畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì) 論計(jì) 論 文 文 題目 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 英文 Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single chip 院 別 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 日 期 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 摘要摘要 隨著我國乒乓球運(yùn)動(dòng)員不斷在世界各級比賽中取得優(yōu)異成績 喜愛乒乓球運(yùn)動(dòng)和 打乒乓球的人越來越多 同時(shí) 利用乒乓球發(fā)球機(jī)來提高乒乓球技術(shù)水平的人也越來 越多 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 本文針對已 有乒乓球發(fā)球的特點(diǎn) 技能訓(xùn)練需求 人體力學(xué)的需求 再結(jié)合現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)的 市場需求 設(shè)計(jì)了一種新型 簡易的乒乓球發(fā)球機(jī) 基于單片機(jī)的乒乓球發(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 對乒乓球 發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)思想 工作原理 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)論述 詳細(xì)介紹了該 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程 具體包括外圍設(shè)備的選擇 電動(dòng)機(jī)的選擇 PWM 驅(qū)動(dòng)器的選擇等 論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性 根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析建立了數(shù)學(xué)模型 并利用 MATLAB 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真 分析出控制落球點(diǎn)各參數(shù)的合理取值范圍 得出其相互 制約關(guān)系 設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)球機(jī)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 主要由儲球機(jī)構(gòu) 撥球機(jī)構(gòu) 螺 旋送球機(jī)構(gòu) 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 橫擺機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu) 機(jī)座 限位加固支架 簡易可拆卸手拉桿以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等十一部分組成 以及控制系統(tǒng)部分 由伺服電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng) 可發(fā)出多種帶有不同旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的球 采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制的核心 是 一種新型 性價(jià)比高的簡易自動(dòng)型乒乓球發(fā)球機(jī) 使其可以通過按鍵來控制實(shí)現(xiàn)供球 的快慢 發(fā)球的力度 旋轉(zhuǎn) 球速 使用方便 可滿足不同的用戶訓(xùn)練需求 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 單片機(jī) MATLAB 運(yùn)動(dòng)仿真 Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single chip ABSTRACT Under the circumstance that Chinese table tennis players have been constantly making outstanding achievements more people are enjoying table tennis and preferring to improve playing skill by training with serving machine This thesis aims to describe the design of Single chip based table tennis serving machine by addressing on the characteristics of serving and requirements both on skills training and human mechanics and combining with the present market of table tennis serving machine and to help trainees mastering table tennis techniques better for achieving the goal of body building The thesis is to summarize the present development both in home and foreign markets and to analyze the mechanical structures of the existing serving machines Moreover the designing philosophies and procedure operating principles and structural features of table tennis serving machine which include the selecting principles for external facilities motors and the PWM Drivers will also be described in detail to prove the stability of the operating system The reasonable parameter spans which are for controlling the dropping points are confirmed by establishing mathematical model to describe the mechanical analysis on the fling process of the ball At the same time MATLAB is used for motion simulation The designed table tennis serving machine is consisted by two parts mechanical hardware which is consisted by 11 parts the equipment to store balls poking ball institutions helical ball Sending institutions Height adjusting mechanism Yaw rate institutions swings institutions serving machine base frame Limit reinforcement stents simple and easy removable hand rods and transmission mechanism and controlling system The serving machine is driven by servo motors which can serve balls in all Rotating directions This equipment takes AT89C51 monolithic integrated circuit as the control core which is designed to be a new model cost effective and