1459-乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計,乒乓球,自動,發(fā)球,計算機,控制系統(tǒng),設計 OUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14IN15 IN27IN310 IN412ENA6 ENB11SENSA1 SENSB15Vcc9Vs4GND8U2D2 D1 D8 D5D4 D6 D3 D7 MMPB.0PB.1PB.2PB.3PB.4PB.58255+5+C6100uF +C71nF+12+C4100uF+C51uFOUT1 2OUT2 3OUT3 13OUT4 14IN15 IN27IN310 IN412ENA6 ENB11SENSA1 SENSB15Vcc9Vs4GND8ENABLE10 RESET20HALF/FULL19 CW/CCW17CLOCK18HOME3CONTROL11VREF15 OCS16A 4B 6C 7D 9INH1 5INH2 8SENS1 14SENS2 13SYNC 1GND2VCC12PA.0PA.1PA.2PA.3PA.4PA.58255+5 +121kL297M12 3 123 12 3 123In1In2EnAVrefVss 100nFIn4In3EnBR?SA RSBSENSE A SENSE BOUT1 OUT2 OUT3 OUT4+Vs 100nF9567 8 11121014131512 3 41 2 3 4A B機 座輸 送 機 構 搖 擺 機 構發(fā) 射 機 構 撥 球 機 構 傳 動 桿中 間 嚙 合 齒 輪從 動 軸 撥 動 機 構角 度 調 整 裝 置開始自設模式鍵 K13按下？置各參數(shù)初值，按鍵標志=0 步標志=步數(shù)/2縱擺速度 K31 按下？啟動定時中斷啟動電機驅動加鍵 K23 按下？按鍵標志 on_off+1減鍵 K24 按下？按鍵標志 on_off-1on_off==6?on_off=0取速度表中對應速度值設置中斷計數(shù)值 i調用顯示程序，速度值、工作模式送顯示器顯示返回縱擺范圍 K32 按下？暫停鍵 K44 按下？加鍵 K23 按下？減鍵 K24 按下？on_off2+1 左旋標志cw=0on_off3+1 左旋標志cw=1on_off2==10?on_off3==10?on_off2=0時鐘脈沖翻轉一次，電機一步返回加鍵 K23 按下？on_off4+1on_off4==6？？on_off1=0減鍵 K24 按下？on_off4-1取范圍表中對應值設置擺動范圍返回on_off3=0湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）工作中期檢查表系 機電系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機一 姓 名 李智 學 號 2007964215 指導教師 李衛(wèi) 指導教師職稱 副教授題目名稱 乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計題目來源 科研 企業(yè) ■其它 課題名稱 乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計題目性質 ■ 工程設計 理論研究 科學實驗 軟件開發(fā) 綜合應用 其它1、選題是否有變化 有 ■否 2、設計任務書 ■有 否資料情況3、文獻綜述是否完成 ■完成 未完成 4、外文翻譯 ■完成 未完成由學生填寫目前研究設計到何階段、進度狀況：分析確定了乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的基本方案；認真學習了自已在設計過程中所要用到的單片機的基本知識及應用，同時也學習了自已在本次畢業(yè)設計中可能要用到的protel、 AutoCAD、solidworks 軟件，在整體設計開發(fā)背景下，完成了電氣硬件按線圖，并通過繪圖軟件繪制完成，完成了部分機械二維及三維制圖。工作進度預測（按照任務書中時間計劃）提前完成 ■按計劃完成 拖后完成 無法完成工作態(tài)度（學生對畢業(yè)論文的認真程度、紀律及出勤情況）：■ 認真 較認真 一般 不認真質量評價（學生前期已完成的工作的質量情況）由老師填寫■ 優(yōu) 良 中 差存在的問題與建議：指導教師（簽名）：年 月 日建議檢查結果： 通過 限期整改 緩答辯系意見： 簽名：年 月 日注：1、該表由指導教師和學生填寫。2、此表作為附件裝入畢業(yè)設計（論文）資料袋存檔。湘 潭 大 學 興湘學院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題 目 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機 微 機 控 制 系 統(tǒng) 設 計姓 名 李智 學號 2007964215專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 1指導教師 李衛(wèi) 職稱 副教授填寫時間 20011 年 3 月 10 日2011 年 3 月說 明1．根據(jù)湘潭大學《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見，系主任批準后實施。2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，開題報告不合格者不得參加答辯。3．畢業(yè)設計(論文)開題報告各項內容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于 2000 字。5．開題報告檢查原則上在第 2～4 周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后， 應寫一份開題情況總結報告。6. 填寫說明：(1) 課題性質 ：可填寫 A．工程設計；B． 論文；C. 工程技術研究；E.其它。(2) 課題來源：可填寫 A．自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托 課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。(3) 除自擬課題 外，其它課題必須要填寫課題的名稱。(4) 參考文獻不能少于 10 篇。(5) 填寫內容的字體大小 為小四，表格所留空不夠可增頁。本科畢業(yè)設計 (論文)開題報告學生姓名 李智 學 號 2007964215 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化指導教師 李衛(wèi) 職 稱 副教授 所在系 機械工程學院課題來源 自擬課題 課題性 質 工程設計課題名稱一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內外基本研究情況乒乓球作為我國的國球，它集健身、競技、娛樂于一體，不僅可以鍛煉身體，還可以練習頭腦的靈活性、眼睛的反應力以及全身的協(xié)調性，因此在我國有著廣泛的群眾基礎。如今乒乓球越來越受到人們的喜歡，成為人們業(yè)余活動的主要項目之一。雖然愛好乒乓球運動的人越來越多，但往往由于缺少陪練人員或者陪練的發(fā)球力度、角度、遠近距離及球的旋轉等技術發(fā)揮不穩(wěn)定而導致訓練效果欠佳。為了解決這兩大難題，設計了一種既經濟又實用的發(fā)球器，讓更多的人能更舒適、更有效地進行多球練習。自動乒乓球發(fā)球機是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產物。用自動控制取代以往的純電路控制，可以增加許多性能，能更好地適應各種訓練的需求。在控制方面采用單片機控制，不僅可以提高發(fā)球性能，而且能夠降低成本，可以大大地提高訓練效率。