分類號(hào) ————————————————————————密級(jí) UDC 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名2指導(dǎo)教師院、系、專業(yè)年級(jí)論文答辯網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)設(shè)計(jì)完成日期： 指導(dǎo)教師簽字： 答辯小組成員簽字： 1II摘 要隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的不斷普及，越來越多的網(wǎng)球愛好者開始投身于網(wǎng)球鍛煉中來，而在網(wǎng)球訓(xùn)練時(shí)，網(wǎng)球的使用量非常大，頻繁撿起隨機(jī)散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時(shí)耗力的工作，且不是每個(gè)人都能像專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員一樣擁有屬于自己的球童，因此高效的自動(dòng)撿球機(jī)會(huì)為訓(xùn)練者們提供便利，節(jié)省時(shí)間。本課題研究目的在于設(shè)計(jì)一款網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)，使其具有高效和不遺漏的特點(diǎn)，并盡可能解決卡球、傷球的問題。本次設(shè)計(jì)完成了撿球機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，以及二維圖紙的繪制，最終完成了網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)的整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：撿球機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)IIIAbstractWith the continuous popularization of tennis，a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exercise。And in the tennis training，the usage of tennis ball is very large， it’s a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range，but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players，so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the trainers，and save time。The main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pick-up machine which has the characteristics of high efficiency and not missing，and solve the problem of ball stuck and damage。This topic deals with kinematic precept design，calculation and analysis of components and parts，and three-dimensional diagram and two-dimensional drawing，finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine。Keys：Agency to pick up the ball；Driving system； Control systemIV目 錄1 緒論.11.1 課題的研究背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本章小結(jié)42 總體方案設(shè)計(jì) 52.1 設(shè)計(jì)要求52.2 關(guān)鍵問題52.3 方案的選擇和確定52.4 整體方案72.5 本章小結(jié)83 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核.93.1 撿球籃的尺寸93.2 撿球機(jī)行走速度的計(jì)算103.3 同步帶的設(shè)計(jì)113.4 球道的設(shè)計(jì)12V3.5 撿球機(jī)同步帶電機(jī)的選擇133.6 同步帶軸的設(shè)計(jì)與校核153.6.1 求軸上的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩 .15??1 ??1 ??13.6.2 初步確定軸的最小直徑163.6.