投篮高手设计说明书.doc

。目录1.研制背景及意义22.设计方案32.1问题的提出32.2解决问题42.3可行性分析53.作品设计说明53.1作品简介53.2作品结构说明53.3作品详细设计说明63.4设计计算94.制作方案及过程184.1材料及成品零件购买194.2零件加工214.3组装244.4特效及外观美化265.创新点及应用276.成本计算277.结束语28投篮高手设计说明书设计者：李玲，李燕辉，黎军海，张海石，胡俊杰指导教师：张志强（联系人：李玲，武汉大学动力与机械学院09421班，湖北武汉430072 电话Email：979589500）摘要：结合当前人们的娱乐需求，运用机械原理和自动控制技术，结合实际生活中广受喜爱的篮球与足球运动，设计并制造出一台适合于日常休闲娱乐的桌面投篮机，为人们提供生活乐趣和缓解压力的途径。关键词：桌面投篮 休闲娱乐 机械原理1. 研制背景及意义据统计，在中国13亿多人口中，14岁以下的少年儿童及婴幼儿便接近3亿多人，占全国人口的25%，占全球适龄儿童的1/3左右，他们构成了一个异常庞大的玩具消费群体。并且随着国内居民生活条件的改善，玩具消费越来越高，目前国内的玩具市场正在以每年40%速度增长。另外玩具已经不再是儿童的专利，由于工作节凑加快，生存压力增大，玩具作为休息娱乐产品的代表，成人也经常利用玩具来实现心情的放松和压力的缓解。很多玩具设计日趋智能化，机电和科技的含量增高，越来越适应不同年龄阶层的消费需求。玩具心理学家认为，成人也有游戏心理，总希望在一个游戏的世界里找回现实世界中失去的平衡。因为对于成人来说，在紧张忙碌的生活中，玩玩具可令人暂时忘记压力因此玩具成为最好的解压工具。而对于老人来说，玩具则可以排遣寂寞，增加老人的大脑活动量。中国社会调查事务所的一项调查显示：中国玩具消费市场潜力巨大，据估计，我国成人玩具市场仅青年需求一年就达500亿元人民币左右，并且33%的成人认为自己喜欢并愿意购买玩具。国外的经验也表明，玩具的开发和销售面向成人，是世界玩具业的新热点。成年休闲益智玩具已经成为了一种潮流，蕴藏着巨大的商机。随着姚明、易建联和林书豪等篮球明星成功加盟美国职业篮球联盟（NBA）并崭露头角，国人越来越关注和喜爱篮球这项体育运动。如今篮球已毫无争议的成为中国的第一大球类运动，球迷的数量和狂热度正不断飙升，与篮球相关的产业（如体育用品、运动服装、篮球电子游戏等）也在快速发展，与之相关的休闲娱乐产品也受到了人们极大的关注。对于不具备经常进行户外球类运动的儿童或成人来说，室内的球类休闲娱乐小玩具就成了一个非常不错的选择，而且室内的球类休闲娱乐小玩具即可以节约空间，同时又让人们摆脱了场地、时间、人员的束缚，让你可以无拘无束，随心所欲地进行运动。在这样的背景之下，简单好玩且功能齐全的桌面投篮机，以其适合于各种生活和办公场所，适合于各类人群的特点，势必会成为社会的新宠，具有巨大的市场前景，值得投资和研发。2. 设计方案2.1 问题的提出问题1：学习、办公空间不大，给在室内学习工作的人员的娱乐休闲带来不便。人们长时间工作后，总会疲劳，从而导致效率降低，但工作区域空间利用率一般会比较高，提供给人们休闲娱乐放松的空间十分有限，如图1所示。这样使得很多休闲娱乐方式（例如一些大型的户外体育运动）不可能进行。是否能设计一种休闲娱乐产品使人们既可以放松心情，又可以节约空间？ 图1室内办公学习环境问题2：目前消费者选择的玩具中，娱乐类所占份额最重（达到42%，如图2所示）。