【終稿全套】網球自動撿球機設計【23張CAD圖紙+文檔】

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分類號—————————————————————————————————密級 UDC 本 科 畢 業(yè) 設 計 (附件) 網球自動撿球機設計 學生姓名 姜杰 學號 080242011013 指導教師 謝迎春 院、系、中心 工程學院機電工程系 專業(yè)年級 機械設計制造及其自動化2011級 論文答辯日期 2015 年 6 月 4 日 中 國 海 洋 大 學 網球自動撿球機設計 完成日期： 指導教師簽字： 答辯小組成員簽字： 目 錄 1、 任務書 2、 開題報告 3、 周次進度計劃及實際進展情況表 4、 指導教師工作記錄 5、 指導教師評分標準及評閱表 6、 答辯記錄及成績評定表 7、 英文材料 8、 英文材料翻譯 中國海洋大學 本科畢業(yè)設計任務書 設計題目 網球自動撿球機設計 院（系、中心） 工程學院機電工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 年 級 2011 選題來源 科研 課題 縱向課題（ ） 選題類型 理論研究（ ） 橫向課題（ ） 教師自擬課題（√） 應用基礎研究（） 學生自擬課題（ ） 技術或工程開發(fā)（√） 設計的基本構思和基本任務： 網球運動正在全世界范圍內得到越來越多的關注和喜愛，但是網球愛好者，特別是運動員在進行網球訓練的時候，要頻繁撿起散落在很大范圍內的網球是一件耗時耗力的工作。具有高效、全自動撿球功能的機器可廣泛應用于各種類型的網球練習場地，為人們進行網球訓練提供便利和節(jié)省時間。本項設計主要目的是開發(fā)一種網球自動撿球機，解決同類產品中可能出現的卡球和傷球現象，并同時具有高效率和無遺漏的特點。 基本任務： ① 查閱相關的文獻資料，搜集、整理基礎數據； ② 完成對撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計； ③ 完成總體結構設計，以及所有有零部件的選??； ④ 完成裝配圖、主要零部件的CAD圖紙繪制； ⑤ 撰寫畢業(yè)設計說明書。 目前的基礎（包括資料收集情況、前期工作情況等） 學習了《機械設計》、《機械原理》等相關專業(yè)課程，掌握機械的的組成，掌握一般機械的基本結構和設計方法。 已收集整理了網球撿球機的相關文獻，機械設計手冊等參考資料。 設計進度安排 3.9－3.22：查閱相關資料，撰寫文獻綜述，翻譯外文資料，完成開題報告的擬寫； 3.23－4.5：完成撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計； 4.6－4.19撿球機的總體結構設計和標準件選型； 4.20-5.15完成撿球機裝配圖和主要零部件圖的繪制； 5.16至月底 撰寫畢業(yè)論文。 論文起止時間：自 年 月 日起 年 月 日止 學生（簽名）： 指導教師（簽名）： 院（系、中心）負責人（簽名）： 注：表格不夠可另附頁 中國海洋大學 本科畢業(yè)設計 開題報告 題 目 網球自動撿球機設計 院、 系 工程學院機電工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 (年級)2011 學生姓名 姜杰 學 號 080242011013 指導教師 謝迎春 教務處制表 2015 年 4 月 2 日 一、選題依據 課題來源、選題依據和背景情況；課題研究目的、學術價值或實際應用價值 1、課題來源、選題依據和背景情況。 本課題為教師自擬課題。 根據國際機器人聯合會 (International Federation of Rob otics, IFR)發(fā)布的2014年服務機器人研究報告，2013年個人和家用服務機器人銷量大約為四百萬臺，比2012年增長28%，市場規(guī)模約為17億美元。據估計，將有3100萬臺個人服務機器人于2014至2017年之間售出，這也就意味著服務機器人在這一領域將有持續(xù)而強勁的增長。 可見機器人將越來越多的走進日常生活當中，而網球運動正在全世界范圍內得到越來越多的關注和喜愛，但是網球愛好者，特別是運動員在進行網球訓練的時候，要頻繁撿起散落在很大范圍內的網球是一件耗時耗力的工作，每個人都不可能像專業(yè)運動員一樣擁有自己的球童，而具有高效、全自動撿球功能的機器可廣泛應用于各種類型的網球練習場地，為人們進行網球訓練提供便利和節(jié)省時間。因此網球訓練迫切地需求自動撿球機器人來輔助。 2、課題研究目的、實際應用價值 據中國網球協(xié)會官方最新數據統(tǒng)計，到2008 年，憑借鄭潔溫網殺入四強和李娜的奧運會四強，國人網球熱情空前高漲。中國網球人口已突破 800 萬。而隨著李娜法網捧杯，WTA官網甚至認為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加 3 億網球人口。由此可分析，我國的網球運動必將蒸蒸日上，市場上對網球撿球機的需求也會直線增加。 本課題的主要研究目的是本項設計主要目的是開發(fā)一種網球自動撿球機，解決同類產品中可能出現的卡球和傷球現象，并同時具有高效率和無遺漏的特點。 二、文獻綜述 國內外研究現狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻 國內外研究現狀、發(fā)展動態(tài) 隨著網球這種高強度遠動的普及，越來越多的人參與其中，但對于普通運動者來說，不可能有球童負責為其撿球，遍布全場的網球揀起來實在是件累人、費時的事，針對這一現狀，網球場撿球機器人應運而生[1]。 目前網球撿球機構較少，較為經濟的網球撿球機多以人工操作為主，又有圓筒式、滾筒網狀式和籃筐式等用彈性條狀材料制作，其間距略小于網球直徑，用力壓下或者滾過球身時將球壓進筒或筐中。 網球筐和網球筒是早期提出的方案，有的機構已經做出了產品。這類機構一般都十分簡練實用，但效率一般較低，人工參與的比較多。市場上已經存在不同種類的網球撿球籃(如圖1、圖2所示)和撿球筒(如圖3、圖4所示)，都是通過人工操作實現的。但是這種撿球機構不能適應網球的直徑變化；可能出現“卡球”現象；對網球的傷害較大，減少了網球的使用壽命；不能夠撿拾網球場邊緣的網球，而且對網球場地有一定的損傷。 圖2 網球筐2 圖1 網球筐1 圖4 撿球筒2 圖3 撿球筒1 網球撿球筒的結構更為簡單， 主要由收集筒、手柄和進口閥彈簧組成。收集筒用于存儲收集到的網球；手柄便于操作；而進口閥彈簧保證了網球的單向通過，使已經撿起的網球不會掉落。這種撿球機構簡單方便，成本低，但存在不少缺點。與網球筐一樣，對網球傷害較大；撿球時作用相對較少，需要人工尋找對準網球，實際上只是減少一個彎腰的動作；效率極低，一次只能撿一個球，存儲球的數量也十分有限；隨著撿球數量的增加，撿球難度也增大[2]。 目前市場上還出現了一類手推式網球撿球車。此類撿球車為半自動式，需要有人操作。它體積大且重，相對于智能化撿球機比較笨拙，既浪費空間，又影響訓練人員打球，還需要人工操作，相對于智能化撿球機浪費了不必要的時間與體力。而且，此類撿球車只適用于地上球較多的情況，它的適用環(huán)境較局限[4]。 圖5 自動網球撿球機 圖5是一種自動網球撿球機，該遙控自動網球拾球機主要組成包括車體、拾球滾筒、儲球箱、驅動輪、萬向輪、傳動齒輪組、傳感器、電路板、電池和拉桿式推把等部件。其工作原理為：采用后輪驅動，左、右驅動輪由兩個電動機分別帶動，前輪是萬向輪， 起支撐的作用，共同實現拾球機前進、轉彎及后退等動作。萬向輪轉動時通過傳動齒輪組帶動拾球滾筒[5]，傳動齒輪組與萬向輪之間是采用單向推力軸承聯接， 保證了拾球滾筒在前進時轉動而自動拾球, 而在后退時停轉以防止?jié)L 筒反轉將網球帶出箱外[6]。 拾到的網球暫時存放在儲球箱中，儲球箱設計為抽屜式結構，可隨時安放和取出。拉桿式推把可根據拾球人員身高的變化而相應地調節(jié)長度，推把長度的范圍在70～120cm，該結構非常靈活。結構設計考慮到傳感器的安裝， 用于避障檢測用的兩對紅外反射式傳感器分別安裝在前面左、右兩端，三對紅外對射式傳感 器安裝在儲球箱的上部內側。