毕业设计（论文）-半自动网球捡球机设计

根据实际状况考虑后,我们选择使用三组等大小的同轴皮带来满足需求;同时确保了其传动比大于等于所需的最少齿数的条件下进行了操作[参考表格1-92],假设输入速度小于每分钟九百次旋转时的情况下的输出频率n1<900r/min,根据H型的低端标准需要至少有十四个牙齿来保证稳定运行且能承受一定的负荷能力[参见图例一],在保持合适的输送距离与设备空间的前提下可适当增加牙盘数量以获得更大的有效承载面积并提高效率从而达到更高的生产率水平(例如:通过查阅相关资料得出z=20的最佳配置方案),所以最终确定选用具有二十颗螺旋线的圆柱形驱动器作为动力源并且它的直径d为80.85毫米而半经D0大约为七十九点零四分之八十一点五二厘米左右48mm。计算带轮的选择是否适当,根据预定齿数来估算转速。n1=vπd=式中，n1——带轮的转速，r/minv——同步带的带速，mm/s；d——同步带带轮的节径，mm。因此，选取的带轮符合条件。经过数值分析,轮子的小直径是15.90毫米,大直径是31.79毫米,小直径的深度是53.34毫米,大直径的深度是22.86毫米。鉴于网球的最大直径是68.58mm,我们需要考虑如何使其能够支撑起网球。在此设想中,最佳情况下的拨板尺寸应与网球半径相等,即34.29mm。然而,我们也必须预留空间以应对三颗网球共用同一条轨道的可能性,所以我们将拨板设置成长100mm、厚5mm且宽76.2mm。此外,我们还需确定最低同步带带轮的高度。ℎ1>d2+式中，ℎ1——同步带带轮的高度，mmd——同步带带轮的节径，mm；l——同步带拨板的长度，mm。鉴于实际情况以及同步带的厚度等因素,我们将同步带最低带轮的高度设定为150毫米。3.4球道的设计根据预设的数据设置,我们假设每次拾取网球数目是100颗,并模拟了球员的一次训练过程,其中包括投掷网球100次。由于实际操作中,球筐前的空间和底线周围的网球密度较高,所以在大多数情况下,这些地方的网球数量会比其它部分多一些。所以,我们将这个特定区域定义为:靠近底线的范围(2米x18.27米内)有40颗网球,而接近球筐的部分(4米x18.27米)有20颗。剩下的40颗网球将在场地内的剩余位置自由分配。同时,我们也规定了捡球机器的拾取半径为一米,则捡球机在单位时间里遇到网球的数量为（按照网球最密集区域进行计算）vn=nsAvd=40式中，vnns——区域内网球的数量，个A——该区域的面积，m2v——捡球机的行走速度，m/s；d——捡球机的捡球宽度，m。通过上述计算,确定每小时内捡球的数量,因此决定设置捡球机的球道数量为3个。由于拨板宽度为76.2mm,考虑到安装误差,决定球道宽度为77mm。球道高度主要受捡球篮高度和捡球机主体与地面高度的影响,具体尺寸在二维图纸中有详细标注,这里就不再详述。其最终的三维建模可以在图3-4和图3-5中看到,图3-4展示了球道的整体结构,图3-5展示了球道固定装置的详细部分,由于球道悬空,需要将其安装在捡球篮上以起到固定和支撑的作用。图3图3-5球道特写图图3-5球道特写图图3-4球道三维图3.5捡球机同步带电机的选择首先,我们需要确定捡球机同步带的负载,只需考虑以下特性:①我们计算出的网球路径长度大约是470毫米,并考虑到了每个网球的最大量直径(即68.58毫米)、拨片的深度(即5毫米)和两块拨片间的间距(即250毫米)。所以,理论上,我们可以让两个拨片位于球道的顶部,而球道本身可以容纳多达六颗网球。此外,每颗网球的最大质量被设定为m1=58.5克。②对于同步带而言,它的质量和尺寸是关键因素。我们选择常用的同步带类型H,并使用了常见的材质,其密度ρ2=0.448kg/m。根据计算,同步带的长度l2为1464.64mm,共有3条同步带组成。同样地,同步带上使用的拨板也采用了同样的材质,每个拨板有6个部分,所以拨板的总体积l3=6×0.1×3=1.8m。③同步带轮的重量。采用SolidWorks软件对尼龙材料的同步带轮进行建模,计算得出每个同步带轮的质量为373克,共有9个同步带轮。