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宿迁经贸高等职业技术学校五年一贯制高职毕业论文题 目：乒乓球自动发球机的设计英文题目：The design of the automatic table tennis ball machine申请人姓名： 张三申请专业名称： 机电一体化技术指导教师姓名： 李四二一二年五月 宿迁经贸高等职业技术学校五年一贯制高职毕业论文题 目 乒乓球自动发球机的设计 英文题目 The design of the automatic table tennis ball machine毕业生姓名（签名） 签名 指导教师姓名（签名） 签名 职 称 副教授 申请学位学科名称 机电一体化技术论文答辩日期 2012.6 系部负责人（签名） 评阅人姓名 签名 评阅人姓名 签名 年 月 日摘 要乒乓球是我国的国球，一直以来受到人们的广泛热爱，为了使广大爱好者能够进一步提高自己的乒乓球水平，锻炼自己的身体，本文根据乒乓球的特点，设计了一款乒乓球自动发球机。本文调查了国内外乒乓球发球机的现状，了解到目前国内外的乒乓球发球机都存在着各种缺陷。基于对已有发球机构的分析，根据人们的需求，对乒乓球发球机进行了改进。本文采用对转双轮的发球原理，改进了发球机构，实现了旋转球和非旋转球的发射；并发现原来的位置调整装置太过繁琐，对其进行了结构改进，实现了上下、左右两个方向的摆动，且容易自动控制；另外，本文还增加了升降机构，增大了位置调整的范围。为了实现乒乓球发球机的自动化，本文采用PLC作为系统的控制部分，用来控制发球机拨球机构、发球机构和位置调整机构的自动调整，满足用户对发球速度、发球角度、位置等需求。本文提出的乒乓球自动发球机具有很好的机械性能和控制方法。它可根据用户的需求，对发球速度，发球位置，旋转等进行调整，同时也可选择自动随机发球，随机发射不同位置，不同旋转的球，是一种功能齐全的乒乓球发球机，具有很好的前景。关键词：乒乓球自动发球机，运动分析，可编程序控制器 AbstractTable tennis is China's national sport, which has been widely loved by people, in order for the majority of fans to further enhance their level of table tennis, exercise their body, according to the characteristics of table tennis, designed a automatic table tennis ball machine.This article surveys the status of international table tennis ball machine, learned that table tennis ball machines have a variety of defects at home and abroad. Based on the analysis of existing institutions and according to the needs of people, the table tennis ball machines were improved. In this paper, the principle of the transfer wheel was used to improve the driving mechanism to achieve the launch of a non-rotating ball and rotate ball; and improve the structure of the position adjust mechanism, which achieve the swing of top to bottom, left to right, and easy to