電路板和電池是拾球機的控制系統(tǒng)，控制著其他部件的動作[4]。 目前較先進的拾球器是全自動拾球機，采用機械臂和圖象識別等高科技，不需人工操作，可以完全自動拾球，但效率低，每次只能拾起一個球，且結構非常復雜， 成本相當高，不容易推廣[3]。 國外的自動撿球機構也較少,大部分常見的都是半自動人工參與的,如圖6,7均為手動式撿球機[7,8]，這兩款撿球機與上述國內撿球機比較類似，純手動操控，機構簡單，操作方便，價格低廉，但人性化不足。 圖7 國外撿球機2 圖6 國外撿球機1 圖9 國外撿球機4 圖8 國外撿球機3 圖8和圖9為國外的半自動撿球機[10,11]，其結構復雜，造價成本高，體積較大，占空間，操作簡單，撿球效率高，但不能自主完成撿球過程，需要人的輔助，綜合來說需要改進的部分較多。 除此之外，關于乒乓球撿球機的研究也比較多，由于乒乓球與網球結構上比較相似，同時為了拓展視野，我也對乒乓球撿球機進行了相關的調研。 乒乓球的直徑為40mm，質量為2.7g，具有體積小、質量輕的特點，特別適合吸力裝置吸取。風扇在轉動時，抽風的一端會形成負壓;如果將一個管道與風扇的抽風面相連接，則在風扇的作用下，管道內的氣壓將小于管道外的大氣壓， 管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進管道里[11]。利用這個原理制作的撿乒乓球機如圖10所示。 圖10 乒乓球撿球機器人1 再有一種就是“收割式”撿球機，該方案撿球效果好且設計與制造方便，機械傳動鏈少，造價低。其設計圖如圖11所示。其工作原理為：人手握可調節(jié)的推桿以正常行走速度向有散落乒乓球的區(qū)域走動，帶動撿球機的驅動輪轉動，驅動輪又帶動葉輪轉臂轉動，通過葉輪齒片將乒乓球劃入撿球機內，過擋球板，進入可方便拆卸的儲球盒內，實現了散落滿地乒乓球的撿拾工作[12]。 圖11 乒乓球撿球機2 相對于體積小，質量輕的乒乓球，高爾夫球與網球更為接近，在此，我還查找了有關高爾夫球撿球機的相關資料。 由于高爾夫球場面積廣，對撿球機器人的需求并不高，因此只有較為簡單的撿球裝置，如圖12所示[13]： 圖12 高爾夫撿球器 網球撿球機的需求量很大，國內外相關設計也不少。本設計主要工作是通過對不同撿球機功能、特點、和相關參數進行分析后，得到設計撿球機的關鍵技術問題，從而對現有的設計方法加以改進，設計出一種更加高效、智能、防卡球現象的自動撿球機。 參考文獻 [1] 席澤生. 網球場撿球機器人系統(tǒng)設計[J].電氣與自動化,2012,,41(2):140-141 [2] 韓良，王德彬，龔煥.智能網球車的研制[J].機電技術，2011，2:49-54 [3] 呂騰飛，陸麗等.智能網球撿球機的研制[J].電子世界 [4] 盧飛躍，劉志鋒.遙控自動網球拾球機的研制[J].機電工程技術，2010,39(06):86-89 [5] 王侃，楊秀梅.網球訓練場拾球機的設計[A].第十二屆全國機械設計協(xié)會，2006 [6] 胡利永，章磊，鄭堤，等.落葉清掃機器人的研制[J].機電工程，2009,26(10):96-98 [7] Tennis Ball Pick-up and Storage Device[P].US:US 20020151390A1,oct.17,2002 [8] Ball-picking Device[P].US:US006481768B1,Nov.19,2002 [9] Tennis Ball Pick-up Cart[P].US:US 20140294547A1,Oct.2,2014 [10] Tennis Ball Collection Device[P].US:US008920101132,Dec.30,2014 [11] 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完成撿球機裝配圖和主要零部件圖的繪制 撰寫畢業(yè)論文 了解現有網球撿球機構造，和國內外發(fā)展現狀 完成初步方案設計 完成結構草圖設計 完成裝配圖和零件圖 完成整個畢業(yè)設計 五、審核意見 導師意見 導師簽字: 年 月 日 審核小組意見 審核小組成員簽字： 年 月 日 11 無線可移動機械臂 摘要 最近幾年，隨著無線應用的廣泛使用，對一個能夠輕松連接遠距離數據傳輸設備無需電纜的系統(tǒng)的需求也日益增長。這篇論文講述了無線可移動機械臂的發(fā)展狀況。這是一個能做到撿起、放下運算并可以用無線PS2手柄控制的可移動機器人。它可以根據控制器的指令進行一定距離的前進、后退、左轉和右轉。這種機器人的開發(fā)基于Arduino Mega平臺，這個平臺可以將無線控制器與可移動機械臂連接起來。為了了解機械臂的表現，我們分析了機械臂的速度、行程以及承載能力。最終，這個機器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠離使用者的物體以及以最快速簡單的方式放置或拿起有危險的物體的問題。 1.引言 如今，機器人取代人類廣泛地被整合到工作任務中，尤其是在反復作業(yè)中?？傮w來說機器人學可以分為兩類：工業(yè)機器人和服務機器人。國際機器人聯合會這樣定義服務機器人：服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備。目前移動機器人被應用于許多領域包括辦公，軍事任務，醫(yī)院手術，危險的環(huán)境和農業(yè)[1]。 除此之外，工人們在撿起和放置一些可能對他們有影響的東西時會有一些困難。例如，一些人類不能觸摸的化學藥品，軍事上拆出炸彈時需要機器人來取放炸彈，用戶在坐著的時候需要機器人來幫忙取放物品等。因此，一些機器人可以取代人類來做一些工作。 無線控制的機器人可以保證其遠離用戶工作。例如，過去的無線電自主導航機器人項目就跟這個項目類似[2]。這個機器人在物理上適合無線電工作。 除了無線電控制之外，藍牙也是一個無線傳輸控制機器人的可用平臺[3]。機器人的動作通過藍牙連接遠程控制。對這個項目來說，這個機器人在各個方向（前，后，左，右）都能實現運動。 2.機械臂的定義 機械臂是通常一種可編程的，跟人的手臂有著相似功能的擬人機操作手。這樣一個操縱器的連接部分由一些允許回轉運動（例如在一個鉸鏈式機器人中）或者平移（線性）運動的接頭組成[4]。 操縱器的連接部分可以形成一個運動鏈[5]。操縱器運動鏈起作用的一端被稱為末端執(zhí)行器，它與人手類似。末端執(zhí)行器被設計用來完成想要完成的任務，例如：焊接，夾緊，旋轉等，這取決于應用。 機械臂可以自動或者被人工控制來高精度的完成一系列任務。機械臂可以是固定的，也可以是可以動的（例如，帶輪子的），可以應用在工業(yè)領域，也可以家庭服務。無線可移動機器人也已經發(fā)展了好多年[6]。 3.研究方法 3.1項目概覽 在這個項目中，軟硬件相結合會使系統(tǒng)變得可靠。Arduino Mega會成為機器人的接口，無線PS2手柄會控制機器人的運動。項目概覽如圖1所示： 3.2系統(tǒng)架構 表1列出了無線可移動機械手臂的項目規(guī)范。制作這個規(guī)范的主要目的是列出這個項目的一些重要部分和確保這個項目可行并且適合在市場上使用。 3.3機械設計 圖2列舉了一些機器人的設計，有（a）主體結構手臂機器人，（b）手臂機器人設計，（c）移動搬運手臂機器人。機械手臂主要有基座、肩膀、肘部、腕部和爪子等五部分組成。 對機械手來說，像支架、U型架等伺服機構被用來放置馬達的，都是用鋁來制作的，因為鋁很輕。爪子部分也是用鋁做的，因為它和機械手主體框架結構相似。 正如圖2（c）所示，移動機器人的外形尺寸為：長28cm，寬15.5cm，高8.5cm。移動機械手臂的主要材料是亞克力板，因為它易成型，價格低，堅固并能夠承受馬達的重量和運轉。 3.4電路設計 圖3（a）是使用Protens模擬的馬達驅動移動機器人的電路設計，圖3（b）表示通過使用PCB巫師軟件，每一個電子元件都被特定安排來為Arduino Mega創(chuàng)造空間。 3.5軟件研發(fā) 軟件是一套程序、規(guī)程、算法和與數據處理系統(tǒng)相關的文檔。在這個案例中需要軟件來完成項目的任務。 