乒乓球發(fā)球機原理

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1、1. 乒乓球發(fā)球機的工作原理 乒乓球發(fā)球機是集電子、 機械和計算機技術為一體的綜合技術產物， 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輪摩擦球原理，乒乓球由于受 到一個旋轉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的控制下工作。當 電機帶動驅動輪轉動時，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打乒乓球。 設輪子的角速度為 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)球機的工作過程 乒乓球發(fā)球機的工作過程是乒乓球球首先貯藏在儲球箱里，當電源接通后供球裝置內的電 機工作，通過齒輪傳動機構帶動儲球器里的攪拌器旋轉，乒乓球經漏斗進入送球裝置。由送球 裝置內的葉片輪旋轉將球送出，經送球管道到達機頭處的出球口。葉片輪也由電機經傳動機構 帶動，葉片輪轉速由對直流電機進行 PWM 脈寬調制控制這樣就可以控制單位時間內發(fā)出球的 個數(shù)。乒乓球到達出球口后，驅動輪旋轉摩擦乒乓球從而使球發(fā)出。按動機頭左右擺動裝置箱 上的按鈕可以通過箱內的類似曲柄搖桿機構實現(xiàn)機頭的左右擺動

3、。調解機頭上的手動調解按鈕 可以通過機頭上的彈簧裝置實現(xiàn)機頭的上下調節(jié)。 3 乒乓球發(fā)球機總體結構設計 乒乓球發(fā)球機總體結構設計包括：底座部分的設計，送球裝置的設計，球道的設計，儲球 器的設計，調整裝置的設計，機頭部分的設計，電動機的選擇等。 3.1 乒乓球發(fā)球機整體方案的確定 3.1.1 乒乓球發(fā)球機設計要求： 乒乓球發(fā)球機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，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：可調范圍 30度；出球弧度：可調范圍 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)球機整體方案如下： 1、 機體材料主要選用增強塑料， ABS 制成。部分零件選用優(yōu)質鋼制成，關于這些材料的 優(yōu)點將在下面具體介紹。 2、 發(fā)球采用固定在出球口上的摩擦輪旋轉摩擦乒乓球將球發(fā)出的原理。 出球口采用單輪驅 動，并且單輪可實現(xiàn)八種方位的調節(jié)，從而能夠使發(fā)出去的乒乓球實現(xiàn)八種不同的旋轉。 3、 送球裝置，球口驅動輪裝置，儲球器內攪拌器均采用小功率直流電機驅動。 4、 通過曲柄連桿裝置實現(xiàn)機頭的左右來回擺動，曲柄輪裝置仍采用直流電機驅動。 3.2 底座部分的設計 發(fā)球機底腳采用四個滾輪裝置。一方面四個滾輪足以承受機體重量，另一方

5、面采用滾輪可 以輕松的挪動機體，從而給用戶帶來方便。底座板采用薄金屬件，能夠很好的承受機體重量。 3.3 送球裝置的設計 送球裝置是整套乒乓球發(fā)球機的核心部分，也是衡量一套乒乓球發(fā)球機性能是否優(yōu)越的重 要標準。因此，送球裝置能否順利實現(xiàn)預期送球功能關系到整套產品能否被成功設計出來。因 此，送球裝置的設計是整套產品設計中的重要環(huán)節(jié)。 本裝置采用的是葉片輪旋轉送球機構，葉片輪由一個直流電機帶動齒輪傳動機構驅動。葉 片輪轉動一周可以送出六個球。對直流電機進行 PWM 脈寬調制可以改變電機轉速從而改變葉 片輪轉動速度，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入送球管道。在送球裝 置內共設計兩個直流電機。其中一個電機通過齒輪傳動同時帶動葉片輪和攪拌器轉動，另一個 直流電機帶動曲柄連桿機構實現(xiàn)機頭的左右擺動。電機的選用在下面章節(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塑料，增強塑料的特點：有 較高的強度，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。從增強塑料 的特點上來看，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： 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 良好的機械強度；優(yōu)良的耐熱，耐油性與化學穩(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，正適合齒輪這種轉速高，強度、沖 擊韌性大，局部溫度高，加工較為復雜的裝置，因此特選用 ABS 作為三對齒輪與齒輪軸的制作 材料。 3.4.1 葉片輪的設計 葉片輪的作用是通過其旋轉將球順利地送入送球管道中。本套發(fā)球機的葉片輪采用六葉片 機構，即旋轉一周輸送六球，選用 ABS 材料注塑制成。葉片厚度為 42mm 。 3.4.2 中隔板的設計 中隔板的作用是安放葉片，電機與軸承，并且與有機玻璃板共