automatic control; In addition, this paper also increased the Lifting mechanism, which increased the range of position adjustment.In order to achieve the automation of the table tennis ball machine, this paper adopts PLC as the control part of the system, which used to control the automatic adjustment of pulling mechanism, serving mechanism, position adjust mechanism, and met customers needs.The automatic table tennis ball machine has good mechanical properties and control methods. It can adjust the speed, position, rotation of the serve based on the needs of customers, which also can choose automatic random ball, serving randomly at different positions, and different rotate. It is a fully functional table tennis ball machine, with very good prospects.Keywords: automatic table tennis ball machine, motion analysis, PLC目 录摘 要IAbstractI第一章 绪论41.1 本课题研究的目的41.2 本课题研究的意义51.3 国内外研究现状51.3.1 国外乒乓球发球机的发展现状61.3.2 国内乒乓球发球机的发展现状71.4 本课题的主要内容及意义8第二章 乒乓球的运动分析及发球参数设定102.1 乒乓球自动发球机的工作过程102.2 乒乓球自动发球机的工作原理102.3 乒乓球自动发球机的技术参数112.4 乒乓球飞行过程的力学分析112.5 乒乓球质心运动的数学模型132.6 小结17第三章 乒乓球自动发球机的机械系统设计183.1 乒乓球自动发球机的机械部分设计183.1.1 拨球装置设计193.1.2 发射装置设计193.1.3 位置调整装置设计193.2 乒乓球自动发球机的控制部分设计213.3乒乓球自动发球机电动机的选择223.3小结24第四章 PLC控制系统设计254.1 拨球控制254.2 发球控制264.3 位置调整装置控制274.3.1 上下移动装置控制274.3.2 上下摆动装置控制294.3.3 左右摆动装置控制304.4 人机交互界面314.5 PLC外部接线图324.6 PLC控制梯形图324.7 小结34第五章 全文结论和工作展望355.1全文总结355.2工作展望35参考文献36致 谢39第一章 绪论1.1 本课题研究的目的随着社会的快速发展，人们的生活节奏也不断加快，各种新生疾病也随着社会的发展而逐渐的增多，于是人们对生活质量的要求也在逐步提高。根据现代医学的研究表面，适当的体育运动可以预防和治疗多种疾病，体育运动对于提高身体素质而言方便简单，容易实现，且消费低，因此，进行体育锻炼的人也越来越多，用于体育锻炼上的消费也不但的增加。随着2008年北京奥运会的成功举办和2010年广州亚运会的成功举行，一股紧随一股的体育运动热潮席卷我国大部分城市，这进一步刺激了广大人民群众进行各种体育运动的热情。另外，随着经济和科学技术的进步，体育运动设施也在不断的发展和完善，现代化的运动器材和设备也层出不穷。乒乓球作为我国的国球在奥运会中不断的大放异彩，一直深受广大人民群众的喜爱。