Arduino集成開發(fā)環(huán)境：Arduino硬件使用一種與C++相似、只有輕微的簡化和修改的線基語言和一種過程基礎的完整開發(fā)環(huán)境為基礎。 Proteus 7專業(yè)版：這個軟件僅僅被用來設計移動機械臂的馬達驅動電路。因為為了使機械臂能夠實現前進、后退、左轉和右轉，需要像繼電器和晶體管之類的電子元件來實現。 谷歌Sketch Up:整個項目被分成了兩個設計部分。一部分是機械臂，另一部分是移動機器人。 PCB Wizard:這個軟件可以用來創(chuàng)造和設計接線板里的電子設備的安放。由于使用的電子元件少，這個項目會用單層的接線板。 3.6 Arduino Mega 2560 正如圖4所示，Arduino Mega 2560是一塊基于ATmega2560單片機板。它具有54個輸入輸出接口，包括14個PWM輸出，16個模擬輸入，4個通用異步收發(fā)器（硬件串行端口）1個16MHz的晶體振蕩器，1個USB接口，1個電源插口，1個ICSP接頭，1個重置按鈕。它包含了用來支持單片機所需的所有東西；可以用一條USB連接線輕松的將其連接到電腦上且可以用交流電轉直流電的電源適配器或電池來供電。 3.7索尼PS2無線手柄 這個項目所使用的PS2無線手柄如圖5所示，使用手柄可以了控制包括爪子和可移動機械臂在內的伺服系統(tǒng)運動。另外，無線手柄相比有線來說有一個優(yōu)勢，因為它可以無線地與機器人交流。手柄的頻率為2.4GHz，并帶有振動反饋。它的發(fā)射器和接收器可以分離操作。手柄使用的電源是兩節(jié)3號電池。 4.結果與討論 4.1完成機器人設計 圖6展示了無線移動機械臂的完整機械結構。在不工作時機器人的外形尺寸為29X19X25.5cm，重量為1.55Kg。 4.2無線移動機械臂的分析 圖7展示的是移動機器人的輪子的運動。機器人可以前進、后退、右轉和左轉。當按下手柄的按鈕時，LED燈會點亮。 輸入的電源供應對移動機器人來說是很重要的，因為它可以控制伺服電動機的速度。因此表2展示了機器人在不同電壓供給下行走一米的分析。 正如表格所示，電壓降低，機器人行走一米的時間會延長。但是，當供給電壓為6V時，移動機器人會停止運動。因此可以得到結論，移動機器人的電壓供給與運行速度成反比。 4.3機械臂的運作 圖8列舉了移動機器人的工作場所。機器人的工作場所在一個旋轉控制器中。它包含了代表自由度的軸。對這個項目來說，機器人有4個自由度 機械手臂的承載能力取決于伺服電動機的力量。如果載荷超過了伺服電機的力量，會造成伺服電機不工作，和更多的電流消耗。表3展示了機械臂的不同載重量。由于只是原型設計，機械臂的載重量非常小。 4.4無線PS2手柄的應用 無線移動機械臂可以移動，并可以用PS2無線手柄來控制。在這個項目中，機器人的原型隨著手柄的按鈕同時動作。14個LED燈對應著手柄的按鈕，按下按鈕燈就會亮。圖9（a）展示了基于編程代碼的手柄導航，9（b）展示了每一個按鈕所代表的LED燈。 手柄的頻率為2.4GHz無線頻率，最大操作距離為8米，45度。如果手柄的電池電量降低，信號強度也會降低。因此接收器和發(fā)射器之間的連接就會斷開。表4展示了機器人的有效工作距離。 4.5伺服電動機的分析 伺服電機是三線輸出的。其中兩個是電源和接地接口，另外一個是對馬達進行位置反饋的。PS2無線手柄會控制伺服電機的定位。機器人的首要位置是伺服電機的90度位置。圖10展示的是不同的脈沖寬度進入伺服電機的信號線時的不同位置角度。 4.6電路分析 正如圖5所示，這個項目所有的電路將有3種電源供給。 對電源供應3來說，LM7806的調節(jié)電壓為6V~12V，因為這是給私服系統(tǒng)供電的最大電壓。相比鋰電池來說，使用可充電且電壓高的鉛酸電池，可以使伺服電動機正常工作。 5.總結 總的來說，這個項目的目標都已經實現：開發(fā)出了無線移動機械臂的軟件和硬件，實現了取放物體的系統(tǒng)操作，測試機器人滿足目標標準。從已做的分析可以看出，機器人的運動是精確的，易操作的且用戶友好的。 機器人的動作（包括移動和機械臂部分可以被無線控制）表明了移動機器人的成功研發(fā)。這個機器人的原型有望解決一些像放置或拿起遠離使用者的物體以及以最快速簡單的方式放置或拿起有危險的物體的問題。 6.建議 總體來說，機器人程序運作的像計劃一樣順暢。對以后的建議是，希望機器人可以安卓一個攝像頭來觀察并在顯示屏上顯示。除此之外，機器人原型的材料也可以升級一下，這樣機器人的承載能力就會加強且可以做多功能操作。 7.致謝 感謝項目管理員Reza Ezuan Bin Samin工程師和Babul Salam Bin KSM Kader Ibrahim教授對這個項目的鼓勵和支持，也感謝共事的朋友們在項目期間提供的幫助以及在遇到問題時他們的寶貴想法。 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Wehe, A Completely Wireless Development System for Mobile Robots.ISRAM conferecence, Montpellier, France, May 2730, 1996, pp.571-576. 承諾書 經認真檢查，本人的畢業(yè)設計（論文）撰寫符合《中國海洋大學機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范（試行）》的要求。如有三處（含）以上不符合該規(guī)范，自愿放棄本次畢業(yè)答辯。 承諾人： 年 月 日 網球自動撿球機設計,-畢業(yè)答辯,導師：謝迎春 答辯人：姜杰 專業(yè)：機械設計制造及其自動化,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,目錄,設計參數,方案設計,1,2,3,4,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,研究背景和內容,5,設計計算,行走方案,6,總結,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,研究背景,世界上第二大球類運動,網球訓練,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,研究內容,設計一款網球撿球機，解決同類產品的中可能出現的卡球和傷球現象，并具有高效率和無遺漏的特點。,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,設計參數,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,初始方案,方案設計,原理示意圖,三維建模,可伸縮手推桿,車身,扇葉,同步帶,存在主要問題 1.轉彎問題 2.撿球數量問題 3.不容易實現自動化,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,最終方案,3,2,1,4,5,1網球；2球道；3同步帶帶輪；4撥板；5同步帶,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,三維建模,撿球機構,直流電機,步進電機,聯軸器,萬向輪,收集裝置,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,1.球籃的設計,設計依據：撿球數量100個,球籃主要參數：長寬高=0.30.40.3m,設計計算,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,2.同步帶的設計,結合網球的直徑以及機械設計手冊，選定的同步帶及帶輪的主要參數為,1）選取帶型H，帶型節(jié)距12.7mm； 2）帶寬76.2mm； 3）帶輪齒數20，節(jié)徑80.85mm； 4）撥板的距離250mm；,3.球道的設計,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,設計依據：場地網球的主要分布情況及網球的直徑, = = 40 218.27 2.31=2.52個/,式中， 撿球機在單位時間里遇到網球的數量，個/s； 區(qū)域內網球的數量，個； A該區(qū)域的面積， 2 ； v撿球機的行走速度，m/s； d撿球機的撿球寬度，m。