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)163.6.4 計(jì)算軸上的載荷183.6.5 按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度193.7 車輪的選擇193.8 驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)的選擇193.9 車輪軸的設(shè)計(jì)與校核213.9.1 確定軸的最小直徑213.9.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)213.9.3 軸的校核223.10 本章小結(jié)234 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).244.1 行進(jìn)方案的確定244.2 單片機(jī)的選用.244.3 本章小結(jié)25總結(jié)與展望 .26總結(jié).26VI展望.26參考文獻(xiàn) 27致謝 .291 緒論1.1 課題的研究背景根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics, IFR）2014 年發(fā)布的服務(wù)機(jī)器人研究報(bào)告，2013 年個(gè)人和家用服務(wù)機(jī)器人的銷量在全球范圍內(nèi)大約為四百2萬(wàn)臺(tái)，相比 2012 年同比增長(zhǎng) 28%，粗略統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模約為 17 億美元，據(jù)估計(jì)，未來2014 到 2017 年之間將會(huì)有 3100 萬(wàn)臺(tái)個(gè)人服務(wù)機(jī)器人售出 [1]。這也就意味著在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?huì)有持續(xù)而強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，服務(wù)機(jī)器人將越來越多的走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。根據(jù)中國(guó)網(wǎng)球協(xié)會(huì)官方最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到 2008 年，憑借著鄭潔溫網(wǎng)殺入四強(qiáng)和李娜的奧運(yùn)會(huì)四強(qiáng)，國(guó)人網(wǎng)球熱情空前高漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)網(wǎng)球人口現(xiàn)已經(jīng)突破 900 萬(wàn)。而隨著李娜在法網(wǎng)和澳網(wǎng)奪冠，國(guó)際女子職業(yè)網(wǎng)聯(lián)（WTA，Women's Tennis Association）官網(wǎng)甚至認(rèn)為，李娜的大滿貫冠軍將為中國(guó)增加 3 億網(wǎng)球人口 [2]。網(wǎng)球作為世界第二大球類運(yùn)動(dòng)，正在受到越來越多人的關(guān)注和喜愛，網(wǎng)球愛好者在進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練過程中，網(wǎng)球的使用數(shù)量巨大，短時(shí)間內(nèi)需要頻繁撿起散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時(shí)耗力的工作，而每個(gè)人不會(huì)像專業(yè)運(yùn)動(dòng)員一樣擁有自己的球童，因此網(wǎng)球訓(xùn)練亟需自動(dòng)撿球機(jī)器人來輔助，為每位網(wǎng)球愛好者提供便利，節(jié)省時(shí)間。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前市場(chǎng)上的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)比較少，較為經(jīng)濟(jì)、方便的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)大多以人工操作為主。網(wǎng)球筐是目前市場(chǎng)上最為常見的產(chǎn)品方案，如圖 1-1，1-2 所示，其工作原理很簡(jiǎn)單，用力下壓將球擠進(jìn)球籃里，球籃網(wǎng)格的尺寸相比網(wǎng)球略小，保證網(wǎng)球進(jìn)入球籃之后不會(huì)掉落，同時(shí)在不撿球時(shí)，可以將支架倒轉(zhuǎn)使其站立，輔助網(wǎng)球訓(xùn)練，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜。1 緒論3另外一種與網(wǎng)球籃的工作原理比較相似的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)是網(wǎng)球筒，如圖 1-3、1-4所示 [3]，其結(jié)構(gòu)相比網(wǎng)球籃更加簡(jiǎn)單，主要由球筒、手柄和收球部分組成。擠壓將球收進(jìn)球筒之后，單向通過的收球裝置，保證網(wǎng)球不會(huì)掉落。