承載大；移動速度中等 制造、安裝精度要求較高，因而成本也較高。 鏈傳動 鏈傳動平均傳動比準(zhǔn)確 ,傳動效率高，軸間距離適應(yīng)范圍較大 傳動平穩(wěn)性較差，工作中有一定的沖擊和噪聲。 工業(yè)直線執(zhí)行器 易于 接線；設(shè)計緊湊，適合在較小空間內(nèi)使用；免維護；雙向，可推動和拉動；堅固可靠；容易安裝，運行僅需 2 條導(dǎo)線。 成本高 綜上：本設(shè)計主要是結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易操作、經(jīng)濟性好。且考慮電氣控制設(shè)計之后，選擇曲柄滑塊機構(gòu)作為搓紙機構(gòu)的動作機構(gòu)。 壓頁機構(gòu) 第 9 頁 共 38 頁 壓頁機構(gòu)也采用曲柄滑塊機構(gòu)。在本設(shè)計中，壓頁電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄通過連桿推動推桿沿滑槽做往復(fù)直線運動，推桿頂端的書夾隨著推桿的運動做壓書動作，曲柄旋轉(zhuǎn)一圈，壓一次書頁。為適應(yīng)厚薄不同的書本，在推桿和書夾之間安裝有彈簧，彈簧力保證書夾能夠夾持住書 頁。壓頁機構(gòu)包括曲柄、連桿、推桿、書夾、彈簧。 本翻書機 構(gòu) 基本方案設(shè)計是使用 吸附 機構(gòu) 、翻頁 機構(gòu) 和壓頁機構(gòu)三 個部分來完成以上動作過程，并用控制電路實現(xiàn)?？紤]到翻書機能夠折疊，故每個機構(gòu)都分為左右兩個 對稱 機構(gòu)，以完成各側(cè)的功能。 本翻書機設(shè)計的動作過程為：左側(cè)向右側(cè)翻轉(zhuǎn)書頁時，用左側(cè)吸附機構(gòu)吸起左側(cè)書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸右側(cè)書頁一半時，右側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使左側(cè)吸附機構(gòu)順利的復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的翻頁動作。右側(cè)向左側(cè) 翻書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，右側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸左側(cè)書頁一半時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使右側(cè)吸附機構(gòu)順利的復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的翻頁動作。 吸附機構(gòu) 吸附主要作用是將書頁吸起，以便翻頁機構(gòu)將書頁翻過。吸附機構(gòu)可有兩種方案：一是采用真空吸盤進行吸附書頁，這種機構(gòu)是通過真空泵使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，從而使吸盤可吸附書頁；二是采用帶靜電或者永久 磁性 的吸附頭，該吸附頭在接觸書頁時可將書頁吸起，同樣達到翻頁效果。 為了節(jié)約成本和方便，這里采用我采用帶靜電 或永久磁性的吸附頭，為了能吸附不同大小的書，吸附頭采用內(nèi)套形式，可根據(jù)需要自動的拔出或伸長。 翻頁機構(gòu) 翻頁機構(gòu)也是翻書機的重要部件之一，其主要作用是將吸附機構(gòu)吸起的書頁翻過，完成書本翻頁動作。翻頁機構(gòu)主要由翻頁片和滑桿組成，在吸附機構(gòu)吸起書頁的同時，翻頁片運動，從右向左，依滑桿滑動，將書頁翻到另一面，完成翻書動作。翻頁片由樹脂材料制作，輕巧靈便，可有效保護書籍不被劃破。