改進現(xiàn)有發(fā)球機的不足之處，使其能滿足不同的使用需求。從經濟觀點或科研方面考慮，自動乒乓球發(fā)球機的開發(fā)、研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展。目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機，按出球方式可以分為三類:一類是輪式發(fā)球機，一類是壓氣式發(fā)球機，另一類是捶擊式發(fā)球機。按控制類型可以分為兩類：一類是半自動，簡單操作系列；另一類是全自動，電腦程控系列。國外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀國外的乒乓球發(fā)球機發(fā)展比較快，其功能比較齊全，動性能也比較高，既可以滿足普通練習者的需求，也可以滿足專業(yè)運動員的日常訓練要求。世界上生產乒乓球發(fā)球機的廠比較多，具有代表意義的廠家是美國的 NEWGY 公司和日本的 Butterfly 公司。國內乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀相對國外而言，國內的乒乓球發(fā)球機起步比較晚，但發(fā)展很快，從最初的全手動發(fā)球機到現(xiàn)在的全自動發(fā)球機，甚至有些產品性能超過了國外的同類產品。主要有以下幾個典型方面：1.半自動式乒乓球發(fā)球機；2.雙蛇牌乒乓球發(fā)球機；3.許紹發(fā)智能乒乓球教練機。盡管乒乓球發(fā)球機經過多年發(fā)展，己有很大改進，但發(fā)球機“打”出的球和人打得球還是許多不同:一是發(fā)球機發(fā)出來的球和運動員實際打過去的球在性能上不大相同;二是運動員打球時都有一個揮球拍動作，接球者可以借此來判斷和反應，而發(fā)球機發(fā)出的球則很突然，接球者不好判斷。二、研究內容、預計達到的目標、關鍵理論和技術、技術指標、完成課題的方案和主要措施課題研究的內容各種不同的乒乓球發(fā)球機都有各自的強項和弱點，綜合分析后發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)球機由于自身機械結構的限制，都不能完全實現(xiàn)自動控制，某些功能的實現(xiàn)需要進行手動調節(jié)。同時其發(fā)球模式比較單一，不能完全模擬人工發(fā)球原理。本課題的研究內容是以現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機為背景，對其進行改進設計以能滿足實現(xiàn)隨機發(fā)球及自動控制的要求。根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，對現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機的搖擺機構和發(fā)射機構進行改進設計，使其結構盡可能簡單且方便控制，說明了要實現(xiàn)的主要技術參數(shù)指標以及達到這些技術參數(shù)指標所需要的保障，并對該方案的可行性進行一個初步的論述。分析了自動乒乓球發(fā)球機的工作原理及工作過程，并闡述了這種工作過程的可靠性及優(yōu)越性。對乒乓球飛行過程的進行受力分析，最后對自動發(fā)球機進行相應分析設計，完成其設計方案，同時對控制電路進行相應的設計，最終得出結論，說明設計出這樣的自動乒乓球發(fā)球機是完全可行的。預計達到的目標1.根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，對原有乒乓球發(fā)球機的搖擺機構和發(fā)射機構進行改進設計，使其結構盡可能簡單且方便控制，說明要實現(xiàn)的主要技術參數(shù)指標以及達到這些技術參數(shù)指標所需要的保障。2.介紹自動乒乓球發(fā)球機工作原理及工作過程，并闡述了這種工作過程的可靠性。選擇對轉雙輪摩擦旋轉原理作為自動乒乓球發(fā)球機發(fā)射裝置的機械結構，并說明這種原理的優(yōu)越性。3.進行自動乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)方案的設計。具體包括外圍設備的選擇、電動機的選擇、PWM 驅動器的選擇等，詳細說明控制系統(tǒng)的可靠性。4.提出實現(xiàn)隨機發(fā)球的原理，并對其進行程序設計通過以上的工作，證明自動乒乓球發(fā)球機的設計思想是完全可行的。當然要提高自動乒乓球發(fā)球機的各項性能指標，還有待于以后更深入的探討與研究。在科學技術日新月異的今天，將乒乓球發(fā)球機推廣為自動型是完全可行的，它在工業(yè)生產中，特別是在體育事業(yè)中有著廣泛的應用領域和美好的發(fā)展前景。關鍵理論和技術自動乒乓球發(fā)球機的控制器采用美國 ATMEL 公司的 8 位單片機 89C51 為核心微處理器，外圍擴展電路包括:電動機驅動電路、電動機轉速測量電路、鍵盤、液晶顯示電路和紅外接收電路。核心微處理器對傳感器測得的轉速信號進行分析，計算出與給定轉速的誤差值，啟動軟件算法調節(jié)器，產生輸出信號經過驅動電路送給直流電動機，通過對直流電動機的調節(jié)實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制，同時驅動各步進電動機執(zhí)行相關動作。通過鍵盤可以選擇發(fā)球模式，以及設置發(fā)球速度、方向等，液晶顯示器可以實時監(jiān)控發(fā)球機的當前狀態(tài)。紅外遙控發(fā)送和紅外遙控接收電路用于對自動乒乓球發(fā)球機進行遠程控制，為減輕核心處理器的工作負擔，采用解碼芯片處理紅外接收器接收到的信號，然后將信號傳送給核心處理器，執(zhí)行相關按鍵動作。三、主要特色及工作進度2011 年 1 月初 ～ 2 月 21 日 資料檢索、查詢，課題可行性分析； 2011 年 2 月 22 日 ～ 3 月 21 日 完成系統(tǒng)總體方案構思及設計；2011 年 3 月 22 日 ～ 4 月 8 日 完成系統(tǒng)中中央控制系統(tǒng)設計；2011 年 4 月 9 日 ～ 4 月 20 日 完成系統(tǒng)中控制電路外圍接口電路設計；2011 年 4 月 21 日 ～ 4 月 30 日 完成系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)、及系統(tǒng)抗干擾設計；2011 年 5 月 1 日 ～ 5 月 10 日 完成畢業(yè)說明書撰寫，說明書初稿檢查；2011 年 5 月 11 日 ～ 5 月 31 日 畢業(yè)設計及說明書檢查、打印裝訂，答辯準備。四、主要參考文獻（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出）[1]三鼎公司. 記許紹發(fā)智能乒乓球教練機[J].乒乓世界,2002,(6).[2]譚志光,楊子奕 .一種乒乓球發(fā)球機[J].中國專利,02227172.4,2002-4-26.[3]楊子奕,譚志光 .乒乓球發(fā)球機的搖擺機構[J].中國專利,99240511.4,1999-10-13.[4]蔡繼玲.乒乓球竟賽規(guī)則問答[M].北京:北京體育大學出版,2004.[5]成大先.機械設計手冊 [M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.22.[6]東方馬達. 直流小型標準電動機使用手冊[M].2007.1.[7]東方馬達. 步進電動機使用手冊[M].2007.1.[8]關慧貞,高英明 .一種收拾發(fā)球機器人的設計[J].機床與液壓,2004,(12).[9]柳天揚.銀球世界 -乒乓球運動[M]. ?？?海南出版社,1997.[10]周漠仁.流體力學、泵與風機[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1979.