507 乒乓球自動發(fā)球機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計,乒乓球,自動,發(fā)球,微機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書題 目： 學(xué) 院： 興湘學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī) 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化 學(xué) 號： 2007964215 姓 名： 李 智 指導(dǎo)教師： 李 衛(wèi) 完成日期： 2011 年 05 月 20 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書設(shè)計（論文）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機(jī) 計 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 學(xué) 號： 2007964215 姓名 李 智 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 李 衛(wèi) 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求： 1、檢索國外乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，分析國內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、分析乒乓球自動發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題； 3、完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計的一體化設(shè)計； 4、完成單片機(jī)實現(xiàn)乒乓球自動發(fā)球機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計； 5、完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中硬件設(shè)計； 6、完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中軟件設(shè)計； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字?jǐn)?shù)不低于一萬字，使用 A4 編輯及打印裝訂成冊； 8、技術(shù)圖紙：機(jī)械原理圖 1 張（0 號）、控制系 統(tǒng)電路圖 1 張（0 號）、控制系 統(tǒng)程序方框圖 1 張（1 號）； 9、翻譯英文技術(shù)資料：翻譯課題相關(guān)的英文資料。要求：3000 單詞，復(fù)印原稿與翻 譯(打印)稿同冊裝 訂。 二、重點(diǎn)研究的問題：1、 乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案選擇設(shè)計； 2、 乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計軟件設(shè)計； 3、 乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中外圍設(shè)備硬件的設(shè)計。 三、進(jìn)度安排四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)[1]吳金成.8051 單片機(jī)實踐與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009 . [2]成大先.機(jī)械 設(shè)計手冊[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010. [3]潘長林.實 用中小型電機(jī)手冊[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 2007 [4]伍悅濱，朱蒙生.流體力學(xué)、泵與風(fēng)機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010. [5]蔡繼玲.乒乓 球竟賽規(guī)則問答[M].北京:北京體育大學(xué)出版，2004. [6]楊志忠.數(shù)字 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2008. [7]張建民.機(jī) 電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:高等教育出版社，2007 . 各階段完成的內(nèi)容 起止時間1 資料檢索、查詢 2011 年 2 月 20 日 ～ 3 月 5 日2 系統(tǒng)總體方案構(gòu)思及設(shè)計 2011 年 3 月 6 日 ～ 3 月 20 日3完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案選擇設(shè)計2011 年 3 月 21 日 ～ 4 月 10 日4完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計硬件設(shè)計； 2011 年 4 月 11 日 ～ 4 月 25 日5完成乒乓球自動發(fā)球機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計軟件的設(shè)計2011 年 4 月 26 日 ～ 5 月 10 日6 畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫和編輯 2011 年 5 月 11 日 ～ 5 月 19 日7交畢業(yè)設(shè)計說明書和圖紙，答辯準(zhǔn)備 2011 年 5 月 20 日 ～ 5 月 25 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學(xué)號 　2007964215 姓名 　李 智 　 專業(yè) 機(jī) 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機(jī) 計 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 評價項目 評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價評閱人： 2011 年 5 月 日湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見學(xué) 號： 2007964215 姓名： 李 智 專 業(yè)： 機(jī) 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 68 頁 圖 表 3 張論文（設(shè)計）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機(jī) 計 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 內(nèi)容提要：我國是乒乓球強(qiáng)國。隨著乒乓球運(yùn)動的開展，尤其是對高質(zhì)量的乒乓球?qū)I(yè)訓(xùn)練要求的提高，設(shè)計一種高度自動化的乒乓球發(fā)球機(jī)具有積極重要的時代意義。國內(nèi)現(xiàn)有的乒乓球發(fā)球機(jī)的類型有兩種，一種是半自動式發(fā)球機(jī),它需要通過人工對機(jī)頭旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行手動調(diào)整,從而實現(xiàn)各種發(fā)出各種角度的旋轉(zhuǎn)球的目的；同時需要通過抬高或降低機(jī)頭以對球的射程弧度進(jìn)行手動調(diào)整。這種發(fā)球機(jī)操作麻煩，功能基本,越來越不能滿足專業(yè)訓(xùn)練對發(fā)球機(jī)的要求。另一種發(fā)球機(jī)是半自動式發(fā)球機(jī),通過電腦編程進(jìn)行操作調(diào)節(jié)。它的操作系統(tǒng),需要設(shè)置參數(shù)來實現(xiàn)各種發(fā)球意圖。這種半自動式發(fā)球機(jī)雖然可發(fā)出各種變化的球,但由于設(shè)備體積大,使用不方便，因此局限性較大。本文針對乒乓球發(fā)球的特點(diǎn)，從總體上設(shè)計了一種新型的乒乓球發(fā)球機(jī):自動乒乓球發(fā)球機(jī)。