体育类玩具开始进入人们的眼球，例如篮球投篮玩具和足球比赛玩具等，但目前市面上的投篮玩具大多平淡无奇，投篮方式单一，投篮地点和方向比较固化，难以引起玩家持久的兴趣，玩家在一段时间后往往就会失去新鲜感。是否能设计一种休闲娱乐产品包含多种体育娱乐项目，从而让人们只需拥有一件娱乐产品，就能享受到多种娱乐活动的乐趣呢？图2 消费者选择的各类型玩具所占比重问题3：目前市面上的球类玩具设计大多比较简单，以图3所示的篮球投射器为例，投射器采用弹片制作，通过拨动弹片发射小球。这种投射器限制了玩家对于力度和高度的调节，并且弹片容易损坏和老化，另外这种弹射器也只适合于投射篮球，其他球类并不适合，而且这个玩具不适合于在有限空间内进行玩耍。是否能设计一种球类娱乐产品，使其投射器体积小，并且方向、高度和位置可自由调控，另外也适用于篮球投射和足球射门等多种游戏？图 3 市面上的篮球玩具投射器2.2 解决问题（1）为解决空间小的问题，现设计一个桌面迷你型的玩具投篮机，体积大小仅为300mm*200mm*250mm，玩具外观与篮球场类似，并配有篮球篮板、足球球门、弹射器、障碍板和球等零件。为体现真实的感觉，投篮机内的篮球场地、篮板、篮网等与实物比例相当，并添加有边界线等效果。投篮机对于场地、环境没有严格要求、占地小且外形美观，平时也可作为一款不错的室内装饰品。（2）投篮游戏中，通过设置不同大小篮筐，是游戏有不同等级，满足不同人群的需求。出投篮游戏外，还增设了足球门，也是通过弹射器进行射门，使游戏内容更加丰富。弹射器与球门之间，设置一障碍板，并通过电机带动，使其能自动左右移动，模拟实际射门中对方球员的阻碍，增加了趣味性。挡板在电路的控制下，可实现调速和自动往复运动，并且玩家可以选择不同的速度档位来改变游戏难度，这大大增加了游戏的趣味性，满足了不同玩家的各种需求。（3）首先通过增加弹射器轨道，使弹射器可以左右移动，同时使弹射器可以360度调整投射方向；然后增加外罩，可以防止小球弹射后掉落；最后配有自动计数器，当小球投入篮筐中，计数器会记录下投中的次数，显示在LED面板上。通过以上设计，大大增加了玩具的趣味性和灵活性，更能激发出玩家的兴趣。2.3 可行性分析市场方面，目前国内的玩具市场正在蓬勃发展，而且成年休闲益智玩具已经成为了一种潮流，蕴藏着巨大的商机。制作方面，作品虽然紧凑性要求较高，但仅涉及机械设计，自动控制，电机控制等基本原理，均为平常所学的知识；作品制作方面，作品零件一部分来源于自己加工，但结构比较简单，加工难度较低，其余零件均为，既节约了加工成本，又降低了制作难度，同时保证了质量。成本方面，根据制定的预算，购买件所需经费为1189元，加工则在学校工程训练中心进行，经费由学校统一支付。预计最终作品的总成本不超过2000元。终上所述，该作品无论从市场前景，还是从加工制作和成本等方面都有很大的可行性。3. 作品设计说明3.1 作品简介在目前生活工作压力大，适当的休闲娱乐受到人们广泛关注地情况下，我们设计的这款多角度投篮机（又称投篮高手）体积小，游戏内容多，方式灵活，非常适合于在学习、办公之余的休闲娱乐，帮助人们放松心情。多角度投篮机大小为300mm*200mm*250mm，并模拟真实篮球场外观，配以篮球篮板，足球球门，弹射器，障碍板，球等零件。投篮机共有两种游戏模式足球射门模式、篮球投篮模式，玩家利用弹射器可进行投篮和射门两种游戏，娱乐性和趣味性很强。3.2 作品结构说明作品结构如下图所式。图4 作品设计图本作品总体尺寸为300mm*200mm*250mm，具有体积小，结构紧凑，功能性强、制作工艺简单等特点。