乒乓球發(fā)球機(jī)原理

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1、1. 乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理 乒乓球發(fā)球機(jī)是集電子、 機(jī)械和計算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)物， 它具有自動化程度高、 靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種特性。它的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)輪摩擦球原理，乒乓球由于受 到一個旋轉(zhuǎn)磨擦輪的作用可以獲得一定的初速度，而摩擦輪在一個直流電機(jī)的控制下工作。當(dāng) 電機(jī)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，會磨擦乒乓球球使球獲得一定的動能，乒乓球才得以發(fā)射出去。這種 原理方案既簡單又實(shí)用，它既能保證乒乓球球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的角 度及速度，使用戶隨心所欲地練習(xí)打乒乓球。 設(shè)輪子的角速度為 3，半徑為R,那么就可以計算出輪子線速度 ：V= co x R 則在瞬時間網(wǎng)球所獲

2、得的速度為 V，這就是乒乓球的初速度。 因此通過測量輪子的線速度就可以求得乒乓球的初速度。 2 乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過程 乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過程是乒乓球球首先貯藏在儲球箱里，當(dāng)電源接通后供球裝置內(nèi)的電 機(jī)工作，通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動儲球器里的攪拌器旋轉(zhuǎn)，乒乓球經(jīng)漏斗進(jìn)入送球裝置。由送球 裝置內(nèi)的葉片輪旋轉(zhuǎn)將球送出，經(jīng)送球管道到達(dá)機(jī)頭處的出球口。葉片輪也由電機(jī)經(jīng)傳動機(jī)構(gòu) 帶動，葉片輪轉(zhuǎn)速由對直流電機(jī)進(jìn)行 PWM 脈寬調(diào)制控制這樣就可以控制單位時間內(nèi)發(fā)出球的 個數(shù)。乒乓球到達(dá)出球口后，驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球從而使球發(fā)出。按動機(jī)頭左右擺動裝置箱 上的按鈕可以通過箱內(nèi)的類似曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動

3、。調(diào)解機(jī)頭上的手動調(diào)解按鈕 可以通過機(jī)頭上的彈簧裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的上下調(diào)節(jié)。 3 乒乓球發(fā)球機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 乒乓球發(fā)球機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：底座部分的設(shè)計，送球裝置的設(shè)計，球道的設(shè)計，儲球 器的設(shè)計，調(diào)整裝置的設(shè)計，機(jī)頭部分的設(shè)計，電動機(jī)的選擇等。 3.1 乒乓球發(fā)球機(jī)整體方案的確定 3.1.1 乒乓球發(fā)球機(jī)設(shè)計要求： 乒乓球發(fā)球機(jī)需要滿足的主要要求如下所示： 1、 令使用者更加掌握有度，多落點(diǎn)，多角度。 2、 出球頻率：30-72次/分鐘；出球速度：4臨0公尺/秒 3、 出球角度：可調(diào)范圍 30度；出球弧度：可調(diào)范圍 40度 4、 出球速度，出球頻率通過遙控器操作。 3.2.2

4、整體方案的確定： 根據(jù)以上要求，現(xiàn)確定出本套發(fā)球機(jī)整體方案如下： 1、 機(jī)體材料主要選用增強(qiáng)塑料， ABS 制成。部分零件選用優(yōu)質(zhì)鋼制成，關(guān)于這些材料的 優(yōu)點(diǎn)將在下面具體介紹。 2、 發(fā)球采用固定在出球口上的摩擦輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球?qū)⑶虬l(fā)出的原理。 出球口采用單輪驅(qū) 動，并且單輪可實(shí)現(xiàn)八種方位的調(diào)節(jié)，從而能夠使發(fā)出去的乒乓球?qū)崿F(xiàn)八種不同的旋轉(zhuǎn)。 3、 送球裝置，球口驅(qū)動輪裝置，儲球器內(nèi)攪拌器均采用小功率直流電機(jī)驅(qū)動。 4、 通過曲柄連桿裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右來回擺動，曲柄輪裝置仍采用直流電機(jī)驅(qū)動。 3.2 底座部分的設(shè)計 發(fā)球機(jī)底腳采用四個滾輪裝置。一方面四個滾輪足以承受機(jī)體重量，另一方