圖 1-1 網(wǎng)球籃 圖 1-2 網(wǎng)球籃4以上兩種撿球機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，使用方便，但也存在較多的缺點(diǎn)，撿球過程中對(duì)網(wǎng)球的損傷較大，且容易卡球，需要人工尋找并對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)球，效率低，且一次只能撿一個(gè)球，同時(shí)網(wǎng)球筒一次撿球數(shù)量很小，當(dāng)網(wǎng)球數(shù)量較多時(shí)，撿球難度會(huì)大大增加。綜合來看，網(wǎng)球籃和網(wǎng)球筒相對(duì)比較原始，由于成本低，適用于網(wǎng)球較少的訓(xùn)練場(chǎng)景，但是與今后網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)不符，具有明顯的局限性。目前市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一類手推式網(wǎng)球撿球車，如圖 1-5 所示。這種撿球機(jī)的主要特點(diǎn)是：可伸縮球籃架，可循環(huán)換籃，拾球數(shù)量沒有限制；輪子采用高級(jí)耐磨 PU 材料，不傷網(wǎng)球場(chǎng)；撿球直徑可以達(dá)到 100cm[4]。其主要工作原理是人推動(dòng)小車前進(jìn)，球順著球道進(jìn)入輪子之間，輪子的摩擦力將球夾住，帶入球籃之中，這種撿球車頁(yè)存在不少的缺點(diǎn)：需要人工操作，撿球過程容易對(duì)球產(chǎn)生損傷，且價(jià)格偏高，普通人消費(fèi)不起。圖 1-3 網(wǎng)球筒圖 1-4 網(wǎng)球筒1 緒論5國(guó)外的與網(wǎng)球撿球機(jī)的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是設(shè)計(jì)專利，如圖 1-6，1-7 所示 [5,6]。圖 1-5 波力網(wǎng)球撿球機(jī) SS-401圖 1-6 國(guó)外網(wǎng)球撿球機(jī)專利6其中，圖 1-6 是一款與網(wǎng)球籃相似的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)，使用時(shí)操作者握住手柄，推動(dòng)撿球機(jī)前進(jìn)，同時(shí)將球卡進(jìn)中間的球籃，其結(jié)構(gòu)同樣簡(jiǎn)單，但是效率低下，且容易漏球。圖 1-7 是一款自動(dòng)網(wǎng)球撿球機(jī)，這款網(wǎng)球撿球機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)撿網(wǎng)球，其主要撿球原理是：撿球機(jī)在前進(jìn)過程中，網(wǎng)球累積在擋板上，擋板運(yùn)動(dòng)將球抬升進(jìn)入后面的球筐里。這款網(wǎng)球撿球機(jī)存在著明顯的設(shè)計(jì)缺陷，因?yàn)樵趽烨蜻^程中必然會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)球停在擋板下方的情況，這會(huì)導(dǎo)致?lián)烨驒C(jī)被卡住的情況，進(jìn)而造成電機(jī)燒毀等嚴(yán)重后果。1.3 本章小結(jié)本章主要講述了文獻(xiàn)檢索之后的主要成果，對(duì)現(xiàn)有的撿球機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行查閱、分析，對(duì)目前存在的撿球機(jī)主要工作原理有了比較詳細(xì)的了解，有助拓寬視野，發(fā)散思維，同時(shí)比較各種撿球方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利于之后的撿球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖 1-7 國(guó)外網(wǎng)球撿球機(jī)專利1 緒論72 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)要求本課題的主要設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一款高效的網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)，盡可能解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并使其具有無(wú)遺漏的特點(diǎn)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表 2-1 所示表 2-1 設(shè)計(jì)參數(shù)表項(xiàng)目 指標(biāo)1.一次撿球數(shù)量/個(gè) 1002.一次撿球周期/ min 10002.2 關(guān)鍵問題（1） 撿球方式的選擇；8（2） 傳動(dòng)方式的選擇；（3） 行走速度分析；（4） 球道數(shù)選擇。