simply equipped serve machine It can be controlled by the push button controls for the serves with dynamic spins and various levels of speed To conclude this table tennis serving machine is convenient which can satisfy the different user s training needs Key words Mechanism Design of Table Tennis Serving Machine Single chip MATLAB Movement Simulation 目錄目錄 1 緒論緒論 1 1 1 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 2 1 1 1 國外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 2 1 1 2 國內(nèi)乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 3 1 2 選題的目的和意義 4 1 3 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù) 4 1 4 本章小結(jié) 5 2 乒乓球的運(yùn)動(dòng)分析乒乓球的運(yùn)動(dòng)分析 6 2 1 乒乓球發(fā)球機(jī)發(fā)球原理 6 2 2 乒乓球飛行過程的力學(xué)分析 6 2 3 乒乓球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 9 2 4 乒乓球飛行過程的仿真分析 13 2 5 發(fā)球機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 16 2 6 本章小結(jié) 17 3 乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3 1 乒乓球發(fā)球機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3 2 乒乓球發(fā)球機(jī)的各個(gè)子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3 2 1 儲球機(jī)構(gòu) 21 3 2 2 撥球機(jī)構(gòu) 21 3 2 3 螺旋送球機(jī)構(gòu) 21 3 2 4 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 22 3 2 5 橫擺機(jī)構(gòu) 22 3 2 6 縱擺機(jī)構(gòu) 23 3 2 7 發(fā)球機(jī)構(gòu) 24 3 3 乒乓球發(fā)球機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇 24 3 4 本章小結(jié) 26 4 乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 27 4 1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 27 4 2 控制系統(tǒng)各硬件電路設(shè)計(jì) 31 4 2 1 看門狗電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 4 2 2 鍵盤和液晶顯示器電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 34 4 2 3 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 36 4 3 電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 38 4 3 1 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 39 4 3 2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 44 4 4 簡易乒乓球發(fā)球機(jī)的軟件設(shè)計(jì)分析 48 4 5 本章小結(jié) 49 結(jié)論結(jié)論 50 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 51 致謝致謝 52 附錄附錄 A 圖紙和程序圖紙和程序 53 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 1 1 1 緒論緒論 乒乓球被稱為我國的 國球 歷年來 中國乒乓球隊(duì)在各項(xiàng)國際大賽中所向披靡 穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)著 霸主 地位 乒乒乓乓天下無雙 乒乓球不僅給我們帶來了無限榮耀 更是在日常生活中 為我們帶來快樂與健康 乒乓球擁有著濃厚的群眾基礎(chǔ) 是全民 健身中的一項(xiàng)重要運(yùn)動(dòng) 乒乓球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是球體輕 速度快 旋轉(zhuǎn)變化多 富有技 巧性和趣味性 乒乓球運(yùn)動(dòng)由于所需的設(shè)備比較簡單 且不受年齡 性別限制 運(yùn)動(dòng) 量可大可小 因此深受健身運(yùn)動(dòng)者的喜愛 全民對乒乓球的健身運(yùn)動(dòng)熱潮愈演愈烈 健身器材的市場需求也在不斷的擴(kuò)大 隨著乒乓球這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的廣泛開展 使用乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行輔助訓(xùn)練也越來越普及 因?yàn)榘l(fā)球機(jī)能代替許多對手之間練習(xí)中所練不到的東西 例如對于高水平的選手 使 用乒乓球發(fā)球機(jī)練習(xí)具有極其重要 積極作用 很多人都知道在運(yùn)動(dòng)隊(duì)有一種練習(xí)叫 多球練習(xí) 即通過陪練員或教練員親自揮拍 將一個(gè)一個(gè)的乒乓球發(fā)到對方臺面 運(yùn)動(dòng) 員連續(xù)擊球不斷 提高練習(xí)強(qiáng)度 使運(yùn)動(dòng)員的相持能力增強(qiáng) 另外也可作為一種體能訓(xùn) 練 但由于是人手發(fā)球 速度及頻率始終會有一個(gè)極點(diǎn) 而且教練員長時(shí)間發(fā)多球也不 可能 所以選用發(fā)球機(jī)來代替就會事半功倍 雖然它沒有人手發(fā)球的千變?nèi)f化的效果 但由于它是機(jī)械的東西 速度及頻率都可以調(diào)節(jié)到快于正常打球的極限 而且是一個(gè) 連續(xù)過程 這些是人手發(fā)多球所做不到的 對初學(xué)者來講 使用乒乓球發(fā)球機(jī)練習(xí)也 具有不可忽視的功效 剛開始學(xué)打球的時(shí)候 由于擊球動(dòng)作不正確 所以不是您將球打 出界就是我將球打下網(wǎng) 撿球的時(shí)間比真正在臺上練球的時(shí)間還要多 所以要提高技 術(shù)水平就會很慢 而且也會削弱自己打乒乓球的興趣 但使用發(fā)球機(jī)作為輔助訓(xùn)練 效 果就會大不一樣 開始的時(shí)候 把發(fā)球機(jī)的出球速度和頻率都調(diào)節(jié)慢一點(diǎn) 弧度稍調(diào)高 一點(diǎn) 發(fā)球機(jī)發(fā)出的落點(diǎn)也是從單一定點(diǎn)開始 然后到半臺 最后到全臺兩點(diǎn) 對旋轉(zhuǎn) 球的練習(xí)也是同一道理 開始的時(shí)候練習(xí)打上旋球 掌握好了以后慢慢開始練打下旋球 左側(cè)旋 右側(cè)旋等各種旋轉(zhuǎn)的球 通過這樣循序漸進(jìn) 您的球技也自然會有很大的進(jìn)步 大家都知道過去練武術(shù)的人 其中練一項(xiàng)打沙袋 開始袋里裝的是幼沙 再是粗沙 最 后是堅(jiān)硬的石頭 曾有記載 香港已故武打明星李小龍中國功夫練得爐火純青 揚(yáng)威國 際 他的練習(xí)方法其中有一項(xiàng)就是與機(jī)械練拳器對打 雖然它不是一個(gè)有智慧的東西 但它的擊拳速度 力量都高于一般對手 能征服它 說明您功夫到家 用發(fā)球機(jī)練習(xí)也 2 是這個(gè)道理 只有運(yùn)用高于和難于自己能應(yīng)付的訓(xùn)練手段 技術(shù)水平才會提高得快 使 