,因此設定球道數為3，球道寬77mm,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,球道的三維模型,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,4.同步帶驅動電機的選取,負載主要包括：網球的重量；同步帶的重量；同步帶輪的質量,經計算負載的總質量為10.78kg，所需電機功率為26.41w，總扭矩為0.171Nm,最終選取的電機為東莞市威邦機電有限公司生產的直流電機，所選電機的型號為：4D40-24，其主要參數為,選擇減速比為50的齒輪箱,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,5.同步帶軸的設計與校核, = 0 3 1 1 =112 3 0.0392 62 =9.61,確定最小直徑,具體計算過程見論文,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,彎矩、扭矩的主要計算值,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,載荷分析圖,按照彎扭合成應力計算得, = 2 + () 2 = 1033.24 2 + (0.6283.78) 2 315.94 =3.31MPa,滿足要求,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,6.驅動原動機的選擇,經計算，車輪的轉速為175r/min，摩擦轉矩為2Nm，因此最終選取的驅動電機為常州康達通用電氣有限公司生產的86精密行星減速步進電機，其主要參數為,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,主要標準件的選取,1.軸承的選取 深溝球軸承61801,2.聯軸器的選取 GY1凸緣聯軸器,3.主要固定采用螺栓，螺母,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,行走方案,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,總結,1.撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計 2.撿球機零部件參數計算，以及選取 3.撿球機三維圖及二維CAD圖紙繪制 4.撰寫畢業(yè)論文,請各位老師批評指正！,本科畢業(yè)設計畢業(yè)答辯,謝謝！, 分類號————————————————————————密級 UDC 本 科 畢 業(yè) 設 計 網球自動撿球機設計 學生姓名 姜杰 學號 080242011013 指導教師 謝迎春 院、系、中心 工程學院機電工程系 專業(yè)年級 機械設計制造及其自動化2011級 論文答辯日期 2015 年 6 月 4 日 中 國 海 洋 大 學 7 網球自動撿球機設計 完成日期： 指導教師簽字： 答辯小組成員簽字： 摘 要 隨著網球運動的不斷普及，越來越多的網球愛好者開始投身于網球鍛煉中來，而在網球訓練時，網球的使用量非常大，頻繁撿起隨機散落在很大范圍內的網球是一件耗時耗力的工作，且不是每個人都能像專業(yè)網球運動員一樣擁有屬于自己的球童，因此高效的自動撿球機會為訓練者們提供便利，節(jié)省時間。本課題研究目的在于設計一款網球自動撿球機，使其具有高效和不遺漏的特點，并盡可能解決卡球、傷球的問題。本次設計完成了撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計，零部件的設計計算和分析，以及三維圖和二維圖紙的繪制，最終完成了網球自動撿球機的整體機構的設計。 關鍵詞：撿球機構；驅動系統(tǒng)；控制系統(tǒng)  Abstract With the continuous popularization of tennis，a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exercise。And in the tennis training，the usage of tennis ball is very large，it’s a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range，but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players，so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the trainers，and save time。The main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pick-up machine which has the characteristics of high efficiency and not missing，and solve the problem of ball stuck and damage。This topic deals with kinematic precept design，calculation and analysis of components and parts，and three-dimensional diagram and two-dimensional drawing，finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine。 Keys：Agency to pick up the ball；Driving system；Control system 目 錄 1 緒論 1 1.1課題的研究背景 1 1.2國內外研究現狀 1 1.3本章小結 4 2 總體方案設計 5 2.1設計要求 5 2.2關鍵問題 5 2.3方案的選擇和確定 5 2.4整體方案三維圖 7 2.5本章小結 8 3 機械結構及零部件的設計與校核 9 3.1撿球籃的尺寸 9 3.2撿球機行走速度的計算 10 3.3同步帶的設計 11 3.4球道的設計 12 3.5撿球機同步帶電機的選擇 13 3.6同步帶軸的設計與校核 15 3.6.1求軸上的功率P1、轉速n1和轉矩T1 15 3.6.2初步確定軸的最小直徑 16 3.6.3軸的結構設計 16 3.6.4計算軸上的載荷 18 3.6.5按照彎扭合成應力校核軸的強度 19 3.7車輪的選擇 19 3.8驅動原動機的選擇 19 3.9車輪軸的設計與校核 21 3.9.1確定軸的最小直徑 21 3.9.2軸的結構設計 21 3.9.3軸的校核 22 3.10本章小結 23 4 自動控制系統(tǒng)設計 24 4.1行進方案的確定 24 4.2 單片機的選用 24 4.3本章小結 25 總結與展望 26 總結 26 展望 26 參考文獻 27 致謝 29 1 緒論 1 緒論 1.1課題的研究背景 根據國際機器人聯合會（International Federation of Robotics, IFR）2014年發(fā)布的服務機器人研究報告，2013年個人和家用服務機器人的銷量在全球范圍內大約為四百萬臺，相比2012年同比增長28%，粗略統(tǒng)計市場規(guī)模約為17億美元，據估計，未來2014到2017年之間將會有3100萬臺個人服務機器人售出[1]。這也就意味著在服務機器人領域將會有持續(xù)而強勁的增長，服務機器人將越來越多的走進人們日常生活當中。 根據中國網球協(xié)會官方最新數據統(tǒng)計，到2008 年，憑借著鄭潔溫網殺入四強和李娜的奧運會四強，國人網球熱情空前高漲。據統(tǒng)計，目前中國網球人口現已經突破900 萬。而隨著李娜在法網和澳網奪冠，國際女子職業(yè)網聯（WTA，Women's Tennis Association）官網甚至認為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加3億網球人口[2]。 