3.3 作品详细设计说明（1）弹射器原理作为作品的中心机构，弹射器根据预先设计功能的需要，以弹簧驱动击打实现小球的弹射，并需要实现弹射方向和高度的调节，以及弹射器自身左右自由移动的功能。其基本机构由高度可调支架、发射器、滚珠式轴承滑块、导轨等零部件组成，其中滑块导轨固定于底板上，用以左右移动调节方位；高度调节支架由螺纹连接固定于滑块上，可调节高度及角度；弹簧穿过套筒，两端分别固定在击打头和后盖内侧；拉杆从后盖穿入弹簧中，和击打头通过螺纹连接，使用时以适当大小的力将拉杆向外拉出一段距离，使得弹簧有一定压缩量，然后放开拉杆，弹簧驱动拉杆撞击小球，即可让小球以一定的初速度弹射出去。弹射器总装配效果图如下图所示。图5 弹射器零件效果图（2）障碍板运动原理在底座内部，设置有可以调速的左右往复运动机构，并与上部的障碍板相连，通过下部运动机构带动障碍板运动。 运动装置原理原理图如图6所示，滑块安装在固定在底座内部的滑轨上，可以在滑轨上的平滑的移动。滑轮的运动通过由电机带动的转轮转动，带动连接着滑块的线运动来实现。当电机正向运动时，转轮正向转动，牵引滑块正向移动：当电机反向运动时，转轮反向转动，牵引滑块反向移动。同样，当电机速度减慢时，转轮速度减慢，滑块的移动速度也随之减慢；当电机速度加快时，转轮速度加快，滑块的移动速度也随之加快。 因而通过控制电路，控制直流电机的转动方向和转速，就可以实现控制滑块的往复运动和调速的功能。图6 往复运动机构原理图 调速控制如图7所示，运用电路的原理，通过控制开关改变电池的串联个数，从而控制电机的转数，进而控制挡板的移动速度。图7 调速控制电路 往复运动如图8所示，通过控制电路，控制直流电机的转动方向和转速，可以实现控制滑块的往复运动功能。障碍板模仿守门员形状，用来阻碍小球弹进球门，增加难度和趣味。障碍板安装在电机上，电机启动后带动螺杆机构转动，使得螺杆上连接的滑块移动，滑块上安装拨动开关，滑块移动到边缘时，边缘突起的螺钉使开关反向拨动，电路反接从而使电机反转，如此循环，实现障碍板自动换向移动。图8 换向机构设计图（3）计数器原理如图9所示，计数器采用ZX - 5B数显电子计数器，传感器采用微动开关。在市场上购买现成的数显电子计数器，根据装置需求进行相应改装。图9 数显电子计数器（4） 篮筐设计为了满足不同使用者对难度的要求，设计两个大小不同的篮筐，使用者可以选择不同的难度等级，增加了作品的可玩性。 图10 大小不同的篮筐3.4 设计计算（1）弹簧设计计算 小球受力分析小球在空中运动时，同时受重力和空气阻力作用。由于小球直径很小，而且空气阻力与迎风面积成正比，即，故与重力相比，空气阻力可以忽略，认为小球只受重力作用。而实际上，小球在空中运动是受到空气阻力的，下面对小球受到的空气阻力进行分析。小球被弹射出后，会旋转，会受到升力，这是由于旋转而出现的压力差导致的，它与球体运动的速度和旋转频率有关。升力 式中为升力系数; 为空气密度； 是球的直径; 是球的旋转频率; 是球速。 空气阻力与速度关系的理论推导考虑平板在空气中运动时所受到的压差阻力 ,如图所示(考虑空气相对于平板运动) 。图10 平板在空气中运行所受压差阻力示意图假定把尚未到达平板上气流称作“状态 1”,而把已到达平板上的气流称作“状态2” ,并先假定气流原先静止，撞在平板上以后随平板一起运动，即 v1=0,v2=v，根据Bernoulli原理，有式中：P1,P2分别为状态1，状态2时单位体积的气流压力能；v1, v2分别为状态1，状态2时气流的速度；为气流的密度。