本文綜述了國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的現(xiàn)狀，對已有發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，提出了改進(jìn)的設(shè)計方案。針對該發(fā)球機(jī)發(fā)球裝置的缺陷，采用對轉(zhuǎn)雙輪的發(fā)球原理，使其能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)球和不旋球的發(fā)射;考慮原擺動裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)繁瑣，不宜進(jìn)行自動控制， 對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計;此外，增加設(shè)計了升降裝置，使發(fā)球功能更完善。論述了該自動乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計思想、工作原理、 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，具體包括外圍設(shè)備的選擇、 電動機(jī)的選擇、PWM 驅(qū)動器的選擇等，論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性。指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日I摘 要為了使練習(xí)者能更好地學(xué)習(xí)乒乓球技術(shù)以達(dá)到健身和訓(xùn)練的目的，本文針對乒乓球發(fā)球的特點(diǎn)，從總體上設(shè)計了一種新型的乒乓球發(fā)球機(jī):自動乒乓球發(fā)球機(jī)。本文綜述了國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的現(xiàn)狀，對已有發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，提出了改進(jìn)的設(shè)計方案。針對該發(fā)球機(jī)發(fā)球裝置的缺陷，采用對轉(zhuǎn)雙輪的發(fā)球原理，使其能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)球和不旋球的發(fā)射;考慮原擺動裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)繁瑣，不宜進(jìn)行自動控制，對其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計;此外，增加設(shè)計了升降裝置，使發(fā)球功能更完善。根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析建立了數(shù)學(xué)模型，分析了控制落球點(diǎn)各參數(shù)的合理取值范圍，得出其相互制約關(guān)系。論述了該自動乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計思想、工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，具體包括外圍設(shè)備的選擇、電動機(jī)的選擇、PWM 驅(qū)動器的選擇等，論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性。改進(jìn)后設(shè)計的乒乓球發(fā)球機(jī)是一種新型的、性價比高的自動型發(fā)球機(jī)，它可以發(fā)出各種適合練習(xí)者需要的球，利用計算機(jī)對各種球的速度、角度、旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，以滿足練習(xí)者的不同技術(shù)需求。同時設(shè)置了隨機(jī)發(fā)球模式，對發(fā)球速度、發(fā)球角度和發(fā)球高度等參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)化，實現(xiàn)落球點(diǎn)的隨機(jī)變化。關(guān)鍵詞:乒乓球發(fā)球機(jī)，對轉(zhuǎn)雙輪，運(yùn)動分析，發(fā)球模式IIABSTRACTIn order to enable the Practices to study the table tennis technology well and achieve the goal of building their body and exercise，considering the characteristics of the table tennis served，a new kind of table tennis serving machine was designed in this thesis: That is the self-control table tennis serving machine.In this thesis，the status quo of the table tennis serving machine-wash summarized at home and abroad. The mechanical structure of the existing serving machine was analyzed. According to the functions to be achieved，the design option of the existing serving machine was improved. Considering the serving device directs，these serving principle about the double wheels face to face circumrotating was proposed The new serving machine can achieve rotating and non-rotating bal-launcher. The structure of the swing device was re-designed to facilitate the realization of automatic control，because of the complicated structure. The lifting motion was designed to improved its function. The mathematical model was established under the table tennis of mechanics analysis in fling.The reasonable spans of the Parameters about controlling the falling ball Points were confirmed. The design thought，principle，structural features and control system about the self-control table tennis serving machine were dissertated in this thesis. The control systems including the Peripheral equipment，the motors，the PWM drive and so on were designed，and they are reliability. The principle about randomly serving the pingpang was discussed，and the program was designed. The improved design of the table tennis serving machine is a new-model，cost-effective self-control serve machine. It can serve all kinds of balls for the practitioners. It controls the speed，the angle and the rotation direction of the ball by using the computer. The random serving Patten was designed. The fall points of the table tennis become randomly，by the randomization of the serving speed，angle and height.KEYWORDS: the table tennis serving machine，the double wheels，face to face circumrotating，movement analysis，serving patternI目錄摘 要 ..........................................................IABSTRACT.......................................................