網球作為世界第二大球類運動，正在受到越來越多人的關注和喜愛，網球愛好者在進行網球訓練過程中，網球的使用數量巨大，短時間內需要頻繁撿起散落在很大范圍內的網球是一件耗時耗力的工作，而每個人不會像專業(yè)運動員一樣擁有自己的球童，因此網球訓練亟需自動撿球機器人來輔助，為每位網球愛好者提供便利，節(jié)省時間。 1.2國內外研究現狀 目前市場上的網球撿球機構比較少，較為經濟、方便的網球撿球機構大多以人工操作為主。 網球筐是目前市場上最為常見的產品方案，如圖1-1，1-2所示，其工作原理很簡單，用力下壓將球擠進球籃里，球籃網格的尺寸相比網球略小，保證網球進入球籃之后不會掉落，同時在不撿球時，可以將支架倒轉使其站立，輔助網球訓練，其結構簡單，操作方便，價格便宜。 圖1-1 網球籃 圖1-2 網球籃 另外一種與網球籃的工作原理比較相似的網球撿球機構是網球筒，如圖1-3、1-4所示[3]，其結構相比網球籃更加簡單，主要由球筒、手柄和收球部分組成。擠壓將球收進球筒之后，單向通過的收球裝置，保證網球不會掉落。 圖1-4 網球筒 圖1-3 網球筒 以上兩種撿球機構的主要優(yōu)勢是結構簡單，造價低，使用方便，但也存在較多的缺點，撿球過程中對網球的損傷較大，且容易卡球，需要人工尋找并對準網球，效率低，且一次只能撿一個球，同時網球筒一次撿球數量很小，當網球數量較多時，撿球難度會大大增加。 綜合來看，網球籃和網球筒相對比較原始，由于成本低，適用于網球較少的訓練場景，但是與今后網球撿球機構的發(fā)展趨勢不符，具有明顯的局限性。 目前市場上還出現了一類手推式網球撿球車，如圖1-5所示。這種撿球機的主要特點是：可伸縮球籃架，可循環(huán)換籃，拾球數量沒有限制；輪子采用高級耐磨PU材料，不傷網球場；撿球直徑可以達到100cm[4]。 其主要工作原理是人推動小車前進，球順著球道進入輪子之間，輪子的摩擦力將球夾住，帶入球籃之中，這種撿球車頁存在不少的缺點：需要人工操作，撿球過程容易對球產生損傷，且價格偏高，普通人消費不起。 圖1-5 波力網球撿球機SS-401 國外的與網球撿球機的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是設計專利，如圖1-6，1-7所示[5,6]。 圖1-6 國外網球撿球機專利 圖1-7 國外網球撿球機專利 其中，圖1-6是一款與網球籃相似的網球撿球機構，使用時操作者握住手柄，推動撿球機前進，同時將球卡進中間的球籃，其結構同樣簡單，但是效率低下，且容易漏球。 圖1-7是一款自動網球撿球機，這款網球撿球機基本實現了全自動撿網球，其主要撿球原理是：撿球機在前進過程中，網球累積在擋板上，擋板運動將球抬升進入后面的球筐里。這款網球撿球機存在著明顯的設計缺陷，因為在撿球過程中必然會出現網球停在擋板下方的情況，這會導致撿球機被卡住的情況，進而造成電機燒毀等嚴重后果。 1.3本章小結 本章主要講述了文獻檢索之后的主要成果，對現有的撿球機機構進行查閱、分析，對目前存在的撿球機主要工作原理有了比較詳細的了解，有助拓寬視野，發(fā)散思維，同時比較各種撿球方式的優(yōu)缺點，利于之后的撿球機構的設計。 2 總體方案設計 2 總體方案設計 2.1設計要求 本課題的主要設計要求是設計一款高效的網球自動撿球機，盡可能解決同類產品中可能出現的卡球和傷球現象，并使其具有無遺漏的特點。 其主要設計參數如表2-1所示 表2-1 設計參數表 項目 指標 1.一次撿球數量/個 >100 2.一次撿球周期/min <10 3.撿球范圍/mm >1000 2.2關鍵問題 （1） 撿球方式的選擇； （2） 傳動方式的選擇； （3） 行走速度分析； （4） 球道數選擇。 2.3方案的選擇和確定 針對本課題，經過一段時間的查找資料，參考現有的相關設計，首先提出的方案是利用智能機械手臂實現撿球動作，這種方案雖然原理簡單，但是實現起來比較困難，對系統(tǒng)控制的要求高，機械結構的精度要求更高，且一次只能撿起一個球，效率很低，高額的成本也導致這種方案不適用于普通的網球訓練，因此機械手臂的方案得到否定。 其次提出的撿球機構方案如下圖2-1所示，其主要原理為：撿球機采用后輪驅動的方式，兩個后輪分別用步進電機控制，便于控制車速，通過差速實現拐彎作業(yè)，前輪由輪軸連接，在撿球車前進過程中，后輪驅動前輪轉動，前輪軸上的同步帶，可以帶動扇葉轉動，扇葉轉動將到達車前的網球撥入后置的球籃里。 圖2-1 扇葉式撿球機構原理圖 針對此方案，進行了初步的設計與計算，并繪制了三維圖，如圖2-2所示，手柄設計的出發(fā)點是手自一體化，首先設計的是手動式，因此起初設計時并沒有將后輪的步進電機加進去。 圖2-2 扇葉式撿球機 此設計方案，設計過程中，也發(fā)現不少問題： （1）轉彎問題。起初在考慮后輪驅動，通過變速轉彎時，沒有考慮前輪的轉彎問題，由于兩個前輪通過一根輪軸連接，因此當后輪差速拐彎時，前輪沒辦法同時跟著后輪轉動，前輪的運動變成側向滑動，摩擦力大，輕則損傷車輪，重則無法拐彎燒毀電機。 （2）撿球數量問題。由于撿球機構的限制，撿網球過程中網球的抬升高度無法很高，且為了提升裝球數量，不得不把球籃做成斜坡形式，導致后面球籃很小，可以裝球的數量無法達到預期的100個。且網球提升過程中由于斜坡短，提升速度較快，網球可能飛出去。 由于各種缺點，此方案也得到了否定。 最終，提出的設計方案如圖2-3所示，其主要工作原理為：由電機驅動，通過三個大小相同的同步帶帶輪帶動同步帶轉動，在撿球機前進過程中，同步帶上的撥板將網球沿斜坡送入后置的球籃之中。 4 3 5 2 1 圖2-3 同步帶加撥板原理圖 1—網球；2—球道；3—同步帶帶輪；4—撥板；5—同步帶 本方案的設計由方案二演變而來，兩個同步帶輪被三個同步帶輪所替換，帶撥板的同步帶替代了扇葉，使用電機帶動同步帶的主要目的是提高球道的高度，提高裝球數量。 相比前兩種方案，本方案的優(yōu)點是：結構相對簡單，制造難度低；不會出現卡球、傷球的現象；可盛裝網球數量大，可以滿足撿球要求。 2.4整體方案三維圖 經過不斷地設計計算，選取相應的標準零部件，并進行其余零部件的設計繪圖，最終得到撿球機的總體裝配圖如圖2-4所示。 從圖中可以看出，車身前面的小車輪加支架為撿球機的收集裝置，在撿球機前進過程中最大限度的收集網球，并將球引導進入球道，同時很好的避免了球在進入球道之前四處亂竄和不進入球道的問題，收集裝置前方的車輪主要起導向作用，同時支撐收集裝置支架，避免其發(fā)生形變。 圖2-4 整體方案三維建模 2.5本章小結 本章主要講述的是撿球機撿球方案的確定過程，經過不斷地設計篩選，最終確定了一套相對合理，缺點少，易于實現的方案，為撿球機整體設計奠定了基礎。 3 機械結構及零部件的設計與校核 3 機械結構及零部件的設計與校核 3.1撿球籃的尺寸 根據設計參數要求：一次撿球數量>100個。按照標準網球的直徑要求65.41mm100個，因此撿球籃的實際體積應該大于最大容積Vmax，參考球道以及撿球車整體機架結構的設計，確定撿球筐的內部容積基本尺寸為0.3×0.4×0.3m，分別為長，寬，高。 驗算撿球籃能否滿足一次撿球，可裝球100個以上，實際撿球籃的容積為 V=abh=0.3×0.4×0.3=0.036m3>0.0323m3 （3-3） 式中，V——撿球籃的實際容積，m3； a——撿球籃的內部長度，m； b——撿球籃的內部寬度，m； h——撿球籃的內部高度，m。 因此滿足條件，可以使用。 創(chuàng)建撿球籃的三維圖如圖3-1，3-2所示，其中圖3-1為撿球籃的整體三維圖，圖3-2為撿球籃頂部掛鉤特寫，考慮到撿球機撿球之后取球的便利，決定在撿球籃中放置球網，因此掛鉤的作用為固定球網，同時利于球網的取出。 圖3-2 撿球籃特寫 圖3-1 撿球籃三維圖 圖3-2 撿球籃特寫 圖3-1 撿球籃三維圖 3.2撿球機行走速度的計算 標準網球場地的尺寸如圖3-3所示，由圖中可以看出網球場的賽場尺寸23.77m×8.23m，而球場的總體尺寸為36.57m×18.27m，根據設計參數的要求一次撿球所需時間為10min，考慮到直線行走的速度會比轉彎時的速度快，所以可以假定撿球機覆蓋全場的直線距離行走時間為5min，按照設計參數要求，撿球機撿球范圍>1000mm，假定其所覆蓋的撿球范圍就是1000mm，則粗略估計撿球機的行走速度為： v=bt×nl=18.275×60×36.571≈2.23m/s （3-4） 圖3-3 標準網球場地（單位：mm） 式中，v——撿球機的行走速度，m/s； b——網球場地的寬度，m； t——撿球機走完覆蓋全場直線距離所需時間，s； n——網球場地的長度，m； l——撿球機撿球的寬度，m。 