8、同封閉住電機，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. 傳動齒輪的設計 在本設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。即可以實現(xiàn)同時 控制葉片輪同攪拌器的轉動。由于本套設備中的齒輪傳遞力矩相對較小，對齒輪材料的強度要 求也不是很高，因此所用塑料齒輪，制造材料選擇 ABS 。 塑料齒輪以質輕、耐磨、耐腐蝕、振動小、噪音低、化學性能穩(wěn)定、加工成本低、便于大 批量快速生產等眾多優(yōu)勢受到了很多傳動機構及研發(fā)工程師的青睞。其設計過程大體上分為以 下幾個部分：齒輪副理論設計、齒輪模具設計、齒輪模具制造和

9、齒輪注塑生產，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行參數(shù)設計： 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、 傳動軸的設計 傳動軸采用增強固體塑料注塑制成，傳動軸的設計參照金屬軸的設計方法，現(xiàn)選第一對傳 動軸進行設計： 第一 對軸連 接的是電動 機和齒輪，已 知通過 脈寬調制后電機的轉 速范圍為： 10r/min — 24r/min, 電機功率為： 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 送球管道的設計 發(fā)球球道基本設計原則就是能夠將乒乓球順利地送入發(fā)球口處，不能造成中間卡球。 發(fā)球管道的材料選用增強塑料，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 機頭的調整彈簧采用過盈連接，從而保證了乒乓球能夠順利進入機頭發(fā)球口處。在球道中間部 分還設置了與回收球網(wǎng)相連接的套環(huán)。 3.8 儲球器的設計 儲球器是乒乓球的盛放裝置，負責將乒乓球順利送入送球裝置中。 在設計中，儲球器的材料選用增強塑料，儲球器的下端設計成傾斜面，從而可以將乒乓球 集中到儲球器口處。為了進一步防止由于乒乓球互相擠壓而產生的壓力將球卡在球道處，在儲 球器底板靠近球口處設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 機頭的設計 機頭

12、是最終實現(xiàn)發(fā)球的裝置，是整套系統(tǒng)中功能實現(xiàn)的裝置。因此，這個裝置也是整套乒 乓球發(fā)球機的重要的一個部分。本套系統(tǒng)中機頭的設計主要包括以下部分： 發(fā)球口， 發(fā)球電機， 旋轉刻度盤以及彈簧。 出球口的直徑為 40毫米，厚度為 5毫米， 材料選用增強塑料，機頭可以實現(xiàn)通過橫擺裝置 實現(xiàn)左右自動擺動，通過手動按鈕和彈簧裝置實現(xiàn)上下移動。 3.10 調整裝置的設計 調整裝置是乒乓球發(fā)球機實現(xiàn)智能化，人性化的一個典型設計部分。這部分所起的作用是 帶動機頭左右擺動，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)機頭的特點，選用曲柄搖桿的機構實現(xiàn)機頭的左右擺動。送球裝置內的一個直流電機 帶動曲柄桿轉動，進而通過搖桿的牽引使轉盤左右運動從而使固定在轉盤上的機頭實現(xiàn)左右擺 動。通過對曲柄桿長，搖桿長，轉盤圓心與曲柄桿固定處的距離進行合適的設計，能夠實現(xiàn)對 機頭相應轉角范圍的設定。 在本套設計中， 曲柄桿長選用， 搖桿長選用 120mm ，轉盤中心與曲柄桿固定處的距離選用， 機頭處于正中心位置，從而實現(xiàn)了當搖桿到達極限位置時，機頭能夠左右對稱的擺動，且擺動 夾角為 30 度。