Ⅱ目錄 ............................................................I第一章 緒 論 ...................................................11.1 引言 ................................................................11.2 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 ........................................11.2.1 國外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 .....................................21.2.2 國內(nèi)乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 .....................................31.3 論文主要內(nèi)容及課題意義 ..............................................41.3.1 課題研究的內(nèi)容 .................................................41.3.2 課題研究的現(xiàn)實意義 .............................................5第二章 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 ..........................62.1 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)簡介 ............................................62.1.1 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu) .................................62.1.2 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理 .................................72.1.3 改進(jìn)前乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)分析 ...................................82.2 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計 ..................................82.2.1 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的搖擺機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 .............................92.2.2 自動乒乓球發(fā)球及的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 ................................102.2.3 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的發(fā)射機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 ............................102.2.4 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的電動機(jī)選擇 ..................................10第三章 乒乓球的運(yùn)動分析及發(fā)球機(jī)的參數(shù)設(shè)定 ......................133.1 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理 .........................................133.1.1 乒乓球飛行過程的力學(xué)分析 ......................................133.1.2 乒乓球質(zhì)心運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型 ......................................153.1.3 乒乓球飛行過程的分析 ..........................................193.2 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過程 .........................................203.3 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的技術(shù)參數(shù) .........................................21第四章 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 ..........................224.1 總體設(shè)計 ...........................................................224.2 自動乒乓球發(fā)球機(jī)硬件電路設(shè)計 .......................................234.2.1 看門狗電路設(shè)計 ................................................234.2.2 鍵盤和液晶顯示電路的設(shè)計 ......................................254.2.3 紅外遙控系統(tǒng)的設(shè)計 ............................................31II4.2.4 電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計 ........................................334.3 電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 .................................................354.3.1 直流電動機(jī)的控制系統(tǒng) ..........................................364.3.2 步進(jìn)電動機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計 ......................................424.4 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的軟件設(shè)計 .........................................464.4.1 軟件設(shè)計分析 ..................................................464.4.2 軟件設(shè)計流程圖 ................................................48第五章 結(jié)論 ...................................................57致 謝 .........................................................58參考文獻(xiàn) ........................................................59附錄：中文翻譯及外文資料 ..........................................60第 1 頁 共 68 頁第一章 緒 論盡管自動乒乓球發(fā)球機(jī)在我國起步比較晚，但對其的研究很有重要的現(xiàn)實意義。