乒乓球自动发球机计算机控制系统的设计 (2)

摘 要为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的，本文针对乒乓球发球的特点，从总体上设计了一种新型的乒乓球发球机:自动乒乓球发球机。本文综述了国内外乒乓球发球机的现状，对已有发球机的机械结构进行分析，根据所需实现的功能，提出了改进的设计方案。针对该发球机发球装置的缺陷，采用对转双轮的发球原理，使其能够实现旋转球和不旋球的发射;考虑原摆动装置的机械结构繁琐，不宜进行自动控制，对其进行了改进设计;此外，增加设计了升降装置，使发球功能更完善。根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，分析了控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。论述了该自动乒乓球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统，并详细介绍了该控制系统的设计过程，具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM 驱动器的选择等，论证说明了该控制系统的可靠性。改进后设计的乒乓球发球机是一种新型的、性价比高的自动型发球机，它可以发出各种适合练习者需要的球，利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行控制，以满足练习者的不同技术需求。同时设置了随机发球模式，对发球速度、发球角度和发球高度等参数进行随机化，实现落球点的随机变化。关键词:乒乓球发球机，对转双轮，运动分析，发球模式ABSTRACTIn order to enable the Practices to study the table tennis technology well and achieve the goal of building their body and exercise，considering the characteristics of the table tennis served，a new kind of table tennis serving machine was designed in this thesis: That is the self-control table tennis serving machine.In this thesis，the status quo of the table tennis serving machine-wash summarized at home and abroad. The mechanical structure of the existing serving machine was analyzed. According to the functions to be achieved，the design option of the existing serving machine was improved. Considering the serving device directs，these serving principle about the double wheels face to face circumrotating was proposed The new serving machine can achieve rotating and non-rotating bal-launcher. The structure of the swing device was re-designed to facilitate the realization of automatic control，because of the complicated structure. The lifting motion was designed to improved its function. The mathematical model was established under the table tennis of mechanics analysis in fling.The reasonable spans of the Parameters about controlling the falling ball Points were confirmed. The design thought，principle，structural features and control system about