考慮到實際情況，將撿球機的行走速度初步設定為2.3m/s。 3.3同步帶的設計 考慮到標準網球的最大直徑68.58mm，因此球道的寬度dd>68.58mm，根據《現代機械設計手冊（單行本）機械傳動設計》表1-89[7]，選取帶寬代號300，帶寬76.2mm，選取帶型H，查表1-87，得知同步帶的節(jié)距12.7mm，考慮到每秒鐘遇到的球的數量約為三個，三個球在同一個球道的概率雖然很小但是需要考慮，三個網球的最大的寬度為3×68.58mm=205.74mm，因此設定同步帶上撥板的距離為250mm，設定同步帶的帶速為250mm/s。 考慮到實際情況，本次設計選取的同步帶是三個大小相同的同步帶輪，按照要求帶輪齒數z>zmin（帶輪最小齒數），參照表1-92，假定帶輪轉速n1<900r/min,得知H型帶的最低齒數要求為14，而在帶速和安裝尺寸允許的情況下，帶輪齒數可以盡可能選取較大值，因此參照表1-104，選取帶輪齒z=20，節(jié)徑d=80.85mm，外徑d0=79.48mm。 驗算帶輪選擇是否合理，按照選定齒數進行計算轉速 n1=vπd=250×60π×80.85=59.09r/min<900r/min （3-5） 式中，n1——帶輪的轉速，r/min； v——同步帶的帶速，mm/s； d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm。 因此，選取的帶輪符合條件。 經過計算可得，帶輪的小內徑為15.90mm，大內徑為31.79mm，小內徑的深度為53.34mm，大內徑的深度為22.86mm。 考慮到網球的最大直徑68.58mm，為了讓球能拖住網球，考慮到最理想的狀況，撥板的最小長度為網球的半徑34.29mm，考慮到可能存在三個網球同時在一條球道的情況，因此設定撥板的長度為l=100mm，撥板的厚度為5mm，寬度為76.2mm，設定最低同步帶帶輪高度為 h1>d2+l=80.852+100=140.43mm （3-6） 式中，h1——同步帶帶輪的高度，mm； d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm； l——同步帶撥板的長度，mm。 考慮到實際情況，同步帶帶厚等因素，取同步帶最低帶輪的高度為150mm。 3.4球道的設計 按照設計參數設定，一次撿球數量100個，假定網球練習者一次練習，發(fā)球數量100個，考慮到實際情況，網前和邊線處網球數量相對集中，在多數球過網的情況下，分布在邊線處的網球數量相對更高，因此假定邊線附近區(qū)域（2m×18.27m范圍內）網球的數量為40個，網前（4m×18.27m）的數量為20個，其余40個網球隨機分布在網球場地的其他區(qū)域。設定網球撿球機的撿球寬度為1m，則撿球機在單位時間里遇到網球的數量為（按照網球最密集區(qū)域進行計算） vn=nsAvd=402×18.27×2.3×1=2.52個/s （3-7） 式中，vn——撿球機在單位時間里遇到網球的數量，個/s； ns——區(qū)域內網球的數量，個； A——該區(qū)域的面積，m2； v——撿球機的行走速度，m/s； d——撿球機的撿球寬度，m。 根據上式計算的結果，得到單位時間里撿球的個數，因此設定撿球機的球道數為3。 考慮到撥板的寬度為76.2mm，以及安裝偏差問題，設定球道的寬度為77mm，球道的高度設定主要與撿球籃的高度以及撿球機主體部分與地面高度相關，其相關的尺寸在二維圖紙有詳細表示，在這里不做贅述。 其最終的三維建模如圖3-4，3-5所示，其中圖3-4是球道的主體結構示意圖，圖3-5是球道的固定裝置的特寫，由于球道為懸空狀態(tài)，因此將其固定在撿球籃上，起到固定和支撐的作用。 圖3-5 球道特寫 圖3-5 球道特寫 圖3-4 球道三維圖 3.5撿球機同步帶電機的選擇 首先確定撿球機同步帶的負載，其只要負載特性如下： ①網球的重量。設計所得的球道的長度約為470mm，考慮到單個網球的最大直徑68.58mm，撥板的厚度5mm，以及撥板之間的距離250mm，因此同時最多存在兩個撥板在球道上方，球道上最多存在n1=6個網球，單個網球的最大重量m1=58.5g; ②同步帶的重量。同步帶型號H，采取最常用材料，其密度為ρ2=0.448kg/m，同步帶的總長l2=1464.64mm，同步帶的數量為n2=3條。同步帶上的撥板材料與同步帶材料相同，每條同步帶撥板的數量為n3=6個，因此撥板的總長度為l3=6×0.1×3=1.8m。 ③同步帶輪的質量。同步帶輪的材料是尼龍，使用SolidWorks軟件賦予模型尼龍材料，計算得到帶輪的重量為m4=373g/個，帶輪的個數為n4=9個。 根據公式計算同步帶的負載為 m=m1×n1+ρ2×l2×n2+ρ2×l3×n3+m4×n4=10.78Kg （3-8） 同步帶的速度為v=0.25m/s,因此可以求得電機的功率為 P=Fv=10.78×9.8×0.25=26.41W （3-9） 式中，P——電動機的有效功率，W； F——電動機上作用的力，N； v——電動機的線速度。 因此，電動機的總功率P0為 P0=Pη （3-10） 式中，η——電機的機械效率。 根據角速度和線速度的關系式v=ωr，推導得到帶輪的角速度為 ω=vr=0.2580.85÷2×10-3≈6.18rad/s （3-11） 式中，ω——同步帶帶輪的角速度，rad/s； r——同步帶帶輪的節(jié)徑，m。 而同步帶帶輪的轉速為59.09r/min≈60r/min，假設帶輪在0.1s時間內加速到60r/min的角速度，則可以計算得到軸的角加速度為 ε=?ω?t=6.18-00.1-0=61.8rad/s2 （3-12） 在這里可以將同步帶帶輪看成圓柱體，則可以計算得到扭矩為 M=Jε=mr22ε 式中，M——帶輪的扭矩，N·m； J——帶輪的轉動慣量，kg·m2； ε——帶輪的角加速度，rad/s2。 由此可以得到每個帶輪的扭矩為 M1=mr22ε=0.373×0.04042522×61.8=0.019N·m （3-13） 帶輪的總扭矩為M=M1×3×3=0.019×3×3=0.171N·m 由上述計算結果可知，所選電機的基本參數需為：轉速60r/min，扭矩0.171N·m，經過不斷地篩選，最終選定東莞市威邦機電有限公司生產的直流電機，所選電機的型號為：4D40-24，其主要參數如表3-1所示[8] 表3-1 直流電機主要參數 額定電壓/V 額定功率/W 空載轉速/(r/min) 空載電流/A 額定轉速/( r/min) 額定轉矩/(kg·cm) 額定電流/A 馬達重量/kg 24 40 3100 0.8 3000 1.3 2.1 1.8 齒輪箱的主要參數如表3-2所示 表3-2 齒輪箱參數表 減速比 3 3.6 5 6 7.5 9 10 12.5 輸出軸轉速 r/min 1033 861 620 517 413 344 310 248 允許力矩 N·m 0.30 0.36 0.50 0.60 0.75 0.90 1.00 1.25 kgf·cm 3.06 3.67 5.09 6.1 7.64 9.17 10.2 12.73 減速比 18 20 25 30 36 40 50 60 輸出軸轉速 r/min 172 155 124 103 86 78 62 52 允許力矩 N·m 1.80 2.00 2.25 2.70 3.24 3.60 4.50 4.48 kgf·cm 18.33 20.36 22.95 25.74 33.04 36.71 45.90 49.80 由上表可知，選擇減速比為50的齒輪箱。 電池的選擇，經過市場調查，最終選定瑋孚24V，4Ah鋰電池[9]，其主要參數如表3-3所示 表3-3 電池主要參數 電壓容量 重量/kg 電壓范圍 24V 4Ah 0.7 20V-29.2V 電芯 放電接頭 充電接頭 18650動力鋰電芯 T型放電母頭 DC工業(yè)母頭 3.6同步帶軸的設計與校核 已知電機的功率為40w，額定轉速為3000r/min，經齒輪箱減速后，額定轉速為62r/min。 