[11]聶勤務,蔣偉進 .拋物運動的計算機仿真研究[N].株洲工學院學報,2003,(2).指導教師意 見 指導教師簽名： 年 月 日系意見 系主任簽名：年 月 日院意見 教學院長簽名： 年 月 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書題 目： 學 院： 興湘學院 專 業(yè)： 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 學 號： 2007964215 姓 名： 李 智 指導教師： 李 衛(wèi) 完成日期： 2011 年 05 月 20 日 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）任務書設計（論文）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 學 號： 2007964215 姓名 李 智 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 李 衛(wèi) 系主任： 一、主要內容及基本要求： 1、檢索國外乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，分析國內的現(xiàn)狀； 2、分析乒乓球自動發(fā)球機控制系統(tǒng)設計的關鍵技術問題； 3、完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計的一體化設計； 4、完成單片機實現(xiàn)乒乓球自動發(fā)球機驅動控制系統(tǒng)設計； 5、完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計中硬件設計； 6、完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計中軟件設計； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字數(shù)不低于一萬字，使用 A4 編輯及打印裝訂成冊； 8、技術圖紙：機械原理圖 1 張（0 號）、控制系 統(tǒng)電路圖 1 張（0 號）、控制系 統(tǒng)程序方框圖 1 張（1 號）； 9、翻譯英文技術資料：翻譯課題相關的英文資料。要求：3000 單詞，復印原稿與翻 譯(打印)稿同冊裝 訂。 二、重點研究的問題：1、 乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計方案選擇設計； 2、 乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計軟件設計； 3、 乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計中外圍設備硬件的設計。 三、進度安排四、應收集的資料及主要參考文獻[1]吳金成.8051 單片機實踐與應用[M].北京:清華大學出版社，2009 . [2]成大先.機械 設計手冊[M]. 北京:化學工業(yè)出版社，2010. [3]潘長林.實 用中小型電機手冊[M].上海:上海科學技術出版社 2007 [4]伍悅濱，朱蒙生.流體力學、泵與風機[M].北京:化學工業(yè)出版社，2010. [5]蔡繼玲.乒乓 球竟賽規(guī)則問答[M].北京:北京體育大學出版，2004. [6]楊志忠.數(shù)字 電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2008. [7]張建民.機 電一體化系統(tǒng)設計[M].北京:高等教育出版社，2007 . 各階段完成的內容 起止時間1 資料檢索、查詢 2011 年 2 月 20 日 ～ 3 月 5 日2 系統(tǒng)總體方案構思及設計 2011 年 3 月 6 日 ～ 3 月 20 日3完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計方案選擇設計2011 年 3 月 21 日 ～ 4 月 10 日4完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計硬件設計； 2011 年 4 月 11 日 ～ 4 月 25 日5完成乒乓球自動發(fā)球機計算機控制系統(tǒng)的設計軟件的設計2011 年 4 月 26 日 ～ 5 月 10 日6 畢業(yè)設計說明書撰寫和編輯 2011 年 5 月 11 日 ～ 5 月 19 日7交畢業(yè)設計說明書和圖紙，答辯準備 2011 年 5 月 20 日 ～ 5 月 25 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 　2007964215 姓名 　李 智 　 專業(yè) 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 畢業(yè)論文（設計）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 評價項目 評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價評閱人： 2011 年 5 月 日湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學 號： 2007964215 姓名： 李 智 專 業(yè)： 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 畢業(yè)論文（設計說明書） 68 頁 圖 表 3 張論文（設計）題目： 乒 乓 球 自 動 發(fā) 球 機 計 算 機 控 制 系 統(tǒng) 的 設 計 內容提要：我國是乒乓球強國。隨著乒乓球運動的開展，尤其是對高質量的乒乓球專業(yè)訓練要求的提高，設計一種高度自動化的乒乓球發(fā)球機具有積極重要的時代意義。國內現(xiàn)有的乒乓球發(fā)球機的類型有兩種，一種是半自動式發(fā)球機,它需要通過人工對機頭旋轉角度進行手動調整,從而實現(xiàn)各種發(fā)出各種角度的旋轉球的目的；同時需要通過抬高或降低機頭以對球的射程弧度進行手動調整。這種發(fā)球機操作麻煩，功能基本,越來越不能滿足專業(yè)訓練對發(fā)球機的要求。另一種發(fā)球機是半自動式發(fā)球機,通過電腦編程進行操作調節(jié)。它的操作系統(tǒng),需要設置參數(shù)來實現(xiàn)各種發(fā)球意圖。這種半自動式發(fā)球機雖然可發(fā)出各種變化的球,但由于設備體積大,使用不方便，因此局限性較大。本文針對乒乓球發(fā)球的特點，從總體上設計了一種新型的乒乓球發(fā)球機:自動乒乓球發(fā)球機。本文綜述了國內外乒乓球發(fā)球機的現(xiàn)狀，對已有發(fā)球機的機械結構進行分析，根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，提出了改進的設計方案。針對該發(fā)球機發(fā)球裝置的缺陷，采用對轉雙輪的發(fā)球原理，使其能夠實現(xiàn)旋轉球和不旋球的發(fā)射;考慮原擺動裝置的機械結構繁瑣，不宜進行自動控制， 對其進行了改進設計;此外，增加設計了升降裝置，使發(fā)球功能更完善。論述了該自動乒乓球發(fā)球機的設計思想、工作原理、 結構特點及控制系統(tǒng)，并詳細介紹了該控制系統(tǒng)的設計過程，具體包括外圍設備的選擇、 電動機的選擇、PWM 驅動器的選擇等，論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性。