the self-control table tennis serving machine were dissertated in this thesis. The control systems including the Peripheral equipment，the motors，the PWM drive and so on were designed，and they are reliability. The principle about randomly serving the pingpang was discussed，and the program was designed. The improved design of the table tennis serving machine is a new-model，cost-effective self-control serve machine. It can serve all kinds of balls for the practitioners. It controls the speed，the angle and the rotation direction of the ball by using the computer. The random serving Patten was designed. The fall points of the table tennis become randomly，by the randomization of the serving speed，angle and height.KEYWORDS: the table tennis serving machine，the double wheels，face to face circumrotating，movement analysis，serving pattern目录摘 要 .IABSTRACT.目录 .I第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 国内外乒乓球发球机的研究现状 .11.2.1 国外乒乓球发球机的研究现状 .21.2.2 国内乒乓球发球机的研究现状 .31.3 论文主要内容及课题意义 .41.3.1 课题研究的内容 .41.3.2 课题研究的现实意义 .5第二章 自动乒乓球发球机的机械系统设计 .62.1 改进前的乒乓球发球机简介 .62.1.1 改进前的乒乓球发球机的机械结构 .62.1.2 改进前的乒乓球发球机的工作原理 .72.1.3 改进前乒乓球发球机的结构分析 .82.2 自动乒乓球发球机的机械系统改进设计 .82.2.1 自动乒乓球发球机的摇摆机构改进设计 .92.2.2 自动乒乓球发球及的升降机构设计 .102.2.3 自动乒乓球发球机的发射机构改进设计 .102.2.4 自动乒乓球发球机的电动机选择 .10第三章 乒乓球的运动分析及发球机的参数设定 .133.1 自动乒乓球发球机的工作原理 .133.1.1 乒乓球飞行过程的力学分析 .133.1.2 乒乓球质心运动的数学模型 .153.1.3 乒乓球飞行过程的分析 .193.2 自动乒乓球发球机的工作过程 .203.3 自动乒乓球发球机的技术参数 .21第四章 自动乒乓球发球机的控制系统设计 .224.1 总体设计 .224.2 自动乒乓球发球机硬件电路设计 .234.2.1 看门狗电路设计 .234.2.2 键盘和液晶显示电路的设计 .254.2.3 红外遥控系统的设计 .314.2.4 电动机转速测量电路设计 .334.3 电动机控制系统设计 .354.3.1 直流电动机的控制系统 .364.3.2 步进电动机的控制系统设计 .424.4 自动乒乓球发球机的软件设计 .464.4.1 软件设计分析 .464.4.2 软件设计流程图 .48第五章 结论 .57致 谢 .58参考文献 .59附录：中文翻译及外文资料 .60第一章 绪 论尽管自动乒乓球发球机在我国起步比较晚，但对其的研究很有重要的现实意义。体育事业在我国正在蓬勃发展，尤其是随着我国运动员在奥运会中连续取得佳绩，极大地调动了全国人民投入体育运动的热情。乒乓球运动作为我国的国球，受到人们的广泛喜爱，更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材。正是在这种情况下，研究乒乓球发球机是极其必要的。1.1 引言现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占比例呈增长趋势。可以预见，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也将会不断扩大。