3.6.1求軸上的功率P1、轉速n1和轉矩T1 同步帶軸與電機通過聯軸器連接，其傳動效率為η=0.98，則 P1=P×η=40×0.98=39.2W （3-14） 已知轉速n1=62r/min，于是 T3=9550000×P1n1=9550000×0.039262≈6038.064N·mm （3-15） 3.6.2初步確定軸的最小直徑 根據公式，軸的扭轉強度條件為 τT=TWT≈T0.2d3≤[τT] （3-16） 式中，τT——扭轉切應力，MPa； T——軸所受到的扭矩，N·mm； WT——軸的抗扭截面系數，mm3； [τT]——許用扭轉切應力，MPa。 選取軸的材料為45鋼，調質處理，根據《機械設計》表15-3[10]，取A0=112，于是可以得到 dmin=A03P1n1=112×30.039262=9.61mm （3-17） 由于軸與軸承和聯軸器直接連接，因此軸的最小直徑為軸承與聯軸器的直徑，為了使所選的軸的直徑dI-II與聯軸器和軸承孔徑大小相適應，故需要同時選取聯軸器的型號。 聯軸器的計算轉矩Tca=KAT1，查《機械設計》表14-1，由于轉矩變化很小，故取KA=1.3，于是 Tca=KAT1=1.3×6038.064=7849.48N·mm （3-18） 按照規(guī)定，計算轉矩Tca應該小于聯軸器的公稱轉矩，根據所選的電機輸出軸徑12mm，查《現代機械設計手冊-軸及其連接件設計》表3-14[11]，選取GY1凸緣聯軸器，其公稱轉矩為25000N·m。聯軸器的孔徑dI=12mm，故取dI-II=12mm，聯軸器的外圍直徑為D=80mm，聯軸器與軸配合的轂孔的長度L1=32mm。 3.6.3軸的結構設計 根據軸的結構工藝性要求，軸的結構越簡單越好，在滿足使用要求的前提下，盡可能地簡化軸的結構。初定軸的結構如圖3-6所示 VII VI IV I II V III 圖3-6 軸的結構示意圖 （1）軸上零件的裝配方案 由于軸上的零件的選取均是根據實際情況來定的，同步帶輪的大小相同，考慮到帶輪的安裝問題，主要的軸向定位都是通過套筒實現。 （2）根據軸向定位的要求來確定軸的各段的直徑和長度 1）為了滿足聯軸器的軸向定位要求，故I-II的直徑dI-II=12mm，長度為LI-II=33mm；根據同步帶軸徑的大小15.9mm，軸承尺寸的限制，故II-III段無法做出軸肩，因此II-III段使用套筒進行軸向定位，其直徑大小為dII-III=12mm，其長度為（即套筒的長度）LII-III=21.4mm。 3）軸承的選擇。軸承主要受到徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并根據dII-III=12mm，查《現代機械設計手冊-軸承》表5-2[12]，選取標準精度等級的深溝球軸承61801，其尺寸為d×D×B=12mm×21mm×5mm，最左側同樣選取深溝球軸承61801。 4）III-IV的長度主要由軸承端蓋，軸承，套筒的長度之和決定，軸承端蓋的厚度為5mm，軸承寬為5mm，套筒長18.1mm，因此LIII-IV=28.1mm，dIII-IV=12mm。 5）為了滿足同步帶輪的軸向定位要求，將IV-V段制出一軸肩，由于同步帶輪小徑為15.9mm，因此取dIV-V=20mm。 6）V-VI段的尺寸完全由同步帶輪的尺寸決定，根據同步帶帶輪小徑15.9mm，取dV-VI=15.9mm，由于球道寬度的限制，帶輪之間需要加厚墊片進行軸向定位，套筒的寬度為5.8mm，同步帶帶輪的寬度為76.2mm，因此V-VI段的長度為LV-VI=76.2×3+5.8×2=240.2mm。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 （3）軸上零件的周向定位 同步帶輪、聯軸器與軸的周向定位均采用普通平鍵連接。同步帶帶輪與軸配合的鍵的選取，查《現代機械設計手冊-連接件與緊固件》表3-4[13]，查得平鍵截面b×h=5mm×5mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度為36mm，考慮到同步帶帶輪的安裝問題，同步帶輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；聯軸器與軸的連接選取方法相同，選取的平鍵的尺寸4mm×4mm×22mm，鍵槽的長度為22mm，聯軸器與軸的配合采用過渡配合，配合公差為H7k6；滾動軸承與軸的周向定位通過過渡配合來實現，選取軸的直徑尺寸公差為m6。 （4）確定軸上的倒角尺寸 參照《機械設計》表15-2，取軸端倒角0.8mm。 3.6.4計算軸上的載荷 首先根據軸的結構，繪制軸的計算簡圖，由手冊查得深溝球軸承61801，a=2.5mm，因此作為簡支梁的軸的支撐跨距為L=342.7mm。根據軸的計算簡圖繪制出軸的彎矩圖和扭矩圖如圖3-7所示。 G B A E D C 扭矩T FNH2 FNH1 M M T T 圖3-7 軸的載荷分析圖 從彎矩圖和扭矩圖可以看出截面C為軸的危險截面，計算得到截面C的彎矩和扭矩值列入表3-4。 表3-4 彎矩、扭矩計算值 載荷 數值 支反力F F1=F2=12.06N 彎矩M M=1033.24N·mm 扭矩T T=283.78N·mm 3.6.5按照彎扭合成應力校核軸的強度 校核危險截面C的強度，根據《機械設計》式15-5以及上表的的數據，已知軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，因此取α=0.6，根據表15-4，危險截面是帶鍵槽的截面，因此 W=πd332-btd-t22d=π×15.9332-5×3×15.9-322×15.9≈315.94mm3 （3-19） 軸的計算應力為 σca=M2+(αT)2W=1033.242+(0.6×283.78)2315.94=3.31MPa （3-20） 所選軸的材料為45鋼，調質處理，由《機械設計》表15-1,查得σ-1=60MPa,σca<[σ-1]，所以安全。 3.7車輪的選擇 本次設計的網球撿球機的驅動方式為后輪驅動，分別使用兩個步進電機進行控制，前輪采用兩只萬向輪進行導向。 前輪的萬向輪采用市場上最常見的普通萬向輪，經過篩選，最終選取的是申牌3寸腳輪[14]，其主要參數如下表所示 表3-5 萬向輪參數 ?輪子直徑mm：75（3寸） ? 輪面寬度mm：30 ?安裝高度mm：108 ?單輪承載 kg：105 ?底板規(guī)格mm：92*64 ?安裝孔距mm：75*45 ?安裝孔徑mm：9 ?輪子軸承：一體軸承 后輪的選擇，經過一番市場篩選，最終決定選擇的輪子為PU發(fā)泡輪，由青島潤達專用車輛有限公司生產銷售的10寸PU發(fā)泡輪，型號10X3.50-4，材質為聚氨酯，直徑250mm，質量1kg[15]。 3.8驅動原動機的選擇 考慮到撿球機的轉彎問題，因此選定的電機必須是可以進行控制的，因此撿球機的驅動系統(tǒng)選擇的電機為步進電機。 電機軸的轉矩主要是車輪與地面的摩擦轉矩，摩擦轉矩主要與輪胎和地面的滾動摩擦系數以及整車的重量有關，查得輪胎與地面的滾動摩擦系數為μ=5mm，而整車的質量主要包含撿球機構、同步帶電機、支架（包括收集裝置）、電池、萬向輪、驅動輪、驅動電機以及100個網球等的質量，假設步進電機的重量為2kg，則整車質量為 m=10.78+1.8+8+0.7×3+0.105×2+1×2+2×2+0.057×100=34.59≈40kg （3-21） 整車的行進速度為v=2.3m/s，根據公式v=ωr，可以求得車輪轉動的角速度為 ω=vr=2.30.125=18.4rad/s （3-22） 進而求得轉速為 n=ω2π=18.4×602×π=175r/min （3-23） 則摩擦轉矩為 M=μm=0.005×40=2N·m （3-24） 考慮到其他損失的功率，取機械效率η=0.9，驅動電機的功率為 P=Mωη=2×18.40.9=40.89W （3-25） 經過篩選，最終選擇常州康達通用電氣有限公司生產的86精密行星減速步進電機[16]，其主要工作環(huán)境如下表所示 表3-6 步進電機工作環(huán)境表 項目 規(guī)范 溫升 80℃ max 環(huán)境溫度 -20℃-+50℃ 絕緣強度 100Ωmin，500V DC 介電強度 500V AC 1分鐘 回轉間隙 ≤25acrmin 主要技術參數為 表3-7 步進電機工作參數表 電機型號 步距角/° 相電流/A 保持力矩/kg·cm 引線數/條 電機重量/kg 85-H250B99 1.8 4 65 4 3.5 因此減速比為5。 