指導教師評語指導教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語答辯小組： 年 月 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日I摘 要為了使練習者能更好地學習乒乓球技術以達到健身和訓練的目的，本文針對乒乓球發(fā)球的特點，從總體上設計了一種新型的乒乓球發(fā)球機:自動乒乓球發(fā)球機。本文綜述了國內外乒乓球發(fā)球機的現(xiàn)狀，對已有發(fā)球機的機械結構進行分析，根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，提出了改進的設計方案。針對該發(fā)球機發(fā)球裝置的缺陷，采用對轉雙輪的發(fā)球原理，使其能夠實現(xiàn)旋轉球和不旋球的發(fā)射;考慮原擺動裝置的機械結構繁瑣，不宜進行自動控制，對其進行了改進設計;此外，增加設計了升降裝置，使發(fā)球功能更完善。根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析建立了數(shù)學模型，分析了控制落球點各參數(shù)的合理取值范圍，得出其相互制約關系。論述了該自動乒乓球發(fā)球機的設計思想、工作原理、結構特點及控制系統(tǒng)，并詳細介紹了該控制系統(tǒng)的設計過程，具體包括外圍設備的選擇、電動機的選擇、PWM 驅動器的選擇等，論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性。改進后設計的乒乓球發(fā)球機是一種新型的、性價比高的自動型發(fā)球機，它可以發(fā)出各種適合練習者需要的球，利用計算機對各種球的速度、角度、旋轉進行控制，以滿足練習者的不同技術需求。同時設置了隨機發(fā)球模式，對發(fā)球速度、發(fā)球角度和發(fā)球高度等參數(shù)進行隨機化，實現(xiàn)落球點的隨機變化。關鍵詞:乒乓球發(fā)球機，對轉雙輪，運動分析，發(fā)球模式IIABSTRACTIn 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 patternI目錄摘 要 ..........................................................IABSTRACT.......................................................Ⅱ目錄 ............................................................I第一章 緒 論 ...................................................11.1 引言 ................................................................11.2 國內外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 ........................................11.2.1 國外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 .....................................21.2.2 國內乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 .....................................31.3 論文主要內容及課題意義 ..............................................41.3.1 課題研究的內容 .................................................41.3.2 課題研究的現(xiàn)實意義 .............................................5第二章 自動乒乓球發(fā)球機的機械系統(tǒng)設計 ..........................62.1 改進前的乒乓球發(fā)球機簡介 ............................................62.1.1 改進前的乒乓球發(fā)球機的機械結構 .................................62.1.2 改進前的乒乓球發(fā)球機的工作原理 .................................72.1.3 改進前乒乓球發(fā)球機的結構分析 ...................................82.2 自動乒乓球發(fā)球機的機械系統(tǒng)改進設計 ..................................82.2.1 自動乒乓球發(fā)球機的搖擺機構改進設計 .............................92.2.2 自動乒乓球發(fā)球及的升降機構設計 ................................102.2.3 自動乒乓球發(fā)球機的發(fā)射機構改進設計 ............................102.2.4 自動乒乓球發(fā)球機的電動機選擇 ..................................10第三章 乒乓球的運動分析及發(fā)球機的參數(shù)設定 ......................133.1 自動乒乓球發(fā)球機的工作原理 .........................................133.1.1 乒乓球飛行過程的力學分析 ......................................133.1.2 乒乓球質心運動的數(shù)學模型 ......................................153.1.3 乒乓球飛行過程的分析 ..........................................193.2 自動乒乓球發(fā)球機的工作過程 .........................................203.3 自動乒乓球發(fā)球機的技術參數(shù) .........................................21第四章 自動乒乓球發(fā)球機的控制系統(tǒng)設計 ..........................224.1 總體設計 ...........................................................224.2 自動乒乓球發(fā)球機硬件電路設計 .......................................234.2.1 看門狗電路設計 ................................................234.2.2 鍵盤和液晶顯示電路的設計 ......................................254.2.3 紅外遙控系統(tǒng)的設計 ............................................31II4.2.4 電動機轉速測量電路設計 ........................................334.3 電動機控制系統(tǒng)設計 .................................................354.3.1 直流電動機的控制系統(tǒng) ..........................................364.3.2 步進電動機的控制系統(tǒng)設計 ......................................424.4 自動乒乓球發(fā)球機的軟件設計 .........................................464.4.1 軟件設計分析 ..................................................464.4.2 軟件設計流程圖 ................................................48第五章 結論 ...................................................57致 謝 .........................................................58參考文獻 ........................................................59附錄：中文翻譯及外文資料 ..........................................60第 1 頁 共 68 頁第一章 緒 論盡管自動乒乓球發(fā)球機在我國起步比較晚，但對其的研究很有重要的現(xiàn)實意義。