乒乓球这项运动不仅仅是体育场上的竞技项目，它也是人们生活中的娱乐和健身项目，打乒乓球在一方面可以锻炼我们的身体，另一方面它还可以训练我们的反应速度以及全身的协调性。对于刚接触乒乓球的初学者，球技一般都不是很好，于是可能会浪费大量的时间去捡球，最终的结果就是人不断的跑去捡球而真正的打球时间却很少，在这种情况下想要提升乒乓球水平就会很难，同时也会打击他们对乒乓球这项运动的积极性。对于专业的高水平运动员，会进行长时间的训练，以前大多采取人工陪练的方法。在人的陪练下打球效果当然是好的，但是人为的发球其速度也不可能很快，也会有极限，陪练者会比练球者更加的辛苦，也很容易疲劳，因而练球者就不能长时间去练球，而乒乓球发球机的出现则很好的解决了这些问题，它减轻了人力发球的负担，因而，它被广泛的应用了起来。目前，在市场上有多种乒乓球发球机，但是这些发球机普遍都比较简单，它们大多只适用于初学者使用，而对于专业的人员以及要进行实战训练的人员来说还有些不太适用。本课题的目的是设计研究了一种新型的多功能乒乓球自动发球机，它是在现有发球机的基础上对其结构和功能进行一些必要的改进，使其在控制方面可以实现自动化。该发球机要求能够发射多种速度多种角度的球，发射出去的球可以走单一路线、组合路线或者是任意路线。考虑到使用者水平的不同，该发球机设计有几种模式可供用户根据自己的实际需要进行选择，用户通过使用这种发球机可以起到很好的锻炼和学习的效果。1.2 本课题研究的意义乒乓球自动发球机的设计研发，可以有效的解决市场上现存发球机所存在的弊端，满足人们不同的使用需求。它与现代机械设备一样是集多学科综合产物。在控制方面，该自动发球机采用集成化的微机芯片控制取代了传统的人工操作和纯电路的控制，使得该自动发球机更加智能化，从而增加了出球的质量和性能，与此同时，还降低了生产成本，提高了锻炼的效果。另外，乒乓球自动发球机的研发将会极大的促进我国体育事业的发展，也将会提升我国全民的综合素质。1.3 国内外研究现状乒乓球发球机最早出现于欧洲。它们的结构都比较简单，就是通过一种特殊的装置按照练球的需要不断的将乒乓球发射出来。人力发球力量一般都比较小且速度慢，而发球机发出的球则具备人所不具备的特点，发球机发出的球一般速度都比较快，力量都比较大，所以，通过使用发球机来训练对使用者的打球水平将会有很大的帮助。发球机按其发球的基本原理可分为：压气式发球机、捶击式发球机、轮式发球机。其中，压气式发球机是通过压缩空气在气压的冲击下发射乒乓球的。乒乓球依次进入到一根长筒中去，在长筒的出口端有一个窄口，该窄口的口径要比球略小使乒乓球在没有外力的作用下不会掉出，但开机工作的时候，通过空气压缩机压缩空气，会产生较强的气压，在该压力下乒乓球就会从口端的窄口射出，于是乒乓球就这样发出去了。它存在的主要问题就是噪音很大而且性能也较低，同时，通过空气压缩会消耗很大的功率，会造成很大的浪费；常见的捶击式发球机是利用凸轮机构来实现乒乓球发射的。乒乓球依次滚动到发球口处的凹槽上，然后通过凸轮带动摆杆将落在凹槽上的乒乓球依次打出去，它的最大特点就是结构简单，但它发球种类单一，而且还存在着安全隐患，因而即将被淘汰；轮式发球机的结构也比较简单，它是通过滚轮的旋转将进入滚道的乒乓球依次抛射而出。乒乓球依次沿着滑轨进入滚道，之后与滚轮摩擦，在摩擦力的作用下乒乓球受力就会飞射出去，同时它会产生一个较大的速度和一个旋转。它的滚轮可以采用单轮也可以采用双轮，但利用单轮将会有一个弊端，就是乒乓球的速度和旋转仅取决于轮的旋转速度，这样就不便于控制，这和实际的打球情况是有很大区别的，实际的打球过程中，乒乓球的球速和它的旋转是不成比例的，而全是随人的控制而变化的。而利用双轮结构则能够解决乒乓球在速度和旋转上不成比例的问题，使发球机能够发出不同速度和旋转的球。按发球机的控制类型则可分为两类；一类是全自动化的电脑控制系列，另一类是半自动化的人工操作系列。全自动化电脑控制发球机，可以模拟真实的打球场景，它将乒乓球的一些常用技巧全部输入到了电脑程序中，用户只需要选择相应的打球模式就可以体验到不同的打球技巧和方式。