體育事業(yè)在我國正在蓬勃發(fā)展，尤其是隨著我國運(yùn)動員在奧運(yùn)會中連續(xù)取得佳績，極大地調(diào)動了全國人民投入體育運(yùn)動的熱情。乒乓球運(yùn)動作為我國的國球，受到人們的廣泛喜愛，更急需研究開發(fā)一種能夠適應(yīng)各種訓(xùn)練場所的器材。正是在這種情況下，研究乒乓球發(fā)球機(jī)是極其必要的。1.1 引言現(xiàn)代社會，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們越來越重視生命質(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，運(yùn)動消費(fèi)作為一種綠色消費(fèi)，近幾年來在我國人民日常消費(fèi)中所占比例呈增長趨勢。可以預(yù)見，全民性的健身運(yùn)動熱潮不僅不會減弱，而且將愈演愈烈，健身器材的市場需求也將會不斷擴(kuò)大。而乒乓球作為我國的國球，它集健身、競技、娛樂于一體，不僅可以鍛煉身體，還可以練習(xí)頭腦的靈活性、眼睛的反應(yīng)力以及全身的協(xié)調(diào)性，因此在我國有著廣泛的群眾基礎(chǔ)。對于初學(xué)者，撿球的時間比真正在臺上練球的時間還要多，這樣要提高技術(shù)水平就很慢，也削弱對乒乓球的興趣。對于高水平的專業(yè)選手，由于人手發(fā)球速度和頻率會有一個極點(diǎn)，而且陪練員長時間發(fā)球也不可能，因此要進(jìn)行變化多、強(qiáng)度大的多球練習(xí)比較困難。使用乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行輔助訓(xùn)練，可以解決這些問題，所以發(fā)球機(jī)的使用越來越普及了。由于目前發(fā)球機(jī)的出球性能決定了它多適用于基礎(chǔ)階段人員使用，對于技術(shù)水平較高或有復(fù)雜組合技術(shù)的使用者以及進(jìn)行實戰(zhàn)訓(xùn)練還比較困難。本課題設(shè)計研究了一種多功能的自動型乒乓球發(fā)球機(jī)，它主要利用機(jī)械電子相結(jié)合的技術(shù)，對現(xiàn)有發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制電路加以改進(jìn)升級，使其便于實現(xiàn)自動控制。這種發(fā)球機(jī)可以人為的將發(fā)球速度控制在 10m/s 到 20m/s，發(fā)射多速度、多角度的單一路線球或組合路線球以及隨機(jī)球，并且在設(shè)計中兼顧考慮了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求，提供了自選模式訓(xùn)練、隨機(jī)模式訓(xùn)練和具有記憶功能的強(qiáng)化訓(xùn)練，使得使用者掌握規(guī)范全面技術(shù)的時間大為縮短。1.2 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀在六十年代末和七十年代初，歐洲出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機(jī)。它是通過一定的機(jī)械裝置，按乒乓球技術(shù)訓(xùn)練的不同要求，將球不斷發(fā)射出來。發(fā)球機(jī)發(fā)出的球，比人速度更快，力量大，且旋轉(zhuǎn)更強(qiáng)，所以，它對提高乒乓球運(yùn)動員的訓(xùn)練水平有一定的作用。目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機(jī)，按出球方式可以分為三類:一類是輪式發(fā)球機(jī)，一類是壓氣式發(fā)球機(jī)，另一類是捶擊式發(fā)球機(jī)。其中輪式發(fā)球機(jī)的原理是由于裝有輪第 2 頁 共 68 頁子的通道空間很小，當(dāng)球從滑軌滾入通道時，輪子就將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一樣的。這種發(fā)球方式有兩種，一種是單輪驅(qū)動，另一種是雙輪驅(qū)動。單輪驅(qū)動發(fā)球機(jī)的弊端是:發(fā)出來的球如果速度快，那么同時旋轉(zhuǎn)也強(qiáng);如果速度慢，那么同時旋轉(zhuǎn)也弱。這和人們實戰(zhàn)打球是完全不同的，實際上球速和旋轉(zhuǎn)并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋轉(zhuǎn)并不強(qiáng);而弧圈球雖然旋轉(zhuǎn)極強(qiáng)，但是速度未必很快。雙輪驅(qū)動的發(fā)球機(jī)完全解決了單輪驅(qū)動速度和旋轉(zhuǎn)的矛盾，可發(fā)出各種旋轉(zhuǎn)的球，同時也可以發(fā)出不轉(zhuǎn)球。壓縮式發(fā)球機(jī)是利用空氣壓縮機(jī)來發(fā)射球的，球被裝入長桶的底部由一個窄口固定住，這個窄口的直徑比球的直徑略小一些。當(dāng)壓縮空氣推擠乒乓球穿過窄口的時候，球就被發(fā)射出去了。這種發(fā)球機(jī)的缺點(diǎn)是噪音極大而且不能提供高的性能，同時，空氣壓縮消耗的功率很大，難以使用電池來供電;它的優(yōu)點(diǎn)是價格比較便宜。捶擊式發(fā)球機(jī)有多種設(shè)計方案，最常見的是通過凸輪帶動擺桿，將落入發(fā)球口的乒乓球擊出去，這種方式性能單一，而且不方便控制，已經(jīng)逐漸被淘汰。按控制類型可以分為兩類:一類是半自動，簡單操作系列;另一類是全自動，電腦程控系列。半自動乒乓球發(fā)球機(jī)，無論是安裝還是使用都比較麻煩，而且發(fā)球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改變各項技術(shù)參數(shù)，就必須停下來，人工來校準(zhǔn)調(diào)整機(jī)頭旋轉(zhuǎn)角度，來實現(xiàn)各種旋轉(zhuǎn)球，手動抬高或降低機(jī)頭，來調(diào)整球的射程弧度，而且機(jī)械性能比較差，經(jīng)?？ㄇ?，但這類產(chǎn)品在市場上占的比重還是比較大，而且有很多俱樂部還在用它，究其原因，主要是因為價格低，雖然是功能不強(qiáng)但丟掉還是可惜的。全自動乒乓球發(fā)球機(jī)，是由全電腦程控的，能模擬運(yùn)動員常用的技術(shù)，可發(fā)出攻球、前沖弧圓球、削球、長膠球等高性能的球，其中包括九種與真人發(fā)射基本相同的基本球，另外還能發(fā)多種速度不同的球，從而可派生出多種多樣性能的球，使用非常的人性化。其電腦記憶功能還能記錄球員打球的路數(shù)，能起到專業(yè)陪練效果。這種機(jī)器雖然性能很高，但價格也比較貴。1.2.1 國外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀國外的乒乓球發(fā)球機(jī)發(fā)展比較快，其功能比較齊全，自動性能也比較高，既可以滿足普通練習(xí)者的需求，也可以滿足專業(yè)運(yùn)動員的日常訓(xùn)練要求。目前，世界上生產(chǎn)乒乓球發(fā)球機(jī)的廠家比較多，具有代表意義的廠家是美國的 NEWGY 公司和日本的Butterfly 公司。1 LNEWGY 公司之樂吉發(fā)球機(jī):其發(fā)球原理是由電動機(jī)帶動的位置可調(diào)旋轉(zhuǎn)輪和一固定的摩擦塊組成發(fā)射機(jī)構(gòu)，當(dāng)球進(jìn)入發(fā)球通道，由旋轉(zhuǎn)輪將球旋出發(fā)球口來，旋轉(zhuǎn)輪的位置不同，則可得到不同旋向的球。該系列乒乓球發(fā)球機(jī)一般可分為三個等級，初級發(fā)球機(jī)是為初學(xué)者和娛樂者設(shè)計第 3 頁 共 68 頁的，中級發(fā)球機(jī)是為中級和比賽級球員設(shè)計的，而高級發(fā)球機(jī)是專為專業(yè)運(yùn)動員和愛好乒乓球的行家設(shè)計。該系列發(fā)球機(jī)的特點(diǎn)之一是使用者可以根據(jù)自己的水平狀況選擇合適的發(fā)球機(jī)等級，當(dāng)水平提高時，該發(fā)球機(jī)可以通過升級包快速方便的達(dá)到高的等級。通過控制球桌旁的控制盒可以調(diào)節(jié)發(fā)球速度、發(fā)球頻率、旋轉(zhuǎn)速度以及出球口角度:通過手動調(diào)節(jié)出球口上的旋鈕可以發(fā)射出上旋、逆旋、側(cè)旋甚至混合旋轉(zhuǎn)等各種漩向的球;通過手動調(diào)節(jié)發(fā)球機(jī)后的兩個控制桿可以實現(xiàn)發(fā)球角度擺動范圍的變化，利用兩桿的不同組合可有八種擺動范圍選擇，還可實現(xiàn)定點(diǎn)發(fā)球;通過設(shè)置球型號開關(guān)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)輪與摩擦塊之間距離，可以選擇適合所使用球型(38mm/40mm)的發(fā)射軌道;通過將發(fā)球機(jī)安裝在不同的位置可以實現(xiàn)不同的發(fā)球角度和發(fā)射弧度。