而乒乓球作为我国的国球，它集健身、竞技、娱乐于一体，不仅可以锻炼身体，还可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，因此在我国有着广泛的群众基础。对于初学者，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，这样要提高技术水平就很慢，也削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业选手，由于人手发球速度和频率会有一个极点，而且陪练员长时间发球也不可能，因此要进行变化多、强度大的多球练习比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练，可以解决这些问题，所以发球机的使用越来越普及了。由于目前发球机的出球性能决定了它多适用于基础阶段人员使用，对于技术水平较高或有复杂组合技术的使用者以及进行实战训练还比较困难。本课题设计研究了一种多功能的自动型乒乓球发球机，它主要利用机械电子相结合的技术，对现有发球机的结构和控制电路加以改进升级，使其便于实现自动控制。这种发球机可以人为的将发球速度控制在 10m/s 到 20m/s，发射多速度、多角度的单一路线球或组合路线球以及随机球，并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了自选模式训练、随机模式训练和具有记忆功能的强化训练，使得使用者掌握规范全面技术的时间大为缩短。1.2 国内外乒乓球发球机的研究现状在六十年代末和七十年代初，欧洲出现了乒乓球发球机。它是通过一定的机械装置，按乒乓球技术训练的不同要求，将球不断发射出来。发球机发出的球，比人速度更快，力量大，且旋转更强，所以，它对提高乒乓球运动员的训练水平有一定的作用。目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可以分为三类:一类是轮式发球机，一类是压气式发球机，另一类是捶击式发球机。其中轮式发球机的原理是由于装有轮子的通道空间很小，当球从滑轨滚入通道时，轮子就将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一样的。这种发球方式有两种，一种是单轮驱动，另一种是双轮驱动。单轮驱动发球机的弊端是:发出来的球如果速度快，那么同时旋转也强;如果速度慢，那么同时旋转也弱。这和人们实战打球是完全不同的，实际上球速和旋转并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋转并不强;而弧圈球虽然旋转极强，但是速度未必很快。双轮驱动的发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可发出各种旋转的球，同时也可以发出不转球。压缩式发球机是利用空气压缩机来发射球的，球被装入长桶的底部由一个窄口固定住，这个窄口的直径比球的直径略小一些。当压缩空气推挤乒乓球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。这种发球机的缺点是噪音极大而且不能提供高的性能，同时，空气压缩消耗的功率很大，难以使用电池来供电;它的优点是价格比较便宜。捶击式发球机有多种设计方案，最常见的是通过凸轮带动摆杆，将落入发球口的乒乓球击出去，这种方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。按控制类型可以分为两类:一类是半自动，简单操作系列;另一类是全自动，电脑程控系列。半自动乒乓球发球机，无论是安装还是使用都比较麻烦，而且发球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改变各项技术参数，就必须停下来，人工来校准调整机头旋转角度，来实现各种旋转球，手动抬高或降低机头，来调整球的射程弧度，而且机械性能比较差，经常卡球，但这类产品在市场上占的比重还是比较大，而且有很多俱乐部还在用它，究其原因，主要是因为价格低，虽然是功能不强但丢掉还是可惜的。全自动乒乓球发球机，是由全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，可发出攻球、前冲弧圆球、削球、长胶球等高性能的球，其中包括九种与真人发射基本相同的基本球，另外还能发多种速度不同的球，从而可派生出多种多样性能的球，使用非常的人性化。其电脑记忆功能还能记录球员打球的路数，能起到专业陪练效果。这种机器虽然性能很高，但价格也比较贵。