乒乓球发球机的工作原理、过程及设计

　　摘要：乒乓球发球机的工作原理、过程、设计及在实际中的应用。
关键词：乒乓球发球机，工作原理，设计
1.乒乓球发球机的工作原理
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。它的基本工作原理是利用转轮摩擦球原理，乒乓球由于受到一个旋转磨擦轮的作用可以获得一定的初速度，而摩擦轮在一个直流电机的控制下工作。当电机带动驱动轮转动时，会磨擦乒乓球球使球获得一定的动能，乒乓球才得以发射出去。这种原理方案既简单又实用，它既能保证乒乓球球发射的稳定性，又能极好地控制乒乓球发射的角度及速度，使用户随心所欲地练习打乒乓球。
设轮子的角速度为ω，半径为R，那么就可以计算出轮子线速度:V=ω×R
则在瞬时间网球所获得的速度为V，这就是乒乓球的初速度。
因此通过测量轮子的线速度就可以求得乒乓球的初速度。
2乒乓球发球机的工作过程
乒乓球发球机的工作过程是乒乓球球首先贮藏在储球箱里，当电源接通后供球装置内的电机工作，通过齿轮传动机构带动储球器里的搅拌器旋转，乒乓球经漏斗进入送球装置。由送球装置内的叶片轮旋转将球送出，经送球管道到达机头处的出球口。叶片轮也由电机经传动机构带动，叶片轮转速由对直流电机进行PWM脉宽调制控制这样就可以控制单位时间内发出球的个数。乒乓球到达出球口后，驱动轮旋转摩擦乒乓球从而使球发出。按动机头左右摆动装置箱上的按钮可以通过箱内的类似曲柄摇杆机构实现机头的左右摆动。调解机头上的手动调解按钮可以通过机头上的弹簧装置实现机头的上下调节。3乒乓球发球机总体结构设计
乒乓球发球机总体结构设计包括：底座部分的设计，送球装置的设计，球道的设计，储球器的设计，调整装置的设计，机头部分的设计，电动机的选择等。
3.1乒乓球发球机整体方案的确定
3.1.1乒乓球发球机设计要求：
乒乓球发球机需要满足的主要要求如下所示：
1、令使用者更加掌握有度，多落点，多角度。
2、出球频率：30-72次/分钟；出球速度：4–50公尺/秒
3、出球角度：可调范围30度；出球弧度：可调范围40度
4、出球速度，出球频率通过遥控器操作。
3.2.2整体方案的确定：
根据以上要求，现确定出本套发球机整体方案如下：
1、机体材料主要选用增强塑料，ABS制成。部分零件选用优质钢制成，关于这些材料的优点将在下面具体介绍。
2、发球采用固定在出球口上的摩擦轮旋转摩擦乒乓球将球发出的原理。出球口采用单轮驱动，并且单轮可实现八种方位的调节，从而能够使发出去的乒乓球实现八种不同的旋转。
3、送球装置，球口驱动轮装置，储球器内搅拌器均采用小功率直流电机驱动。
4、通过曲柄连杆装置实现机头的左右来回摆动，曲柄轮装置仍采用直流电机驱动。
3.2底座部分的设计
发球机底脚采用四个滚轮装置。一方面四个滚轮足以承受机体重量，另一方面采用滚轮可以轻松的挪动机体，从而给用户带来方便。底座板采用薄金属件，能够很好的承受机体重量。
3.3送球装置的设计
送球装置是整套乒乓球发球机的核心部分，也是衡量一套乒乓球发球机性能是否优越的重要标准。因此，送球装置能否顺利实现预期送球功能关系到整套产品能否被成功设计出来。因此，送球装置的设计是整套产品设计中的重要环节。
本装置采用的是叶片轮旋转送球机构，叶片轮由一个直流电机带动齿轮传动机构驱动。叶片轮转动一周可以送出六个球。对直流电机进行PWM脉宽调制可以改变电机转速从而改变叶片轮转动速度，从而改变送球频率。叶片轮所在的中隔板与邮件玻璃板构成一密闭室。为了防止卡球现象，叶片轮后是一段弯曲的球道，从而使乒乓球能够顺利地进入送球管道。在送球装置内共设计两个直流电机。其中一个电机通过齿轮传动同时带动叶片轮和搅拌器转动，另一个直流电机带动曲柄连杆机构实现机头的左右摆动。电机的选用在下面章节介绍。
3.4.材料的选择
送球装置中，装置壳体，叶片轮，及中隔板的制作材料是增强塑料，增强塑料的特点：有较高的强度，刚度，韧性；有良好的耐磨性与耐疲劳性，并有较高的热变形温度。从增强塑料的特点上来看，它是适合做这些部件的材料的。
送球装置中，三对传动齿轮以及齿轮轴均采用ABS材料注塑制成，ABS材料的特点：ABS是由苯乙烯—丁二烯—丙烯腈为基的三元共聚体，故具有良好的综合性能，即高的冲击韧性与良好的机械强度；优良的耐热，耐油性与化学稳定性；尺寸稳定，易于成型和加工，且表面可渡金属；电性能良好。鉴于ABS材料具有以上优良的特性，正适合齿轮这种转速高，强度、冲击韧性大，局部温度高，加工较为复杂的装置，因此特选用ABS作为三对齿轮与齿轮轴的制作材料。
