1、乒乓球发球机团队成员：团队成员：王辉王辉 何海波何海波许永波许永波 张国锋张国锋团队分工 王辉：部分建模、有限元分析 何海波：部分建模、运动仿真 许永波：整体建模 张国锋：概念设计、PPT概念设计 一、需求和问题 1.运动消费在人们日常消费中的比例呈增长趋势 现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占比例呈增长趋势。可以预见，全民性的运动热潮将会持续增长，因此，健身器材的市场需求也将会不断扩大。2.乒乓球运动在我国有着广泛的群众基础 乒乓球作为我国的国球，它集健身、竞技、娱乐于一体，不仅可以锻炼身体，还
2、可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，因此在我国有着广泛的群众基础。3.使用乒乓球发球机进行辅助训练具有一定的优势 对于初学者，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，这样要提高技术水平就很慢，也会削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业运动员，由于人手发球速度和频率会有一个极点，因此要进行变化多、强度大的训练比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练就可以解决这些问题，所以，乒乓球发球机的使用越来越普及了。二、同类产品比较 目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可分为三类：1.撞击式发球机 撞击式发球机有多种设计方案，最常见的是通过凸轮带动摆杆，将落入发球口的乒乓球撞击出去，这种发球
3、方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。2.压气式发球机 压气式发球机是利用空气压缩机来发射乒乓球的，球被装入长桶的底部由一窄口固定住，这个窄口的直径比球的直径略小一些。当压缩空气推挤乒乓球通过窄口的时候，球就被发射出去了。这种发球机的缺点是噪音极大，而且不能提供高的性能，同时空气压缩的消耗功率很大，难以用电池来供电。3.轮式发球机 轮式发球机的原理是由于装有轮子的通道空间很小，当球从轨道进入通道时，轮子就将球喷出，这种情形如同小石子被打滑的车轮挤出一般。这种发球方式有两种，一种是单轮驱动，另一种是双轮驱动。单轮发球机的弊端是：如果发球速度快，那么旋转也快；如果发球速度慢，那么旋转也慢。
4、这种和人们实战打球是完全不同的，实际上球速和旋转并不是完全成正比的，比如攻球的速度很快，但旋转并不强，而弧圈球旋转虽快，速度未必快。双轮驱动发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可以发出各种旋转球，也能发出不转球。按照控制类型可分为两类：1.半自动，简单操作系列 半自动乒乓球发球机，无论是安装还是使用都比较麻烦，而且发球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改变各项参数就必须停下来，人工调整。而且机械性能较差，但市场占有量很大，究其原因，主要是价格低。2.全自动，电脑程控系列 全自动乒乓球发球机，是全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，发球的方式、力量、速度可随意变化，使用非常人性化，其电脑
5、记忆功能还能记录球员打球的路数，能起到专业陪练效果。这种机器虽性能高，但价格太贵。三、总体设计思路 1.乒乓球发球机的总体设计示意图 发射机构发射机构俯仰机构俯仰机构摇摆机构摇摆机构储球器储球器拨球机构拨球机构输送轮输送轮送球通道送球通道 2.乒乓球发球机的设计思想 储球机构中的乒乓球在自身重力的作用下，落入输送机构，输送轮通过其上的半圆形卡球槽将球送入送球通道，求在后面的通道内依次排成一列，后面的球将前面的球顶入发射机构。发射机构中的双旋转轮可将球发射出去，调节两轮速度和旋向可实现不同旋向球；发射机构上的调整装置可调节出球口的上下角度，即可改变球的弧度。通过摇摆机构调节球的左右变化角度。3.
6、乒乓球发球机相关参数 要设计好整个自动乒乓球发球机的机械结构，首先需要了解乒乓球和球桌的参数。乒乓球是一种硝化纤维组成的直径为40mm的圆球，重量2.7g，弹性较好。标准的乒乓球桌长为2.74m，宽为1.525m，球网高12.25cm。球在球桌上方沿一定弧线飞行，如果要准确的落入对方台面，不仅受球台长度和球网高度的限制，还有球桌宽度的制约。为此必须要求乒乓球的飞行方向正确，保证乒乓球既不会出界，又能落到战术所需范围内。4.发球基本原理 如上图所示，乒乓球由于受到两个反向旋转摩擦轮的作用，可以获得一定的初速度，而两个摩擦轮分别由两个直流电机带动工作。设轮子角速度w1、w2，半径R，线速度v1=w