如在实际生活中常用到的打球技巧有奔球、急球、不急球、旋球、不旋球、短球、长球、转球、不转球、高抛球等，而这些打球技巧基本都可以由电脑控制实现，使得这种发球机很具有人性化。另外，这种发球机还具有记忆功能，它可以记录下球员的打球技巧和方法，然后再模拟出来，使得球员能够更加清楚地了解自己同时也提升自己的乒乓球实力。这种发球机性能虽好，但同时其价格也较昂贵，因而，一般大众难以接受。由人工操作的乒乓球半自动发球机，它发球方式比较固定，是事先设定好的因而不具有随时可变性，另外它的控制也比较麻烦，若是想改变某些参数就必须停机，再通过人工手动的调整相关的部位，达到参数的调整，例如，调整机头的旋转角可以实现不同旋转球的发射，调整机头的高度则可以改变球的射程和发射弧度。然而，尽管其机械性能存在着很多问题但其在市场上占有的比重还是很大的，许多娱乐锻炼场所还在用它，其主要原因就是价格低，足以实现一些最基本的功能。1.3.1 国外乒乓球发球机的发展现状国外发球机的研究起步比中国早，因而它们具有的功能也大多比较齐全和完善，其自动化程度也较高，能够满足大多数用户的需求。目前，从事于乒乓球发球机研发制造的企业比较多，而在这方面做的比较好的具有代表意义的是日本和美国的两家公司。1日本Butterfly公司制造的发球机这种发球机的发球原理比较简单，它是利用两个轮子的高速反向旋转带动着乒乓球发射的。这两个轮子间的间距比乒乓球直径略小，当乒乓球进入其中后两个轮子就会夹住乒乓球向前旋转，然后瞬间就被抛射出去，但是这种发射方式只能产生的旋转球。因为双轮的存在，它们可以以不同的速度运行，这样就能够发射不同旋转速度和不同发射速度的球了，这也是很多其他发球机无法实现的。这种发球机设有三种发球模式：一种是规则模式，可以发射固定落点的球；另一种是自动模式，能发射随机球或者是组合球；还有一种是自定义模式，可以根据用户的需要自己编写程序控制发球的模式。另外，这种发球机还可以根据根据用户输入的程序来进行相关的动作，并且它还能够记录用户选择的模式和命令以便下次使用时直接使用而不需要进行调节。这种发球机在使用端装有控制面板，可以实现远程控制该发球机。2美国NEWGY公司制造的发球机这种发球机上有一个固定的摩擦块，在它的对面装有一旋转轮，它们之间的距离略小于乒乓球的直径，当乒乓球进入到这个发射位置时，在旋转轮的带动下乒乓球就发射出去了，改变旋转轮的偏角，就可以得到不同旋向的球。这种发球机根据不同的使用对象其模式分成了三个不同的级别，分别是初级、中级和高级，它们分别针对不同的使用者而设计。初级发球机专为初学者而设计，中级发球机专为技术较成熟的运动员而设计，高级发球机则是针对专业球员而设计。这种发球机最大的优势就在于用户可以根据自己的需要选择适当的模式级别。这种发球机还支持升级功能，可以随时升级到最新的模式。调节发球机控制盒中的相关按钮可以方便的改变发球频率、发球速度以及出口角度等；调节出球口上的旋钮则能够使其发射出逆旋、上旋、侧旋以及混合旋等多种璇向的球；另外通过控制杆的调节可以实现发球角度范围的变化；因为乒乓球有不同的型号，故该发球机设置有球型开关，通过调整可以根据所使用的乒乓球选择不同的发射轨道。1.3.2 国内乒乓球发球机的发展现状与国外相比，我国对乒乓球发球机的研究则较晚，但是它在我国的发展却比较迅速，乒乓球发球机在我国由最开始的全手动控制发展到如今的全自动化控制，可以说起得的成果非常显著，经历了多年的不断发展，现在的一些发球机产品甚至超越了国外的相关产品。在我国乒乓球大致可分为以下几个方面：1 半乒乓球自动发球机该发球机的储球斗位于机器上方，乒乓球通过自身重力依次落到下方的球道中，球道中的乒乓球在拨叉的击打下进入到球道前端的摩擦辊间，在摩擦辊的高速切搓摩擦下，乒乓球自发射口旋转飞出。这种发球机是由林清云设计的，它由基座、储球斗、机身壳体、发球机构、弧度调节机构、角度摆动机构以及电机调速部分组成。它的发球机构主要采用了凸轮结构，在电动机的带动凸轮会发生转动，然后凸轮带动与它相接触的顶杆往复移动，顶杆的末端连接有一个L形臂，它在顶杆的带动下做往复的摆动，当球进入到预定的位置时，L形臂就会摆动到此处将球击出。