由，可以得到压力差。如果认为平板后面的气流也处在“状态2”，那么，平板受到的阻力式中：为迎风面积。对于小球，代入上式，可得运动阻力为由上式可知，小球在空气中运动的阻力与速度的二次方和直径的二次方的乘积成正比。因为小球的运动速度和直径一般都是比较小的，所以，不考虑空气阻力对运动的影响是合理的。 小球运动分析由上面分析，小球运动时只受重力作用，所以其运动轨迹为抛物线，运动示意图如图11所示。图11 小球运动轨迹示意图小球在水平方向的运动方程为在竖直方向的运动方程为联立以上两式，消去时间，得小球的运动轨迹方程为式中：为小球的水平初速度； 为小球的竖直初速度； 为重力加速度，取； 为运动时间； 为小球的水平位移； 为小球的竖直位移。假设篮筐距发射器的水平距离为，竖直距离为，示意图如图12所示。图12 篮筐与发射器位置示意图要使小球可以落到篮筐中，应满足即记即在小球被射出时，其动能是弹簧的弹性势能转化而来的，忽略小球和套筒之间的摩擦损失，由能量守恒，得式中：m为小球的质量； k为发射器弹簧的劲度系数； x为弹簧的形变量； v为小球的初速度。要使小球能够落到篮筐中，应用即在实际设计中，弹簧的形变量x受到场地尺寸的限制，即x是有要求的，所以应选择弹簧的劲度系数k来满足上式，即 计算弹簧受力弹簧要推出小球，需克服小球重力和作用在小球上的大气压力，受力示意图如图13所示。图13 弹簧受力示意图弹簧受力式中：为弹簧弹力； 为小球重力； 为一个标准大气压； 为小球直径。考虑到制造加工因素，乘上安全系数1.2，即 弹簧的选择流程（1） 选材料选用碳素弹簧钢，钢丝直径（2） 计算许用应力查弹簧手册，弹簧的抗拉强度与钢丝直径有关系，安全系数，取，则因此，许用抗拉强度（下限值）查表，取切变模量许用切应力（3） 选择弹簧旋绕比查表，初步选取（4） 计算钢丝直径其中：为曲度系数，取为弹簧受力（5） 计算弹簧中径（6） 计算弹簧有效圈数其中：为切变模量；为钢丝直径；为弹簧变形量；为弹簧受力；为弹簧中径。总圈数（7） 计算试验载荷式中：为钢丝直径；为许用切应力；为弹簧中径。（8） 自由高度其中：为初步估计节距，；为弹簧有效圈数；为钢丝直径。查表，取整数（9） 节距计算式中：为弹簧自由高度；为钢丝直径；为弹簧有效圈数。（10） 弹簧螺旋角式中：为弹簧节距；为弹簧中径。一般在之间。 （11） 弹簧的稳定性验算式中：为弹簧的自由高度；为弹簧中径。如果，满足稳定性要求，否则，不满足。 （12） 展开长度式中：为弹簧中径；为弹簧总圈数；为弹簧螺旋角。（13） 弹簧刚度式中：为切变模量；为钢丝直径；为弹簧中径；为弹簧有效圈数。（14） 弹簧载荷式中：为弹簧刚度；为弹簧变形量。（15） 弹簧试验变形量式中：为试验力；为弹簧刚度。设弹簧压紧时的长度为，对应弹簧受力为，在阀开启式弹簧压缩的长度（为弹簧形变量），对应弹簧受力为。验算比较和的大小，若，弹簧刚度不足，重新设计刚度；若，弹簧刚度满足要求，设计是合理的。（2）电机计算电机牵引滑块在导轨上运动，滑块受力示意图如下。图14 滑块受力示意图图中：为滑块重量； 为导轨对滑块的支持力； 为导轨对滑块的摩擦阻力； 为电机对滑块的牵引力。要使滑块能够在导轨上匀速运动，应满足力的平衡条件：水平方向：竖直方向：其中，为滑动摩擦系数。设滑块的运动速度为，由功率平衡，电机的输出功率如果电机的转速为，则有要使电机能够带动滑块，电机的输出转矩应满足即4. 制作方案及过程作品制作主要分为四个过程：材料及成品零件购买，零件加工，组装，外观美化这四个过程。 