5、面采用滾輪可 以輕松的挪動機(jī)體，從而給用戶帶來方便。底座板采用薄金屬件，能夠很好的承受機(jī)體重量。 3.3 送球裝置的設(shè)計 送球裝置是整套乒乓球發(fā)球機(jī)的核心部分，也是衡量一套乒乓球發(fā)球機(jī)性能是否優(yōu)越的重 要標(biāo)準(zhǔn)。因此，送球裝置能否順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期送球功能關(guān)系到整套產(chǎn)品能否被成功設(shè)計出來。因 此，送球裝置的設(shè)計是整套產(chǎn)品設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。 本裝置采用的是葉片輪旋轉(zhuǎn)送球機(jī)構(gòu)，葉片輪由一個直流電機(jī)帶動齒輪傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動。葉 片輪轉(zhuǎn)動一周可以送出六個球。對直流電機(jī)進(jìn)行 PWM 脈寬調(diào)制可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速從而改變?nèi)~ 片輪轉(zhuǎn)動速度，從而改變送球頻率。葉片輪所在的中隔板與郵件玻璃板構(gòu)成一密閉室。為了防 止卡球現(xiàn)

6、象，葉片輪后是一段彎曲的球道，從而使乒乓球能夠順利地進(jìn)入送球管道。在送球裝 置內(nèi)共設(shè)計兩個直流電機(jī)。其中一個電機(jī)通過齒輪傳動同時帶動葉片輪和攪拌器轉(zhuǎn)動，另一個 直流電機(jī)帶動曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動。電機(jī)的選用在下面章節(jié)介紹。 3.4. 材料的選擇 送球裝置中，裝置殼體，葉片輪，及中隔板的制作材料是增強(qiáng)塑料，增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)：有 較高的強(qiáng)度，剛度，韌性；有良好的耐磨性與耐疲勞性，并有較高的熱變形溫度。從增強(qiáng)塑料 的特點(diǎn)上來看，它是適合做這些部件的材料的。 送球裝置中， 三對傳動齒輪以及齒輪軸均采用 ABS 材料注塑制成， ABS 材料的特點(diǎn)： ABS 是由苯乙烯 — 丁二烯 — 丙烯腈

7、為基的三元共聚體，故具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌性與 良好的機(jī)械強(qiáng)度；優(yōu)良的耐熱，耐油性與化學(xué)穩(wěn)定性；尺寸穩(wěn)定，易于成型和加工，且表面可 渡金屬；電性能良好。鑒于 ABS 材料具有以上優(yōu)良的特性，正適合齒輪這種轉(zhuǎn)速高，強(qiáng)度、沖 擊韌性大，局部溫度高，加工較為復(fù)雜的裝置，因此特選用 ABS 作為三對齒輪與齒輪軸的制作 材料。 3.4.1 葉片輪的設(shè)計 葉片輪的作用是通過其旋轉(zhuǎn)將球順利地送入送球管道中。本套發(fā)球機(jī)的葉片輪采用六葉片 機(jī)構(gòu)，即旋轉(zhuǎn)一周輸送六球，選用 ABS 材料注塑制成。葉片厚度為 42mm 。 3.4.2 中隔板的設(shè)計 中隔板的作用是安放葉片，電機(jī)與軸承，并且與有機(jī)玻璃板共

8、同封閉住電機(jī)，葉片輪與乒 乓球。 因此， 中隔板的厚度要綜合考慮以上幾個因素。 中隔板的具體尺寸見 CAD 送球裝置部件 圖。 3.5. 傳動齒輪的設(shè)計 在本設(shè)計中采用三對齒輪傳動，兩對斜齒圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動。即可以實(shí)現(xiàn)同時 控制葉片輪同攪拌器的轉(zhuǎn)動。由于本套設(shè)備中的齒輪傳遞力矩相對較小，對齒輪材料的強(qiáng)度要 求也不是很高，因此所用塑料齒輪，制造材料選擇 ABS 。 塑料齒輪以質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、振動小、噪音低、化學(xué)性能穩(wěn)定、加工成本低、便于大 批量快速生產(chǎn)等眾多優(yōu)勢受到了很多傳動機(jī)構(gòu)及研發(fā)工程師的青睞。其設(shè)計過程大體上分為以 下幾個部分：齒輪副理論設(shè)計、齒輪模具設(shè)計、齒輪模具制造和

9、齒輪注塑生產(chǎn)，其流程如下頁 圖所示： 鑒于目前常用的塑料齒輪多為漸開線小模數(shù)齒輪，故本套系統(tǒng)的直齒傳動齒輪的模數(shù)選為 1?，F(xiàn)選擇一對直齒齒輪對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計： 1、模數(shù)： m=1 2、齒數(shù)： Z1=60mm ，Z2=120mm ，即傳動比 i=2 3、分度圓直徑： d1=60mm ， d2=120mm ，故中心距 a=90mm 4、 壓力角：a = 5、 齒頂高系數(shù)： =1 ，故兩齒輪的齒頂圓直徑為： =62mm,=122mm 6、頂隙系數(shù)： =0.2，故兩齒輪的齒根圓直徑為： =57.6mm ， =117.6mm 其他齒輪的參數(shù)選擇方法同這一對齒輪，現(xiàn)不予一一介紹。 3.6