根据公式计算同步带的负载为m=m1×n1由于同步带的速度为0.25m/s,所以可以计算出电机的功率。P=Fv=10.78×9.8×0.25=26.41W（3-9）式中，P——电动机的有效功率，W；F——电动机上作用的力，N；v——电动机的线速度。因此，电动机的总功率P0P0=Pη式中，η——电机的机械效率。根据角速度和线速度的关系式v=ωr，推导得到带轮的角速度为ω=vr=0.25式中，ω——同步带带轮的角速度，rad/s；r——同步带带轮的节径，m。同步带带轮的转速是59.09r/min≈60r/min,并假设带轮在0.1秒内加速到60r/min的角速度,那么轴的角加速度就可以计算出来得到轴的角加速度为ε=∆ω∆t=6.18−0在这里可以将同步带带轮看成圆柱体，则可以计算得到扭矩为M=Jε=式中，M——带轮的扭矩，N·m；J——带轮的转动惯量，kg·mε——带轮的角加速度，rad/s由此可以得到每个带轮的扭矩为M1=mr22ε=带轮的总扭矩为M=根据前述的推算成果可以看出,我们需要选择的基础设备是这样的:旋转速度设定为每分钟60圈,扭力值达到0.171牛顿米。通过反复比较和挑选,最后确定了来自东莞市威邦机电有限公司生产的一款直流马达,该产品的型号为"4D40-24",相关的主要数据详见表3-1[8]表3-1直流电机主要参数额定电压/V额定功率/W空载转速/(r/min)空载电流/A额定转速/(r/min)额定转矩/(kg·cm)额定电流/A马达重量/kg244031000.83000齿轮箱的主要参数如表3-2所示表3-2齿轮箱参数表减速比33.6567.591012.5输出轴转速r/min1033861620517413344310248允许力矩N·m0.300.360.500.600.750.901.001.25kgf3.063.675.096.17.649.1710.212.73减速比1820253036405060输出轴转速r/min17215512410386786252允许力矩N·m1.802.002.252.703.243.604.504.48kgf18.3320.3622.9525.7433.0436.7145.9049.80由上表可知，选择减速比为50的齿轮箱。电池的选择，经过市场调查，最终选定玮孚24V，4Ah锂电池[9]，其主要参数如表表3-3电池主要参数电压容量重量/kg电压范围24V4Ah0.720V-29.2V电芯放电接头充电接头18650动力锂电芯T型放电母头DC工业母头3.6同步带轴的设计与校核已知电机的功率是40w,其标准转速是3000r/min,经过减速齿轮箱后,其标准转速可以达到62r/min。3.6.1求轴上的功率P1、转速n1同步带轴与电机通过联轴器连接，其传动效率为η=P1=P×η=40×0.98=39.2W（3-已知转速n1=T3=9550000×P1n3.6.2初步确定轴的最小直径根据公式，轴的扭转强度条件为τT=TWT≈T0.2d式中，τT——扭转切应力，MPaT——轴所受到的扭矩，N·mm；WT——轴的抗扭截面系数，mm[τT]——许用扭转切应力选取轴的材料为45钢，调质处理，根据《机械设计》表15-3[10]，取A0dmin=A03由于轴与轴承和联轴器直接连接，因此轴的最小直径为轴承与联轴器的直径，为了使所选的轴的直径d联轴器的计算转矩Tca=KAT1，查《机械设计》表14-1，Tca=KAT1=按照规定，计算转矩Tca应该小于联轴器的公称转矩，根据所选的电机输出轴径12mm，查《现代机械设计手册-轴及其连接件设计》表3-14[11]，选取GY1凸缘联轴器，其公称转矩为25000N·m。联轴器的孔径d=1\∗ROMANI=12mm，3.6.3轴的结构设计按照轴的制造工艺需求,轴的设计越简洁越好。在满足实际使用需求的基础上,尽量减少轴的构造。初步确定的轴的结构如图3-6所示=7\*ROMANVII=6\*ROMANVI=4\*ROMAN=7\*ROMANVII=6\*ROMANVI=4\*ROMANIV=1\*ROMANI=2\*ROMANII=5\*ROMANV=3\*ROMANIII图3-6轴的结构示意图（1）轴上零件的装配方案鉴于轴上的零件选择都是基于实际状况而设定,同步带轮尺寸相等。