摘要：乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理、過(guò)程、設(shè)計(jì)及在實(shí)際中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：乒乓球發(fā)球機(jī)，工作原理，設(shè)計(jì)
1.乒乓球發(fā)球機(jī)的工作原理
乒乓球發(fā)球機(jī)是集電子、機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)物，它具有自動(dòng)化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種特性。它的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)輪摩擦球原理，乒乓球由于受到一個(gè)旋轉(zhuǎn)磨擦輪的作用可以獲得一定的初速度，而摩擦輪在一個(gè)直流電機(jī)的控制下工作。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)磨擦乒乓球球使球獲得一定的動(dòng)能，乒乓球才得以發(fā)射出去。這種原理方案既簡(jiǎn)單又實(shí)用，它既能保證乒乓球球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的角度及速度，使用戶隨心所欲地練習(xí)打乒乓球。
設(shè)輪子的角速度為ω，半徑為R，那么就可以計(jì)算出輪子線速度:V=ω×R
則在瞬時(shí)間網(wǎng)球所獲得的速度為V，這就是乒乓球的初速度。
因此通過(guò)測(cè)量輪子的線速度就可以求得乒乓球的初速度。
2乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過(guò)程
乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過(guò)程是乒乓球球首先貯藏在儲(chǔ)球箱里，當(dāng)電源接通后供球裝置內(nèi)的電機(jī)工作，通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)儲(chǔ)球器里的攪拌器旋轉(zhuǎn)，乒乓球經(jīng)漏斗進(jìn)入送球裝置。由送球裝置內(nèi)的葉片輪旋轉(zhuǎn)將球送出，經(jīng)送球管道到達(dá)機(jī)頭處的出球口。葉片輪也由電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，葉片輪轉(zhuǎn)速由對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制控制這樣就可以控制單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出球的個(gè)數(shù)。乒乓球到達(dá)出球口后，驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球從而使球發(fā)出。按動(dòng)機(jī)頭左右擺動(dòng)裝置箱上的按鈕可以通過(guò)箱內(nèi)的類似曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動(dòng)。調(diào)解機(jī)頭上的手動(dòng)調(diào)解按鈕可以通過(guò)機(jī)頭上的彈簧裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的上下調(diào)節(jié)。3乒乓球發(fā)球機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
乒乓球發(fā)球機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：底座部分的設(shè)計(jì)，送球裝置的設(shè)計(jì)，球道的設(shè)計(jì)，儲(chǔ)球器的設(shè)計(jì)，調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)，機(jī)頭部分的設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的選擇等。
3.1乒乓球發(fā)球機(jī)整體方案的確定
3.1.1乒乓球發(fā)球機(jī)設(shè)計(jì)要求：
乒乓球發(fā)球機(jī)需要滿足的主要要求如下所示：
1、令使用者更加掌握有度，多落點(diǎn)，多角度。
2、出球頻率：30-72次/分鐘；出球速度：4–50公尺/秒
3、出球角度：可調(diào)范圍30度；出球弧度：可調(diào)范圍40度
4、出球速度，出球頻率通過(guò)遙控器操作。
3.2.2整體方案的確定：
根據(jù)以上要求，現(xiàn)確定出本套發(fā)球機(jī)整體方案如下：
1、機(jī)體材料主要選用增強(qiáng)塑料，ABS制成。部分零件選用優(yōu)質(zhì)鋼制成，關(guān)于這些材料的優(yōu)點(diǎn)將在下面具體介紹。
2、發(fā)球采用固定在出球口上的摩擦輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球?qū)⑶虬l(fā)出的原理。出球口采用單輪驅(qū)動(dòng)，并且單輪可實(shí)現(xiàn)八種方位的調(diào)節(jié)，從而能夠使發(fā)出去的乒乓球?qū)崿F(xiàn)八種不同的旋轉(zhuǎn)。
3、送球裝置，球口驅(qū)動(dòng)輪裝置，儲(chǔ)球器內(nèi)攪拌器均采用小功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
4、通過(guò)曲柄連桿裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右來(lái)回?cái)[動(dòng)，曲柄輪裝置仍采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