用乒乓球發(fā)球機(jī)輔助練習(xí)可以說是幫助運(yùn)動(dòng)員提高技術(shù)水平多種途徑之一 本課題設(shè)計(jì)研究了一種多功能的基于單片機(jī)控制的簡易乒乓球發(fā)球機(jī) 它主要利 用機(jī)械電子相結(jié)合的技術(shù) 對發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與改善設(shè)計(jì) 使其便于實(shí)現(xiàn)控制 這種發(fā)球機(jī)可以人為的將發(fā)球速度控制在到 1 并且在設(shè)計(jì)中兼顧考慮 sm10sm20 了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求 提供多種訓(xùn)練模式 使得使用者掌握規(guī)范全面 技術(shù)的時(shí)間大為縮短 1 11 1 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 乒乓球發(fā)球機(jī)是很多球館和球友家庭的必備娛樂和訓(xùn)練工具 在六十年代末和七 十年代初 歐洲就出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機(jī) 乒乓球自動(dòng)發(fā)球機(jī)適用于社會 學(xué)校 家庭 專業(yè)訓(xùn)練場館使用 發(fā)球機(jī)可發(fā)各種性質(zhì)的球 既可用于娛樂健身 又適合于專業(yè)訓(xùn) 練 性價(jià)比特別高 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) 2 另一類是捶擊式發(fā)球機(jī) 按控制類型可以分為兩類 一類是半 自動(dòng) 簡單操作系列 另一類是全自動(dòng) 電腦程控系列 目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機(jī)品牌有 超級教練 樂吉高手 泰德 奧奇 雙 蛇 小飛豚 許紹發(fā) 多尼克等八大品牌 最熱銷的乒乓球發(fā)球機(jī)品牌有 超級教練 樂吉高手 泰德 奧奇 雙蛇等五大品牌 熱銷乒乓球發(fā)球機(jī)品牌簡介 超級教練 性價(jià)比比較高 適合于鍛煉健身使用 樂吉高手 美國的老品牌 是目前所有發(fā)球機(jī)中廠家承諾終身免費(fèi)維修的 泰 德 中等價(jià)位的發(fā)球機(jī) 金屬材質(zhì) 外觀造型大器 奧 奇 和泰德同屬于中等價(jià)位 也是金屬材質(zhì) 雙 蛇 目前國內(nèi)最高端的一款發(fā)球機(jī) 價(jià)格也是目前國內(nèi)最高的 全自動(dòng)化 帶遙控器 1 1 11 1 1 國國外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀外乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 國外的乒乓球發(fā)球機(jī)起步早 發(fā)展比較快 其功能比較齊全 自動(dòng)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(dòng)員的日常訓(xùn)練要求 目前 世界 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 3 上生產(chǎn)乒乓球發(fā)球機(jī)的廠家比較多 比較有影響力的有 1 NEWGY 公司之樂吉發(fā)球機(jī) 其發(fā)球原理是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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 2 Butterfly 公司之 Amicus 發(fā)球機(jī) 其發(fā)球原理是采用兩個(gè)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(shí)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 1 1 21 1 2 國內(nèi)國內(nèi)乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀乒乓球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 根據(jù)相關(guān)資料顯示 國內(nèi)的乒乓球發(fā)球機(jī)起步相對比較晚 但發(fā)展很快 從最初 的全手動(dòng)發(fā)球機(jī)到現(xiàn)在的全自動(dòng)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 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(dòng)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(dòng)調(diào)整 從而實(shí)現(xiàn)各種發(fā)出各種角度的旋轉(zhuǎn)球的目的 同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)各種發(fā)球意圖 這種半自 動(dòng)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 主要有以下幾個(gè)經(jīng)典產(chǎn)品 一是半自動(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)及電機(jī)調(diào)速 電路 該發(fā)球機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 發(fā)球速度快 經(jīng)濟(jì)實(shí)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 二是雙蛇牌乒乓球發(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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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 4 旋轉(zhuǎn)發(fā)球方式的球 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(shí)會仍然處于該狀態(tài) 由于其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需手動(dòng)調(diào)機(jī) 使整個(gè)裝置不能完全實(shí)現(xiàn) 自動(dòng) 三是許紹發(fā)智能乒乓球教練機(jī) 3 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(shí)現(xiàn)了訓(xùn)練過程的自動(dòng)化 其桌面分割為多個(gè)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 其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據(jù)實(shí) 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 1 21 2 選題的目的和意義選題的目的和意義 乒乓球運(yùn)動(dòng)堪稱我國的國球 如今隨著生活的水平提高以及人們對生活物質(zhì)要求 的增加 乒乓球運(yùn)動(dòng)越來越受到人們的喜歡 成為人們健身活動(dòng)的主要項(xiàng)目之一 雖 然愛好乒乓球運(yùn)動(dòng)的人越來越多 但往往由于缺少陪練人員或者陪練的發(fā)球力度 角 度 遠(yuǎn)近距離及球的旋轉(zhuǎn)等技術(shù)發(fā)揮不穩(wěn)定而導(dǎo)致訓(xùn)練效果欠佳 為了解決這兩大難 題 設(shè)計(jì)一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的乒乓球發(fā)球機(jī)具有積極重要的時(shí)代意義 讓更多的人能 更舒適 更有效地進(jìn)行多球練習(xí) 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 采用單片機(jī)控制 不僅能夠提高發(fā)球性能 而且能夠降低成本 可 以大大地提高訓(xùn)練效率 而且每位乒乓愛好者都希望有一位與自己水平相當(dāng)?shù)呐憔氄?