机械创新论文

《乒乓球自动发球捡球一体机》论文院系工程技术学院

专业年级机械制造及其自动化 2010级

组长：林妍雯学号：222010322210252

组员：杨仁孛学号：222010322210251

李静学号：222010322210253

罗欢学号：222010322210250

蒋雅茜学号：299201022220001

2013 年 4 月 21 日

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捡球一体机。本文综述了国内外乒乓球发球机、捡球机的现状，对已有发球机、捡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。同时通过中间装置，即管道的两端分别与捡球机储球盒和发球机轮盘连接。即可实现发球与捡球一体化。

关键词：乒乓球发球机，对转双轮，运动分析，发球模式、捡球机、中间装置

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.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。

2.发球机

2.1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。

2.2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，机头部分的设计等。

2.3乒乓球发球机整体方案的确定

2.3.1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。

2.3.2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