2.Butterfly 公司之 Amicus 發(fā)球機(jī):其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉(zhuǎn)的輪子(旋轉(zhuǎn)方向相反)，由于輪子的空間小于球的直徑，當(dāng)球從滾道滾入兩輪之間的時候，輪子將球旋出，但它只能形成 45°的側(cè)旋球。其旋轉(zhuǎn)速度和球發(fā)射速度沒有關(guān)聯(lián)，可以發(fā)射慢旋的短球和快速的突發(fā)球，這是同類發(fā)球機(jī)無法做到的。該發(fā)球機(jī)有三個不同的發(fā)球模式可選擇，一種是規(guī)則模式，發(fā)射固定落點(diǎn)的球;一種是自動模式，發(fā)射隨機(jī)球或組合球;另外一種是自定義模式，根據(jù)需求自己編寫發(fā)球模式的程序。同時它具有記憶功能，能夠保存使用者輸入的程序以及記錄前一使用者的選擇模式和命令。在使用者一端裝有控制界面，實現(xiàn)對發(fā)球機(jī)的遠(yuǎn)程控制。該發(fā)球機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調(diào)整發(fā)球機(jī)位置，但其高度不能調(diào)節(jié)。1.2.2 國內(nèi)乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀相對國外而言，國內(nèi)的乒乓球發(fā)球機(jī)起步比較晚，但發(fā)展很快，從最初的全手動發(fā)球機(jī)到現(xiàn)在的全自動發(fā)球機(jī)，甚至有些產(chǎn)品性能超過了國外的同類產(chǎn)品。主要有以下幾個典型方面:1.半自動式乒乓球發(fā)球機(jī):該發(fā)球機(jī)是福建省的林清云所設(shè)計的，其機(jī)械結(jié)構(gòu)包括機(jī)身殼體、基座、儲球斗、發(fā)球機(jī)構(gòu)、弧度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、角度擺動機(jī)構(gòu)及電機(jī)調(diào)速電路。其工作原理是:由于儲球斗裝于機(jī)器上方，乒乓球可通過自身重力落入發(fā)球機(jī)構(gòu)，發(fā)球機(jī)構(gòu)中的撥叉在電動機(jī)的帶動下?lián)舸蚵淙肭虻赖钠古仪?，乒乓球?jīng)球道前端的摩擦輥高速切搓后成旋轉(zhuǎn)狀飛出球道。其發(fā)球機(jī)構(gòu)由撥叉、電動機(jī)和凸輪組成，撥叉由 L 形臂和直臂兩部分組成，與機(jī)身底盤間有一彈簧相連，L 形臂可擺動到球道的入球端，直臂與雙扇結(jié)構(gòu)的凸輪面相接觸。通過電動機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動，在彈簧的作用下，撥叉即可做出打擊動作，將乒乓球擊出。其弧度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)出球的弧線，而角度擺動機(jī)構(gòu)完成出球角度的左右擺動變化，形成豐富的出球線路;電機(jī)調(diào)速電路即可控制出球頻度和旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。該發(fā)球機(jī)第 4 頁 共 68 頁的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，發(fā)球速度快，經(jīng)濟(jì)實惠;缺點(diǎn)是故障率高，質(zhì)量差、發(fā)球變化少，調(diào)節(jié)不方便。2.雙蛇牌乒乓球發(fā)球機(jī):該發(fā)球機(jī)是雙蛇公司研發(fā)生產(chǎn)的全自動電腦控制操作系列的發(fā)球機(jī)，它是在研究總結(jié)眾多發(fā)球機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，專為乒乓球運(yùn)動愛好者開發(fā)出的具有突破性的創(chuàng)意產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是通過電腦編成實現(xiàn)“一鍵一功能” ，即使用者通過遙控器或者控制面板上的按鍵來改變發(fā)球特性，只要按一下按鍵，就可以自動發(fā)出攻球、前沖弧圈球、削球、長膠球、高吊球性能的球;還可以自動發(fā)出上旋球、下旋球、不轉(zhuǎn)球、右側(cè)上、右側(cè)下、左側(cè)上、左側(cè)下、右側(cè)旋、左側(cè)旋九種基本旋轉(zhuǎn)發(fā)球方式的球。該發(fā)球裝置設(shè)計有云臺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并安裝有旋轉(zhuǎn)角度極限裝置，可以左右各旋轉(zhuǎn)20 度，在訓(xùn)練時，使用者可根據(jù)自己的需求進(jìn)行任意調(diào)整，通過細(xì)調(diào)可以派生出多種多樣性能的球，從而使發(fā)出的球更接近人工發(fā)球，也更具有人性化。發(fā)球裝置主球道的滑軌設(shè)計為三根可更換式的滑軌，從而解決了球在此段摩擦大，運(yùn)行中阻力大的缺點(diǎn)。其機(jī)頭摩擦輪設(shè)計為組裝式，由輪毅、壓圈和橡膠組成，其優(yōu)點(diǎn)是更換橡膠圈方便，成本低，保證射點(diǎn)準(zhǔn)確。其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能，使得在關(guān)機(jī)前處于什么狀態(tài)，再次開機(jī)時會仍然處于該狀態(tài)。由于其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需手動調(diào)機(jī)，使整個裝置不能完全實現(xiàn)自動化。3.許紹發(fā)智能乒乓球教練機(jī):該發(fā)球機(jī)是由三鼎公司采用生產(chǎn)研制，采用微電腦控制，在一定程度上實現(xiàn)了訓(xùn)練過程的自動化，其桌面分割為多個小方塊，可根據(jù)程序設(shè)定準(zhǔn)確地將球射到指定區(qū)域。它利用對轉(zhuǎn)雙輪原理的特性，借助輪子與球之間的摩擦力來獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。按照使用者要求可發(fā)射各種旋向球和不轉(zhuǎn)球，可任意改變球的落點(diǎn)，落點(diǎn)與旋向可任意組合。有 300 個訓(xùn)練程序可選擇，使用者可根據(jù)自己需求來輸入所需程序。它比現(xiàn)實市面銷售的同類產(chǎn)品領(lǐng)先的關(guān)鍵在于它的可控制性，它拋出的球接近人工打球的速度、旋轉(zhuǎn)弧線。其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據(jù)實際情況來應(yīng)變發(fā)球，由于發(fā)球程序模式所限，所發(fā)球具有一定的規(guī)律性。盡管乒乓球發(fā)球機(jī)經(jīng)過多年發(fā)展，己有很大改進(jìn)，但發(fā)球機(jī)“打”出的球和人打得球還是許多不同:一是發(fā)球機(jī)發(fā)出來的球和運(yùn)動員實際打過去的球在性能上不大相同;二是運(yùn)動員打球時都有一個揮球拍動作，接球者可以借此來判斷和反應(yīng)，而發(fā)球機(jī)發(fā)出的球則很突然，接球者不好判斷。1.3 論文主要內(nèi)容及課題意義1.3.1 課題研究的內(nèi)容各種不同的乒乓球發(fā)球機(jī)都有各自的強(qiáng)項和弱點(diǎn)，綜合分析后發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)球機(jī)由于自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，都不能完全實現(xiàn)自動控制，某些功能的實現(xiàn)需要進(jìn)行手動第 5 頁 共 68 頁調(diào)節(jié)。同時其發(fā)球模式比較單一，不能完全模擬人工發(fā)球原理。本課題的設(shè)計內(nèi)容是以現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)為背景，對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計以能滿足實現(xiàn)隨機(jī)發(fā)球及自動控制的要求。