在當(dāng)今工作忙 生活節(jié)奏快的條件下 乒乓球發(fā)球機(jī)則是個(gè)理想的 不受時(shí)間限制的 良師益友 功能多 價(jià)格低 能夠針對不同練習(xí)者的特點(diǎn)進(jìn)行擊球方式的設(shè)定及套路 設(shè)定的發(fā)球機(jī) 則是乒乓球愛好者的共同愿望 從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)或科研方面考慮 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(dòng)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)的發(fā)展 其未來的前景將會 很大 1 31 3 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是以現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)為背景 設(shè)計(jì)小巧 經(jīng)濟(jì) 方便的乒乓球發(fā) 球機(jī) 并對其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分析乒乓球發(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 繪制發(fā)球機(jī)的總裝圖和零件圖 根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 并利用 MATLAB 仿真其過程 分析出控 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 最后對發(fā)球機(jī)進(jìn)行相應(yīng)分析 設(shè)計(jì) 完成其設(shè)計(jì)方案 同時(shí)對控制電路進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì) 最終得出結(jié)論 說明設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 5 出基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)是完全可行的 具體內(nèi)容可分為以下幾個(gè)大部 第一部分 乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第二部分 乒乓球發(fā)球機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第三部分 乒乓球發(fā)球機(jī)的程序設(shè)計(jì) 第四部分 乒乓球運(yùn)動(dòng)過程仿真 第五部分 繪制總裝配圖和零件圖 1 41 4 本章小結(jié)本章小結(jié) 綜上所述 乒乓球發(fā)球機(jī)在我國起步比較晚 對其的進(jìn)一步的研究和發(fā)展具有重 要的現(xiàn)實(shí)意義 隨著人們生活水平的提高 全民對乒乓球的健身運(yùn)動(dòng)熱潮愈演愈烈 健身器材的市場需求也在不斷的擴(kuò)大 乒乓球運(yùn)動(dòng)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 在當(dāng)今工作忙 生活節(jié)奏 快的條件下 乒乓球發(fā)球機(jī)則是個(gè)理想的 不受時(shí)間限制的良師益友 正是在這種情 況下 無論從人們需求 經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn) 或是科研方面考慮 乒乓球發(fā)球機(jī)的開發(fā) 研究 與應(yīng)用是極其必要的 必能極大地推動(dòng)體育運(yùn)動(dòng)事業(yè)的發(fā)展以及不斷滿足人們的生活 需求 6 2 2 乒乓球的運(yùn)動(dòng)分析乒乓球的運(yùn)動(dòng)分析 2 12 1 乒乓球發(fā)球機(jī)發(fā)球原理乒乓球發(fā)球機(jī)發(fā)球原理 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 其基本發(fā)球原理是利用對轉(zhuǎn)雙輪高速 旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球的原理 如圖 2 1 乒乓球由于受到兩個(gè)由直流電機(jī)帶動(dòng)工作的旋轉(zhuǎn)方 向相反的高速摩擦輪的作用 可以獲得一定的初速度 圖 2 l 對轉(zhuǎn)雙輪發(fā)球原理圖 根據(jù)上圖的原理可以看出 當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng) 同時(shí)摩擦乒乓球使其 獲得一定的動(dòng)能 乒乓球才可以發(fā)射出去 這種原理方案簡單又實(shí)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 1 2 半徑都為 R 那么就可以計(jì)算出摩擦輪的線速度 為 1 1 R 2 2 R 當(dāng) 1 2時(shí) 乒乓球不旋轉(zhuǎn) 所獲得的瞬時(shí)速度即初速度為 1 2 當(dāng) 1 2時(shí) 乒乓球沿摩擦輪 2 方向旋轉(zhuǎn) 所獲得的初速度為 1 2 2 當(dāng) 1 2時(shí) 乒乓球沿摩擦輪 1 方向旋轉(zhuǎn) 所獲得的初速度也為 1 2 2 因此通過調(diào)節(jié) 測量兩摩擦輪的角速度就可以改變 求得乒乓球的初速度 2 2 2 2 乒乓球飛行過程的力學(xué)分析乒乓球飛行過程的力學(xué)分析 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 其發(fā)球的基本原理是利用單輪高速旋 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 7 轉(zhuǎn)摩擦球的原理 乒乓球的質(zhì)量 直徑 經(jīng)發(fā)球機(jī)發(fā)出去后 產(chǎn)生速度和角 kgm0027 0 md040 0 速度 速度給出運(yùn)動(dòng)的大小和方向 角速度表明了旋轉(zhuǎn)軸的方向 測試表明 乒乓球運(yùn) 動(dòng)最大速度達(dá) 旋轉(zhuǎn)球的最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 1 sm20min3000r 乒乓球在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí) 受到以下三個(gè)力的作用 1 重力 mgG 2 空氣阻力 與速度 方向相反 D F v 當(dāng)乒乓球在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí) 由于空氣存在粘性和慣性 會產(chǎn)生阻力 乒乓球?qū)⒘?下湍流尾跡 該阻力包括摩擦阻力和壓差阻力 摩擦阻力的大小取決于邊界層的性質(zhì) 是層流還是紊流 壓差阻力是由于邊界層產(chǎn)生分離的結(jié)果 其實(shí)際大小可通過風(fēng)洞實(shí) 驗(yàn)測定 為方便通常采用的計(jì)算公式是 其中 一空氣密度 2 2 AvCF DD 一迎風(fēng)面積 一速度 一阻力系數(shù) 是一個(gè)無量綱的量 2 4 2 dA v D C 空氣阻力的大小與雷諾數(shù)有密切關(guān)系 如圖 2 2 當(dāng)雷諾數(shù)凡時(shí) 乒乓球前1 e R 后的氣流層不發(fā)生分離 阻力正比于速度 隨著雷諾數(shù)增大 在護(hù)范 53 10310 e R 圍時(shí) 包圍球體的邊界層發(fā)生分離 阻力系數(shù)基本為常數(shù) 在大于某一臨界雷諾數(shù)時(shí) 光滑球?yàn)?