3.4.1叶片轮的设计
叶片轮的作用是通过其旋转将球顺利地送入送球管道中。本套发球机的叶片轮采用六叶片机构，即旋转一周输送六球，选用ABS材料注塑制成。叶片厚度为42mm。
3.4.2中隔板的设计
中隔板的作用是安放叶片，电机与轴承，并且与有机玻璃板共同封闭住电机，叶片轮与乒乓球。因此，中隔板的厚度要综合考虑以上几个因素。中隔板的具体尺寸见CAD送球装置部件图。
3.5.传动齿轮的设计
在本设计中采用三对齿轮传动，两对斜齿圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动。即可以实现同时控制叶片轮同搅拌器的转动。由于本套设备中的齿轮传递力矩相对较小，对齿轮材料的强度要求也不是很高，因此所用塑料齿轮，制造材料选择ABS。
塑料齿轮以质轻、耐磨、耐腐蚀、振动小、噪音低、化学性能稳定、加工成本低、便于大批量快速生产等众多优势受到了很多传动机构及研发工程师的青睐。其设计过程大体上分为以下几个部分：齿轮副理论设计、齿轮模具设计、齿轮模具制造和齿轮注塑生产，其流程如下页图所示：
鉴于目前常用的塑料齿轮多为渐开线小模数齿轮，故本套系统的直齿传动齿轮的模数选为1。现选择一对直齿齿轮对其进行参数设计：
1、模数：m=1
2、齿数：Z1=60mm，Z2=120mm，即传动比i=2
3、分度圆直径：d1=60mm，d2=120mm，故中心距a=90mm
4、压力角：α=
5、齿顶高系数：=1，故两齿轮的齿顶圆直径为：=62mm,=122mm
6、顶隙系数：=0.2，故两齿轮的齿根圆直径为：=57.6mm，=117.6mm
其他齿轮的参数选择方法同这一对齿轮，现不予一一介绍。

3.6传动轴的设计
传动轴采用增强固体塑料注塑制成，传动轴的设计参照金属轴的设计方法，现选第一对传动轴进行设计：
第一对轴连接的是电动机和齿轮，已知通过脉宽调制后电机的转速范围为：10r/min—24r/min,电机功率为：50W。
即轴的最小直径d=A0mm=100×=17mm
即需要的轴的最小直径为17mm，本套系统中设计的轴的直径为20mm，因此可以满足要求。
3.7送球管道的设计
发球球道基本设计原则就是能够将乒乓球顺利地送入发球口处，不能造成中间卡球。
发球管道的材料选用增强塑料，一方面能减轻底座承受的重量，便于安装与固定；另一方面可以减少制造成本。送球管道下部分同送球装置顶盖的凸台处用四个螺钉连接，上面部分同机头的调整弹簧采用过盈连接，从而保证了乒乓球能够顺利进入机头发球口处。在球道中间部分还设置了与回收球网相连接的套环。
3.8储球器的设计
储球器是乒乓球的盛放装置，负责将乒乓球顺利送入送球装置中。
在设计中，储球器的材料选用增强塑料，储球器的下端设计成倾斜面，从而可以将乒乓球集中到储球器口处。为了进一步防止由于乒乓球互相挤压而产生的压力将球卡在球道处，在储球器底板靠近球口处设置了一个搅拌器装置。通过搅拌器的搅拌消除球与球之间的持续静止压力从而有效地防止了卡球现象的发生。
3.9机头的设计
机头是最终实现发球的装置，是整套系统中功能实现的装置。因此，这个装置也是整套乒乓球发球机的重要的一个部分。本套系统中机头的设计主要包括以下部分：发球口，发球电机，旋转刻度盘以及弹簧。
出球口的直径为40毫米，厚度为5毫米，材料选用增强塑料，机头可以实现通过横摆装置实现左右自动摆动，通过手动按钮和弹簧装置实现上下移动。
3.10调整装置的设计
调整装置是乒乓球发球机实现智能化，人性化的一个典型设计部分。这部分所起的作用是带动机头左右摆动，从而发出来自各个方位的乒乓球。极大的模拟了人工陪练。
根据机头的特点，选用曲柄摇杆的机构实现机头的左右摆动。送球装置内的一个直流电机带动曲柄杆转动，进而通过摇杆的牵引使转盘左右运动从而使固定在转盘上的机头实现左右摆动。通过对曲柄杆长，摇杆长，转盘圆心与曲柄杆固定处的距离进行合适的设计，能够实现对机头相应转角范围的设定。
在本套设计中，曲柄杆长选用，摇杆长选用120mm，转盘中心与曲柄杆固定处的距离选用，机头处于正中心位置，从而实现了当摇杆到达极限位置时，机头能够左右对称的摆动，且摆动夹角为30度。
3.11小结
本章对乒乓球发球机的设计原理及整体结构作了一个总体的说明，对其相应部分所具有的功能也作了一个详细的介绍，并对该机器的实际问题提出了具体设计方案。这将对乒乓球发球机的制造和这方面工作的开展大有好处。