1.2.1 国外乒乓球发球机的研究现状国外的乒乓球发球机发展比较快，其功能比较齐全，自动性能也比较高，既可以满足普通练习者的需求，也可以满足专业运动员的日常训练要求。目前，世界上生产乒乓球发球机的厂家比较多，具有代表意义的厂家是美国的 NEWGY 公司和日本的Butterfly 公司。1 LNEWGY 公司之乐吉发球机:其发球原理是由电动机带动的位置可调旋转轮和一固定的摩擦块组成发射机构，当球进入发球通道，由旋转轮将球旋出发球口来，旋转轮的位置不同，则可得到不同旋向的球。该系列乒乓球发球机一般可分为三个等级，初级发球机是为初学者和娱乐者设计的，中级发球机是为中级和比赛级球员设计的，而高级发球机是专为专业运动员和爱好乒乓球的行家设计。该系列发球机的特点之一是使用者可以根据自己的水平状况选择合适的发球机等级，当水平提高时，该发球机可以通过升级包快速方便的达到高的等级。通过控制球桌旁的控制盒可以调节发球速度、发球频率、旋转速度以及出球口角度:通过手动调节出球口上的旋钮可以发射出上旋、逆旋、侧旋甚至混合旋转等各种漩向的球;通过手动调节发球机后的两个控制杆可以实现发球角度摆动范围的变化，利用两杆的不同组合可有八种摆动范围选择，还可实现定点发球;通过设置球型号开关调节旋转轮与摩擦块之间距离，可以选择适合所使用球型(38mm/40mm)的发射轨道;通过将发球机安装在不同的位置可以实现不同的发球角度和发射弧度。2.Butterfly 公司之 Amicus 发球机:其发球原理是采用两个高速旋转的轮子(旋转方向相反)，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滚道滚入两轮之间的时候，轮子将球旋出，但它只能形成 45的侧旋球。其旋转速度和球发射速度没有关联，可以发射慢旋的短球和快速的突发球，这是同类发球机无法做到的。该发球机有三个不同的发球模式可选择，一种是规则模式，发射固定落点的球;一种是自动模式，发射随机球或组合球;另外一种是自定义模式，根据需求自己编写发球模式的程序。同时它具有记忆功能，能够保存使用者输入的程序以及记录前一使用者的选择模式和命令。在使用者一端装有控制界面，实现对发球机的远程控制。该发球机结构紧凑，底座下有轮子，使用者可方便调整发球机位置，但其高度不能调节。1.2.2 国内乒乓球发球机的研究现状相对国外而言，国内的乒乓球发球机起步比较晚，但发展很快，从最初的全手动发球机到现在的全自动发球机，甚至有些产品性能超过了国外的同类产品。主要有以下几个典型方面:1.半自动式乒乓球发球机:该发球机是福建省的林清云所设计的，其机械结构包括机身壳体、基座、储球斗、发球机构、弧度调节机构、角度摆动机构及电机调速电路。其工作原理是:由于储球斗装于机器上方，乒乓球可通过自身重力落入发球机构，发球机构中的拨叉在电动机的带动下击打落入球道的乒乓球，乒乓球经球道前端的摩擦辊高速切搓后成旋转状飞出球道。其发球机构由拨叉、电动机和凸轮组成，拨叉由 L 形臂和直臂两部分组成，与机身底盘间有一弹簧相连，L 形臂可摆动到球道的入球端，直臂与双扇结构的凸轮面相接触。通过电动机带动凸轮转动，在弹簧的作用下，拨叉即可做出打击动作，将乒乓球击出。其弧度调节机构可以调节出球的弧线，而角度摆动机构完成出球角度的左右摆动变化，形成丰富的出球线路;电机调速电路即可控制出球频度和旋转强度。该发球机的特点是结构简单，发球速度快，经济实惠;缺点是故障率高，质量差、发球变化少，调节不方便。2.双蛇牌乒乓球发球机:该发球机是双蛇公司研发生产的全自动电脑控制操作系列的发球机，它是在研究总结众多发球机的优缺点的基础上，专为乒乓球运动爱好者开发出的具有突破性的创意产品。其主要特点是通过电脑编成实现“一键一功能” ，即使用者通过遥控器或者控制面板上的按键来改变发球特性，只要按一下按键，就可以自动发出攻球、前冲弧圈球、削球、长胶球、高吊球性能的球;还可以自动发出上旋球、下旋球、不转球、右侧上、右侧下、左侧上、左侧下、右侧旋、左侧旋九种基本旋转发球方式的球。该发球装置设计有云台旋转机构，并安装有旋转角度极限装置，可以左右各旋转20 度，在训练时，使用者可根据自己的需求进行任意调整，通过细调可以派生出多种多样性能的球，从而使发出的球更接近人工发球，也更具有人性化。发球装置主球道的滑轨设计为三根可更换式的滑轨，从而解决了球在此段摩擦大，运行中阻力大的缺点。其机头摩擦轮设计为组装式，由轮毅、压圈和橡胶组成，其优点是更换橡胶圈方便，成本低，保证射点准确。其电脑控制系统具有记忆功能，使得在关机前处于什么状态，再次开机时会仍然处于该状态。由于其旋转机构需手动调机，使整个装置不能完全实现自动化。3.许绍发智能乒乓球教练机:该发球机是由三鼎公司采用生产研制，采用微电脑控制，在一定程度上实现了训练过程的自动化，其桌面分割为多个小方块，可根据程序设定准确地将球射到指定区域。