《乒乓球发球机》PPT课件.ppt

乒乓球发球机,团队成员： 王辉 何海波 许永波 张国锋,团队分工,王辉：部分建模、有限元分析 何海波：部分建模、运动仿真 许永波：整体建模 张国锋：概念设计、PPT,概念设计,一、需求和问题 1.运动消费在人们日常消费中的比例呈增长趋势 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，全民性的运动热潮将会持续增长，因此，健身器材的市场需求也将会不断扩大。 2.乒乓球运动在我国有着广泛的群众基础 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。,3.使用乒乓球发球机进行辅助训练具有一定的优势 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，也会削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业运动员，由于人手发球速度和频率会有一个极点，因此要进行变化多、强度大的训练比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练就可以解决这些问题，所以，乒乓球发球机的使用越来越普及了。 二、同类产品比较 目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可分为三类： 1.撞击式发球机 撞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撞击出去，这种发球方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。,2.压气式发球机 压气式发球机是利用空气压缩机来发射乒乓球的，球被装入长桶的底部由一窄口固定住，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通过窄口的时候，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，同时空气压缩的消耗功率很大，难以用电池来供电。,3.轮式发球机 轮式发球机的原理是由于装有轮子的通道空间很小，当球从轨道进入通道时，轮子就将球喷出，这种情形如同小石子被打滑的车轮挤出一般。这种发球方式有两种，一种是单轮驱动，另一种是双轮驱动。单轮发球机的弊端是：如果发球速度快，那么旋转也快；如果发球速度慢，那么旋转也慢。这种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，比如攻球的速度很快，但旋转并不强，而弧圈球旋转虽快，速度未必快。双轮驱动发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可以发出各种旋转球，也能发出不转球。,按照控制类型可分为两类： 1.半自动，简单操作系列 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，如果要改变各项参数就必须停下来，人工调整。而且机械性能较差，但市场占有量很大，究其原因，主要是价格低。 2.全自动，电脑程控系列 全自动乒乓球发球机，是全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，发球的方式、力量、速度可随意变化，使用非常人性化，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。这种机器虽性能高，但价格太贵。,三、总体设计思路 1.乒乓球发球机的总体设计示意图,发射机构,俯仰机构,摇摆机构,储球器,拨球机构,输送轮,送球通道,2.乒乓球发球机的设计思想 储球机构中的乒乓球在自身重力的作用下，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，求在后面的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，调节两轮速度和旋向可实现不同旋向球；发射机构上的调整装置可调节出球口的上下角度，即可改变球的弧度。通过摇摆机构调节球的左右变化角度。 3.乒乓球发球机相关参数 要设计好整个自动乒乓球发球机的机械结构，首先需要了解乒乓球和球桌的参数。乒乓球是一种硝化纤维组成的直径为40mm的圆球，重量2.7g，弹性较好。标准的乒乓球桌长为2.74m，宽为1.525m，球网高12.25cm。球在球桌上方沿一定弧线飞行，如果要准确的落入对方台面，不仅受球台长度和球网高度的限制，还有球桌宽度的制约。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，又能落到战术所需范围内。,4.发球基本原理 如上图所示，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，而两个摩擦轮分别由两个直流电机带动工作。 设轮子角速度w1、w2，半径R，线速度v1=w1R、v2=w2R： w1=w2，乒乓球不旋转，所获瞬时速度即初速度为：v=v1=v2 w1w2，乒乓球沿轮1方向旋转，初速度为：v=(v1+v2)/2 w1w2，乒乓球沿轮2方向旋转，初速度为：v=(v1+v2)/2,5. 参数设计 高：1200mm 宽：400mm 长：600mm 材料：大部分采用工程塑料，关键传动部位采用合金钢。 质量：25kg至30kg 摆角范围：40 发球频率：30-90只/min,6.电机选型 本组设计的乒乓球发球机主要需要三种电机，其中以控制摇摆的电机最为关键。 下面主要分析对控制摇摆电机的选择。 已知上部结构的总质量为5.6kg，接触的截面面积 S=3.143535-3.143030=1020.520.001 经查询相关资料知合金钢与石墨的干摩擦系数为0.1，摩擦力 f=5.6100.1=5.6N 摩擦阻力矩为 M=5.60.035=0.196Nm 在螺栓处所需力为 0.196/(0.145+0.035) 1.1N 电机输出转矩为 1.10.035=0.0385Nm 因为本摇摆机构为自动运行，根据实际情况，转速不应过快 确定电机转速为 n=6 R/min 初步确定电机功率 式中K为安全系数，此时取2，将K、 n 、Ml带入，得到单侧电机功率： =1.45W,取 =0.870.920.95=0.76 其中0.87、0.92、0.95分别为电机的效率，杆的牵引效率及摆杆的传动效率。则所需电机的输出功率为： 将参数P，值代入到式中，可得单侧电机功率如下1.9W 根据所需的驱动力矩、其它结构以及运动性能的要求，驱动电机选择VTV6W220V减速电机，安装尺寸：60mm*60mm 齿轮减速比还有1:3 5 7.5 10 12.5 1520 253050 75 100 150200 250 300 500 等 电机外形及具体参数见下图,除此种电机外，本发球机还需要驱动摩擦轮电机2个，拨球和输送机构共用电机1个，因为本产品较为成熟，现参考相关资料及借鉴相关产品，选择两个摩擦轮电机与上面摆动装置所用电机相同，选择拨球和输送机构电机为4RK25GN-C，配用减速箱及其他传动机构输出较低转速，同时驱动拨球机构和输送机构，具体的外形尺寸及相关参数如下：,Solidworks建模,一、储球器及拨球机构设计,二、送球通道及输送轮设计,三、摇摆及俯仰机构设计,四、发射机构设计,五、总体装配图,高：1200mm 宽：400mm 长：600mm 材料：大部分采用工程塑料，关键传动部位采用合金钢。 质量：25kg至30kg,Solidworks Motion运动仿真,Solidworks Simulation有限元分析,对摇摆机构的有限元分析：,对摇摆机构进行应力分析后，从应力分布图可以看出该结构所受应力极大，故对此结构加以改进。,如下所示图所示，为改进前与改进后的模型：,改进后对摇摆结构再次进行有限元分析：,改进前,改进后,对比以上两幅图，不难看出，通过结构改进，摇摆机构的应力极大幅度的减小了。,谢谢！,工作总结,通过对乒乓球发球机的机械设计，我们学到的不只是对软件的使用，因为软件毕竟只是一个工具。在我看来，本次工作的一个核心词是“Teamwork”，即团队意识，合作意识。 另一核心词“设计”，这是重中之重，我们设计一个东西，首先要明确设计的目的，乒乓球发球机现在已经是成熟的技术，我们设计它的意义何在？有没有创新点？它的市场定位如何？这些是在做之前必须要考虑的问题，即“Design right thing”，而之后的工作就仅仅是技术问题了。,