为了解决带轮安装问题,主要的轴向位置都通过套筒来完成。（2）根据轴向定位的要求来确定轴的各段的直径和长度1）为了满足联轴器的轴向定位要求，故=1\*ROMANI-=2\*ROMANII的直径d=1\∗ROMANI−=2\∗ROMANII=12mm，长度为L=1\∗ROMANI−=2\∗ROMANII=33mm；根据同步带轴径的大小15.9mm，轴承尺寸的限制，故=2\*ROMANII-=3\*ROMANIII段无法做出轴肩，因此=2\*ROMANII-=3\*ROMANIII段使用套筒进行轴向定位，其直径大小为d=2\∗ROMAN3）轴承的选择。轴承主要受到径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据d=2\∗ROMANII−=3\∗ROMANIII=12mm4）=3\*ROMANIII-=4\*ROMANIV的长度主要由轴承端盖，轴承，套筒的长度之和决定，轴承端盖的厚度为5mm，轴承宽为5mm，套筒长18.1mm，因此L=3\∗ROMANIII−=4\∗ROMANIV5）为了满足同步带轮的轴向定位要求，将=4\*ROMANIV-=5\*ROMANV段制出一轴肩，由于同步带轮小径为15.9mm，因此取d=4\∗ROMANIV−=5\∗ROMAN6）=5\*ROMANV-=6\*ROMANVI段的尺寸完全由同步带轮的尺寸决定，根据同步带带轮小径15.9mm，取d=5\∗ROMANV−=6\∗ROMANVI=15.9mm，由于球道宽度的限制，带轮之间需要加厚垫片进行轴向定位，套筒的宽度为5.8mm，同步带带轮的宽度为76.2mm，因此=5\*ROMANV-=6\*ROMANVI段的长度为L=5\∗ROMAN至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。（3）轴上零件的周向定位同步带轮、联轴器与轴的周向定位都采用一般的平键连接方式。同步带带轮与轴的配合键的选取按照《现代机械设计手册-连接件与紧固件》表3-4[13]进行,选择了平键截面尺寸为5mm×5mm,键槽长度为36mm,并采用了间隙配合,配合公差为H7g6;联轴器与轴的连接方法同样,选用了尺寸为4mm×4mm×22mm的平键,键槽长度为22mm,配合公差为H7k6;滚动轴承与轴的周向定位也是采用了过渡配合,选用轴的直径尺寸公差为m6。（4）确定轴上的倒角尺寸参照《机械设计》表15-2，取轴端倒角0.8mm。3.6.4计算轴上的载荷依据轴的结构,画出轴的计算简图。根据手册上找到的深沟球轴承61801,a=2.5mm,所以轴的支撑跨距作为简支梁为L=342.7mm。根据轴的计算简图绘制出轴的弯矩图和扭矩图,具体见图3-7。GGBAEDCBAEDC扭矩TFNH2扭矩TFFMMMMTTTT图图3-7轴的载荷分析图通过观察弯矩图和扭矩图,我们可以发现,截面c是一个具有危险性的截面。经过计算,得出了截面c的弯矩和扭矩数值,这些数据已被列在表3-4中。表3-4弯矩、扭矩计算值载荷数值支反力FF弯矩MM=1033.24N·mm扭矩TT=283.78N·mm3.6.5按照弯扭合成应力校核轴的强度校核危险截面C的强度，根据《机械设计》式15-5以及上表的的数据，已知轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，因此取α=0.6，根据表15-4，W=πd3轴的计算应力为σca=M2+所选轴的材料为45钢，调质处理，由《机械设计》表15-1,查得σ−1=60MPa,3.7车轮的选择此次研发的网球捡球器采用后轮驱动方式,并分别由两台步进电机操控,而前轮则使用了两个万向轮来指引。经过筛选,最终选用了申牌3寸脚轮作为前轮的万向轮,该脚轮是市场上最常见的普通万向轮之一,其主要参数详见下表。表3-5万向轮参数