它利用对转双轮原理的特性，借助轮子与球之间的摩擦力来获取能量，使球获得一定的初速度将球发射出去。按照使用者要求可发射各种旋向球和不转球，可任意改变球的落点，落点与旋向可任意组合。有 300 个训练程序可选择，使用者可根据自己需求来输入所需程序。它比现实市面销售的同类产品领先的关键在于它的可控制性，它抛出的球接近人工打球的速度、旋转弧线。其不足之处是不能像真正的人工发球可根据实际情况来应变发球，由于发球程序模式所限，所发球具有一定的规律性。尽管乒乓球发球机经过多年发展，己有很大改进，但发球机“打”出的球和人打得球还是许多不同:一是发球机发出来的球和运动员实际打过去的球在性能上不大相同;二是运动员打球时都有一个挥球拍动作，接球者可以借此来判断和反应，而发球机发出的球则很突然，接球者不好判断。1.3 论文主要内容及课题意义1.3.1 课题研究的内容各种不同的乒乓球发球机都有各自的强项和弱点，综合分析后发现，这些发球机由于自身机械结构的限制，都不能完全实现自动控制，某些功能的实现需要进行手动调节。同时其发球模式比较单一，不能完全模拟人工发球原理。本课题的设计内容是以现有乒乓球发球机为背景，对其进行改进设计以能满足实现随机发球及自动控制的要求。根据所需实现的功能，对现有乒乓球发球机的摇摆机构和发射机构进行改进设计，使其结构尽可能简单且方便控制，说明了要实现的主要技术参数指标以及达到这些技术参数指标所需要的保障，并对该方案的可行性进行一个初步的论述。分析了自动乒乓球发球机的工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠性及优越性。根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模，分析了控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。最后对自动发球机进行相应分析设计，完成其设计方案，同时对控制电路进行相应的设计，最终得出结论，说明设计出这样的自动乒乓球发球机是完全可行的。具体内容可分为以下几个大部分:1.自动乒乓球发球机的机械机构改进设计2.自动乒乓球发球机的工作原理及工作过程3.乒乓球运动过程的分析4.自动乒乓球发球机控制系统的设计研究1.3.2 课题研究的现实意义自动乒乓球发球机是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物。用自动控制取代以往的纯电路控制，可以增加许多性能，能更好地适应各种训练的需求。在控制方面采用单片机控制，不仅可以提高发球性能，而且能够降低成本，可以大大地提高训练效率。改进现有发球机的不足之处，使其能满足不同的使用需求。从经济观点或科研方面考虑，自动乒乓球发球机的开发、研究与应用都能极大地推动体育运动事业的发展。第二章 自动乒乓球发球机的机械系统设计本章通过对原乒乓球发球机的实际问题进行分析，提出了自动乒乓球发球机的设计原理，同时对其整体结构做了一个说明，对其相应改进部分所具有的功能也做了详细的介绍。自动乒乓球发球机与原发球机相比，其不同之处在于将机器和电脑的智能结合起来控制乒乓球的速度和旋转，经过控制，有效地作到了按人的各种运动需求来制定相应的方案，发出满足各种需求的球，并力求物廉价美。现在市场上的自动乒乓球发球机形式多种多样，结构也各不相同。根据发球的动力等自身特点，本课题设计的新型自动发球机，是通过对现有发球机进行分析，保留了它的一些传统结构特点，同时也做得适当的结构改进以方便对其进行自动控制，具有一定程度的创新。2.1 改进前的乒乓球发球机简介2.1.1 改进前的乒乓球发球机的机械结构如图 2-1，改进前的乒乓球发球机由机座、乒乓球输送机构、拨球机构、摇摆机构、发射机构和传动机构组成。图 2-1 改进前乒乓球发球机的机械结构图乒乓球输送机构设置在机座的底座上，而摇摆机构、发射机构设置在底座的上端，其中输送机构包括储球器和设置在底座内的送球通道，储球器中设有拨球杆;在送球通道中设有可以转动的输送轮，其上设有半圆形卡球槽。送球通道前段大致为垂直设置，后段设计为大圆弧，中段设计为小圆弧，中段与后段的相接成阿基米德螺旋线形。摇摆机构由发球控制器和摆杆组成，发球控制器包括离合装置和角度调整装置。发射机构由高速旋转的发射轮和能调整发射口上下摆动的调整机构组成。传动机构包括电动机和减速齿轮。机座则由底座、中部支承杆和上弧形杆组成，发射机构固定在上弧形杆顶端，而摇摆机构由中部支承杆固定。中部支承杆、上弧形杆的内部为空管，使乒乓球能够沿空管上行。