體育事業(yè)在我國正在蓬勃發(fā)展，尤其是隨著我國運動員在奧運會中連續(xù)取得佳績，極大地調動了全國人民投入體育運動的熱情。乒乓球運動作為我國的國球，受到人們的廣泛喜愛，更急需研究開發(fā)一種能夠適應各種訓練場所的器材。正是在這種情況下，研究乒乓球發(fā)球機是極其必要的。1.1 引言現(xiàn)代社會，隨著物質生活水平的提高，人們越來越重視生命質量和生活質量。據(jù)統(tǒng)計，運動消費作為一種綠色消費，近幾年來在我國人民日常消費中所占比例呈增長趨勢。可以預見，全民性的健身運動熱潮不僅不會減弱，而且將愈演愈烈，健身器材的市場需求也將會不斷擴大。而乒乓球作為我國的國球，它集健身、競技、娛樂于一體，不僅可以鍛煉身體，還可以練習頭腦的靈活性、眼睛的反應力以及全身的協(xié)調性，因此在我國有著廣泛的群眾基礎。對于初學者，撿球的時間比真正在臺上練球的時間還要多，這樣要提高技術水平就很慢，也削弱對乒乓球的興趣。對于高水平的專業(yè)選手，由于人手發(fā)球速度和頻率會有一個極點，而且陪練員長時間發(fā)球也不可能，因此要進行變化多、強度大的多球練習比較困難。使用乒乓球發(fā)球機進行輔助訓練，可以解決這些問題，所以發(fā)球機的使用越來越普及了。由于目前發(fā)球機的出球性能決定了它多適用于基礎階段人員使用，對于技術水平較高或有復雜組合技術的使用者以及進行實戰(zhàn)訓練還比較困難。本課題設計研究了一種多功能的自動型乒乓球發(fā)球機，它主要利用機械電子相結合的技術，對現(xiàn)有發(fā)球機的結構和控制電路加以改進升級，使其便于實現(xiàn)自動控制。這種發(fā)球機可以人為的將發(fā)球速度控制在 10m/s 到 20m/s，發(fā)射多速度、多角度的單一路線球或組合路線球以及隨機球，并且在設計中兼顧考慮了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求，提供了自選模式訓練、隨機模式訓練和具有記憶功能的強化訓練，使得使用者掌握規(guī)范全面技術的時間大為縮短。1.2 國內外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀在六十年代末和七十年代初，歐洲出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機。它是通過一定的機械裝置，按乒乓球技術訓練的不同要求，將球不斷發(fā)射出來。發(fā)球機發(fā)出的球，比人速度更快，力量大，且旋轉更強，所以，它對提高乒乓球運動員的訓練水平有一定的作用。目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機，按出球方式可以分為三類:一類是輪式發(fā)球機，一類是壓氣式發(fā)球機，另一類是捶擊式發(fā)球機。其中輪式發(fā)球機的原理是由于裝有輪第 2 頁 共 68 頁子的通道空間很小，當球從滑軌滾入通道時，輪子就將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一樣的。這種發(fā)球方式有兩種，一種是單輪驅動，另一種是雙輪驅動。單輪驅動發(fā)球機的弊端是:發(fā)出來的球如果速度快，那么同時旋轉也強;如果速度慢，那么同時旋轉也弱。這和人們實戰(zhàn)打球是完全不同的，實際上球速和旋轉并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋轉并不強;而弧圈球雖然旋轉極強，但是速度未必很快。雙輪驅動的發(fā)球機完全解決了單輪驅動速度和旋轉的矛盾，可發(fā)出各種旋轉的球，同時也可以發(fā)出不轉球。壓縮式發(fā)球機是利用空氣壓縮機來發(fā)射球的，球被裝入長桶的底部由一個窄口固定住，這個窄口的直徑比球的直徑略小一些。當壓縮空氣推擠乒乓球穿過窄口的時候，球就被發(fā)射出去了。這種發(fā)球機的缺點是噪音極大而且不能提供高的性能，同時，空氣壓縮消耗的功率很大，難以使用電池來供電;它的優(yōu)點是價格比較便宜。捶擊式發(fā)球機有多種設計方案，最常見的是通過凸輪帶動擺桿，將落入發(fā)球口的乒乓球擊出去，這種方式性能單一，而且不方便控制，已經逐漸被淘汰。按控制類型可以分為兩類:一類是半自動，簡單操作系列;另一類是全自動，電腦程控系列。半自動乒乓球發(fā)球機，無論是安裝還是使用都比較麻煩，而且發(fā)球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改變各項技術參數(shù)，就必須停下來，人工來校準調整機頭旋轉角度，來實現(xiàn)各種旋轉球，手動抬高或降低機頭，來調整球的射程弧度，而且機械性能比較差，經?？ㄇ?，但這類產品在市場上占的比重還是比較大，而且有很多俱樂部還在用它，究其原因，主要是因為價格低，雖然是功能不強但丟掉還是可惜的。全自動乒乓球發(fā)球機，是由全電腦程控的，能模擬運動員常用的技術，可發(fā)出攻球、前沖弧圓球、削球、長膠球等高性能的球，其中包括九種與真人發(fā)射基本相同的基本球，另外還能發(fā)多種速度不同的球，從而可派生出多種多樣性能的球，使用非常的人性化。其電腦記憶功能還能記錄球員打球的路數(shù)，能起到專業(yè)陪練效果。這種機器雖然性能很高，但價格也比較貴。1.2.1 國外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀國外的乒乓球發(fā)球機發(fā)展比較快，其功能比較齊全，自動性能也比較高，既可以滿足普通練習者的需求，也可以滿足專業(yè)運動員的日常訓練要求。目前，世界上生產乒乓球發(fā)球機的廠家比較多，具有代表意義的廠家是美國的 NEWGY 公司和日本的Butterfly 公司。1 LNEWGY 公司之樂吉發(fā)球機:其發(fā)球原理是由電動機帶動的位置可調旋轉輪和一固定的摩擦塊組成發(fā)射機構，當球進入發(fā)球通道，由旋轉輪將球旋出發(fā)球口來，旋轉輪的位置不同，則可得到不同旋向的球。該系列乒乓球發(fā)球機一般可分為三個等級，初級發(fā)球機是為初學者和娛樂者設計第 3 頁 共 68 頁的，中級發(fā)球機是為中級和比賽級球員設計的，而高級發(fā)球機是專為專業(yè)運動員和愛好乒乓球的行家設計。該系列發(fā)球機的特點之一是使用者可以根據(jù)自己的水平狀況選擇合適的發(fā)球機等級，當水平提高時，該發(fā)球機可以通過升級包快速方便的達到高的等級。通過控制球桌旁的控制盒可以調節(jié)發(fā)球速度、發(fā)球頻率、旋轉速度以及出球口角度:通過手動調節(jié)出球口上的旋鈕可以發(fā)射出上旋、逆旋、側旋甚至混合旋轉等各種漩向的球;通過手動調節(jié)發(fā)球機后的兩個控制桿可以實現(xiàn)發(fā)球角度擺動范圍的變化，利用兩桿的不同組合可有八種擺動范圍選擇，還可實現(xiàn)定點發(fā)球;通過設置球型號開關調節(jié)旋轉輪與摩擦塊之間距離，可以選擇適合所使用球型(38mm/40mm)的發(fā)射軌道;通過將發(fā)球機安裝在不同的位置可以實現(xiàn)不同的發(fā)球角度和發(fā)射弧度。