乒乓球發(fā)球機(jī),團(tuán)隊(duì)成員： 王輝 何海波 許永波 張國鋒,團(tuán)隊(duì)分工,王輝：部分建模、有限元分析 何海波：部分建模、運(yùn)動(dòng)仿真 許永波：整體建模 張國鋒：概念設(shè)計(jì)、PPT,概念設(shè)計(jì),一、需求和問題 1.運(yùn)動(dòng)消費(fèi)在人們?nèi)粘ＯM(fèi)中的比例呈增長趨勢 現(xiàn)代社會(huì)，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾暽|(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)動(dòng)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?？梢灶A(yù)見，全民性的運(yùn)動(dòng)熱潮將會(huì)持續(xù)增長，因此，健身器材的市場需求也將會(huì)不斷擴(kuò)大。 2.乒乓球運(yùn)動(dòng)在我國有著廣泛的群眾基礎(chǔ) 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)。,3.使用乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行輔助訓(xùn)練具有一定的優(yōu)勢 對(duì)于初學(xué)者，撿球的時(shí)間比真正在臺(tái)上練球的時(shí)間還要多，這樣要提高技術(shù)水平就很慢，也會(huì)削弱對(duì)乒乓球的興趣。對(duì)于高水平的專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，由于人手發(fā)球速度和頻率會(huì)有一個(gè)極點(diǎn)，因此要進(jìn)行變化多、強(qiáng)度大的訓(xùn)練比較困難。使用乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行輔助訓(xùn)練就可以解決這些問題，所以，乒乓球發(fā)球機(jī)的使用越來越普及了。 二、同類產(chǎn)品比較 目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機(jī)，按出球方式可分為三類： 1.撞擊式發(fā)球機(jī) 撞擊式發(fā)球機(jī)有多種設(shè)計(jì)方案，最常見的是通過凸輪帶動(dòng)擺桿，將落入發(fā)球口的乒乓球撞擊出去，這種發(fā)球方式性能單一，而且不方便控制，已經(jīng)逐漸被淘汰。,2.壓氣式發(fā)球機(jī) 壓氣式發(fā)球機(jī)是利用空氣壓縮機(jī)來發(fā)射乒乓球的，球被裝入長桶的底部由一窄口固定住，這個(gè)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通過窄口的時(shí)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(shí)空氣壓縮的消耗功率很大，難以用電池來供電。,3.輪式發(fā)球機(jī) 輪式發(fā)球機(jī)的原理是由于裝有輪子的通道空間很小，當(dāng)球從軌道進(jìn)入通道時(shí)，輪子就將球噴出，這種情形如同小石子被打滑的車輪擠出一般。這種發(fā)球方式有兩種，一種是單輪驅(qū)動(dòng)，另一種是雙輪驅(qū)動(dòng)。單輪發(fā)球機(jī)的弊端是：如果發(fā)球速度快，那么旋轉(zhuǎn)也快；如果發(fā)球速度慢，那么旋轉(zhuǎn)也慢。這種和人們實(shí)戰(zhàn)打球是完全不同的，實(shí)際上球速和旋轉(zhuǎn)并不是完全成正比的，比如攻球的速度很快，但旋轉(zhuǎn)并不強(qiáng)，而弧圈球旋轉(zhuǎn)雖快，速度未必快。雙輪驅(qū)動(dòng)發(fā)球機(jī)完全解決了單輪驅(qū)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)的矛盾，可以發(fā)出各種旋轉(zhuǎn)球，也能發(fā)出不轉(zhuǎn)球。,按照控制類型可分為兩類： 1.半自動(dòng)，簡單操作系列 半自動(dòng)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(xiàng)參數(shù)就必須停下來，人工調(diào)整。而且機(jī)械性能較差，但市場占有量很大，究其原因，主要是價(jià)格低。 2.全自動(dòng)，電腦程控系列 全自動(dòng)乒乓球發(fā)球機(jī)，是全電腦程控的，能模擬運(yùn)動(dòng)員常用的技術(shù)，發(fā)球的方式、力量、速度可隨意變化，使用非常人性化，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)器雖性能高，但價(jià)格太貴。,三、總體設(shè)計(jì)思路 1.乒乓球發(fā)球機(jī)的總體設(shè)計(jì)示意圖,發(fā)射機(jī)構(gòu),俯仰機(jī)構(gòu),搖擺機(jī)構(gòu),儲(chǔ)球器,撥球機(jī)構(gòu),輸送輪,送球通道,2.乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)思想 儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)中的乒乓球在自身重力的作用下，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，求在后面的通道內(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)兩輪速度和旋向可實(shí)現(xiàn)不同旋向球；發(fā)射機(jī)構(gòu)上的調(diào)整裝置可調(diào)節(jié)出球口的上下角度，即可改變球的弧度。通過搖擺機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)球的左右變化角度。 3.乒乓球發(fā)球機(jī)相關(guān)參數(shù) 要設(shè)計(jì)好整個(gè)自動(dòng)乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，首先需要了解乒乓球和球桌的參數(shù)。乒乓球是一種硝化纖維組成的直徑為40mm的圓球，重量2.7g，彈性較好。標(biāo)準(zhǔn)的乒乓球桌長為2.74m，寬為1.525m，球網(wǎng)高12.25cm。球在球桌上方沿一定弧線飛行，如果要準(zhǔn)確的落入對(duì)方臺(tái)面，不僅受球臺(tái)長度和球網(wǎng)高度的限制，還有球桌寬度的制約。為此必須要求乒乓球的飛行方向正確，保證乒乓球既不會(huì)出界，又能落到戰(zhàn)術(shù)所需范圍內(nèi)。,4.發(fā)球基本原理 如上圖所示，乒乓球由于受到兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)摩擦輪的作用，可以獲得一定的初速度，而兩個(gè)摩擦輪分別由兩個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)工作。 