弧度调节机构主要是控制乒乓球的发射运动弧度，角度摆动机构则主要是控制乒乓球发球时的运动角度，出球的速度、频率则由电机调速部分进行控制。这种半自动发球机的主要特点就是结构简单，发球速度快，价格便宜，但是其发球质量较差，发球单一无变化，控制困难，而且易产生故障。2三鼎智能乒乓球发球机这种发球机采用了微电脑作为控制单元，基本实现了自动化。乒乓球的发射依靠对转双轮来实现，利用轮与球间的摩擦力将乒乓球发射出去，同时可以控制双轮的速度实现发射不同旋向球或不转球。为了控制乒乓球的落点，微电脑单元将球桌分成了几个不同的区域，然后根据需要将乒乓球发射到指定的某个区域。它其中有近300种训练程序可供选择，用户可以根据自己的不同需求来选择不同的程序。它最大的特点就是它的可控制性，另外该发球机发出的球和人实际发出的球很相似，它的最大不足之处就是不能像人一样灵活的发出各种不同的球，而只能发出程序设定的固定形势的球。3双蛇牌乒乓球发球机这款发球机是由电脑控制的全自动化发球机，是专为乒乓球运动爱好者研发出的具有突破性的产品，它是在总结众多发球机优缺点的基础上研发出来的。它的主要特点是能够通过电脑编程实现“一键一功能”的操作方式，这样用户只需要按下控制板上的相关按键就可以实现发射各种类型的球了。这种发球设备装有云台旋转机构，并且装有旋转角极限装置，能够左右各旋转20°,通过调整该云台机构，就可以发出多种不同难度的球，训练时用户只需根据需要进行调整即可。该发球机用三根可更换的滑轨做为主球道，这样定期更换滑轨可以避免发球机长期工作引起的摩擦力变大等问题。它发球口的摩擦轮是由轮毂、橡胶组装起来的，这样更换就比较方便，另外价格也比较便宜，发球质量也较高。乒乓球发球机虽然经过多年的发展和丰富，也在结构功能上不但的进行改进和完善，但机器和人打的球总是会有很大差别的，机器只能按人设定的方式运行，不具有灵活性，打出的球也会和人打的球有很大的区别，例如人在打球时会有一个挥球拍的动作，而接球者就会以此来做出相应的反应和对策，但是发球机却是一成不变的，所有的球都会很突然，让人很难做出相应的反应。1.4 本课题的主要内容及意义本论文的主要内容就是对现有的乒乓球发球机进行深入研究，改进它们的不足之处，设计出功能更加齐全，性价比高，操作更方便简单的乒乓球自动发球机。通过调查，我们发现现有的乒乓球发球机它们的机械结构和控制系统普遍存在着缺陷，它们的结构都比较简单，控制也比较麻烦，并且发球方式单一，也不能实现多种方式的发球。为了使其结构简单而且便于实现自动化控制，本文就针对发球机的发球机构和位置调整机构进行了改进设计,从而实现了发球的多样性和乒乓球落点的可调性；本文首先也对发球机的发球轨迹进行了仿真分析，以确定更加合理的相关参数调节范围；最后本文对发球机的控制部分进行了改进，从而实现了乒乓球发球的自动化。本文研究的具体内容可分为以下几个部分：1调查研究乒乓球自动发球机的国内外发展现状；2研究讨论乒乓球自动发球机的设计和改进方案，并对其可行性进行必要的分析；3研究改进乒乓球发球机的机械结构；4对乒乓球自动发球机的工作过程进行模拟仿真分析，寻找其参数值的合理调节范围；5对乒乓球自动发球机的控制系统做一些必要的研究。第二章 乒乓球的运动分析及发球参数设定2.1 乒乓球自动发球机的工作过程在发球机上方有一个储球斗，先将乒乓球放在其中，接通电源，电动机带动一组锥齿轮转动，锥齿轮旋转推动储球室中的拨杆来运动，在拨杆的带动下乒乓球不断的运动，这样就避免了乒乓球堵塞入球口，而在运动过程中将会不断的有乒乓球落入进球口，从而进入输送机构。输送轮上安装有半圆形的卡球槽，选择不同的速度模式，在电动机的带动下将乒乓球送入送球通道，乒乓球在通道中排成一列，运动过程中后面的球就将前面的球顶入到发射机构中。发射机构中的两个摩擦轮也在电动机的带动下以设定的速度转动，当乒乓球进入其中后在摩擦力的作用下将球发射出去。通过摇摆机构可以实现发射不同落点的球。摇摆机构由齿盘、直齿托盘构成，齿盘在电动机的带动下来回摆动，从而带动托盘也左右来回运动，齿盘摆动角度大则发射的球较远，摆动角度小则发射的较近，它可以以固定角度来回摆动也可以以变化的角度来回摆动，这样就可以发射不固定的长远球。