2.3 方案的選擇和確定針對(duì)本課題，經(jīng)過一段時(shí)間的查找資料，參考現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)計(jì)，首先提出的方案是利用智能機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)撿球動(dòng)作，這種方案雖然原理簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來比較困難，對(duì)系統(tǒng)控制的要求高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度要求更高，且一次只能撿起一個(gè)球，效率很低，高額的成本也導(dǎo)致這種方案不適用于普通的網(wǎng)球訓(xùn)練，因此機(jī)械手臂的方案得到否定。其次提出的撿球機(jī)構(gòu)方案如下圖 2-1 所示，其主要原理為：撿球機(jī)采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式，兩個(gè)后輪分別用步進(jìn)電機(jī)控制，便于控制車速，通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎作業(yè)，前輪由輪軸連接，在撿球車前進(jìn)過程中，后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪軸上的同步帶，可以帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)將到達(dá)車前的網(wǎng)球撥入后置的球籃里。2 總體方案設(shè)計(jì)9針對(duì)此方案，進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并繪制了三維圖，如圖 2-2 所示，手柄設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是手自一體化，首先設(shè)計(jì)的是手動(dòng)式，因此起初設(shè)計(jì)時(shí)并沒有將后輪的步進(jìn)電機(jī)加進(jìn)去。此設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)過程中，也發(fā)現(xiàn)不少問題：（1）轉(zhuǎn)彎問題。起初在考慮后輪驅(qū)動(dòng)，通過變速轉(zhuǎn)彎時(shí)，沒有考慮前輪的轉(zhuǎn)彎問題，由于兩個(gè)前輪通過一根輪軸連接，因此當(dāng)后輪差速拐彎時(shí)，前輪沒辦法同時(shí)跟著后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪的運(yùn)動(dòng)變成側(cè)向滑動(dòng)，摩擦力大，輕則損傷車輪，重則無(wú)法拐彎燒毀電機(jī)。（2）撿球數(shù)量問題。由于撿球機(jī)構(gòu)的限制，撿網(wǎng)球過程中網(wǎng)球的抬升高度無(wú)法很高，且為了提升裝球數(shù)量，不得不把球籃做成斜坡形式，導(dǎo)致后面球籃很小，可以裝球的數(shù)量無(wú)法達(dá)到預(yù)期的 100 個(gè)。且網(wǎng)球提升過程中由于斜坡短，提升速度較快，網(wǎng)球可能飛出去。由于各種缺點(diǎn)，此方案也得到了否定。最終，提出的設(shè)計(jì)方案如圖 2-3 所示，其主要工作原理為：由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過三個(gè)大小相同的同步帶帶輪帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，在撿球機(jī)前進(jìn)過程中，同步帶上的撥板將網(wǎng)球沿斜坡送入后置的球籃之中。圖 2-1 扇葉式撿球機(jī)構(gòu)原理圖圖 2-2 扇葉式撿球機(jī)10圖 2-3 同步帶加撥板原理圖1—網(wǎng)球；2—球道；3—同步帶帶輪；4—撥板；5—同步帶本方案的設(shè)計(jì)由方案二演變而來，兩個(gè)同步帶輪被三個(gè)同步帶輪所替換，帶撥板的同步帶替代了扇葉，使用電機(jī)帶動(dòng)同步帶的主要目的是提高球道的高度，提高裝球數(shù)量。相比前兩種方案，本方案的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造難度低；不會(huì)出現(xiàn)卡球、傷球的現(xiàn)象；可盛裝網(wǎng)球數(shù)量大，可以滿足撿球要求。2.4 整體方案三維圖經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)計(jì)算，選取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)零部件，并進(jìn)行其余零部件的設(shè)計(jì)繪圖，最終得到撿球機(jī)的總體裝配圖如圖 2-4 所示。132452 總體方案設(shè)計(jì)11從圖中可以看出，車身前面的小車輪加支架為撿球機(jī)的收集裝置，在撿球機(jī)前進(jìn)過程中最大限度的收集網(wǎng)球，并將球引導(dǎo)進(jìn)入球道，同時(shí)很好的避免了球在進(jìn)入球道之前四處亂竄和不進(jìn)入球道的問題，收集裝置前方的車輪主要起導(dǎo)向作用，同時(shí)支撐收集裝置支架，避免其發(fā)生形變。