10、 傳動軸的設(shè)計 傳動軸采用增強(qiáng)固體塑料注塑制成，傳動軸的設(shè)計參照金屬軸的設(shè)計方法，現(xiàn)選第一對傳 動軸進(jìn)行設(shè)計： 第一 對軸連 接的是電動 機(jī)和齒輪，已 知通過 脈寬調(diào)制后電機(jī)的轉(zhuǎn) 速范圍為： 10r/min — 24r/min, 電機(jī)功率為： 50W。 即軸的最小直徑 d=A0mm=100 x =17mm 即需要的軸的最小直徑為 1 7m m ，本套系統(tǒng)中設(shè)計的軸的直徑為 20 m m ，因此可以滿足要求。 3.7 送球管道的設(shè)計 發(fā)球球道基本設(shè)計原則就是能夠?qū)⑵古仪蝽樌厮腿氚l(fā)球口處，不能造成中間卡球。 發(fā)球管道的材料選用增強(qiáng)塑料，一方面能減輕底座承受的重量，便于安裝與固定；另一方

11、 面可以減少制造成本。送球管道下部分同送球裝置頂蓋的凸臺處用四個螺釘連接，上面部分同 機(jī)頭的調(diào)整彈簧采用過盈連接，從而保證了乒乓球能夠順利進(jìn)入機(jī)頭發(fā)球口處。在球道中間部 分還設(shè)置了與回收球網(wǎng)相連接的套環(huán)。 3.8 儲球器的設(shè)計 儲球器是乒乓球的盛放裝置，負(fù)責(zé)將乒乓球順利送入送球裝置中。 在設(shè)計中，儲球器的材料選用增強(qiáng)塑料，儲球器的下端設(shè)計成傾斜面，從而可以將乒乓球 集中到儲球器口處。為了進(jìn)一步防止由于乒乓球互相擠壓而產(chǎn)生的壓力將球卡在球道處，在儲 球器底板靠近球口處設(shè)置了一個攪拌器裝置。通過攪拌器的攪拌消除球與球之間的持續(xù)靜止壓 力從而有效地防止了卡球現(xiàn)象的發(fā)生。 3.9 機(jī)頭的設(shè)計 機(jī)頭

12、是最終實(shí)現(xiàn)發(fā)球的裝置，是整套系統(tǒng)中功能實(shí)現(xiàn)的裝置。因此，這個裝置也是整套乒 乓球發(fā)球機(jī)的重要的一個部分。本套系統(tǒng)中機(jī)頭的設(shè)計主要包括以下部分： 發(fā)球口， 發(fā)球電機(jī)， 旋轉(zhuǎn)刻度盤以及彈簧。 出球口的直徑為 40毫米，厚度為 5毫米， 材料選用增強(qiáng)塑料，機(jī)頭可以實(shí)現(xiàn)通過橫擺裝置 實(shí)現(xiàn)左右自動擺動，通過手動按鈕和彈簧裝置實(shí)現(xiàn)上下移動。 3.10 調(diào)整裝置的設(shè)計 調(diào)整裝置是乒乓球發(fā)球機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化，人性化的一個典型設(shè)計部分。這部分所起的作用是 帶動機(jī)頭左右擺動，從而發(fā)出來自各個方位的乒乓球。極大的模擬了人工陪練。 根據(jù)機(jī)頭的特點(diǎn)，選用曲柄搖桿的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動。送球裝置內(nèi)的一個直流電機(jī) 帶動曲柄桿轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過搖桿的牽引使轉(zhuǎn)盤左右運(yùn)動從而使固定在轉(zhuǎn)盤上的機(jī)頭實(shí)現(xiàn)左右擺 動。通過對曲柄桿長，搖桿長，轉(zhuǎn)盤圓心與曲柄桿固定處的距離進(jìn)行合適的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對 機(jī)頭相應(yīng)轉(zhuǎn)角范圍的設(shè)定。 在本套設(shè)計中， 曲柄桿長選用， 搖桿長選用 120mm ，轉(zhuǎn)盤中心與曲柄桿固定處的距離選用， 機(jī)頭處于正中心位置，從而實(shí)現(xiàn)了當(dāng)搖桿到達(dá)極限位置時，機(jī)頭能夠左右對稱的擺動，且擺動 夾角為 30 度。