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 5 103 e R 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 度時(shí) 則取空氣密度為 空氣粘度系數(shù) 3 205 1 mkg mPa 5 1082 1 則雷諾數(shù)為 vvvdRe 3 5 10648 2 1082 1 040 0 205 1 其中 一乒乓球球的直徑 一乒乓球在空氣中的速度 dv 8 圖 2 2 球體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系 當(dāng)乒乓球速度達(dá)最大 時(shí) 由圖 2 2 可知 包圍乒乓smv20 4 10296 5 e R 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 4 網(wǎng)球在 時(shí) 其阻力系 smvsm286 13 min3250 min800rr 數(shù)的表達(dá)式為 52 196 4 053 22 1 508 0 v CD 由上式可知 只依賴于 其中 是球運(yùn)動(dòng)的線速度 使球旋轉(zhuǎn)的角速度 D C v v 對于乒乓球可以忽略球旋轉(zhuǎn)的減速度 認(rèn)為是常數(shù) 本文可采用它來分析乒乓球的 運(yùn)動(dòng)軌跡 經(jīng)過分析 選取 757 0 D C 3 馬格努斯力 其方向垂直于和 L F v 當(dāng)乒乓球旋轉(zhuǎn)著在空氣中飛行時(shí) 通過球體上方的流速會加快 而通過球體下方 的流速則會減慢 由于摩擦力的作用 球體的表面上有一層薄薄的流體邊界層 邊界 層里的流體對球體的相對速度為 0 在邊界層中 離球體表面的距離越遠(yuǎn)則流速越快 在球體旋轉(zhuǎn)的狀況下 因?yàn)榍蝮w上方的流速增大而下方的流速減小 上方的流線也比 下方的流線密 所以球體上下方的流體就產(chǎn)生壓力差 此外 球體上方氣流的分離點(diǎn) 會被推向更后方 結(jié)果在球體周圍產(chǎn)生不對稱的流動(dòng)模式和垂直于流動(dòng)方向的凈升力 即馬格努斯力 如果球體表面比較粗糙 不只是摩擦力增加 也會使升力增加 如圖 2 3 當(dāng)發(fā)球機(jī)發(fā)出下旋球時(shí) 由右手定則顯示球的角速度方向?yàn)橛砂l(fā)球機(jī)向 右 馬格努斯力方向向上 而上旋球的力則向下 馬格努斯力的計(jì)算公式為 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 9 v v AvCF LL 2 2 1 為馬格努斯力升力系數(shù) 和阻力系數(shù)相似 須由實(shí)驗(yàn)測得 引用文獻(xiàn) 1 數(shù)據(jù)得 L C 與相比小得多 但對乒乓球的軌跡有很大影響 經(jīng)過 v CL 981 0 022 2 1 L C D C 分析 選取 50 0 L C 圖 2 3 馬格努斯力的形成 2 32 3 乒乓球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型乒乓球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 要研究乒乓球在空氣中的質(zhì)心運(yùn)動(dòng) 首先要明確乒乓球在空氣中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)主要 用那些量來描述 由于乒乓球運(yùn)動(dòng)的基本問題是個(gè)平面運(yùn)動(dòng)問題 所以要知道乒乓球 質(zhì)心在空氣中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 必須知道乒乓球離開發(fā)球機(jī)后任意時(shí)間 的坐標(biāo) 若t yx 能知道 時(shí)的乒乓球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)速度 的大小和方向 乒乓球的傾角 就可以確定乒tv 乓球?qū)⒁允裁此俣蕊w向何方 因此如果能夠知道變量和等五個(gè)變量之間的vyxt 函數(shù)關(guān)系 就可以完全解決乒乓球質(zhì)心在空氣中運(yùn)動(dòng)的問題 1 建立數(shù)學(xué)模型一 4 只計(jì)重力 不計(jì)阻力與升力 10 圖 2 4 直角坐標(biāo)系一 如圖 2 4 將乒乓球視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 質(zhì)量為的乒乓球從原點(diǎn) 0 0 發(fā)射以初速 m 度沿角的方向射出 0 v 設(shè)乒乓球在時(shí)刻 的位置矢量為 t T tytxtr 則乒乓球的初速度為 T tytxtv 加速度為 T tytxta 乒乓球所受的重力和阻力分別為 TT tkytkxkvfmgf 0 21 則總外力為 T tkymgtkxfff 21 由牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律得到運(yùn)動(dòng)方程為 tmytkymg tmxtkx 既 2 1 0 0 tkymgtmy tkxtmx 其初始條件為 2 2 00 x cos0 0 vx 00 y sin0 0 vy 令 2 3 txu 1 txu 2 tyu 3 tyu 4 由 2 l 2 2 和 2 3 式推出 2 4 sin0 00 cos0 00 013 021 44 43 22 21 vuu vuu gtmuktu tutu tmuktu tutu 可進(jìn)一步記為 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 sin 0 cos 0 0 0 0 4321 mk mk A vv gb tutututuu T oo T T 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 11 則 2 4 可等價(jià)地寫成矩陣向量形式 2 5 0 u ufu 其中 bAuuf 一階微分方程 2 4 或 2 5 即是乒乓球運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型 4 2 建立數(shù)學(xué)模型二 4 所發(fā)球?yàn)椴恍D(zhuǎn)球 即只計(jì)重力和空氣阻力 圖 2 5 直角坐標(biāo)系二 如圖 2 5 設(shè)質(zhì)量為的乒乓球從原點(diǎn) 0 0 發(fā)射 以初速度沿角的方向射出 m o v 乒乓球在空中任意點(diǎn)的坐標(biāo)為 yx 則在該點(diǎn)的速度為 y x v dt dy v dt dx 其加速度為 y y x x a dt dv a dt dv 根據(jù)受力分析 由牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律得其運(yùn)動(dòng)方程為 4 2 6 sin cos mgFma dt dv m Fma dt dv m Dy y Dx x 由流體動(dòng)力學(xué)知 1057 7 24 04 0 205 1 2 242 2 22 vCvCvACF DDDD 令 其中 則 D Cc 4 1057 7757 0 D C4 1073 5 c 12 得 2 7 2 cvFD 將 2 7 代入式 2 6 則可得其四階方程組 gmvcvgmcv dt dv vcvmcv dt dx v dt dy v dt dx y y x v y x sin cos 2 2 3 建立數(shù)學(xué)模型三 4 所發(fā)球球?yàn)橄滦?考慮重力 阻力及升力 圖 2 6 空間直角坐標(biāo)系 如圖 2 6 建立三維空間直角坐標(biāo)系 設(shè)乒乓球的初速度為 它與平面的夾 o vxy 角為 在平面的投影與 x 軸的夾角為 其旋轉(zhuǎn)的角速度為 旋轉(zhuǎn)軸與軸的夾 xy z 角為 乒乓球在空間任一點(diǎn)的坐標(biāo)為 zyx 則該點(diǎn)的速度為 sin sincos coscos vv dt dz vv dt dy vv dt dx z y x 根據(jù)受力分析 由牛頓定理得其運(yùn)動(dòng)方程 5 為 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 13 2 8 mgFF dt dz m FF dt dy m FFF dt dx m LD LD LLD sincoscossin coscoscossincos cossincossincoscoscoscos 令 2 9 2 2 2 1 vcFvcF LD 其中 4 2 4 1 1078 3 1073 5 cc 將 2 9 代入 2 8 得其非線性方程組 gmvvcmvvc dt dv mvvcmvvc dt dv mvvvcmvvc dt dv v dt dz v dt dy v dt dx xz z xy y yzx x z y x sin cos cossin 21 21 21 2 2 4 4 乒乓球飛行過程的仿真分析乒乓球飛行過程的仿真分析 由于發(fā)球后乒乓球的飛行軌跡與碰撞桌面后的飛行軌跡由很大的不同性 所以為 了體現(xiàn)統(tǒng)一的思想 發(fā)球的時(shí)候要直接將球發(fā)到對方的球桌上 不能像人與人比賽的 時(shí)候那樣發(fā)球 14 圖 2 7 乒乓球桌面坐標(biāo)系 如圖 2 7 己知 乒乓球球桌的長度為 寬度為 高度為 mmL2740 1 mmL1525 2 球網(wǎng)的高度為 發(fā)球的高度為發(fā)射速度為 mmH760 mm25 15 cmcmHh30 10 飛行距離為 smsmv20 10 L 由于空氣阻力對運(yùn)動(dòng)物體的影響作用比較大 