根据零件的加工方案分类的零件清单如下：编号名称数量图纸编号材料获得方式1底座挡板111尼龙板加工2底座挡板212尼龙板加工3底座挡板323尼龙板加工4底座盖板114铝自加工5底座盖板215铝自加工6底座盖板316铝自加工7底座底板17铝自加工8弹射器-拉杆1845号钢加工9弹射器-击打头1945号钢加工10弹射器-后盖11045号钢加工11弹射器-射筒11145号钢加工12弹射器支架2购买13外罩112有机玻璃加工14球门113铝自加工15挡板114购买16球门网1购买17外观贴纸1购买18防滑垫3购买19丝杆滑块机构2购买20导轨1购买21滑块1购买22数显冲床电子计数器1购买23压力传感器1购买24电机1购买25篮球架1购买26球1购买27拨动开关11购买28拨动开关21购买29弹簧若干购买30电池盒若干购买31电线2购买32电池1购买4.1 材料及成品零件购买 材料方面制作作品主要用到的材料有用于制作底板的尼龙板和铝板，制作弹射器的铝材，制作挡板的铁片，制作外罩的有机玻璃板。这些材料一部分由小组成员从市场购得，一部分来自网上订购，还有一些直接有工程训练中心提供。 图15 铝板 图16 尼龙板 零件方面由零件表可知，作品的零件有很大一部分可以直接采购而得。这些零件大多来自网上订购。现成的零件机构即节约了加工成本，降低了制作难度，同时保证了质量。图17 电机带动的丝杆滑块机构图18 滑块导轨 图19 篮球架与计数器 图20 拨动开关及电池盒4.2 零件加工需要自己加工制作的零件主要有弹射器，底板，挡板，足球门。这些零件的加工主要依靠板金加工，车削，铣，数控等手段。 弹射器加工弹射器的主要零件通过车床加工，通过车削，钻孔，攻丝等加工成型。图21 弹射器 底座加工底座的主要加工零件加工部分分为挡板，底座盖板两部分。挡板的加工是将尼龙板分割至接近设计尺寸后，通过铣床铣平，并达到设计尺寸。然后在数控车床上进行钻孔，挖槽的加工，最终成型。底座盖板是将铝板作为材料，购进设计尺寸大小的铝板，通过钻床进行钻孔，加工成型。图22 组员准备加工底座挡板图23 底座挡板图24 组员正在进行钻孔 守门员安装为提高游戏的趣味性，安装2个卡通人物模拟真实射门环境中的守门员，守门员选用熟悉的足球明星，让游戏更有氛围。图25 守门员 球门加工球门以铝条为材料，弯制成型。图26 球门4.3 组装零件加工完成后，就开始进行组装。 组装底板底板挡板通过螺栓连接到底座底板上，底板盖板则通过底板挡板上的凹槽插入。 组装挡板及自动往复机构将拨动开光安装至滑块上，连接好电路，进行往复运动测试。测试成功后，将挡板安装至滑块上。安装好后将整体安装至底板上。图27 安装好的挡板及自动往复结构 安装导轨滑块机构将导轨滑块安装至设计位置。图28 安装好导轨滑块的作品情况 安装传感器机计数器将压力传感器固定至篮球架球框下方，并与计数器连接。图29 组员正在安装行程开关 安装足球球门及篮球架足球门及篮球架通过螺钉连接至盖板上。图30 安装好后的球门篮架 组装投射器将加工好的投射器零件组装好，安装至购买的投射器支架上，并将支架连接至滑块上。图31 安装好的投射器 最终整体组装图图32 整体组装图4.4 特效及外观美化 特效：为了游戏更有氛围，我们特地添加了音乐以及灯光效果。在外罩上安置有LED闪光灯，底座内部安装有音响。当求投中时，会伴有音乐及灯光效果。 外观美化： 整体加工组装完成后，作品的基本功能实现。外观上，通过添加用有机玻璃制成的透明外罩