圖 2-4 整體方案三維建模2.5 本章小結(jié)本章主要講述的是撿球機(jī)撿球方案的確定過程，經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)篩選，最終確定了一套相對(duì)合理，缺點(diǎn)少，易于實(shí)現(xiàn)的方案，為撿球機(jī)整體設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。123 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核3.1 撿球籃的尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求：一次撿球數(shù)量 個(gè)。按照標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球的直徑要求100進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，理想狀況下，盛放 100 個(gè)網(wǎng)球所需要的最小65.41????100 ????????參考球道以及撿球車整體機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定撿球筐的內(nèi)部容積基本尺寸為，分別為長(zhǎng)，寬，高。0.3×0.4×0.3??3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核13圖 3-1 撿球籃三維圖 圖 3-2 撿球籃特寫圖 3-1 撿球籃三維圖 圖 3-2 撿球籃特寫驗(yàn)算撿球籃能否滿足一次撿球，可裝球 100 個(gè)以上，實(shí)際撿球籃的容積為（3-3）??=?????=0.3×0.4×0.3=0.036??30.0323??3式中，V——撿球籃的實(shí)際容積， ；??3a——撿球籃的內(nèi)部長(zhǎng)度， ；mb——撿球籃的內(nèi)部寬度， ；mh——撿球籃的內(nèi)部高度， 。m因此滿足條件，可以使用。創(chuàng)建撿球籃的三維圖如圖 3-1，3-2 所示，其中圖 3-1 為撿球籃的整體三維圖，圖3-2 為撿球籃頂部掛鉤特寫，考慮到撿球機(jī)撿球之后取球的便利，決定在撿球籃中放置球網(wǎng)，因此掛鉤的作用為固定球網(wǎng)，同時(shí)利于球網(wǎng)的取出。3.2 撿球機(jī)行走速度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場(chǎng)地的尺寸如圖 3-3 所示，由圖中可以看出網(wǎng)球場(chǎng)的賽場(chǎng)尺寸，而球場(chǎng)的總體尺寸為 ，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求一次撿23.77??×8.23?? 36.57??×18.27??14球所需時(shí)間為 ，考慮到直線行走的速度會(huì)比轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度快，所以可以假定撿10??????球機(jī)覆蓋全場(chǎng)的直線距離行走時(shí)間為 ，按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求，撿球機(jī)撿球范圍5??????，假定其所覆蓋的撿球范圍就是 ，則粗略估計(jì)撿球機(jī)的行走速度1000???? 1000????為：（3-4 ）??=????×????=18.275×60×36.571≈2.23??/??圖 3-3 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場(chǎng)地（單位： mm）式中，v——撿球機(jī)的行走速度， ；m/sb——網(wǎng)球場(chǎng)地的寬度， ；mt——撿球機(jī)走完覆蓋全場(chǎng)直線距離所需時(shí)間， ；sn——網(wǎng)球場(chǎng)地的長(zhǎng)度， ；ml——撿球機(jī)撿球的寬度， 。m考慮到實(shí)際情況，將撿球機(jī)的行走速度初步設(shè)定為 。2.3??/??3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核153.3 同步帶的設(shè)計(jì)考慮到標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球的最大直徑 ，因此球道的寬度 ，根據(jù)《現(xiàn)68.58???? ????68.58????代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表 1-89[7]，選取帶寬代號(hào) 300，帶寬，選取帶型 H，查表 1-87，得知同步帶的節(jié)距 ，考慮到每秒鐘遇到的76.2???? 12.7????