尤其是像乒乓球這樣質(zhì)量輕而體積 相對比較大的運(yùn)動(dòng)物體 更要考慮空氣阻力對其運(yùn)動(dòng)的影響 因此 用 MATLAB 對乒乓 球的數(shù)學(xué)模型二進(jìn)行仿真 6 其不旋球飛行過程的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 2 8 所示 在不同的 發(fā)射速度下 可以得到乒乓球的不同落點(diǎn) 反過來要實(shí)現(xiàn)發(fā)射不同落點(diǎn)的球 通過改 變發(fā)球速度這些參數(shù)即可 通過分析 得出發(fā)球機(jī)發(fā)射有效球時(shí) 各個(gè)參數(shù)的極限大 小 方便后續(xù)程序編制 同時(shí)可以知道 發(fā)球高度的變化范圍選取與桌面的距離為 10cm30cm 時(shí) 即可發(fā)射有效球 因此設(shè)計(jì)發(fā)球機(jī)時(shí) 使其高度調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為 20cm 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 15 a b 16 c d 圖 2 8 乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 17 2 52 5 發(fā)球機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)發(fā)球機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 乒乓球發(fā)球機(jī)的工作過程是首先將乒乓球儲存在儲球機(jī)構(gòu)中 當(dāng)電源接通后 儲 球機(jī)構(gòu)中的撥桿由輸送機(jī)構(gòu)中的直流電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來 其作用是攪動(dòng)儲球器中的乒 乓球 以防止入球口堵塞 乒乓球靠自身重力落入輸送機(jī)構(gòu) 螺旋上球器將球送入送 球通道 該直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制板操作這樣就可以控制單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)球數(shù)目球在通 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)中的直流電機(jī)也以 設(shè)定的速度模式帶動(dòng)兩個(gè)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)球進(jìn)入時(shí) 在摩擦力的作用下 將球發(fā)射出 去 7 所研究的簡易乒乓球發(fā)球機(jī)達(dá)到的主要技術(shù)性能參數(shù) 1 供球頻率 30 個(gè) 分 96 個(gè) 分 2 發(fā)球速度 lOm s 20m s 3 橫擺擺幅范圍 0 30 擺動(dòng)速度 30 次 分 92 次 分 4 縱擺行程范圍 0 30 5 升降范圍 O 20cm 6 可發(fā)出上 下旋球以及不旋球 2 62 6 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章對自動(dòng)乒乓球發(fā)球機(jī)的發(fā)球原理和工作過程做了簡單介紹 同時(shí)根據(jù)乒乓球 在空中的受力情況建立了其數(shù)學(xué)模型 運(yùn)用 MATLAB 分別對不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的乒乓球的運(yùn) 動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析 確定該乒乓球發(fā)球機(jī)可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù) 得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 和不同落點(diǎn)的球 從而滿足設(shè)計(jì)要求 18 3 3 乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 從現(xiàn)行的乒乓球發(fā)球機(jī)市場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示 在現(xiàn)行市場上的乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu) 形式多種多樣 各不相同 功能各異 根據(jù)發(fā)球的動(dòng)力等自身特點(diǎn) 本課題設(shè)計(jì)研究 的新型簡易自動(dòng)乒乓球發(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(shí)也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)以方便對其進(jìn)行自動(dòng)控制 簡化改善機(jī)構(gòu)等 具有一定程度的創(chuàng)新 3 13 1 乒乓球發(fā)球機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 乒乓球發(fā)球機(jī)主要由儲球機(jī)構(gòu) 撥球機(jī)構(gòu) 螺旋送球機(jī)構(gòu) 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 橫擺 機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu) 機(jī)座 限位加固支架 簡易可拆卸手拉桿以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 等十一部分組成 乒乓球發(fā)球機(jī)的總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配圖如圖 3 1 所示 總體機(jī)構(gòu)三視 圖如圖 3 2 所示 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 19 圖 3 1 總體機(jī)構(gòu)裝配圖 20 圖 3 2 總體機(jī)構(gòu)三視圖 本畢業(yè)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)思想是 乒乓球螺旋送球機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)座的底座內(nèi)部 而儲球機(jī)構(gòu) 撥球機(jī)構(gòu) 高度調(diào)整 機(jī)構(gòu) 橫擺機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)置在底座的上端 儲球機(jī)構(gòu) 即儲球器 中 設(shè)有撥球機(jī)構(gòu) 即撥球桿 乒乓球在儲球器中 經(jīng)電機(jī)帶動(dòng)下的撥球機(jī)構(gòu)攪動(dòng) 乒乓 球進(jìn)入入球孔靠自身重力落入螺旋送球機(jī)構(gòu) 而又不至于卡在輸送的管道口 在送球 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 21 通道中設(shè)有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的螺形上球器 由其將乒乓球推入乒乓球傳送通道 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) 送球通道前段為水平設(shè)置 中段 為長度可調(diào)節(jié)的豎直設(shè)置 連接首段和中段的彎形管成阿基米德螺旋線形 本次設(shè)計(jì) 使用的阿基米德螺旋線形方程為 a 2 theta t 360 r a theta 的管道 連接中段 和發(fā)球口的部分為可任意拉伸 彎曲且具有柔韌性的上弧形軟管 上弧形桿的內(nèi)部為 空管 使乒乓球能夠沿空管上行 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 橫擺機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)控制發(fā)球 的高度橫擺和縱擺方向 發(fā)球機(jī)構(gòu)由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)射輪組成 