根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，對現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)的搖擺機(jī)構(gòu)和發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)盡可能簡單且方便控制，說明了要實現(xiàn)的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)以及達(dá)到這些技術(shù)參數(shù)指標(biāo)所需要的保障，并對該方案的可行性進(jìn)行一個初步的論述。分析了自動乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理及工作過程，并闡述了這種工作過程的可靠性及優(yōu)越性。根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析了控制落球點(diǎn)各參數(shù)的合理取值范圍，得出其相互制約關(guān)系。最后對自動發(fā)球機(jī)進(jìn)行相應(yīng)分析設(shè)計，完成其設(shè)計方案，同時對控制電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，最終得出結(jié)論，說明設(shè)計出這樣的自動乒乓球發(fā)球機(jī)是完全可行的。具體內(nèi)容可分為以下幾個大部分:1.自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計2.自動乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理及工作過程3.乒乓球運(yùn)動過程的分析4.自動乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計研究1.3.2 課題研究的現(xiàn)實意義自動乒乓球發(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。用自動控制取代以往的純電路控制，可以增加許多性能，能更好地適應(yīng)各種訓(xùn)練的需求。在控制方面采用單片機(jī)控制，不僅可以提高發(fā)球性能，而且能夠降低成本，可以大大地提高訓(xùn)練效率。改進(jìn)現(xiàn)有發(fā)球機(jī)的不足之處，使其能滿足不同的使用需求。從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)或科研方面考慮，自動乒乓球發(fā)球機(jī)的開發(fā)、研究與應(yīng)用都能極大地推動體育運(yùn)動事業(yè)的發(fā)展。第 6 頁 共 68 頁第二章 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計本章通過對原乒乓球發(fā)球機(jī)的實際問題進(jìn)行分析，提出了自動乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計原理，同時對其整體結(jié)構(gòu)做了一個說明，對其相應(yīng)改進(jìn)部分所具有的功能也做了詳細(xì)的介紹。自動乒乓球發(fā)球機(jī)與原發(fā)球機(jī)相比，其不同之處在于將機(jī)器和電腦的智能結(jié)合起來控制乒乓球的速度和旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過控制，有效地作到了按人的各種運(yùn)動需求來制定相應(yīng)的方案，發(fā)出滿足各種需求的球，并力求物廉價美?，F(xiàn)在市場上的自動乒乓球發(fā)球機(jī)形式多種多樣，結(jié)構(gòu)也各不相同。根據(jù)發(fā)球的動力等自身特點(diǎn)，本課題設(shè)計的新型自動發(fā)球機(jī)，是通過對現(xiàn)有發(fā)球機(jī)進(jìn)行分析，保留了它的一些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時也做得適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)以方便對其進(jìn)行自動控制，具有一定程度的創(chuàng)新。2.1 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)簡介2.1.1 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2-1，改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)由機(jī)座、乒乓球輸送機(jī)構(gòu)、撥球機(jī)構(gòu)、搖擺機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成。圖 2-1 改進(jìn)前乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖乒乓球輸送機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)座的底座上，而搖擺機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)構(gòu)設(shè)置在底座的上端，其中輸送機(jī)構(gòu)包括儲球器和設(shè)置在底座內(nèi)的送球通道，儲球器中設(shè)有撥球桿;在送球通第 7 頁 共 68 頁道中設(shè)有可以轉(zhuǎn)動的輸送輪，其上設(shè)有半圓形卡球槽。送球通道前段大致為垂直設(shè)置，后段設(shè)計為大圓弧，中段設(shè)計為小圓弧，中段與后段的相接成阿基米德螺旋線形。搖擺機(jī)構(gòu)由發(fā)球控制器和擺桿組成，發(fā)球控制器包括離合裝置和角度調(diào)整裝置。發(fā)射機(jī)構(gòu)由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)射輪和能調(diào)整發(fā)射口上下擺動的調(diào)整機(jī)構(gòu)組成。傳動機(jī)構(gòu)包括電動機(jī)和減速齒輪。機(jī)座則由底座、中部支承桿和上弧形桿組成，發(fā)射機(jī)構(gòu)固定在上弧形桿頂端，而搖擺機(jī)構(gòu)由中部支承桿固定。中部支承桿、上弧形桿的內(nèi)部為空管，使乒乓球能夠沿空管上行。2.1.2 改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理改進(jìn)前的乒乓球發(fā)球機(jī)工作時，由傳動機(jī)構(gòu)中的電動機(jī)帶動減速齒輪組轉(zhuǎn)動，其中一組齒輪將運(yùn)動傳到輸送輪，使輸送輪轉(zhuǎn)動，由輸送輪上的卡球槽將乒乓球推入送球通道，乒乓球沿著送球通道上升到發(fā)射機(jī)構(gòu)。另一錐齒輪組將運(yùn)動傳到儲球器內(nèi)的撥桿，使撥桿轉(zhuǎn)動，撥動乒乓球使其盡快進(jìn)入送球通道，防止卡球;該組齒輪同時將運(yùn)動通過傳動桿傳遞到擺動機(jī)構(gòu)，使擺動機(jī)構(gòu)控制發(fā)射機(jī)構(gòu)實現(xiàn)擺動。1. 搖擺機(jī)構(gòu)的工作原理:圖 2-2 改進(jìn)前乒乓球發(fā)球機(jī)的搖擺機(jī)構(gòu)示意圖搖擺機(jī)構(gòu)前段設(shè)置的發(fā)球控制器，使乒乓球的落點(diǎn)能固定在某點(diǎn)或者調(diào)整乒乓球左右落點(diǎn)的擺幅。如圖 2-2，在傳動桿的頂端設(shè)有一固定盒，其內(nèi)設(shè)有主動輪，與主動輪相對應(yīng)的位置設(shè)有從動軸，其上設(shè)有止動輪和與角度調(diào)整裝置相嚙合的上齒輪;從動輪和主動輪之間設(shè)有可在從動軸上上下滑動的中間離合齒輪，旁邊是撥動該齒輪滑動第 8 頁 共 68 頁的撥動機(jī)構(gòu);中間離合齒輪的下端與主動輪可相配合，下端與制動輪可相配合。角度調(diào)整裝置的中空軸下端設(shè)有于從動軸的上齒輪嚙合的齒輪，上端穿過固定盒的上內(nèi)壁，內(nèi)部裝有帶手柄的手柄軸;在齒輪內(nèi)設(shè)有內(nèi)腔，其內(nèi)設(shè)有帶內(nèi)齒的偏心齒輪，手柄軸的下端設(shè)有卡在內(nèi)腔內(nèi)的小齒輪，偏心齒輪與小齒輪內(nèi)嚙合;在內(nèi)腔的旁邊設(shè)有卡掣偏心齒輪的卡掣件;在內(nèi)腔的下面固定一帶有限位孔的壓蓋，限位孔有一近輪中心端和一偏輪心端;偏心齒輪的下端伸出有凸臺，凸臺可以卡在限位孔內(nèi)，凸臺的一端通過擺桿與設(shè)在機(jī)座上端的發(fā)射機(jī)構(gòu)相連接。其工作過程是:手動調(diào)節(jié)撥動機(jī)構(gòu)，當(dāng)撥叉撥動中間離合齒輪向上滑動，與止動輪嚙合時，傳動桿輸出端的主動輪帶動中間離合齒輪旋轉(zhuǎn)，則從動軸也可旋轉(zhuǎn);通過從動軸上與角度調(diào)整裝置上相互嚙合的齒輪，帶動其中空軸內(nèi)的小齒輪轉(zhuǎn)動，則與小齒輪內(nèi)嚙合的偏心齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動擺桿擺動。