設(shè)輪子角速度w1、w2，半徑R，線速度v1=w1R、v2=w2R： w1=w2，乒乓球不旋轉(zhuǎn)，所獲瞬時(shí)速度即初速度為：v=v1=v2 w1w2，乒乓球沿輪1方向旋轉(zhuǎn)，初速度為：v=(v1+v2)/2 w1<w2，乒乓球沿輪2方向旋轉(zhuǎn)，初速度為：v=(v1+v2)/2,5. 參數(shù)設(shè)計(jì) 高：1200mm 寬：400mm 長：600mm 材料：大部分采用工程塑料，關(guān)鍵傳動(dòng)部位采用合金鋼。 質(zhì)量：25kg至30kg 擺角范圍：40 發(fā)球頻率：30-90只/min,6.電機(jī)選型 本組設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)球機(jī)主要需要三種電機(jī)，其中以控制搖擺的電機(jī)最為關(guān)鍵。 下面主要分析對(duì)控制搖擺電機(jī)的選擇。 已知上部結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為5.6kg，接觸的截面面積 S=3.143535-3.143030=1020.520.001 經(jīng)查詢相關(guān)資料知合金鋼與石墨的干摩擦系數(shù)為0.1，摩擦力 f=5.6100.1=5.6N 摩擦阻力矩為 M=5.60.035=0.196Nm 在螺栓處所需力為 0.196/(0.145+0.035) 1.1N 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為 1.10.035=0.0385Nm 因?yàn)楸緭u擺機(jī)構(gòu)為自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況，轉(zhuǎn)速不應(yīng)過快 確定電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n=6 R/min 初步確定電機(jī)功率 式中K為安全系數(shù)，此時(shí)取2，將K、 n 、Ml帶入，得到單側(cè)電機(jī)功率： =1.45W,取 =0.870.920.95=0.76 其中0.87、0.92、0.95分別為電機(jī)的效率，桿的牽引效率及擺桿的傳動(dòng)效率。則所需電機(jī)的輸出功率為： 將參數(shù)P，值代入到式中，可得單側(cè)電機(jī)功率如下1.9W 根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩、其它結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)性能的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇VTV6W220V減速電機(jī)，安裝尺寸：60mm*60mm 齒輪減速比還有1:3 5 7.5 10 12.5 1520 253050 75 100 150200 250 300 500 等 電機(jī)外形及具體參數(shù)見下圖,除此種電機(jī)外，本發(fā)球機(jī)還需要驅(qū)動(dòng)摩擦輪電機(jī)2個(gè)，撥球和輸送機(jī)構(gòu)共用電機(jī)1個(gè)，因?yàn)楸井a(chǎn)品較為成熟，現(xiàn)參考相關(guān)資料及借鑒相關(guān)產(chǎn)品，選擇兩個(gè)摩擦輪電機(jī)與上面擺動(dòng)裝置所用電機(jī)相同，選擇撥球和輸送機(jī)構(gòu)電機(jī)為4RK25GN-C，配用減速箱及其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出較低轉(zhuǎn)速，同時(shí)驅(qū)動(dòng)撥球機(jī)構(gòu)和輸送機(jī)構(gòu)，具體的外形尺寸及相關(guān)參數(shù)如下：,Solidworks建模,一、儲(chǔ)球器及撥球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),二、送球通道及輸送輪設(shè)計(jì),三、搖擺及俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),四、發(fā)射機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),五、總體裝配圖,高：1200mm 寬：400mm 長：600mm 材料：大部分采用工程塑料，關(guān)鍵傳動(dòng)部位采用合金鋼。 質(zhì)量：25kg至30kg,Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真,Solidworks Simulation有限元分析,對(duì)搖擺機(jī)構(gòu)的有限元分析：,對(duì)搖擺機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析后，從應(yīng)力分布圖可以看出該結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力極大，故對(duì)此結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。,如下所示圖所示，為改進(jìn)前與改進(jìn)后的模型：,改進(jìn)后對(duì)搖擺結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行有限元分析：,改進(jìn)前,改進(jìn)后,對(duì)比以上兩幅圖，不難看出，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，搖擺機(jī)構(gòu)的應(yīng)力極大幅度的減小了。,謝謝！,工作總結(jié),通過對(duì)乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)，我們學(xué)到的不只是對(duì)軟件的使用，因?yàn)檐浖吘怪皇且粋€(gè)工具。在我看來，本次工作的一個(gè)核心詞是“Teamwork”，即團(tuán)隊(duì)意識(shí)，合作意識(shí)。 另一核心詞“設(shè)計(jì)”，這是重中之重，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)東西，首先要明確設(shè)計(jì)的目的，乒乓球發(fā)球機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)是成熟的技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)它的意義何在？有沒有創(chuàng)新點(diǎn)？它的市場定位如何？這些是在做之前必須要考慮的問題，即“Design right thing”，而之后的工作就僅僅是技術(shù)問題了。,