翻頁片從右至左，再 第 10 頁 共 38 頁 從左至右，則完成一次翻頁動作。為了適合不同厚度的書本，特在翻頁片基部設(shè)置導(dǎo)向槽機構(gòu)，在需要調(diào)整高度的時 候，可將翻頁片拔出，插入相應(yīng)高度的導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽共設(shè)置五個，以供不同厚度的書籍。 翻頁機構(gòu)由翻頁桿和翻頁片組成，有電動機帶動轉(zhuǎn)動，翻頁桿上有五個槽，可供不同的需要的翻頁臂插入和拔出，為了滿足對翻不同厚度的書本的需要。 壓頁機構(gòu) 壓頁機構(gòu)也是本設(shè)計方案很重要的一部分，當(dāng)一側(cè)吸附機構(gòu)吸起紙張翻頁機構(gòu)翻過紙張后，一側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住被翻過的余下的書，另一側(cè)壓頁機構(gòu)壓住翻過來的新的一頁，使得整個過程順利的進行。 方案一： 在本設(shè)計中，翻頁電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄通過連桿推動推桿沿 滑槽做往復(fù)直線運動，推桿頂端的搓紙塊隨著推桿的運動做搓紙和復(fù)位動作。為適應(yīng)厚薄不同的書本，在推桿和搓紙塊之間安裝有彈簧，彈簧力如果不能保證搓紙塊與書頁之間的摩擦力，那么就會出現(xiàn)不能實現(xiàn)書頁翻轉(zhuǎn)的誤操作。還有如果搓紙塊與書頁之間的摩擦力不能達到一定的范圍，搓紙距離不合適，就不能將書頁翻轉(zhuǎn)過去，也同樣產(chǎn)生不能使書頁順利翻轉(zhuǎn)的誤操作。本方案要精確的計算曲柄滑塊各機構(gòu)的尺寸，計算過程也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。最重要的不足之處是不容易實現(xiàn)對不同大小、厚度書本的翻頁。 方案二：本方案有以下特點：①結(jié)構(gòu)簡單，易操作；②系統(tǒng)設(shè) 計計算比較簡單；③由于采用對稱設(shè)計，系統(tǒng)運動平穩(wěn)，容易實現(xiàn)所需要的運動；④采用的吸附機構(gòu)是嵌套的形式，能夠隨便的拔出和伸進， 不僅能夠翻不同材料、不同厚度和不同大小的書頁，而且不會損壞紙張。 ；⑤翻頁臂上有五個不同的導(dǎo)向槽，可供翻頁片的插入，滿足對不同厚度的書本的翻頁。 綜上：為了滿足對本設(shè)計任務(wù)的要求，實現(xiàn)不同大小、厚度的書本的翻頁，而且 對書本沒有太大磨損，造成損壞書本的后果， 經(jīng)過對以上兩個方案的優(yōu)缺點比較之后，最后決定選擇第二種方案為本設(shè)計所采取的最終方案。 第 11 頁 共 38 頁 翻書動作方案 確定 自動翻書機的功能就是代替人手完成書頁的翻轉(zhuǎn)動作。在翻書的過程中，人們主要完成的動作是把書頁從一側(cè)翻動到另一側(cè)，即相當(dāng)于在書頁的移動過程中伴隨著書頁繞其裝訂邊翻轉(zhuǎn) 180 度。 本翻書機設(shè)計的動作過程為：左側(cè)向右側(cè)翻轉(zhuǎn)書頁時，用左側(cè)吸附機構(gòu)吸起左側(cè)書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸右側(cè)書頁一半時，右側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使左側(cè)吸附機構(gòu)順利的復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的翻頁動作。右側(cè)向左側(cè)翻書頁，當(dāng)書頁一半脫離原位置時，右側(cè)的壓頁機構(gòu)壓住這側(cè)其他的書頁 ，防止多頁翻轉(zhuǎn)。