轮子直径mm：75（3寸）

轮面宽度mm：30

安装高度mm：108

单轮承载kg：105

底板规格mm：92*64

安装孔距mm：75*45

安装孔径mm：9

轮子轴承：一体轴承在市场调研后,确定了选择PU发泡轮子作为后轮。这款轮子是由青岛润达专用车辆有限公司制造销售的,规格为10X3.50-4,直径250mm,重量为1kg,材质为聚氨酯。3.8驱动原动机的选择鉴于捡球机的转向问题,所选电机必须具备可操控性,因此,选择步进电机作为捡球机驱动系统的电机。车辆的动力来源于其发动机对地面产生的扭力,这部分扭力的产生受到轮胎与路面之间的滑动摩擦因子及整个车身的总重的影响。根据研究数据,可以得知这个滑动摩擦因子的值是μ=5mm,同时,考虑到捡球机的车身结构中含有拾取器系统、同速皮带驱动的马达、支撑杆(含收球设备)、蓄电池组件、转向轮、驱动轮、电动机及其它一百颗网球等部件,假定步进电机的重量为2公斤,那么整车的重量就是m=10.78+1.8+8整车的行进速度为v=2.3m/s，根据公式v=ω=vr=2.30.125=进而求得转速为n=ω2π=18.4×602×π则摩擦转矩为M=μm=0.005×40=2N·m考虑到其他损失的功率，取机械效率η=P=Mωη=2×18.40.9=40.89W经过筛选，最终选择常州康达通用电气有限公司生产的86精密行星减速步进电机[16]，其主要工作环境如下表所示表3-6步进电机工作环境表项目规范温升80℃max环境温度-20℃-+50℃绝缘强度100Ωmin，500VDC介电强度500VAC1分钟回转间隙≤25acrmin主要技术参数为表3-7步进电机工作参数表电机型号步距角/°相电流/A保持力矩/kg·cm引线数/条电机重量/kg85-H250B991.846543.5因此减速比为5。3.9车轮轴的设计与校核已知步进电机的保持力矩为6.5N·m。3.9.1确定轴的最小直径根据《机械设计手册新编软件版》，轴的最小直径计算公式dmin=35T[式中，T——轴传递的额定转矩，N·mm；[τ]——轴的许用剪应力。选取轴的材料为45钢，调质处理，根据《机械设计》表15-3，选取τT=dmin=35T[τT3.9.2轴的结构设计初步确定后车轮轴的结构如图3-8所示。=6\*ROMANVI=5\*ROMAN=6\*ROMANVI=5\*ROMANV=4\*ROMANIV=3\*ROMANIII=2\*ROMANII=1\*ROMANI图3-8后车轮轴结构示意图（1）根据车轮的尺寸设计=1\*ROMANI-=4\*ROMANIV的直径和长度车轮孔径为24mm，因此d=1\∗ROMANI−=3\∗ROMANIII=24mm，车轮的轴向定位采用右侧加螺母的方式，而周向定位采用平键连接，根据车轮的尺寸选取L=2\∗ROMAN考虑到车轮的左侧定位，=3\*ROMANIII-=4\*ROMANIV段制出轴肩，其尺寸为d=3\∗ROMANIII−=4\∗ROMANIV（2）联轴器的选取参照步进电机轴的尺寸，查找《机械设计手册-轴及其连接件设计》表3-14，初步选取GY1凸缘联轴器，其轴孔直径为14mm，公称转矩为25000N·m，查《机械设计》表14-1，由于转矩变化小，因此取KA=1.3Tca=计算转矩小于公称转矩，因此符合条件。（3）设计=4\*ROMANIV-=5\*ROMANV段并选择轴承座根据经验设定d=4\∗ROMANIV−（4）轴上零件的周向定位车轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接，根据d=2\∗ROMANII−=3\∗ROMANIII的尺寸，并查《现代机械设计手册-连接件与紧固件》表3-4，选取平键的尺寸为b×h×L=8mm×7mm×36mm，键槽的长度为40mm，车轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为H7g6；联轴器与轴的连接，选取平键尺寸为b×h×L（5）确定轴上倒角尺寸查《机械设计》表15-2，取最左端倒角0.8×45°，另一个倒角1×45°。3.9.3轴的校核由于该轴受力比较简单，因此采用UG进行有限元分析，轴上施加的力和约束如图3-9所示图3-9力和载荷示意图轴上施加的约束为图中蓝色线条，分别模拟的是轴承座和车轮的约束对轴的约束作用，施加的力为图中的红线箭头部分，从左到右分别是6.5N·m的扭矩、200N的压力（车身重量的一半）和−6.5N·m的反向扭矩经处理后，得到的结果如下图所示（变化趋势有夸大效果）图3-10最大位移图3-11最大剪切应力图3-12最大主应力图3-13计算结果由上图可以看出，最大主应力为23.23MPa，最大剪切应力为16.54MPa，最大挠度为0.02019mm，以上三个数据均符合要求。