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)和 齒輪 機(jī)座則由底座 底座蓋板組成 限位加固支架起到限制發(fā)球口上升的最高高度 和固定送球管等部件的作用 此外 乒乓球發(fā)球機(jī)還設(shè)計(jì)配備了使其便于移動(dòng)的帶有 滾輪的可拆卸的簡易手拉桿裝置 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 橫擺機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu)由 各支架固定 發(fā)球機(jī)構(gòu)中的雙輪高速旋轉(zhuǎn) 可異步調(diào)速 靠摩擦將球發(fā)射出去 調(diào)節(jié) 兩輪速度即可實(shí)現(xiàn)不同旋向球 調(diào)節(jié)縱擺機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)出球口的豎直方向上下角度的變 化 即可改變發(fā)球的弧度 通過橫擺機(jī)構(gòu)即可調(diào)節(jié)出球的水平方向左右角度的變化 調(diào)節(jié)上球器的電機(jī)轉(zhuǎn)速 即可改變發(fā)球的頻率 針對所要設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(shí)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 對市場 上的乒乓球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 為能保證這些功能的實(shí)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(dòng)控制的元件 通過分析 主要對市場上原乒乓球發(fā) 球機(jī)進(jìn)行以下幾方面的改進(jìn)設(shè)計(jì) 即儲球機(jī)構(gòu) 撥球機(jī)構(gòu) 螺旋送球機(jī)構(gòu) 高度調(diào)整 機(jī)構(gòu) 橫擺機(jī)構(gòu) 縱擺機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu) 簡易可拆卸手拉桿以及 PWM 調(diào)速器等的設(shè)計(jì) 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 8 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 22 3 23 2 乒乓球發(fā)球機(jī)的各個(gè)子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)的各個(gè)子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2 13 2 1 儲球機(jī)構(gòu)儲球機(jī)構(gòu) 圖 3 3 儲球機(jī)構(gòu) 3 2 23 2 2 撥球機(jī)構(gòu)撥球機(jī)構(gòu) 圖 3 4 撥球機(jī)構(gòu) 3 2 33 2 3 螺旋送球機(jī)構(gòu)螺旋送球機(jī)構(gòu) 螺旋送球機(jī)構(gòu)如圖 3 5 所示 乒乓球螺旋送球機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)座的底座上 在送球 通道的螺旋送球機(jī)構(gòu)中設(shè)有由電機(jī)帶動(dòng)的螺旋上球器 由其將乒乓球推入乒乓球傳送 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) 通過調(diào)節(jié)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)發(fā)球的頻率 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 23 圖 3 5 螺旋送球機(jī)構(gòu) 3 2 43 2 4 高度調(diào)整機(jī)構(gòu)高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 高度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖 3 6 為能更加完善乒乓球發(fā)球機(jī) 的功能 增加實(shí)現(xiàn)更多不同的球路變化 本乒乓球發(fā)球機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)增加了可調(diào)節(jié)發(fā)球高度的升降機(jī)構(gòu) 考慮到設(shè)計(jì)的 經(jīng)濟(jì)性 實(shí)用性和適用性 其結(jié)構(gòu)采用為由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶 動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng) 則與齒輪嚙合的齒條帶動(dòng)可以移動(dòng)的導(dǎo)球管 上上下移動(dòng) 齒條固定在可移動(dòng)的送球管道帶動(dòng)搖擺機(jī)構(gòu) 和發(fā)射機(jī)構(gòu)一起上下移動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)了出球口高度的調(diào)節(jié) 齒輪齒條是機(jī)械上常使用的且經(jīng)濟(jì)使用的傳動(dòng)元件 其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線形運(yùn)動(dòng) 同時(shí)兼具較高 精度 可逆性和高效率的特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)齒輪齒條的選擇是 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 齒頂高 ha 1 齒根高 hf 1 25 齒高 h 2 25 齒距 P 3 14 的較高精度齒條 圖 3 6 高度調(diào)整機(jī)構(gòu) 3 2 53 2 5 橫擺機(jī)構(gòu)橫擺機(jī)構(gòu) 如圖 3 7 橫擺機(jī)構(gòu)中 齒輪由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)固定在發(fā)球口支架下端 與其嚙合的半齒輪盤固定于可上下移動(dòng)的的送球管道上 當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 即可實(shí)現(xiàn)發(fā)球 24 機(jī)構(gòu)的水平方向的左右擺動(dòng) 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)速即可控制出球管道的擺 動(dòng)角度和速度 圖 3 7 橫擺機(jī)構(gòu) 3 2 63 2 6 縱擺機(jī)構(gòu)縱擺機(jī)構(gòu) 如圖 3 8 該機(jī)構(gòu)的作用是帶動(dòng)發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)上下的擺動(dòng) 從而使發(fā)球口與水平方 向的夾角發(fā)生變化 同時(shí)要求這種變化可控制 由電機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)球口在豎直方向的 角度變化 圖 3 8 縱擺機(jī)構(gòu) 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 25 3 2 73 2 7 發(fā)球機(jī)構(gòu)發(fā)球機(jī)構(gòu) 發(fā)球機(jī)構(gòu)如圖 3 9 所示 操縱發(fā)球機(jī)構(gòu)和搖擺機(jī)構(gòu) 可以調(diào)整發(fā)球口有不同的傾 角 能實(shí)現(xiàn)乒乓球落到不同的前后落點(diǎn) 而發(fā)球機(jī)構(gòu)中的發(fā)射輪 有電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高速 旋轉(zhuǎn) 當(dāng)乒乓球進(jìn)入發(fā)球機(jī)構(gòu) 與摩擦輪接觸時(shí) 摩擦輪作用在乒乓球上 將乒乓球 從發(fā)射口快速射出 為改變原發(fā)球機(jī)只能發(fā)射上旋球的缺點(diǎn) 該發(fā)球機(jī)的發(fā)射裝置設(shè) 計(jì)為由兩個(gè)摩擦輪組成 