當(dāng)書頁接觸左側(cè)書頁一半時，左側(cè)的壓頁機構(gòu)動作，壓住新的書頁，從而使右側(cè)吸附機構(gòu)順利的復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的翻頁動作。 本翻書機基本方案設(shè)計是使用固定執(zhí)行機構(gòu)和翻書執(zhí)行機構(gòu)兩個部分來完成以上動作過程，并用控制電路實現(xiàn)。考慮到翻書機能夠折疊，故每個機構(gòu)都分為左右兩個機構(gòu)，以完成各側(cè)的功能。 自動翻書機設(shè)計要求 ：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。同時要能保證隨意將書本放置和取出； ：最終目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)自動翻頁，這里所謂的自動翻頁 ，是指可通過控制按照需求進行自動翻頁，翻頁包括前翻和后翻； ：采用電機； ：不能對書本有太大磨損，否則會損壞書本，減少使用率； ：不同的書本，應(yīng)該都能實現(xiàn)自動翻頁，因此要求使用的翻頁機要有自適應(yīng)能力，可以考慮靜電力（或磁力）可調(diào)的機構(gòu)。 第 12 頁 共 38 頁 自動翻書機原始參數(shù) 項目 參數(shù) 驅(qū)動方式 步進電機驅(qū)動 翻頁速度 12頁 /分鐘 可掃描書本 16K和 32K頁面 長寬高 600 400 800mm 自重 自動翻書機系統(tǒng)方案 根據(jù)對翻書動作的確定和設(shè)計任務(wù)的要求，初步設(shè)計了如下圖圖 1 所示的自動翻書機系統(tǒng)示意圖，它主要由固定執(zhí)行機構(gòu)、翻書執(zhí)行機構(gòu)、升降執(zhí)行機構(gòu)、電機驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)和自動控制執(zhí)行機構(gòu)五部分構(gòu)成。 圖 書本固定夾 固定執(zhí)行機構(gòu)用于保證書本翻頁掃描過程中不發(fā)生滑動現(xiàn)象。根據(jù)翻頁的流程可知，只要對書本左右兩端固定，可有效防止整體書本滑動，對書頁上端進行鋼性固定，可在翻頁的同時固定未執(zhí)行翻頁操作的書頁，防止干擾正在執(zhí)行的翻書操作。 第 13 頁 共 38 頁 如圖 2 所示為書本固定夾，其主要作用是固定 書本，防止在工作中其他原因使得書本滑動。在翻書工作前，先將書本封面翻開，并將前后封面固定在書本固定夾。在翻書機支撐板中央部位，即在書本固定夾工作方向有凹槽，可用于書本固定夾的前后移動，便于夾持不同大小的書本，方便可靠。它的腳下那有一個Φ 5 的螺紋孔，一共螺栓插入，達到固定它的作用。 圖 書本固定夾 支撐板 支撐板是設(shè)計中重要的一部分，它是書本放置和固定的地方，也是整個運動過程順利進行的保證，參考實際常見書本的大小，設(shè)計該支撐板為長為 600mm、寬為 400mm、高為 800mm 的長方體，順著長度的方向?qū)ΨQ有寬 30mm、高 20mm 的矩形，這是因為要在長度方向和高度方向打孔，用以連接翻頁臂上的孔與電動機軸的主軸，凸輪孔和電動機主軸的連接。還有壓頁支撐座的固定。板中心也有螺紋孔，用來和腳架子的相互固定。 第 14 頁 共 38 頁 圖 支撐板 2.. 吸附機構(gòu) 吸附機構(gòu)是翻書機重要部件之一，主要作用是將書頁吸起，以便翻頁機構(gòu)將書頁翻過。吸附機構(gòu)可有兩種方案：一是采用真空吸盤進行吸附書頁，這種機構(gòu)是通過真空泵使吸盤產(chǎn)生負(fù)壓，從而使吸盤可吸附書頁；二是采用帶靜電或者永久 磁性 的吸附頭，該吸 附頭在接觸書頁時可將書頁吸起，同樣達到翻頁效果。 第 15 頁 共 38 頁 圖 (a) 采用帶靜電或強磁的吸附頭 靜電吸附現(xiàn)象的原理是當(dāng)一個帶有靜電的物體靠