3.10本章小结本章主要讲述了捡球机各主要零部件的设计与校核，最大程度的确保了捡球机机械借结构的可靠性，通过本章的计算，最终制作了捡球机的三维图，并根据三维图制作了对应的二维图纸。4自动控制系统设计4自动控制系统设计4.1行进方案的确定鉴于球拍捡取效率的问题,假设网球捡取机能自动识别并执行自我捕捉任务,那么这将显著减缓网球捡取机的捕获速度,从而影响捕获效率。因此,最佳的解决方案是让网球捡取机按照预定路径进行捕获。根据网球场的布局和分布状况,周围有大量的网球。因此,捡球机需要先环绕球场一圈进行操作,而剩余的区域由于网球数量较少,所以应按照z字型顺序逐步完成场地其他部分的工作。图4-1捡球机行进路线示意图根据图4-1展示的路径地图,机器人自右上方开始移动,沿着场地边缘前行至对侧边界。为避免转向和收集位于该边的网球,机器人在此处需向后行驶一定距离,通过使用步进电机的速度差异来实现旋转动作。当抵达新的边界时,重复上述步骤直至接近起始点。接下来,机器人会再次转变方向以获取场地内其它区域的网球,按照图中标明的路径,执行Z形路径行走,其拐弯的位置大致与外部捡球线路的后退部分相吻合,最后抵达场地对面的边界,从而完成了整个捡球流程。4.2单片机的选用一种名为"单片机"的高级半导体元件被用于制造小型且完整的计算设备——它包含了具备信息管理能力的主控单元CPU、可变内存容量RAM与固定记忆体ROM;同时集成了诸如I/O端子及事件触发机制等多种接口模块于一体并配有时钟周期测量装置或频率调节部件等等各种电子组件组成的小巧但完整的信息化平台。这种产品已经在工农业生产过程中得到了大量的使用[17]单片机可以根据其功能划分为通用型和专用型,也可以根据其连接方式划分为总线型和非总线型。与我们的日常生活紧密相连的是微型电脑——它广泛应用于各行各业:从大型武器系统的定位和制导设备;航空器上的各类仪器操作管理;互联网通信及其信息传递处理等计算机制造环节;工厂生产线的高效运行监测调控等方面都是它的用武之地。此外,我们还看到许多小型电子产品如智能化信用卡芯片、车辆安全防护措施、摄像头/洗涤机器人的操纵调节甚至一些远程可玩的游戏装备也都有其身影出现。而这只是冰山一角而已!单片机因其小巧的体积、低耗能、强大的控制功能、灵活的扩展性以及易于使用等特性,在与步进电机配合使用时表现出极高的便利性。因此,在本次设计中,捡球机的控制部分主要采用了单片机来实现。4.3本章小结这一部分内容主要介绍了捡球机的捡球路径和控制系统的选择,从而达到了使捡球机智能化的目的。总结与展望总结与展望总结本项目的主要目标在于协助网络球员在打球时拾起网球,以克服现有的设备可能出现的卡住或损坏问题。通过持续思考和优化方案,我们成功构建了一个既符合逻辑又易于操作的完整的网球收集系统。同时,我们也进行了3D建模工作,对关键部件进行了2D图纸的制作及计算等任务。这次设计对于深化专业知识的全面理解,提升机械设计技能,增强自我学习能力,以及优化实践技巧,都有着极大的推动作用。特别是在设计过程中,需要持续研究、改良,对于耐心和毅力的磨练更是有着显著的帮助。展望(1)因为设计时间和精力的限制,这次的设计并没有完成实物的生产。所以,许多需要改进的地方无法被确认,大部分的设计只是停留在理论阶段,希望未来能够有足够的时间去完成实物的生产。(2)对于控制部分的具体设计。因为受到工作量和时间限制的影响,本次设计并未对控制部分进行详细设计,只是完成了理论上的捡球机捡球线路设计,未来需要学习单片机相关知识,并编写相关程序。(3)采取多种工作方式。本次设计的初衷是实现捡球机手自动一体化的设计,目前只完成了自动捡球部分的设计,考虑到实际捡球情况,未来还需加入手动控制,以使捡球机更便利。(4)自动防障系统。这次的设计目标是让捡球机沿着预定路线进行操作,但在实际操作过程中,难免会有错误出现。因此,引入自动防障系统能够在捡球机遇到问题时避免其遭受重大损害。参考文献参考文献[1]IFR发布2014服务机器人研究报告:市场上升去世明显[EB/OL].http://www.roboti/ART_8800694440_500001_NT_63833721,2014[2]张永刚.中国网球运动与捷克网球运动发展的对比研究[J].世界体育,2015,5(01):11-12[3]韩良,王德彬,龚焕.智能网球车的研制[J].机电技术,2011,2:49-54[4]Bonny波力网球捡球机SS-401[EB/OL]./wqjqj/2306,2015[5]Ball-pickingDevice[P].US:US006481768B1,Nov.19,2002[6]TennisBal