該偏心齒輪下的凸臺在限位孔內(nèi)的近輪中心端與偏輪心端之間滑動，則擺桿也隨著凸臺在此滑動。當(dāng)凸臺在近輪中心端時，擺桿的擺動范圍小些;在偏輪心端時，擺桿的擺動范圍就大些。因此通過調(diào)節(jié)偏心齒輪的凸臺在限位孔的位置即可控制擺桿的擺動范圍。當(dāng)其撥叉撥動中間離合齒輪向下滑動，與止動輪脫離嚙合時，傳動桿輸出端的主動輪就不能帶動中間離合齒輪旋轉(zhuǎn)，而且止動輪卡掣中間立和齒輪，從而使從動軸也不能旋轉(zhuǎn)，則從動軸上的上齒輪就不能帶動角度調(diào)整裝置的齒輪旋轉(zhuǎn)，擺桿就不能帶動發(fā)射機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，致使發(fā)射機(jī)構(gòu)定在某一位置發(fā)球。2.發(fā)射機(jī)構(gòu)的工作原理:操縱發(fā)射機(jī)構(gòu)上的調(diào)整機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整發(fā)射口有不同的傾角，能實現(xiàn)乒乓球落到不同的前后落點(diǎn)。而發(fā)射機(jī)構(gòu)中的發(fā)射輪，有電動機(jī)帶動高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)乒乓球進(jìn)入發(fā)射機(jī)構(gòu)，與旋轉(zhuǎn)輪接觸時，旋轉(zhuǎn)輪作用在乒乓球上，將乒乓球從發(fā)射口快速射出。2.1.3 改進(jìn)前乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)分析綜上所述，該乒乓球發(fā)球機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由兩個電動機(jī)分別帶動相應(yīng)裝置實現(xiàn)發(fā)球功能。其性能比較單一，只能實現(xiàn)發(fā)球落點(diǎn)的前后、左右變化，同時只能發(fā)射一種旋轉(zhuǎn)球，手動調(diào)節(jié)手柄，可控制搖擺機(jī)構(gòu)的擺動范圍。當(dāng)需要固定在某一位置發(fā)球時，在發(fā)射機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到該位置時，搬動撥動機(jī)構(gòu)的手柄，使搖擺機(jī)構(gòu)停止擺動，才可發(fā)射定點(diǎn)球。相反方向搬動該手柄，則搖擺機(jī)構(gòu)從新擺動。由于是手動調(diào)節(jié)，使用不方便，調(diào)節(jié)也不準(zhǔn)確。同時由于機(jī)械結(jié)構(gòu)自身的不足，即使對其進(jìn)行自動控制，在功能上也不會有很大提高。2.2 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計自動乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計思想是:儲球機(jī)構(gòu)中的乒乓球，靠自身重力落入輸送機(jī)構(gòu)，輸送輪通過其上的半圓形卡球槽將球送入送球通道，球在通道內(nèi)依次排成一列，后面的球?qū)⑶懊娴那蝽斎氚l(fā)射機(jī)構(gòu)。發(fā)射機(jī)構(gòu)中的雙旋轉(zhuǎn)輪可將球發(fā)射出去，調(diào)節(jié)兩輪速第 9 頁 共 68 頁度與旋向即可實現(xiàn)不同旋向球;發(fā)射機(jī)構(gòu)中的調(diào)整裝置可調(diào)節(jié)出球口的上下角度，即可改變發(fā)球的弧度。通過搖擺機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)出球的左右變化角度。針對所要設(shè)計的自動乒乓球發(fā)球機(jī)的特點(diǎn)，其機(jī)械功能應(yīng)包括:通過控制盒上相應(yīng)按鍵來實現(xiàn)各種功能，如改變發(fā)球速度、頻率、旋向，以及出球角度和弧度。對原有乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為能保證這些功能的實現(xiàn)，需對其部分復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，加入方便進(jìn)行自動控制的元件。通過分析，主要對原乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行兩方面的改進(jìn)設(shè)計，即搖擺機(jī)構(gòu)和發(fā)射機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。要設(shè)計好整個自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，首先要了解乒乓球和乒乓球桌的參數(shù)。乒乓球是一種硝化纖維組成的，直徑為 40 毫米的圓球，它質(zhì)輕而心空，彈性好，重量為 2.7 克。標(biāo)準(zhǔn)的乒乓球桌的長為 2.74 米，寬為 1.525 米，球網(wǎng) 15.25 厘米。球的飛行方向:球在球臺上空沿一定弧線飛行。如果要準(zhǔn)確地落到對方臺面，不僅受到球臺長度和球網(wǎng)高度的限制，而且還受到球臺寬度的制約。為此必須要求乒乓球的飛行方向正確，保證乒乓球既不會出界，又能落到戰(zhàn)術(shù)所需要的區(qū)域。2.2.1 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的搖擺機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計該機(jī)構(gòu)的作用是帶動發(fā)射裝置實現(xiàn)上下、左右的擺動，從而使發(fā)球的角度和弧度發(fā)生變化，同時要求這種變化可控制。考慮其要實現(xiàn)的功能，可采用步進(jìn)電動機(jī)來帶動轉(zhuǎn)動裝置進(jìn)行角度和弧度的變化。近年來，隨著微型計算機(jī)的發(fā)展，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式更加靈活多樣，它改變了原來的復(fù)雜控制電路，由計算機(jī)通過軟件來控制，更好的挖掘出其潛力，使得步進(jìn)電動機(jī)使用更為普遍。步進(jìn)電動機(jī)受脈沖信號控制，其轉(zhuǎn)子角位移與輸入的控制脈沖數(shù)相對應(yīng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比，因此不需要位置傳感器即可進(jìn)行高精度、高可靠性運(yùn)行。改進(jìn)后的自動乒乓球發(fā)球機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2-3。送球管道由一段可彎曲的橡膠管連接兩段直管組成，齒輪 2 由步進(jìn)電動機(jī)帶動轉(zhuǎn)動，與其嚙合的齒盤固定于出球的管道上，當(dāng)其轉(zhuǎn)動時，即可實現(xiàn)出球管道的上下擺動，控制步進(jìn)電動機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速即可控制出球管道的擺動角度和速度。在垂直的送球管道下端裝有一齒盤，它與齒輪 1嚙合，即為左右擺動裝置，其原理與上下擺動裝置相同，由步進(jìn)電動機(jī)帶動實現(xiàn)左右擺動。第 10 頁 共 68 頁圖 2-3 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的局部機(jī)械結(jié)構(gòu)2.2.2 自動乒乓球發(fā)球及的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計為能更好實現(xiàn)不同的球路變化，該自動發(fā)球機(jī)增加了可調(diào)節(jié)發(fā)球高度的升降機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)為由步進(jìn)電動機(jī)帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，則與絲杠配合的螺母在絲杠上上下移動，螺母上固定的托盤帶動其上的送球管道和擺動裝置一起上下移動，從而實現(xiàn)了出球口高度的調(diào)節(jié)。滾珠絲杠是精密機(jī)械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線形運(yùn)動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。