3.2底座部分的設(shè)計(jì)
發(fā)球機(jī)底腳采用四個(gè)滾輪裝置。一方面四個(gè)滾輪足以承受機(jī)體重量，另一方面采用滾輪可以輕松的挪動(dòng)機(jī)體，從而給用戶帶來(lái)方便。底座板采用薄金屬件，能夠很好的承受機(jī)體重量。
3.3送球裝置的設(shè)計(jì)
送球裝置是整套乒乓球發(fā)球機(jī)的核心部分，也是衡量一套乒乓球發(fā)球機(jī)性能是否優(yōu)越的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，送球裝置能否順利實(shí)現(xiàn)預(yù)期送球功能關(guān)系到整套產(chǎn)品能否被成功設(shè)計(jì)出來(lái)。因此，送球裝置的設(shè)計(jì)是整套產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。
本裝置采用的是葉片輪旋轉(zhuǎn)送球機(jī)構(gòu)，葉片輪由一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。葉片輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周可以送出六個(gè)球。對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩�改變�(nèi)~片輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而改變送球頻率。葉片輪所在的中隔板與郵件玻璃板構(gòu)成一密閉室。為了防止卡球現(xiàn)象，葉片輪后是一段彎曲的球道，從而使乒乓球能夠順利地進(jìn)入送球管道。在送球裝置內(nèi)共設(shè)計(jì)兩個(gè)直流電機(jī)。其中一個(gè)電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)葉片輪和攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動(dòng)。電機(jī)的選用在下面章節(jié)介紹。
3.4.材料的選擇
送球裝置中，裝置殼體，葉片輪，及中隔板的制作材料是增強(qiáng)塑料，增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)：有較高的強(qiáng)度，剛度，韌性；有良好的耐磨性與耐疲勞性，并有較高的熱變形溫度。從增強(qiáng)塑料的特點(diǎn)上來(lái)看，它是適合做這些部件的材料的。
送球裝置中，三對(duì)傳動(dòng)齒輪以及齒輪軸均采用ABS材料注塑制成，ABS材料的特點(diǎn)：ABS是由苯乙烯—丁二烯—丙烯腈為基的三元共聚體，故具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌性與良好的機(jī)械強(qiáng)度；優(yōu)良的耐熱，耐油性與化學(xué)穩(wěn)定性；尺寸穩(wěn)定，易于成型和加工，且表面可渡金屬；電性能良好。鑒于ABS材料具有以上優(yōu)良的特性，正適合齒輪這種轉(zhuǎn)速高，強(qiáng)度、沖擊韌性大，局部溫度高，加工較為復(fù)雜的裝置，因此特選用ABS作為三對(duì)齒輪與齒輪軸的制作材料。
3.4.1葉片輪的設(shè)計(jì)
葉片輪的作用是通過(guò)其旋轉(zhuǎn)將球順利地送入送球管道中。本套發(fā)球機(jī)的葉片輪采用六葉片機(jī)構(gòu)，即旋轉(zhuǎn)一周輸送六球，選用ABS材料注塑制成。葉片厚度為42mm。
3.4.2中隔板的設(shè)計(jì)
中隔板的作用是安放葉片，電機(jī)與軸承，并且與有機(jī)玻璃板共同封閉住電機(jī)，葉片輪與乒乓球。因此，中隔板的厚度要綜合考慮以上幾個(gè)因素。中隔板的具體尺寸見(jiàn)CAD送球裝置部件圖。
3.5.傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中采用三對(duì)齒輪傳動(dòng)，兩對(duì)斜齒圓柱齒輪和一對(duì)圓錐齒輪傳動(dòng)。即可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制葉片輪同攪拌器的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于本套設(shè)備中的齒輪傳遞力矩相對(duì)較小，對(duì)齒輪材料的強(qiáng)度要求也不是很高，因此所用塑料齒輪，制造材料選擇ABS。
塑料齒輪以質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、振動(dòng)小、噪音低、化學(xué)性能穩(wěn)定、加工成本低、便于大批量快速生產(chǎn)等眾多優(yōu)勢(shì)受到了很多傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及研發(fā)工程師的青睞。其設(shè)計(jì)過(guò)程大體上分為以下幾個(gè)部分：齒輪副理論設(shè)計(jì)、齒輪模具設(shè)計(jì)、齒輪模具制造和齒輪注塑生產(chǎn)，其流程如下頁(yè)圖所示：
鑒于目前常用的塑料齒輪多為漸開(kāi)線小模數(shù)齒輪，故本套系統(tǒng)的直齒傳動(dòng)齒輪的模數(shù)選為1。現(xiàn)選擇一對(duì)直齒齒輪對(duì)其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)：
1、模數(shù)：m=1
2、齒數(shù)：Z1=60mm，Z2=120mm，即傳動(dòng)比i=2
3、分度圓直徑：d1=60mm，d2=120mm，故中心距a=90mm
4、壓力角：α=
5、齒頂高系數(shù)：=1，故兩齒輪的齒頂圓直徑為：=62mm,=122mm