2.Butterfly 公司之 Amicus 發(fā)球機:其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉的輪子(旋轉方向相反)，由于輪子的空間小于球的直徑，當球從滾道滾入兩輪之間的時候，輪子將球旋出，但它只能形成 45°的側旋球。其旋轉速度和球發(fā)射速度沒有關聯(lián)，可以發(fā)射慢旋的短球和快速的突發(fā)球，這是同類發(fā)球機無法做到的。該發(fā)球機有三個不同的發(fā)球模式可選擇，一種是規(guī)則模式，發(fā)射固定落點的球;一種是自動模式，發(fā)射隨機球或組合球;另外一種是自定義模式，根據(jù)需求自己編寫發(fā)球模式的程序。同時它具有記憶功能，能夠保存使用者輸入的程序以及記錄前一使用者的選擇模式和命令。在使用者一端裝有控制界面，實現(xiàn)對發(fā)球機的遠程控制。該發(fā)球機結構緊湊，底座下有輪子，使用者可方便調整發(fā)球機位置，但其高度不能調節(jié)。1.2.2 國內乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀相對國外而言，國內的乒乓球發(fā)球機起步比較晚，但發(fā)展很快，從最初的全手動發(fā)球機到現(xiàn)在的全自動發(fā)球機，甚至有些產品性能超過了國外的同類產品。主要有以下幾個典型方面:1.半自動式乒乓球發(fā)球機:該發(fā)球機是福建省的林清云所設計的，其機械結構包括機身殼體、基座、儲球斗、發(fā)球機構、弧度調節(jié)機構、角度擺動機構及電機調速電路。其工作原理是:由于儲球斗裝于機器上方，乒乓球可通過自身重力落入發(fā)球機構，發(fā)球機構中的撥叉在電動機的帶動下?lián)舸蚵淙肭虻赖钠古仪?，乒乓球經球道前端的摩擦輥高速切搓后成旋轉狀飛出球道。其發(fā)球機構由撥叉、電動機和凸輪組成，撥叉由 L 形臂和直臂兩部分組成，與機身底盤間有一彈簧相連，L 形臂可擺動到球道的入球端，直臂與雙扇結構的凸輪面相接觸。通過電動機帶動凸輪轉動，在彈簧的作用下，撥叉即可做出打擊動作，將乒乓球擊出。其弧度調節(jié)機構可以調節(jié)出球的弧線，而角度擺動機構完成出球角度的左右擺動變化，形成豐富的出球線路;電機調速電路即可控制出球頻度和旋轉強度。該發(fā)球機第 4 頁 共 68 頁的特點是結構簡單，發(fā)球速度快，經濟實惠;缺點是故障率高，質量差、發(fā)球變化少，調節(jié)不方便。2.雙蛇牌乒乓球發(fā)球機:該發(fā)球機是雙蛇公司研發(fā)生產的全自動電腦控制操作系列的發(fā)球機，它是在研究總結眾多發(fā)球機的優(yōu)缺點的基礎上，專為乒乓球運動愛好者開發(fā)出的具有突破性的創(chuàng)意產品。其主要特點是通過電腦編成實現(xiàn)“一鍵一功能” ，即使用者通過遙控器或者控制面板上的按鍵來改變發(fā)球特性，只要按一下按鍵，就可以自動發(fā)出攻球、前沖弧圈球、削球、長膠球、高吊球性能的球;還可以自動發(fā)出上旋球、下旋球、不轉球、右側上、右側下、左側上、左側下、右側旋、左側旋九種基本旋轉發(fā)球方式的球。該發(fā)球裝置設計有云臺旋轉機構，并安裝有旋轉角度極限裝置，可以左右各旋轉20 度，在訓練時，使用者可根據(jù)自己的需求進行任意調整，通過細調可以派生出多種多樣性能的球，從而使發(fā)出的球更接近人工發(fā)球，也更具有人性化。發(fā)球裝置主球道的滑軌設計為三根可更換式的滑軌，從而解決了球在此段摩擦大，運行中阻力大的缺點。其機頭摩擦輪設計為組裝式，由輪毅、壓圈和橡膠組成，其優(yōu)點是更換橡膠圈方便，成本低，保證射點準確。其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能，使得在關機前處于什么狀態(tài)，再次開機時會仍然處于該狀態(tài)。由于其旋轉機構需手動調機，使整個裝置不能完全實現(xiàn)自動化。3.許紹發(fā)智能乒乓球教練機:該發(fā)球機是由三鼎公司采用生產研制，采用微電腦控制，在一定程度上實現(xiàn)了訓練過程的自動化，其桌面分割為多個小方塊，可根據(jù)程序設定準確地將球射到指定區(qū)域。它利用對轉雙輪原理的特性，借助輪子與球之間的摩擦力來獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。按照使用者要求可發(fā)射各種旋向球和不轉球，可任意改變球的落點，落點與旋向可任意組合。有 300 個訓練程序可選擇，使用者可根據(jù)自己需求來輸入所需程序。它比現(xiàn)實市面銷售的同類產品領先的關鍵在于它的可控制性，它拋出的球接近人工打球的速度、旋轉弧線。其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據(jù)實際情況來應變發(fā)球，由于發(fā)球程序模式所限，所發(fā)球具有一定的規(guī)律性。盡管乒乓球發(fā)球機經過多年發(fā)展，己有很大改進，但發(fā)球機“打”出的球和人打得球還是許多不同:一是發(fā)球機發(fā)出來的球和運動員實際打過去的球在性能上不大相同;二是運動員打球時都有一個揮球拍動作，接球者可以借此來判斷和反應，而發(fā)球機發(fā)出的球則很突然，接球者不好判斷。1.3 論文主要內容及課題意義1.3.1 課題研究的內容各種不同的乒乓球發(fā)球機都有各自的強項和弱點，綜合分析后發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)球機由于自身機械結構的限制，都不能完全實現(xiàn)自動控制，某些功能的實現(xiàn)需要進行手動第 5 頁 共 68 頁調節(jié)。同時其發(fā)球模式比較單一，不能完全模擬人工發(fā)球原理。本課題的設計內容是以現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機為背景，對其進行改進設計以能滿足實現(xiàn)隨機發(fā)球及自動控制的要求。根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，對現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機的搖擺機構和發(fā)射機構進行改進設計，使其結構盡可能簡單且方便控制，說明了要實現(xiàn)的主要技術參數(shù)指標以及達到這些技術參數(shù)指標所需要的保障，并對該方案的可行性進行一個初步的論述。分析了自動乒乓球發(fā)球機的工作原理及工作過程，并闡述了這種工作過程的可靠性及優(yōu)越性。根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析進行數(shù)學建模，分析了控制落球點各參數(shù)的合理取值范圍，得出其相互制約關系。最后對自動發(fā)球機進行相應分析設計，完成其設計方案，同時對控制電路進行相應的設計，最終得出結論，說明設計出這樣的自動乒乓球發(fā)球機是完全可行的。具體內容可分為以下幾個大部分:1.自動乒乓球發(fā)球機的機械機構改進設計2.自動乒乓球發(fā)球機的工作原理及工作過程3.乒乓球運動過程的分析4.自動乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)的設計研究1.3.2 課題研究的現(xiàn)實意義自動乒乓球發(fā)球機是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產物。用自動控制取代以往的純電路控制，可以增加許多性能，能更好地適應各種訓練的需求。在控制方面采用單片機控制，不僅可以提高發(fā)球性能，而且能夠降低成本，可以大大地提高訓練效率。