2.2 乒乓球自动发球机的工作原理这种乒乓球自动发球机是多种学科的综合产物，它稳定性可靠、灵敏度高、控制方便，主要是利用对转双轮的原理来实现发球的。如图2.1，两个摩擦轮在直流电动机的带动下做反向旋转，而乒乓球在受到两个反向旋转的摩擦轮作用，便能够获得一定的速度。电动机v123其中：1、3为摩擦轮，2为乒乓球图2.l对转双轮原理图如上图所示，该乒乓球发球机采用了一组对转双轮来实现乒乓球的发射的。图中1号轮逆时针旋转，3号轮顺时针旋转，乒乓球刚好位于二者中间，当1、3号轮同速运动时，2号乒乓球则在摩擦力的作用下以不旋转的形式直接发射出去；当1、3号轮差速旋转时，则2号乒乓球发射出去时会产生旋转。这种方案比较简单但却很实用，它可以很好的控制乒乓球的速度、转向以及发射角度等。假设轮1和轮3的角速度为和，它们的半径都是，则可以计算出它们的线速度分别为：,。此时，若，则乒乓球发射时不会旋转，它的初速度；若，则由图知乒乓球将会做顺时针旋转，它的初速度；若，则乒乓球将会做逆时针旋转，它的其初速度，因此，乒乓球的初速度就可以通过控制电动机的速度得到。2.3 乒乓球自动发球机的技术参数 主要参数如下：发球频率：2095个分发球速度：1020ms横摆角度范围：摆动速度：3092次分纵摆角度范围：升降范围：0200mm可遥控距离：100m2.4 乒乓球飞行过程的力学分析标准乒乓球的质量一般为27g，直径40mm。发球机将其发射出去后，会产生一个速度和角速度。经测试表明：乒乓球运动的最大速度可以达到20ms，最高旋转转速可达50r/s。当乒乓球在空气中运动时，将会受到三种力的作用：1自身的重力。2空气的阻力。乒乓球在空气中运动时，会和空气发生摩擦产生一个阻力，速度很快时还会留下行走的尾迹。实际上这这种阻力包括两个方面，分别为压差阻力和摩擦阻力，乒乓球在空气中飞行时它的表面会产生急速的气流，有层流和紊流两种，它们的种类决定了摩擦阻力的大小，而压差阻力则是乒乓球边界气流层发生分离的结果。乒乓球与空气间的阻力一般是通过风洞试验来测量的，为便于计算通常按照公式 来求解，其中：p为空气密度，A为乒乓球最大横断面积，y为乒乓球的飞行速度，是空气与乒乓球间的阻力系数。空气作为一种流动介质存在着粘性，因而雷诺数的大小将会影响到乒乓球与空气间的阻力大小，当雷诺数小于1时，乒乓球边界气流层不发生分离，此时空气的阻力随乒乓球速度的增大而增大；随着雷诺数的增大，当雷诺数时，乒乓球的边界气流层分离，空气阻力大小保持不变；当雷诺数大于某一临界值时，乒乓球边界气流层就会变成湍流，空气阻力降低。假定室温为，取空气密度为，空气粘度系数为.则其雷诺数为： （2-1）其中：d为乒乓球的直径，为乒乓球在空气中的速度。带入数值计算得：=当乒乓球速度为最大值v=20m/s时，此时球体周围的气流层为层流状态，阻力系数保持不变。有人曾指出网球在，8003250r/min时，它的阻力系数可表示为： （2-2）由上式知，空气的阻力系数取决于，其中：v和分别表示乒乓球的线速度和旋转角速度。根据本课题设计的需要代入相关数值，可取。3马格努斯力。如图2.2，乒乓球在空气中飞行，同时它也在做旋转，图中显示乒乓球上方的空气流线较密集，下方的空气流线较稀疏，同时它受到一个向上的升力。这是因为乒乓球在不旋转的飞行过程中，它的上下表面气流速度应该是一致的，而当乒乓球如下图所示作旋转后将会导致它上方的气流速度比下方大，这样就会产生不对称的空气流动，从而会产生一个向上的升力，这个升力就是马格努斯力。图2.2所示为一个飞行的下旋球，其马格努斯力向上，当发上旋球时则其马格努斯力则刚好相反。马格努斯力可表示为： （2-3）其中，表示升力系数，其计算式为： （2-4）其中，要远小于。代入相关数值计算可取 。图2.2 马格努斯力的产生2.5 乒乓球质心运动的数学模型为了便于分析，研究时将乒乓球简化为一个质点。要研究乒乓球的运动模型则首先要确定乒乓球的位置需要用到哪些物理量表述，此时我们需要考虑的参数有时间、速度、角度和空间坐标。