2.1.2 改进前的乒乓球发球机的工作原理改进前的乒乓球发球机工作时，由传动机构中的电动机带动减速齿轮组转动，其中一组齿轮将运动传到输送轮，使输送轮转动，由输送轮上的卡球槽将乒乓球推入送球通道，乒乓球沿着送球通道上升到发射机构。另一锥齿轮组将运动传到储球器内的拨杆，使拨杆转动，拨动乒乓球使其尽快进入送球通道，防止卡球;该组齿轮同时将运动通过传动杆传递到摆动机构，使摆动机构控制发射机构实现摆动。1. 摇摆机构的工作原理:图 2-2 改进前乒乓球发球机的摇摆机构示意图摇摆机构前段设置的发球控制器，使乒乓球的落点能固定在某点或者调整乒乓球左右落点的摆幅。如图 2-2，在传动杆的顶端设有一固定盒，其内设有主动轮，与主动轮相对应的位置设有从动轴，其上设有止动轮和与角度调整装置相啮合的上齿轮;从动轮和主动轮之间设有可在从动轴上上下滑动的中间离合齿轮，旁边是拨动该齿轮滑动的拨动机构;中间离合齿轮的下端与主动轮可相配合，下端与制动轮可相配合。角度调整装置的中空轴下端设有于从动轴的上齿轮啮合的齿轮，上端穿过固定盒的上内壁，内部装有带手柄的手柄轴;在齿轮内设有内腔，其内设有带内齿的偏心齿轮，手柄轴的下端设有卡在内腔内的小齿轮，偏心齿轮与小齿轮内啮合;在内腔的旁边设有卡掣偏心齿轮的卡掣件;在内腔的下面固定一带有限位孔的压盖，限位孔有一近轮中心端和一偏轮心端;偏心齿轮的下端伸出有凸台，凸台可以卡在限位孔内，凸台的一端通过摆杆与设在机座上端的发射机构相连接。其工作过程是:手动调节拨动机构，当拨叉拨动中间离合齿轮向上滑动，与止动轮啮合时，传动杆输出端的主动轮带动中间离合齿轮旋转，则从动轴也可旋转;通过从动轴上与角度调整装置上相互啮合的齿轮，带动其中空轴内的小齿轮转动，则与小齿轮内啮合的偏心齿轮旋转，从而带动摆杆摆动。该偏心齿轮下的凸台在限位孔内的近轮中心端与偏轮心端之间滑动，则摆杆也随着凸台在此滑动。当凸台在近轮中心端时，摆杆的摆动范围小些;在偏轮心端时，摆杆的摆动范围就大些。因此通过调节偏心齿轮的凸台在限位孔的位置即可控制摆杆的摆动范围。当其拨叉拨动中间离合齿轮向下滑动，与止动轮脱离啮合时，传动杆输出端的主动轮就不能带动中间离合齿轮旋转，而且止动轮卡掣中间立和齿轮，从而使从动轴也不能旋转，则从动轴上的上齿轮就不能带动角度调整装置的齿轮旋转，摆杆就不能带动发射机构转动，致使发射机构定在某一位置发球。2.发射机构的工作原理:操纵发射机构上的调整机构，可以调整发射口有不同的倾角，能实现乒乓球落到不同的前后落点。而发射机构中的发射轮，有电动机带动高速旋转，当乒乓球进入发射机构，与旋转轮接触时，旋转轮作用在乒乓球上，将乒乓球从发射口快速射出。2.1.3 改进前乒乓球发球机的结构分析综上所述，该乒乓球发球机机械结构复杂，由两个电动机分别带动相应装置实现发球功能。其性能比较单一，只能实现发球落点的前后、左右变化，同时只能发射一种旋转球，手动调节手柄，可控制摇摆机构的摆动范围。当需要固定在某一位置发球时，在发射机构转到该位置时，搬动拨动机构的手柄，使摇摆机构停止摆动，才可发射定点球。相反方向搬动该手柄，则摇摆机构从新摆动。由于是手动调节，使用不方便，调节也不准确。同时由于机械结构自身的不足，即使对其进行自动控制，在功能上也不会有很大提高。2.2 自动乒乓球发球机的机械系统改进设计自动乒乓球发球机的设计思想是:储球机构中的乒乓球，靠自身重力落入输送机构，输送轮通过其上的半圆形卡球槽将球送入送球通道，球在通道内依次排成一列，后面的球将前面的球顶入发射机构。发射机构中的双旋转轮可将球发射出去，调节两轮速度与旋向即可实现不同旋向球;发射机构中的调整装置可调节出球口的上下角度，即可改变发球的弧度。通过摇摆机构调节出球的左右变化角度。针对所要设计的自动乒乓球发球机的特点，其机械功能应包括:通过控制盒上相应按键来实现各种功能，如改变发球速度、频率、旋向，以及出球角度和弧度。对原有乒乓球发球机的结构进行分析，为能保证这些功能的实现，需对其部分复杂机械结构进行改进，加入方便进行自动控制的元件。通过分析，主要对原乒乓球发球机进行两方面的改进设计，即摇摆机构和发射机构的改进。要设计好整个自动乒乓球发球机的机械结构，首先要了解乒乓球和乒乓球桌的参数。乒乓球是一种硝化纤维组成的，直径为 40 毫米的圆球，它质轻而心空，弹性好，重量为 2.7 克。标准的乒乓球桌的长为 2.74 米，宽为 1.525 米，球网 15.25 厘米。球的飞行方向:球在球台上空沿一定弧线飞行。如果要准确地落到对方台面，不仅受到球台长度和球网高度的限制，而且还受到球台宽度的制约。为此必须要求乒乓球的飞行方向正确，保证乒乓球既不会出界，又能落到战术所需要的区域。2.2.1 自动乒乓球发球机的摇摆机构改进设计该机构的作用是带动发射装置实现上下、左右的摆动，从而使发球的角度和弧度发生变化，同时要求这种变化可控制。