球的數(shù)量約為三個(gè)，三個(gè)球在同一個(gè)球道的概率雖然很小但是需要考慮，三個(gè)網(wǎng)球的最大的寬度為 ，因此設(shè)定同步帶上撥板的距離為 ，3×68.58????=205.74???? 250????設(shè)定同步帶的帶速為 。250????/??考慮到實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)選取的同步帶是三個(gè)大小相同的同步帶輪，按照要求帶輪齒數(shù) （帶輪最小齒數(shù)） ，參照表 1-92，假定帶輪轉(zhuǎn)速 ,得知?????????? ??1??2+??=80.852+100=140.43????式中， ——同步帶帶輪的高度， ；?1 mmd——同步帶帶輪的節(jié)徑， ；mml——同步帶撥板的長(zhǎng)度， 。mm考慮到實(shí)際情況，同步帶帶厚等因素，取同步帶最低帶輪的高度為 。150mm3.4 球道的設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定，一次撿球數(shù)量 100 個(gè)，假定網(wǎng)球練習(xí)者一次練習(xí)，發(fā)球數(shù)量100 個(gè)，考慮到實(shí)際情況，網(wǎng)前和邊線處網(wǎng)球數(shù)量相對(duì)集中，在多數(shù)球過網(wǎng)的情況下，分布在邊線處的網(wǎng)球數(shù)量相對(duì)更高，因此假定邊線附近區(qū)域（ 范圍內(nèi)）2??×18.27??網(wǎng)球的數(shù)量為 40 個(gè)，網(wǎng)前（ ）的數(shù)量為 20 個(gè)，其余 40 個(gè)網(wǎng)球隨機(jī)分布4??×18.27??在網(wǎng)球場(chǎng)地的其他區(qū)域。設(shè)定網(wǎng)球撿球機(jī)的撿球?qū)挾葹?，則撿球機(jī)在單位時(shí)間里遇1??到網(wǎng)球的數(shù)量為（按照網(wǎng)球最密集區(qū)域進(jìn)行計(jì)算）（3-7）????=??????????= 402×18.27×2.3×1=2.52個(gè) /??式中， ——撿球機(jī)在單位時(shí)間里遇到網(wǎng)球的數(shù)量，個(gè)/s；????——區(qū)域內(nèi)網(wǎng)球的數(shù)量，個(gè)；????A——該區(qū)域的面積， ；??2v——撿球機(jī)的行走速度， ；m/sd——撿球機(jī)的撿球?qū)挾龋?。m根據(jù)上式計(jì)算的結(jié)果，得到單位時(shí)間里撿球的個(gè)數(shù)，因此設(shè)定撿球機(jī)的球道數(shù)為3。3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核17圖 3-5 球道特寫圖 3-5 球道特寫考慮到撥板的寬度為 76.2mm，以及安裝偏差問題，設(shè)定球道的寬度為 77mm，球道的高度設(shè)定主要與撿球籃的高度以及撿球機(jī)主體部分與地面高度相關(guān)，其相關(guān)的尺寸在二維圖紙有詳細(xì)表示，在這里不做贅述。其最終的三維建模如圖 3-4，3-5 所示，其中圖 3-4 是球道的主體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3-5 是球道的固定裝置的特寫，由于球道為懸空狀態(tài)，因此將其固定在撿球籃上，起到固定和支撐的作用。18圖 3-4 球道三維圖3.5 撿球機(jī)同步帶電機(jī)的選擇首先確定撿球機(jī)同步帶的負(fù)載，其只要負(fù)載特性如下：①網(wǎng)球的重量。設(shè)計(jì)所得的球道的長(zhǎng)度約為 ，考慮到單個(gè)網(wǎng)球的最大直徑470mm，撥板的厚度 ，以及撥板之間的距離 ，因此同時(shí)最多存在兩個(gè)撥板在68.58mm 5mm 250mm球道上方，球道上最多存在 個(gè)網(wǎng)球，單個(gè)網(wǎng)球的最大重量 ;??1=6 ??1=58.5??②同步帶的重量。同步帶型號(hào) H，采取最常用材料，其密度為 ，??2=0.448????/??同步帶的總長(zhǎng) ，同步帶的數(shù)量為 條。同步帶上的撥板材料與同??2=1464.64???? ??2=3步帶材料相同，每條同步帶撥板的數(shù)量為 個(gè)，因此撥板的總長(zhǎng)度為??3=6。??3=6×0.1×3=1.8??③同步帶輪的質(zhì)量。同步帶輪的材料是尼龍，使用 SolidWorks 軟件賦予模型尼龍材料，計(jì)算得到帶輪的重量為 ，帶輪的個(gè)數(shù)為 。??4=373??/個(gè) ??4=9個(gè)根據(jù)公式計(jì)算同步帶的負(fù)載為（3-8）??=??1×??1+??2×??2×??2+??2×??3×??3+??4×??4=10.78????同步帶的速度為 ,因此可以求得電機(jī)的功率為??=0.25??/??（3-9）??=????=10.78×9.8×0.25=26.41??式中，P——電動(dòng)機(jī)的有效功率，W；F——電動(dòng)機(jī)上作用的力，N；v——電動(dòng)機(jī)的線速度。因此，電動(dòng)機(jī)的總功率 為??03 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核19（3-10）??0=????