本設(shè)計滾珠絲杠的選擇是根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)性和發(fā)球高度的變化來決定的，采用 3Ocm 長、直徑和螺距都為 40mm 的高精度滾珠絲杠。2.2.3 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的發(fā)射機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計為改變原發(fā)球機(jī)只能發(fā)射上旋球的缺點(diǎn)，該自動發(fā)球機(jī)的發(fā)射裝置設(shè)計為由兩個摩擦輪組成，分別由兩個直流電動機(jī)來帶動。當(dāng)兩摩擦輪的速度不同時，即可發(fā)射不同旋轉(zhuǎn)速度的上旋球或下旋球;當(dāng)兩輪的速度相同時，即可發(fā)射不旋球。通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)球的初速度。2.2.4 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的電動機(jī)選擇從以上內(nèi)容可知，自動乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械運(yùn)動主要是由電動機(jī)來提供動力源的，因此電動機(jī)的選擇在本設(shè)計中非常重要。電動機(jī)選擇的技術(shù)指標(biāo)包括:(l)容易控制，可控性好;(2)控制精度高;(3)直線運(yùn)動的步進(jìn)電動機(jī)功率要大，速度要快;(4)控制供第 11 頁 共 68 頁球頻率的電動機(jī)力矩要大，穩(wěn)定性要好;(5)防震和防干擾性能要好等。以帶動升降裝置的步進(jìn)電動機(jī)的選擇為例，其參數(shù)為:四相步進(jìn)電動機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為=0.16N·m，轉(zhuǎn)動慣量 =0.035 ㎏·㎡，功率為 =67W，額定電流為1?MJ?410?=0.75A，電源輸入為 U=100V。該電動機(jī)和絲杠是直接連接的，所以減速比 GL 為?1/1，已知的其他參數(shù):絲杠螺距 BP 為 40mm、輸送重量 W 為 3kg、推力 F 為 0kg (無)、鐵的密度 為 7.85x kg/ ，則?310m(a)對步進(jìn)電動機(jī)軸換算的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 為:LJ絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 為(其直徑 為 40mm、長度 L 為 300mm):1J1D=1J????24032GLL????????= ??241185.7?=5.93 (㎏·㎡)410?可動部分的轉(zhuǎn)動慣量 為(輸送重量 W 為 3㎏):2J=W2J???GLBP??=3??21041=1.22 (㎏·㎡)?(b)對電動機(jī)換算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 為(輸送重量為 W 為 3kg、摩擦系數(shù)LT?為 0.1、滾珠絲杠的機(jī)械效率 為 0.9):?=LT??????GBPFW???10281.9??= 149.3.0=2.08 (㎏·㎡)21??(c)升降裝置的最大移動速度 v 為(步進(jìn)電動機(jī)軸最大轉(zhuǎn)速為 n=4000 時):minrV=( ) =0.42（m／s）6024?14(d)最短加速/減速時間 為(最大轉(zhuǎn)速時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 =0.05N.m):ACt 2?=ACt )2( LLMTnJ???= )0.5(62401).035.4 ???=0.29 (s)第 12 頁 共 68 頁可知在這樣的條件下升降裝置要加速到 0.42m/s，至少需要 0.29s發(fā)射裝置的兩個直流電動機(jī)的參數(shù)為:額定功率為 P=25W，額定電流為 I=0.27A，單相電壓為 U=220V，額定轉(zhuǎn)速為 n=3000r/min擺動裝置的兩個步進(jìn)電動機(jī)的參數(shù)為:四相步進(jìn)電動機(jī)，其保持轉(zhuǎn)矩為=0.13N·m，轉(zhuǎn)動慣量 =0.03 (㎏·㎡)，功率為 P=55W，額定電流為1TMJ410??I=0.75A，電源輸入為 U=100V。輸送機(jī)構(gòu)的直流電動機(jī)的參數(shù)為:額定功率為 P=15W ，額定電流為 I=0.19A，單相電壓為 U=220V，額定轉(zhuǎn)矩為 =0.125N·m，額定轉(zhuǎn)速為 n=1200r/min。NT第 13 頁 共 68 頁第三章 乒乓球的運(yùn)動分析及發(fā)球機(jī)的參數(shù)設(shè)定本章對自動乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計原理和工作過程做了簡單介紹，同時根據(jù)乒乓球在空中的受力情況建立了其數(shù)學(xué)模型，分別對不旋球和旋轉(zhuǎn)球的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析，確定該乒乓球發(fā)球機(jī)可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)，得到不同落點(diǎn)的球，從而滿足了設(shè)計要求。3.1 自動乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理自動乒乓球發(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。其發(fā)球的基本原理是利用對轉(zhuǎn)雙輪的原理，如圖 3-1，乒乓球由于受到兩個反向旋轉(zhuǎn)摩擦輪的作用，可以獲得一定的初速度，而兩個摩擦輪由直流電動機(jī)帶動工作。圖 3-1 對轉(zhuǎn)雙輪原理圖根據(jù)上圖的原理可以看出，當(dāng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)使帶動兩個摩擦輪轉(zhuǎn)動，同時摩擦乒乓球使其獲得一定的動能，乒乓球才得以發(fā)射出去。這種原理方案簡單又實用，既能保證乒乓球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的轉(zhuǎn)向、角度及速度，使用戶隨心所欲地練習(xí)打乒乓球。設(shè)輪子的角速度分別為 、 ，半徑都為 R，那么就可以計算出輪子的線速度為:1?2R， R?1??2當(dāng) = 時，乒乓球不旋轉(zhuǎn)，所獲得的瞬時速度即初速度為 = ;當(dāng) >??21?時，乒乓球沿輪 l 方向旋轉(zhuǎn)，所獲得的初速度 =( + )/2;當(dāng) 3 )，gR?510邊界層完全變成湍流，分離點(diǎn)后移，阻力系數(shù)突然下降。由于包圍粗糙球的邊界層更容易分離，粗糙球的臨界雷諾數(shù)比光滑球的要小。假設(shè)大氣溫度為 20℃時，則取空氣密度為: =1.205 kg/ ，空氣粘度系數(shù):?3m=1.82x Pa·m。?510?則雷諾數(shù)為: = vd =1.205 0.040v =2.648gR???51082.??210?其中:d 一乒乓球球的直徑，v 一乒乓球在空氣中的速度。當(dāng)乒乓球速度達(dá)最大(v=20m/s)時， =5.296x ，由圖 3-2 可知，包圍乒乓gR4?球的氣流層處于層流狀態(tài)，其阻力系數(shù)基本為常數(shù)。有論文提出，網(wǎng)球在13.6m/sN/2-m?步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)走 n 個步距角將 m+n 記為 m步進(jìn)電動機(jī)反向走-(N-2m-n)個步距角步進(jìn)電動機(jī)反向走 N-2m-n 個步距角 cw 取反將 m+n-N/2 記為 m從數(shù)組中取隨機(jī)數(shù)記為 nm+nN-m? 步進(jìn)電動機(jī)繼續(xù)走 n 個步距角將 m+n 記為m步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)走2N-2m-n 個步距角 cw 取反步進(jìn)電動機(jī)反向走 2m+n-2N 個步距角將 2N-(m+n)記為 m第 58 頁 共 68 頁第五章 結(jié) 論本文通過對現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出設(shè)計一種自動型的發(fā)球機(jī)，對其總體設(shè)計做了一個詳細(xì)的理論分析