3.9車輪軸的設計與校核 已知步進電機的保持力矩為6.5N·m。 3.9.1確定軸的最小直徑 根據《機械設計手冊新編軟件版》，軸的最小直徑計算公式 dmin=35T[τT] （3-26） 式中，T——軸傳遞的額定轉矩，N·mm； [τ]——軸的許用剪應力。 選取軸的材料為45鋼，調質處理，根據《機械設計》表15-3，選取τT=35MPa，于是 dmin=35T[τT]=35×6.5×100035=9.76mm （3-27） 3.9.2軸的結構設計 初步確定后車輪軸的結構如圖3-8所示。 VI V IV III II I 圖3-8 后車輪軸結構示意圖 （1）根據車輪的尺寸設計I-IV的直徑和長度 車輪孔徑為24mm，因此dI-III=24mm，車輪的軸向定位采用右側加螺母的方式，而周向定位采用平鍵連接，根據車輪的尺寸選取LII-III=84mm，查找《現代機械設計手冊-連接件與緊固件》表2-37，選取六角螺母C級（GB/T 41-2000）M24，其主要尺寸為mmax=22.3mm，因此選取LI-II=23mm，LI-III=107mm。 考慮到車輪的左側定位，III-IV段制出軸肩，其尺寸為dIII-IV=30mm，LIII-IV=5mm。 （2）聯軸器的選取 參照步進電機軸的尺寸，查找《機械設計手冊-軸及其連接件設計》表3-14，初步選取GY1凸緣聯軸器，其軸孔直徑為14mm，公稱轉矩為25000N·m，查《機械設計》表14-1，由于轉矩變化小，因此取KA=1.3,聯軸器的計算轉矩為 Tca=KAT=1.3×6500=8450N·mm （3-28） 計算轉矩小于公稱轉矩，因此符合條件。 （3）設計IV-V段并選擇軸承座 根據經驗設定dIV-V=25mm，進而選取軸承座，軸承座的孔徑為25mm。 （4）軸上零件的周向定位 車輪、聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接，根據dII-III的尺寸，并查《現代機械設計手冊-連接件與緊固件》表3-4，選取平鍵的尺寸為b×h×L=8mm×7mm×36mm，鍵槽的長度為40mm，車輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；聯軸器與軸的連接，選取平鍵尺寸為b×h×L=5mm×5mm×22mm，鍵槽長度為25mm，二者的配合為過渡配合，配合公差為H7k6；軸承座與軸的配合采用過度配合，其配合公差為H7m6。 （5）確定軸上倒角尺寸 查《機械設計》表15-2，取最左端倒角0.8×45°，另一個倒角1×45°。 3.9.3軸的校核 由于該軸受力比較簡單，因此采用UG進行有限元分析，軸上施加的力和約束如圖3-9所示 圖3-9 力和載荷示意圖 軸上施加的約束為圖中藍色線條，分別模擬的是軸承座和車輪的約束對軸的約束作用，施加的力為圖中的紅線箭頭部分，從左到右分別是6.5N·m的扭矩、200N的壓力（車身重量的一半）和-6.5N·m的反向扭矩。 經處理后，得到的結果如下圖所示（變化趨勢有夸大效果） 圖3-10 最大位移 圖3-11 最大剪切應力 圖3-12 最大主應力 圖3-13 計算結果 由上圖可以看出，最大主應力為23.23MPa，最大剪切應力為16.54MPa，最大撓度為0.02019mm，以上三個數據均符合要求。 3.10本章小結 本章主要講述了撿球機各主要零部件的設計與校核，最大程度的確保了撿球機機械借結構的可靠性，通過本章的計算，最終制作了撿球機的三維圖，并根據三維圖制作了對應的二維圖紙。 29 4 自動控制系統(tǒng)設計 4 自動控制系統(tǒng)設計 4.1行進方案的確定 考慮到撿球機撿球效率的問題，如果設計成，撿球機自動識別網球并進行自主撿球操作，勢必大大降低撿球機的撿球速度，影響撿球效率。因此，最好的解決方案是使撿球機定路線進行撿球。 考慮到網球的的布局以及網球的分布情況，網球場周邊的網球較多，因此撿球機首先需要圍繞球場撿球一周，剩下的路段由于網球分布比較稀疏，因此撿球機按照Z字型順序依次走完場地其余部分。 圖4-1 撿球機行進路線示意圖 路線示意圖如圖所4-1示，撿球機從右上角出發(fā)，沿邊線前進，達到球場另一邊界之后，為了順利轉彎并拾取邊界的網球，因此，撿球機需要后退一段距離，然后利用步進電機差速控制實現轉彎，到達球場另一邊界，依次循環(huán)，直到快要達到起點位置，接著，撿球機轉彎，繼續(xù)拾取球場其他位置的網球，沿圖中所示路線，進行Z字型路線行進，拐彎位置與外圍撿球路線中的后退位置基本一致，直到達到球場對面邊界，完成一次撿球過程。 4.2 單片機的選用 單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域廣泛應用[17]。 單片機主要分為通用型/專用型，總線型/非總線型等。 單片機與我們生活的各個領域息息相關，大到導彈的導航裝置，飛機中各種儀表的控制，計算機中的網絡通訊及數據傳輸，工業(yè)自動化過程的實時監(jiān)控，小到各種智能IC卡，汽車的安全保護系統(tǒng)，錄像機、全自動洗衣機的控制，以及各種遙控玩具等等，都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，并且與步進電機的配合使用十分方便，因此本次設計中撿球機的控制部分主要使用單片機進行控制。 4.3本章小結 本章主要講述了撿球機撿球路線，以及控制系統(tǒng)的選用問題，實現了撿球機的智能化。 總結與展望 總結與展望 總結 本次設計是主要為了幫助網球訓練者在進行網球訓練過程中撿取網球，并能夠解決現有產品中卡球、傷球的問題，經過不斷構思、設計與改進，最終形成了一套結構合理，容易實現的完整撿球機構。并完成了三維模型的建造，相關零件的設計計算，主要零件的二維圖紙繪制等工作。 本次設計，對加深了專業(yè)知識的系統(tǒng)性認識，提高機械設計能力，加強自主學習能力，完善實踐能力，有著巨大的幫助。尤其在設計過程中，需要不斷進行鉆研、改進，對耐力和毅力的鍛煉更是有非常大的幫助。 展望 （1）實物制作。由于設計時間的限制，以及精力的原因，本次設計并沒有完成事物的制作，因此，有許多潛在的需要改進的地方無法得到考證，大部分設計只是停留在理論部分，希望今后可以有時間進行實物制作。 （2）控制部分的具體設計。由于工作量的問題，以及時間限制，本次設計并沒有完成控制部分的具體設計，只是具備了理論的撿球機撿球線路的設計，今后需要進行單片機相關知識的學習，并編寫相關程序。 （3）工作方式多樣化。本次設計出發(fā)點是實現撿球機手自動一體化的設計，目前只完成了自動撿球部分的設計，考慮到實際撿球情況，今后還需要加入手動控制，實現撿球機的更加便捷。 （4）自動避障功能。本次設計只是讓撿球機沿指定路線進行撿球運動，但實際情況中必然會出現差錯，因此加入自動避障系統(tǒng)可以在撿球機出現問題時避免其出現較大損傷。 參考文獻 參考文獻 [1] IFR發(fā)布2014服務機器人研究報告: 市場上升去世明顯 [EB/OL]. http://www.roboti cschina.com/ART_8800694440_500001_NT_63833721, 2014 [2] 張永剛. 中國網球運動與捷克網球運動發(fā)展的對比研究 [J]. 世界體育, 2015, 5(01): 11-12 [3] 韓良, 王德彬, 龔煥. 智能網球車的研制 [J]. 機電技術, 2011, 2: 49-54 [4] Bonny波力網球撿球機SS-401 [EB/OL]. http://www.ebest2008.com/wqjqj/2306, 2015 [5] Ball-picking Device [P]. 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