改進現(xiàn)有發(fā)球機的不足之處，使其能滿足不同的使用需求。從經濟觀點或科研方面考慮，自動乒乓球發(fā)球機的開發(fā)、研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展。第 6 頁 共 68 頁第二章 自動乒乓球發(fā)球機的機械系統(tǒng)設計本章通過對原乒乓球發(fā)球機的實際問題進行分析，提出了自動乒乓球發(fā)球機的設計原理，同時對其整體結構做了一個說明，對其相應改進部分所具有的功能也做了詳細的介紹。自動乒乓球發(fā)球機與原發(fā)球機相比，其不同之處在于將機器和電腦的智能結合起來控制乒乓球的速度和旋轉，經過控制，有效地作到了按人的各種運動需求來制定相應的方案，發(fā)出滿足各種需求的球，并力求物廉價美?，F(xiàn)在市場上的自動乒乓球發(fā)球機形式多種多樣，結構也各不相同。根據(jù)發(fā)球的動力等自身特點，本課題設計的新型自動發(fā)球機，是通過對現(xiàn)有發(fā)球機進行分析，保留了它的一些傳統(tǒng)結構特點，同時也做得適當?shù)慕Y構改進以方便對其進行自動控制，具有一定程度的創(chuàng)新。2.1 改進前的乒乓球發(fā)球機簡介2.1.1 改進前的乒乓球發(fā)球機的機械結構如圖 2-1，改進前的乒乓球發(fā)球機由機座、乒乓球輸送機構、撥球機構、搖擺機構、發(fā)射機構和傳動機構組成。圖 2-1 改進前乒乓球發(fā)球機的機械結構圖乒乓球輸送機構設置在機座的底座上，而搖擺機構、發(fā)射機構設置在底座的上端，其中輸送機構包括儲球器和設置在底座內的送球通道，儲球器中設有撥球桿;在送球通第 7 頁 共 68 頁道中設有可以轉動的輸送輪，其上設有半圓形卡球槽。送球通道前段大致為垂直設置，后段設計為大圓弧，中段設計為小圓弧，中段與后段的相接成阿基米德螺旋線形。搖擺機構由發(fā)球控制器和擺桿組成，發(fā)球控制器包括離合裝置和角度調整裝置。發(fā)射機構由高速旋轉的發(fā)射輪和能調整發(fā)射口上下擺動的調整機構組成。傳動機構包括電動機和減速齒輪。機座則由底座、中部支承桿和上弧形桿組成，發(fā)射機構固定在上弧形桿頂端，而搖擺機構由中部支承桿固定。中部支承桿、上弧形桿的內部為空管，使乒乓球能夠沿空管上行。2.1.2 改進前的乒乓球發(fā)球機的工作原理改進前的乒乓球發(fā)球機工作時，由傳動機構中的電動機帶動減速齒輪組轉動，其中一組齒輪將運動傳到輸送輪，使輸送輪轉動，由輸送輪上的卡球槽將乒乓球推入送球通道，乒乓球沿著送球通道上升到發(fā)射機構。另一錐齒輪組將運動傳到儲球器內的撥桿，使撥桿轉動，撥動乒乓球使其盡快進入送球通道，防止卡球;該組齒輪同時將運動通過傳動桿傳遞到擺動機構，使擺動機構控制發(fā)射機構實現(xiàn)擺動。1. 搖擺機構的工作原理:圖 2-2 改進前乒乓球發(fā)球機的搖擺機構示意圖搖擺機構前段設置的發(fā)球控制器，使乒乓球的落點能固定在某點或者調整乒乓球左右落點的擺幅。如圖 2-2，在傳動桿的頂端設有一固定盒，其內設有主動輪，與主動輪相對應的位置設有從動軸，其上設有止動輪和與角度調整裝置相嚙合的上齒輪;從動輪和主動輪之間設有可在從動軸上上下滑動的中間離合齒輪，旁邊是撥動該齒輪滑動第 8 頁 共 68 頁的撥動機構;中間離合齒輪的下端與主動輪可相配合，下端與制動輪可相配合。角度調整裝置的中空軸下端設有于從動軸的上齒輪嚙合的齒輪，上端穿過固定盒的上內壁，內部裝有帶手柄的手柄軸;在齒輪內設有內腔，其內設有帶內齒的偏心齒輪，手柄軸的下端設有卡在內腔內的小齒輪，偏心齒輪與小齒輪內嚙合;在內腔的旁邊設有卡掣偏心齒輪的卡掣件;在內腔的下面固定一帶有限位孔的壓蓋，限位孔有一近輪中心端和一偏輪心端;偏心齒輪的下端伸出有凸臺，凸臺可以卡在限位孔內，凸臺的一端通過擺桿與設在機座上端的發(fā)射機構相連接。其工作過程是:手動調節(jié)撥動機構，當撥叉撥動中間離合齒輪向上滑動，與止動輪嚙合時，傳動桿輸出端的主動輪帶動中間離合齒輪旋轉，則從動軸也可旋轉;通過從動軸上與角度調整裝置上相互嚙合的齒輪，帶動其中空軸內的小齒輪轉動，則與小齒輪內嚙合的偏心齒輪旋轉，從而帶動擺桿擺動。該偏心齒輪下的凸臺在限位孔內的近輪中心端與偏輪心端之間滑動，則擺桿也隨著凸臺在此滑動。當凸臺在近輪中心端時，擺桿的擺動范圍小些;在偏輪心端時，擺桿的擺動范圍就大些。因此通過調節(jié)偏心齒輪的凸臺在限位孔的位置即可控制擺桿的擺動范圍。當其撥叉撥動中間離合齒輪向下滑動，與止動輪脫離嚙合時，傳動桿輸出端的主動輪就不能帶動中間離合齒輪旋轉，而且止動輪卡掣中間立和齒輪，從而使從動軸也不能旋轉，則從動軸上的上齒輪就不能帶動角度調整裝置的齒輪旋轉，擺桿就不能帶動發(fā)射機構轉動，致使發(fā)射機構定在某一位置發(fā)球。2.發(fā)射機構的工作原理:操縱發(fā)射機構上的調整機構，可以調整發(fā)射口有不同的傾角，能實現(xiàn)乒乓球落到不同的前后落點。而發(fā)射機構中的發(fā)射輪，有電動機帶動高速旋轉，當乒乓球進入發(fā)射機構，與旋轉輪接觸時，旋轉輪作用在乒乓球上，將乒乓球從發(fā)射口快速射出。2.1.3 改進前乒乓球發(fā)球機的結構分析綜上所述，該乒乓球發(fā)球機機械結構復雜，由兩個電動機分別帶動相應裝置實現(xiàn)發(fā)球功能。其性能比較單一，只能實現(xiàn)發(fā)球落點的前后、左右變化，同時只能發(fā)射一種旋轉球，手動調節(jié)手柄，可控制搖擺機構的擺動范圍。當需要固定在某一位置發(fā)球時，在發(fā)射機構轉到該位置時，搬動撥動機構的手柄，使搖擺機構停止擺動，才可發(fā)射定點球。相反方向搬動該手柄，則搖擺機構從新擺動。由于是手動調節(jié)，使用不方便，調節(jié)也不準確。同時由于機械結構自身的不足，即使對其進行自動控制，在功能上也不會有很大提高。2.2 自動乒乓球發(fā)球機的機械系統(tǒng)改進設計自動乒乓球發(fā)球機的設計思想是:儲球機構中的乒乓球，靠自身重力落入輸送機構，輸送輪通過其上的半圓形卡球槽將球送入送球通道，球在通道內依次排成一列，后面的球將前面的球頂入發(fā)射機構。發(fā)射機構中的雙旋轉輪可將球發(fā)射出去，調節(jié)兩輪速第 9 頁 共 68 頁度與旋向即可實現(xiàn)不同旋向球;發(fā)射機構中的調整裝置可調節(jié)出球口的上下角度，即可改變發(fā)球的弧度。通過搖擺機構調節(jié)出球的左右變化角度。針對所要設計的自動乒乓球發(fā)球機的特點，其機械功能應包括:通過控制盒上相應按鍵來實現(xiàn)各種功能，如改變發(fā)球速度、頻率、旋向，以及出球角度和弧度。對原有乒乓球發(fā)球機的結構進行分析，為能保證這些功能的實現(xiàn)，需對其部分復雜機械結構進行改進，加入方便進行自動控制的元件。通過分析，主要對原乒乓球發(fā)球機進行兩方面的改進設計，即搖擺機構和發(fā)射機構的改進。要設計好整個自動乒乓球發(fā)球機的機械結構，首先要了解乒乓球和乒乓球桌的參數(shù)。乒乓球是一種硝化纖維組成的，直徑為 40 毫米的圓球，它質輕而心空，彈性好，重量為 2.7 克。標準的乒乓球桌的長為 2.74 米，寬為 1.525 米，球網 15.25 厘米。球的飛行方向:球在球臺上空沿一定弧線飛行。如果要準確地落到對方臺面，不僅受到球臺長度和球網高度的限制，而且還受到球臺寬度的制約。為此必須要求乒乓球的飛行方向正確，保證乒乓球既不會出界，又能落到戰(zhàn)術所需要的區(qū)域。2.2.1 自動乒乓球發(fā)球機的搖擺機構改進設計該機構的作用是帶動發(fā)射裝置實現(xiàn)上下、左右的擺動，從而使發(fā)球的角度和弧度發(fā)生變化，同時要求這種變化可控制。考慮其要實現(xiàn)的功能，可采用步進電動機來帶動轉動裝置進行角度和弧度的變化。近年來，隨著微型計算機的發(fā)展，步進電動機的控制方式更加靈活多樣，它改變了原來的復雜控制電路，由計算機通過軟件來控制，更好的挖掘出其潛力，使得步進電動機使用更為普遍。