6、頂隙系數(shù)：=0.2，故兩齒輪的齒根圓直徑為：=57.6mm，=117.6mm
其他齒輪的參數(shù)選擇方法同這一對(duì)齒輪，現(xiàn)不予一一介紹。

3.6傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)軸采用增強(qiáng)固體塑料注塑制成，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)參照金屬軸的設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)選第一對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)：
第一對(duì)軸連接的是電動(dòng)機(jī)和齒輪，已知通過(guò)脈寬調(diào)制后電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為：10r/min—24r/min,電機(jī)功率為：50W。
即軸的最小直徑d=A0mm=100×=17mm
即需要的軸的最小直徑為17mm，本套系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的軸的直徑為20mm，因此可以滿足要求。
3.7送球管道的設(shè)計(jì)
發(fā)球球道基本設(shè)計(jì)原則就是能夠?qū)⑵古仪蝽樌�地送入發(fā)球口處，不能造成中間卡球。
發(fā)球管道的材料選用增強(qiáng)塑料，一方面能減輕底座承受的重量，便于安裝與固定；另一方面可以減少制造成本。送球管道下部分同送球裝置頂蓋的凸臺(tái)處用四個(gè)螺釘連接，上面部分同機(jī)頭的調(diào)整彈簧采用過(guò)盈連接，從而保證了乒乓球能夠順利進(jìn)入機(jī)頭發(fā)球口處。在球道中間部分還設(shè)置了與回收球網(wǎng)相連接的套環(huán)。
3.8儲(chǔ)球器的設(shè)計(jì)
儲(chǔ)球器是乒乓球的盛放裝置，負(fù)責(zé)將乒乓球順利送入送球裝置中。
在設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)球器的材料選用增強(qiáng)塑料，儲(chǔ)球器的下端設(shè)計(jì)成傾斜面，從而可以將乒乓球集中到儲(chǔ)球器口處。為了進(jìn)一步防止由于乒乓球互相擠壓而產(chǎn)生的壓力將球卡在球道處，在儲(chǔ)球器底板靠近球口處設(shè)置了一個(gè)攪拌器裝置。通過(guò)攪拌器的攪拌消除球與球之間的持續(xù)靜止壓力從而有效地防止了卡球現(xiàn)象的發(fā)生。
3.9機(jī)頭的設(shè)計(jì)
機(jī)頭是最終實(shí)現(xiàn)發(fā)球的裝置，是整套系統(tǒng)中功能實(shí)現(xiàn)的裝置。因此，這個(gè)裝置也是整套乒乓球發(fā)球機(jī)的重要的一個(gè)部分。本套系統(tǒng)中機(jī)頭的設(shè)計(jì)主要包括以下部分：發(fā)球口，發(fā)球電機(jī)，旋轉(zhuǎn)刻度盤以及彈簧。
出球口的直徑為40毫米，厚度為5毫米，材料選用增強(qiáng)塑料，機(jī)頭可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)橫擺裝置實(shí)現(xiàn)左右自動(dòng)擺動(dòng)，通過(guò)手動(dòng)按鈕和彈簧裝置實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。
3.10調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)
調(diào)整裝置是乒乓球發(fā)球機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化，人性化的一個(gè)典型設(shè)計(jì)部分。這部分所起的作用是帶動(dòng)機(jī)頭左右擺動(dòng)，從而發(fā)出來(lái)自各個(gè)方位的乒乓球。極大的模擬了人工陪練。
根據(jù)機(jī)頭的特點(diǎn)，選用曲柄搖桿的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭的左右擺動(dòng)。送球裝置內(nèi)的一個(gè)直流電機(jī)帶動(dòng)曲柄桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)搖桿的牽引使轉(zhuǎn)盤左右運(yùn)動(dòng)從而使固定在轉(zhuǎn)盤上的機(jī)頭實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)。通過(guò)對(duì)曲柄桿長(zhǎng)，搖桿長(zhǎng)，轉(zhuǎn)盤圓心與曲柄桿固定處的距離進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)頭相應(yīng)轉(zhuǎn)角范圍的設(shè)定。
在本套設(shè)計(jì)中，曲柄桿長(zhǎng)選用，搖桿長(zhǎng)選用120mm，轉(zhuǎn)盤中心與曲柄桿固定處的距離選用，機(jī)頭處于正中心位置，從而實(shí)現(xiàn)了當(dāng)搖桿到達(dá)極限位置時(shí)，機(jī)頭能夠左右對(duì)稱的擺動(dòng)，且擺動(dòng)夾角為30度。
3.11小結(jié)
本章對(duì)乒乓球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)原理及整體結(jié)構(gòu)作了一個(gè)總體的說(shuō)明，對(duì)其相應(yīng)部分所具有的功能也作了一個(gè)詳細(xì)的介紹，并對(duì)該機(jī)器的實(shí)際問(wèn)題提出了具體設(shè)計(jì)方案。這將對(duì)乒乓球發(fā)球機(jī)的制造和這方面工作的開(kāi)展大有好處。