式中， ——電機(jī)的機(jī)械效率。??根據(jù)角速度和線速度的關(guān)系式 ，推導(dǎo)得到帶輪的角速度為??=????（3-11）??=????= 0.2580.85÷2×10?3≈6.18??????/??式中， ——同步帶帶輪的角速度， ；?? rad/sr——同步帶帶輪的節(jié)徑，m。而同步帶帶輪的轉(zhuǎn)速為 ，假設(shè)帶輪在 0.1s 時(shí)間內(nèi)加速到59.09??/??????≈60??/??????的角速度，則可以計(jì)算得到軸的角加速度為60??/??????（3-12）??=??????=6.18?00.1?0=61.8??????/??2在這里可以將同步帶帶輪看成圓柱體，則可以計(jì)算得到扭矩為??=????=????22??式中，M——帶輪的扭矩， ；??·??J——帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ；kg·??2——帶輪的角加速度， 。?? rad/??2由此可以得到每個(gè)帶輪的扭矩為（3-13）??1=????22??=0.373×0.04042522 ×61.8=0.019??·??帶輪的總扭矩為 ??=??1×3×3=0.019×3×3=0.171??·??由上述計(jì)算結(jié)果可知，所選電機(jī)的基本參數(shù)需為：轉(zhuǎn)速 ，扭矩 ，60??/??????0.171??·??經(jīng)過不斷地篩選，最終選定東莞市威邦機(jī)電有限公司生產(chǎn)的直流電機(jī)，所選電機(jī)的型號(hào)為：4D40-24 ，其主要參數(shù)如表 3-1 所示 [8]20表 3-1 直流電機(jī)主要參數(shù)額定電壓/V額定功率/W空載轉(zhuǎn)速/()r/min空載電流/A額定轉(zhuǎn)速/() r/min額定轉(zhuǎn)矩/()kg·cm額定電流/A馬達(dá)重量/kg24 40 3100 0.8 3000 1.3 2.1 1.8齒輪箱的主要參數(shù)如表 3-2 所示表 3-2 齒輪箱參數(shù)表減速比 3 3.6 5 6 7.5 9 10 12.5輸出軸轉(zhuǎn)速 r/min1033 861 620 517 413 344 310 248??·?? 0.30 0.36 0.50 0.60 0.75 0.90 1.00 1.25允許力矩kgf·???? 3.06 3.67 5.09 6.1 7.64 9.17 10.2 12.73減速比 18 20 25 30 36 40 50 60輸出軸轉(zhuǎn)速 r/min 172 155 124 103 86 78 62 52??·?? 1.80 2.00 2.25 2.70 3.24 3.60 4.50 4.48允許力矩kgf·???? 18.33 20.36 22.95 25.74 33.04 36.71 45.90 49.80由上表可知，選擇減速比為 50 的齒輪箱。電池的選擇，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查，最終選定瑋孚 鋰電池 [9]，其主要參數(shù)如表24??， 4???3-3 所示表 3-3 電池主要參數(shù)電壓容量 重量/kg 電壓范圍24V 4Ah 0.7 20V-29.2V3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核21電芯 放電接頭 充電接頭18650 動(dòng)力鋰電芯 T 型放電母頭 DC 工業(yè)母頭3.6 同步帶軸的設(shè)計(jì)與校核已知電機(jī)的功率為 40w，額定轉(zhuǎn)速為 ，經(jīng)齒輪箱減速后，額定轉(zhuǎn)速為3000??/??????。62??/??????3.6.1 求軸上的功率 、轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩??1 ??1 ??1同步帶軸與電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，其傳動(dòng)效率為 ，則??=0.98（3-14）??1=??×??=40×0.98=39.2??已知轉(zhuǎn)速 ，于是??1=62??/??????（3-15）??3=9550000×??1??1=9550000×0.039262≈6038.064??·????3.6.2 初步確定軸的最小直徑根據(jù)公式，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為（3-16）????=??????≈??0.2??3≤[????]式中， ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， ；???? ??????——軸所受到的扭矩， ；?? ??·????——軸的抗扭截面系數(shù)， ；???? ????3——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， 。[????] ??????選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-3[10]，取 ，于??0=112