考虑其要实现的功能，可采用步进电动机来带动转动装置进行角度和弧度的变化。近年来，随着微型计算机的发展，步进电动机的控制方式更加灵活多样，它改变了原来的复杂控制电路，由计算机通过软件来控制，更好的挖掘出其潜力，使得步进电动机使用更为普遍。步进电动机受脉冲信号控制，其转子角位移与输入的控制脉冲数相对应，转子转速与控制脉冲频率成正比，因此不需要位置传感器即可进行高精度、高可靠性运行。改进后的自动乒乓球发球机机械结构如图 2-3。送球管道由一段可弯曲的橡胶管连接两段直管组成，齿轮 2 由步进电动机带动转动，与其啮合的齿盘固定于出球的管道上，当其转动时，即可实现出球管道的上下摆动，控制步进电动机的角位移和转速即可控制出球管道的摆动角度和速度。在垂直的送球管道下端装有一齿盘，它与齿轮 1啮合，即为左右摆动装置，其原理与上下摆动装置相同，由步进电动机带动实现左右摆动。图 2-3 自动乒乓球发球机的局部机械结构2.2.2 自动乒乓球发球及的升降机构设计为能更好实现不同的球路变化，该自动发球机增加了可调节发球高度的升降机构。其结构为由步进电动机带动滚珠丝杠转动，则与丝杠配合的螺母在丝杠上上下移动，螺母上固定的托盘带动其上的送球管道和摆动装置一起上下移动，从而实现了出球口高度的调节。滚珠丝杠是精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线形运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。本设计滚珠丝杠的选择是根据升降机构的快速响应性和发球高度的变化来决定的，采用 3Ocm 长、直径和螺距都为 40mm 的高精度滚珠丝杠。2.2.3 自动乒乓球发球机的发射机构改进设计为改变原发球机只能发射上旋球的缺点，该自动发球机的发射装置设计为由两个摩擦轮组成，分别由两个直流电动机来带动。当两摩擦轮的速度不同时，即可发射不同旋转速度的上旋球或下旋球;当两轮的速度相同时，即可发射不旋球。通过调节电动机的转速即可调节球的初速度。2.2.4 自动乒乓球发球机的电动机选择从以上内容可知，自动乒乓球发球机的机械运动主要是由电动机来提供动力源的，因此电动机的选择在本设计中非常重要。电动机选择的技术指标包括:(l)容易控制，可控性好;(2)控制精度高;(3)直线运动的步进电动机功率要大，速度要快;(4)控制供球频率的电动机力矩要大，稳定性要好;(5)防震和防干扰性能要好等。以带动升降装置的步进电动机的选择为例，其参数为:四相步进电动机，其保持转矩为=0.16Nm，转动惯量 =0.035 ，功率为 =67W，额定电流为1MJ410=0.75A，电源输入为 U=100V。该电动机和丝杠是直接连接的，所以减速比 GL 为1/1，已知的其他参数:丝杠螺距 BP 为 40mm、输送重量 W 为 3kg、推力 F 为 0kg (无)、铁的密度 为 7.85x kg/ ，则310m(a)对步进电动机轴换算的负载转动惯量 为:LJ丝杠的转动惯量 为(其直径 为 40mm、长度 L 为 300mm):1J1D=1J24032GLL= 241185.7=5.93 ()410可动部分的转动惯量 为(输送重量 W 为 3):2J=W2JGLBP=321041=1.22 ()(b)对电动机换算的负载转矩 为(输送重量为 W 为 3kg、摩擦系数LT为 0.1、滚珠丝杠的机械效率 为 0.9):=LTGBPFW10281.9= 149.3.0=2.08 ()21(c)升降装置的最大移动速度 v 为(步进电动机轴最大转速为 n=4000 时):minrV=( ) =0.42（ms）602414(d)最短加速/减速时间 为(最大转速时电动机的转矩为 =0.05N.m):ACt 2=ACt )2( LLMTnJ= )0.5(62401).035.4 =0.29 (s)可知在这样的条件下升降装置要加速到 0.42m/s，至少需要 0.29s发射装置的两个直流电动机的参数为:额定功率为 P=25W，额定电流为 I=0.27A，单相电压为 U=220V，额定转速为 n=3000r/min摆动装置的两个步进电动机的参数为:四相步进电动机，其保持转矩为=0.13Nm，转动惯量 =0.03 ()，功率为 P=55W，额定电流为1TMJ410I=0.75A，电源输入为 U=100V。输送机构的直流电动机的参数为:额定功率为 P=15W ，额定电流为 I=0.19A，单相电压为 U=220V，额定转矩为 =0.125Nm，额定转速为 n=1200r/min。NT第三章 乒乓球的运动分析及发球机的参数设定本章对自动乒乓球发球机的设计原理和工作过程做了简单介绍，同时根据乒乓球在空中的受力情况建立了其数学模型，分别对不旋球和旋转球的运动轨迹进行了分析，确定该乒乓球发球机可以通过调节各种参数，得到不同落点的球，从而满足了设计要求。