因为乒乓球在空中的运动轨迹受几个方面的因素影响，首先是发球时的角度、速度、旋向等，还有就是在运动过程中受到的重力、阻力和马格努斯力等，此时研究乒乓球的运动轨迹则可以假定初始条件相同，即只考虑运动过程中的受力，此时可以假定一个质量为m的乒乓球以初速度从原点以角射出。则这个问题可以从以下几个方面进行分析：1运动模型一图2.3 运动模型一如图2.3，此时只考虑乒乓球的重力，而忽略了空气阻力和马格努斯力。设t时刻乒乓球的位置为： （2-5）乒乓球的速度为： （2-6）乒乓球的加速度为： （2-7）乒乓球的重力为 ： （2-8）乒乓球受到的空气阻力为： （2-9）合外力为： （2-10）则其运动运动方程为： （2-11）根据开始的假定初始条件为： （2-12）其中可令： （2-13）由上式可得： （2-14）2运动模型二图2.4 运动模型二如图2.4，此时所发球为不旋球，故只考虑乒乓球自重和空气阻力。假设一个质量为m的乒乓球从原点（0,0）以初速度沿角的方向射出，且乒乓球在空中任意点的坐标为。则乒乓球在该点的速度为： （2-15）加速度为： （2-16）根据牛顿第三定律得运动方程为： （2-17）令 ，其中：，则 根据流体动力学知： （2-18）则： （2-19）3. 运动模型三如图2.5，此时所发球为下旋球，故同时考虑重力、空气阻力及马格努斯力。此时乒乓球的运动情况比较复杂故建立空间直角坐标系来模拟其运动，乒乓球发射时与水平面xy的夹角为，它在水平面上的投影与轴成角，它旋转的角速度为，它与z轴的夹角为，它在空间任意一点的坐标为，图2.5 空间直角坐标系则乒乓球的质点速度为： （2-20）根据牛顿定理得其运动方程为：（2-21）令： （2-22）其中：。因而得其非线性方程组为： （2-23）2.6 小结本章首先介绍了乒乓球自动发球机的工作过程以及发球机构的工作原理，其次初步给定了一些乒乓球发球机的主要技术参数和指标，再根据所给的参数对乒乓球的飞行过程进行了适当的力学分析并建立了相关的数学模型，最后运用相关软件对乒乓球的飞行轨迹(包括旋球和不旋球)进行了模拟仿真，确定了乒乓球发球机各项参数的合理调节范围，实现了参数的可调性。第三章 乒乓球自动发球机的机械系统设计若要设计出满足用户需求的乒乓球发球机，则必须对人们的需求、现有发球机的不足、乒乓球的特点及其运动轨迹等进行了解。前面章节已对人们的需求及乒乓球的特点等做了分析，本章将着重介绍原发球机的不足之处，然后对其进行改进创新。目前市场上的乒乓球自动发球机形式多样，结构各异。本文根据原发球机自身的特点，对其进行了改进，研究出了一种乒乓球自动发球机。乒乓球自动发球机相较原发球机，其控制性能更加完善，能进行不同风格球的发射，且对发球角度、旋转度等要求较高的部分做了优化，使其能更人性化，更好地满足客户的多样化需求。 3.1 乒乓球自动发球机的机械部分设计如图3.1，原发球机由机座、拨球机构、输送机构、摇摆机构、发射机构等几部分组成，实现乒乓球的发射。图3.1 原乒乓球发球机的机械结构图乒乓球自动发球机的机械部分保持与原乒乓球发球机大体相同，也由以上各部分组成，通过各部分的协调工作来完成乒乓球的自动发射。但相较原乒乓球发射机，其各部分又有其不同点及创新。两者的区别与联系如下。3.1.1 拨球装置设计乒乓球自动发球机保持原有的拨球装置形状不变，乒乓球依靠其自身重力，由上而下，依次进入拨球轨道。但其设计思想有了创新。原乒乓球发球机采用拨球杆来实现拨球装置上方的乒乓球不堵塞洞口，但由于乒乓球本身是比较容易破损的物体，故而采用拨球杆易导致乒乓球的损坏，从而影响发球机的整体稳定性与可靠性。为了避免这样的缺点，提高发球机的稳定性与可靠性，本乒乓球自动发球机采用柔性材料代替拨球杆，即能保证乒乓球不会堵塞洞口，同时亦不会损坏乒乓球。3.1.2 发射装置设计原发球机的发射装置中装有一个发射轮，发射轮在电机的带动下高速旋转，当乒乓球进入发射装置后，会与发射轮发生摩擦，从而会以一定旋转角度发射出去。此设计只能发射一种类型的旋转球，不能实现多种风格球的发射。为了弥补此方案的不足，本自动乒乓球发射装置在发射端装有两个摩擦轮，通过两个直流电动机控制，通过控制直流电机的正反转及速度，可便捷的实现不同旋转球的发射，从而很好的解决了原发射装置发射模式单一的问题。