步進電動機受脈沖信號控制，其轉子角位移與輸入的控制脈沖數(shù)相對應，轉子轉速與控制脈沖頻率成正比，因此不需要位置傳感器即可進行高精度、高可靠性運行。改進后的自動乒乓球發(fā)球機機械結構如圖 2-3。送球管道由一段可彎曲的橡膠管連接兩段直管組成，齒輪 2 由步進電動機帶動轉動，與其嚙合的齒盤固定于出球的管道上，當其轉動時，即可實現(xiàn)出球管道的上下擺動，控制步進電動機的角位移和轉速即可控制出球管道的擺動角度和速度。在垂直的送球管道下端裝有一齒盤，它與齒輪 1嚙合，即為左右擺動裝置，其原理與上下擺動裝置相同，由步進電動機帶動實現(xiàn)左右擺動。第 10 頁 共 68 頁圖 2-3 自動乒乓球發(fā)球機的局部機械結構2.2.2 自動乒乓球發(fā)球及的升降機構設計為能更好實現(xiàn)不同的球路變化，該自動發(fā)球機增加了可調節(jié)發(fā)球高度的升降機構。其結構為由步進電動機帶動滾珠絲杠轉動，則與絲杠配合的螺母在絲杠上上下移動，螺母上固定的托盤帶動其上的送球管道和擺動裝置一起上下移動，從而實現(xiàn)了出球口高度的調節(jié)。滾珠絲杠是精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線形運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。本設計滾珠絲杠的選擇是根據(jù)升降機構的快速響應性和發(fā)球高度的變化來決定的，采用 3Ocm 長、直徑和螺距都為 40mm 的高精度滾珠絲杠。2.2.3 自動乒乓球發(fā)球機的發(fā)射機構改進設計為改變原發(fā)球機只能發(fā)射上旋球的缺點，該自動發(fā)球機的發(fā)射裝置設計為由兩個摩擦輪組成，分別由兩個直流電動機來帶動。當兩摩擦輪的速度不同時，即可發(fā)射不同旋轉速度的上旋球或下旋球;當兩輪的速度相同時，即可發(fā)射不旋球。通過調節(jié)電動機的轉速即可調節(jié)球的初速度。2.2.4 自動乒乓球發(fā)球機的電動機選擇從以上內容可知，自動乒乓球發(fā)球機的機械運動主要是由電動機來提供動力源的，因此電動機的選擇在本設計中非常重要。電動機選擇的技術指標包括:(l)容易控制，可控性好;(2)控制精度高;(3)直線運動的步進電動機功率要大，速度要快;(4)控制供第 11 頁 共 68 頁球頻率的電動機力矩要大，穩(wěn)定性要好;(5)防震和防干擾性能要好等。以帶動升降裝置的步進電動機的選擇為例，其參數(shù)為:四相步進電動機，其保持轉矩為=0.16N·m，轉動慣量 =0.035 ㎏·㎡，功率為 =67W，額定電流為1?MJ?410?=0.75A，電源輸入為 U=100V。該電動機和絲杠是直接連接的，所以減速比 GL 為?1/1，已知的其他參數(shù):絲杠螺距 BP 為 40mm、輸送重量 W 為 3kg、推力 F 為 0kg (無)、鐵的密度 為 7.85x kg/ ，則?310m(a)對步進電動機軸換算的負載轉動慣量 為:LJ絲杠的轉動慣量 為(其直徑 為 40mm、長度 L 為 300mm):1J1D=1J????24032GLL????????= ??241185.7?=5.93 (㎏·㎡)410?可動部分的轉動慣量 為(輸送重量 W 為 3㎏):2J=W2J???GLBP??=3??21041=1.22 (㎏·㎡)?(b)對電動機換算的負載轉矩 為(輸送重量為 W 為 3kg、摩擦系數(shù)LT?為 0.1、滾珠絲杠的機械效率 為 0.9):?=LT??????GBPFW???10281.9??= 149.3.0=2.08 (㎏·㎡)21??(c)升降裝置的最大移動速度 v 為(步進電動機軸最大轉速為 n=4000 時):minrV=( ) =0.42（m／s）6024?14(d)最短加速/減速時間 為(最大轉速時電動機的轉矩為 =0.05N.m):ACt 2?=ACt )2( LLMTnJ???= )0.5(62401).035.4 ???=0.29 (s)第 12 頁 共 68 頁可知在這樣的條件下升降裝置要加速到 0.42m/s，至少需要 0.29s發(fā)射裝置的兩個直流電動機的參數(shù)為:額定功率為 P=25W，額定電流為 I=0.27A，單相電壓為 U=220V，額定轉速為 n=3000r/min擺動裝置的兩個步進電動機的參數(shù)為:四相步進電動機，其保持轉矩為=0.13N·m，轉動慣量 =0.03 (㎏·㎡)，功率為 P=55W，額定電流為1TMJ410??I=0.75A，電源輸入為 U=100V。輸送機構的直流電動機的參數(shù)為:額定功率為 P=15W ，額定電流為 I=0.19A，單相電壓為 U=220V，額定轉矩為 =0.125N·m，額定轉速為 n=1200r/min。NT第 13 頁 共 68 頁第三章 乒乓球的運動分析及發(fā)球機的參數(shù)設定本章對自動乒乓球發(fā)球機的設計原理和工作過程做了簡單介紹，同時根據(jù)乒乓球在空中的受力情況建立了其數(shù)學模型，分別對不旋球和旋轉球的運動軌跡進行了分析，確定該乒乓球發(fā)球機可以通過調節(jié)各種參數(shù)，得到不同落點的球，從而滿足了設計要求。3.1 自動乒乓球發(fā)球機的工作原理自動乒乓球發(fā)球機是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產物，它具有自動化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性可靠等多種特性。其發(fā)球的基本原理是利用對轉雙輪的原理，如圖 3-1，乒乓球由于受到兩個反向旋轉摩擦輪的作用，可以獲得一定的初速度，而兩個摩擦輪由直流電動機帶動工作。圖 3-1 對轉雙輪原理圖根據(jù)上圖的原理可以看出，當電動機旋轉使帶動兩個摩擦輪轉動，同時摩擦乒乓球使其獲得一定的動能，乒乓球才得以發(fā)射出去。這種原理方案簡單又實用，既能保證乒乓球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的轉向、角度及速度，使用戶隨心所欲地練習打乒乓球。設輪子的角速度分別為 、 ，半徑都為 R，那么就可以計算出輪子的線速度為:1?2R， R?1??2當 = 時，乒乓球不旋轉，所獲得的瞬時速度即初速度為 = ;當 >??21?時，乒乓球沿輪 l 方向旋轉，所獲得的初速度 =( + )/2;當 3 )，gR?510邊界層完全變成湍流，分離點后移，阻力系數(shù)突然下降。由于包圍粗糙球的邊界層更容易分離，粗糙球的臨界雷諾數(shù)比光滑球的要小。假設大氣溫度為 20℃時，則取空氣密度為: =1.205 kg/ ，空氣粘度系數(shù):?3m=1.82x Pa·m。?510?則雷諾數(shù)為: = vd =1.205 0.040v =2.648gR???51082.??210?其中:d 一乒乓球球的直徑，v 一乒乓球在空氣中的速度。當乒乓球速度達最大(v=20m/s)時， =5.296x ，由圖 3-2 可知，包圍乒乓gR4?球的氣流層處于層流狀態(tài)，其阻力系數(shù)基本為常數(shù)。有論文提出，網球在13.6m/sN/2-m?步進電機繼續(xù)走 n 個步距角將 m+n 記為 m步進電動機反向走-(N-2m-n)個步距角步進電動機反向走 N-2m-n 個步距角 cw 取反將 m+n-N/2 記為 m從數(shù)組中取隨機數(shù)記為 nm+nN-m? 步進電動機繼續(xù)走 n 個步距角將 m+n 記為m步進電機繼續(xù)走2N-2m-n 個步距角 cw 取反步進電動機反向走 2m+n-2N 個步距角將 2N-(m+n)記為 m第 58 頁 共 68 頁第五章 結 論本文通過對現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機進行優(yōu)缺點分析，提出設計一種自動型的發(fā)球機，對其總體設計做了一個詳細的理論分析