分別由兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)來帶動(dòng) 當(dāng)兩摩擦輪的速度不同時(shí) 即可發(fā)射不同旋轉(zhuǎn)速度的上旋球或下旋球 兩輪的速度相同時(shí) 即可發(fā)射不旋球 通 過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)球的初速度 圖 3 9 發(fā)球機(jī)構(gòu) 3 33 3 乒乓球發(fā)球機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇乒乓球發(fā)球機(jī)的電動(dòng)機(jī)選擇 從乒乓球發(fā)球機(jī)的發(fā)球設(shè)計(jì)原理可知 乒乓球發(fā)球機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)主要是由電動(dòng)機(jī) 來提供動(dòng)力源 因此電動(dòng)機(jī)的選擇在本設(shè)計(jì)中非常重要 電動(dòng)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(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率要大 速度 要快 4 控制供球頻率的電動(dòng)機(jī)力矩要大 穩(wěn)定性要好 5 防震和防干擾性能要好 6 體積小 質(zhì)量輕 減小機(jī)身體積和支架支撐重量 等 所以 乒乓球發(fā)球機(jī)的各 個(gè)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)均選取微型電機(jī)的型號 26 發(fā)球口帶動(dòng)摩擦輪的高速電機(jī)的確定 由第二部分資料知乒乓球發(fā)出的飛行速度 應(yīng)小于 vsm 20 所以可知 由 乒乓球橡皮輪 rr v n 2 可知 2 乒乓球橡皮輪 rr v n 代入已知值 得 min r75 2729 04 0 03 0 2 6020 n 所以綜上所述 根據(jù)相關(guān)資料 高速電機(jī)應(yīng)選擇額定轉(zhuǎn)速為 額定功min 3000r 率為 P 25W 額定電流為 0 27A 單相電壓為 220V 的微型直流電機(jī) 橫擺機(jī)構(gòu)以及縱擺機(jī)構(gòu)的兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇為 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 其保持 轉(zhuǎn)矩為 0 13N m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0 03 功率為 P 55W 額定電流為 1 T M J 4 10 I 0 75A 電源輸入為 U 100V 帶動(dòng)高度調(diào)整機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇為 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 其保持轉(zhuǎn)矩為 0 16N m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0 035 功率為 67W 額定電流為 0 75A 1 M J 4 10 電源輸入為 U 100V 撥球機(jī)構(gòu)和螺旋送球機(jī)構(gòu)的直流電動(dòng)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 T n 1200r min 各機(jī)構(gòu)的電機(jī)都是選用三菱萬寶至 mabuchi motor 微型電動(dòng)機(jī) a 微型直流電動(dòng)機(jī) RS 385SD b 微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī) FC 260SA 基于單片機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 27 圖 3 10 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型電動(dòng)機(jī) 1 微型直流電機(jī) RS 385SD OUTPUT 0 9W 40W APPROX WEIGHT 70g APPROX 圖 3 11 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型直流電動(dòng)機(jī) RS 385SD 2 微型步進(jìn)電機(jī) FC 260SA OUTPUT 0 4W 17W APPROX WEIGHT 28g APPROX 圖 3 12 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī) FC 260SA 3 43 4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章通過對目前市場乒乓球發(fā)球機(jī)的原理分析 對簡易乒乓球發(fā)球機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì) 同時(shí)對其整體機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的說明 對其相應(yīng)具有的功能也做了詳細(xì)的介紹 簡易乒乓球發(fā)球機(jī)與現(xiàn)有的發(fā)球機(jī)相比 其不同之處在于其結(jié)構(gòu)簡單 也能實(shí)現(xiàn)控制 乒乓球的球速和發(fā)球頻率 有效地作到了按人的各種速度需求來制定相應(yīng)的方案 發(fā) 28 出滿足各種需求的球 并力求物廉價(jià)美 4 4 乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)乒乓球發(fā)球機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為使乒乓球發(fā)球機(jī)能夠比較完善的實(shí)現(xiàn)依靠自身的控制系統(tǒng)自動(dòng)控制的功能 在 對現(xiàn)行乒乓球發(fā)球機(jī)市場的乒乓球發(fā)球機(jī)的控制系統(tǒng)的分析研究的基礎(chǔ)上 對本畢業(yè) 設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)球機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能主要包括 控制發(fā)球機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)以不同 頻率供球 控制發(fā)射機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各種球類的發(fā)射 控制搖擺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各種擺動(dòng)動(dòng)作 控 制高度調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)發(fā)球高度的變化 以及控制其它輔助設(shè)備工作等 4 14 1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)球機(jī)的控制器采用美國 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī) 89C51 為核心微處理器 外圍擴(kuò)展電路包括 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路 鍵盤和 液晶顯示電路 核心微處理器對傳感器采集的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行分析 計(jì)算出與給定轉(zhuǎn)速 的誤差值 啟動(dòng)軟件算法調(diào)節(jié)器 產(chǎn)生輸出信號經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路送給直流電動(dòng)機(jī) 通過 對直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制 同時(shí)驅(qū)動(dòng)各步進(jìn)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作 通過鍵盤可以選擇發(fā)球模式 以及設(shè)置發(fā)球速度 方向等 液