3.1.3 位置调整装置设计原发球机的位置调整装置即摇摆机构可实现乒乓球发射装置的左右摆动。其摆动装置原理图如图3.2所示，包括传动杆、主从动轮、中间啮合齿轮、从动轴、拨动机构、角度调整装置等部分。其中，传动杆负责动力传递，使其具有足够的动力实现摆动动作，从动轴负责与角度调整装置配合，实现调整即摆动功能，拨动机构负责调动中间啮合齿轮实现从动轴的转动。其工作过程如下：传动杆将动力传递给主动轮，然后手动拨动机构，使其运动，带动中间啮合齿轮向上移动并使其与从动轴上的从动轮相啮合，带动从动轴转动，从动轴又带动角度调整装置转动，从而实现角度调整和摆动功能。其中拨动机构由凸轮机构带动，调整凸轮的中心位置，即可控制摆动范围。图3.2 原发球机的摇摆机构乒乓球自动发球机的位置调整装置细分为三个部分：上下移动装置、上下摆动装置、左右摆装置，可方便地实现发射装置的升降、左右及上下摆动。其原理结构简图如图3.3所示。图3.3 乒乓球自动发球机的位置调整装置简图其左右摆动装置可由步进电动机带动高精度齿轮副，实现左右摆动，从而可使发射装置的出口方向改变，进而改变乒乓球前后及左右的落点。其升降即上下移动装置由步进电动机带动丝杆螺母副实现。丝杆螺母副可将旋转运动转换为直线运动，具有摩擦损失小，传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。本自动发球机采用丝杆螺母副实现升降，满足了高精度的要求，可精密地控制乒乓球的前后落点，从而更方便使用者进行全方位的训练，达到提升的效果。本方案根据乒乓球台长度、调节精度等因素，选择丝杠螺母副的长度为30mm，直径及螺距为40mm。其上下摆动装置能过改进原发球机的机械结构，然后通过步进电动机带动齿轮齿盘实现发射装置的上下摆动。原机械结构在发射机构与机座的联接部分采用一段硬的管道，而本乒乓球自动发球机采用软管来实现，从而可方便地调节发射装置的上下角度。3.2 乒乓球自动发球机的控制部分设计原发球机的控制部分采用人工手动调节，具有劳动强度大、效率低、调节误差大等缺点，不能满足用户对发球机的要求。本乒乓球自动发球机的控制部分采用了人性化的设计，利用人机交互界面来实现发球机的整体控制，且采用集成的PLC来实现各调节部分的自动调整，具有维护方便、操作简单、工作量小、效率高、调节精度高等优点，能很好地满足用户的各种需求。本乒乓球自动发球机的拨球装置、发射装置均采用直流电动机控制，位置调整装置采用步进电动机来实现。电动机是最主要的机电能量转换装置，它的应用范围相当广泛，已涉及到我们日常生活的各个方面，如工农业生产、汽车制造、航空航天、商务办公、家用电器等。现今，电动机已融入人们的生活，密不可分。电动机按其工作方式的不能可分为直流电动机与交流电动机。早期直流电动机应用较广，而后由于变频技术的出现，交流电动机逐步取代直流电动机，成为市场上的主流，然而由于直流电动机调速等优良特点，其依旧无法被交流电动机替代，依然有自己的价值与市场。因为直流电动机具有良好的调整特性，本乒乓球发球机的拨球装置、发射装置均采用直流电动机控制，能很好地满足拨球装置与发射装置速度的控制。拨球装置的拨球杆的拨动频率及输送机构的转动速度由同一直流电动机控制，保证其速度一致，这样，才能准确无误地将乒乓球送至发射装置处，从而实现乒乓球的自动发射。发射装置上装有两个直流电动机，分别带动两个摩擦轮运动，当两摩擦轮同向转动，且速度相同时，则发出的为不旋球，控制轮的转速可控制乒乓球的发出速度；当两摩擦轮同向转动，而速度不同时，或者反向转动，速度不同时，则会发射出不同速度，不同旋转度的球，来满足用户需求。步进电动机又称脉冲电动机，它采用变磁阻成理产生电磁转矩，将数字电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动，每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的输出轴转动一步。正是由于步进电机的这种特性，故本发球机的位置调整装置采