7、1R、v2=w2R：w1=w2，乒乓球不旋转，所获瞬时速度即初速度为：v=v1=v2 w1w2，乒乓球沿轮1方向旋转，初速度为：v=(v1+v2)/2 w1w2，乒乓球沿轮2方向旋转，初速度为：v=(v1+v2)/2 5.参数设计 高：1200mm 宽：400mm 长：600mm 材料：大部分采用工程塑料，关键传动部位采用合金钢。质量：25kg至30kg 摆角范围：40 发球频率：30-90只/min 6.6.电机选型电机选型本组设计的乒乓球发球机主要需要三种电机，其中以控制摇摆的电机最本组设计的乒乓球发球机主要需要三种电机，其中以控制摇摆的电机最为关键。为关键。下面主要分析对控制摇摆电机的选
8、择。下面主要分析对控制摇摆电机的选择。已知上部结构的总质量为已知上部结构的总质量为5.6kg5.6kg，接触的截面面积，接触的截面面积 S=3.14 S=3.14353535-3.1435-3.14303030=1020.530=1020.520.00120.001经查询相关资料知合金钢与石墨的干摩擦系数为经查询相关资料知合金钢与石墨的干摩擦系数为0.10.1，摩擦力，摩擦力f=5.6f=5.610100.1=5.6N0.1=5.6N摩擦阻力矩为摩擦阻力矩为M=5.6M=5.60.035=0.196Nm0.035=0.196Nm在螺栓处所需力为在螺栓处所需力为 0.196/(0.145+0.0
9、35)1.1N 0.196/(0.145+0.035)1.1N电机输出转矩为电机输出转矩为 1.1 1.10.035=0.0385Nm0.035=0.0385Nm因为本摇摆机构为自动运行，根据实际情况，转速不应过快因为本摇摆机构为自动运行，根据实际情况，转速不应过快确定电机转速为确定电机转速为 n=6 R/min n=6 R/min初步确定电机功率初步确定电机功率式中式中K K为安全系数，此时取为安全系数，此时取2 2，将，将K K、n n、MlMl带入，得到单侧电机功率：带入，得到单侧电机功率：=1.45W =1.45Wmax30lPKnM300385.0614.32P取取 =0.87 =0
10、.870.920.920.95=0.760.95=0.76其中其中0.870.87、0.920.92、0.950.95分别为电机的效率，杆的牵引效率及摆杆的传动分别为电机的效率，杆的牵引效率及摆杆的传动效率。则所需电机的输出功率为：效率。则所需电机的输出功率为：将参数将参数P P，值代入到式中，可得单侧电机功率如下，值代入到式中，可得单侧电机功率如下1.9W1.9W根据所需的驱动力矩、其它结构以及运动性能的要求，驱动电机选择根据所需的驱动力矩、其它结构以及运动性能的要求，驱动电机选择VTV6W220VVTV6W220V减速电机，安装尺寸：减速电机，安装尺寸：60mm60mm*60mm60mm齿
11、轮减速比还有齿轮减速比还有1:3 5 7.5 10 12.5 15 20 25 30 50 75 100 150 200 1:3 5 7.5 10 12.5 15 20 25 30 50 75 100 150 200 250 300 500 250 300 500 等等电机外形及具体参数见下图电机外形及具体参数见下图outinPP除此种电机外，本发球机还需要驱动摩擦轮电机除此种电机外，本发球机还需要驱动摩擦轮电机2 2个，拨球和输送个，拨球和输送机构共用电机机构共用电机1 1个，因为本产品较为成熟，现参考相关资料及借鉴个，因为本产品较为成熟，现参考相关资料及借鉴相关产品，选择两个摩擦轮电机与上
12、面摆动装置所用电机相同，选相关产品，选择两个摩擦轮电机与上面摆动装置所用电机相同，选择拨球和输送机构电机为择拨球和输送机构电机为4RK25GN-C4RK25GN-C，配用减速箱及其他传动机构，配用减速箱及其他传动机构输出较低转速，同时驱动拨球机构和输送机构，具体的外形尺寸及输出较低转速，同时驱动拨球机构和输送机构，具体的外形尺寸及相关参数如下：相关参数如下：Solidworks建模 一、储球器及拨球机构设计 二、送球通道及输送轮设计 三、摇摆及俯仰机构设计 四、发射机构设计 五、总体装配图高：高：1200mm1200mm宽：宽：400mm 400mm 长：长：600mm600mm材料：大部分采
13、用工程材料：大部分采用工程塑料，关键传动部位采塑料，关键传动部位采用合金钢。用合金钢。质量：质量：25kg25kg至至30kg30kgSolidworks Motion运动仿真Solidworks Simulation有限元分析 对摇摆机构的有限元分析：对摇摆机构进行应力分析后，从应力分布图可以看出该结构所受对摇摆机构进行应力分析后，从应力分布图可以看出该结构所受应力极大，故对此结构加以改进。应力极大，故对此结构加以改进。如下所示图所示，为改进前与改进后的模型：改进后对摇摆结构再次进行有限元分析：改进前改进前改进后改进后 对比以上两幅图，不难看出，通过结构改进，摇摆机对比以上两幅图，不难看出，通过结构改进，摇摆机构的应力极大幅度的减小了。构的应力极大幅度的减小了。谢谢！工作总结 通过对乒乓球发球机的机械设计，我们学到的不只是对软件的使用，因为软件毕竟只是一个工具。在我看来，本次工作的一个核心词是“Teamwork”，即团队意识，合作意识。另一核心词“设计”，这是重中之重，我们设计一个东西，首先要明确设计的目的，乒乓球发球机现在已经是成熟的技术，我们设计它的意义何在？有没有创新点？它的市场定位如何？这些是在做之前必须要考虑的问题，即“Design right thing”，而之后的工作就仅仅是技术问题了。