3.1 自动乒乓球发球机的工作原理自动乒乓球发球机是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物，它具有自动化程度高、灵敏度高、稳定性可靠等多种特性。其发球的基本原理是利用对转双轮的原理，如图 3-1，乒乓球由于受到两个反向旋转摩擦轮的作用，可以获得一定的初速度，而两个摩擦轮由直流电动机带动工作。图 3-1 对转双轮原理图根据上图的原理可以看出，当电动机旋转使带动两个摩擦轮转动，同时摩擦乒乓球使其获得一定的动能，乒乓球才得以发射出去。这种原理方案简单又实用，既能保证乒乓球发射的稳定性，又能极好地控制乒乓球发射的转向、角度及速度，使用户随心所欲地练习打乒乓球。设轮子的角速度分别为 、 ，半径都为 R，那么就可以计算出轮子的线速度为:12R， R12当 = 时，乒乓球不旋转，所获得的瞬时速度即初速度为 = ;当 21时，乒乓球沿轮 l 方向旋转，所获得的初速度 =( + )/2;当 3 )，gR510边界层完全变成湍流，分离点后移，阻力系数突然下降。由于包围粗糙球的边界层更容易分离，粗糙球的临界雷诺数比光滑球的要小。假设大气温度为 20时，则取空气密度为: =1.205 kg/ ，空气粘度系数:3m=1.82x Pam。510则雷诺数为: = vd =1.205 0.040v =2.648gR51082.210其中:d 一乒乓球球的直径，v 一乒乓球在空气中的速度。当乒乓球速度达最大(v=20m/s)时， =5.296x ，由图 3-2 可知，包围乒乓gR4球的气流层处于层流状态，其阻力系数基本为常数。有论文提出，网球在13.6m/sN/2-m?步进电机继续走 n 个步距角将 m+n 记为 m步进电动机反向走-(N-2m-n)个步距角步进电动机反向走 N-2m-n 个步距角 cw 取反将 m+n-N/2 记为 m从数组中取随机数记为 nm+nN-m? 步进电动机继续走 n 个步距角将 m+n 记为m步进电机继续走2N-2m-n 个步距角 cw 取反步进电动机反向走 2m+n-2N 个步距角将 2N-(m+n)记为 m第五章 结 论本文通过对现有乒乓球发球机进行优缺点分析，提出设计一种自动型的发球机，对其总体设计做了一个详细的理论分析。主要分为两大部分:自动乒乓球发球机的机械结构改进，自动乒乓球发球机的控制系统设计。论文主要完成了以下主要工作:1.根据所需实现的功能，对原有乒乓球发球机的摇摆机构和发射机构进行改进设计，使其结构尽可能简单且方便控制，说明了要实现的主要技术参数指标以及达到这些技术参数指标所需要的保障。2.介绍了自动乒乓球发球机工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠性。选择对转双轮摩擦旋转原理作为自动乒乓球发球机发射装置的机械结构，并说明了这种原理的优越性。3.根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。4.进行了自动乒乓球发球机控制系统方案的设计。具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM 驱动器的选择等，详细说明了控制系统的可靠性。5.提出了实现随机发球的原理，并对其进行程序设计。通过以上的工作，证明自动乒乓球发球机的设计思想是完全可行的。当然要提高自动乒乓球发球机的各项性能指标，还有待于以后更深入的探讨与研究。在科学技术日新月异的今天，将乒乓球发球机推广为自动型是完全可行的，它在工业生产中，特别是在体育事业中有着广泛的应用领域和美好的发展前景。本设计具有以下创新点:1.根据乒乓球在空气中的受力分析，建立其数学模型，并对其在空气中的运动轨迹进行分析，从而得出发射有效球时所需的发球高度、发球角度和发球速度等参数的取值范围。2.对原乒乓球发球机的机械结构进行改进设计，采用步进电动机直接带动角度摆动装置，同时增加了升降装置来调节发球高度，使得发球机的结构简单化，同时发球机的各种功能调节可以完全实现自动化。3.对自动乒乓球发球机设计研究了随机发球模式，可实现随机地发球，改进了原有发球机所发球具有规律性的缺点。致 谢毕业设计是我在大学里的最后一门课程。通过这次毕业设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学四年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这四年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。参考文献1吴金成.8