毕业设计（论文）-网球自动捡球机设计

1、分类号密级udc 本科毕业设计网球自动捡球机设计学生姓名学号指导教师院、系、中心工程学院机电工程系专业年级机械设计制造及其自动化2011级论文答辩日期2015 年 6 月 4 日中国海洋大学网球自动捡球机设计完成日期:指导教师签字: 答辩小组成员签字:随着网球运动的不断普及，越来越多的网球爱好者开始投身于网球锻炼中来，而在 网球训练时，网球的使用量非常大，频繁捡起随机散落在很大范围内的网球是一件耗时 耗力的工作，且不是每个人都能像专业网球运动员一样拥有属于自己的球童，因此高效 的自动捡球机会为训练者们提供便利，节省时间。本课题研究目的在于设计一款网球自 动捡球机，使其具有高效和不遗漏的特点，并

2、尽可能解决卡球、伤球的问题。本次设计 完成了捡球机机械系统运动方案设计，零部件的设计计算和分析，以及三维图和二维图 纸的绘制，最终完成了网球自动捡球机的整体机构的设计。关键词：捡球机构；驱动系统；控制系统abstractwith the continuous popularization of tennis, a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exerciseo and in the tennis training, the usage of tennis ball is very large, i

3、t，s a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range, but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players, so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the

4、 trainers and save time。the main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pickup machine which has the characteristics of high efficiency and not missing, and solve the problem of ball stuck and damageo this topic deals with kinematic precept design, calculation and analysis

5、 of components and parts, and three-dimensional diagram and two-dimensional drawing, finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine okeys： agency to pick up the ball； driving system； control system1绪论11.1课题的研究背景11.2国内外研究现状11. 3本章小结42总体方案设计52.1设计要求52. 2关键问题52. 3 方案的选择和确定52. 4整体方案三

6、维图72. 5本章小结83机械结构及零部件的设计与校核93. 1捡球篮的尺寸93. 2捡球机行走速度的计算103. 3同步带的设计113. 4球道的设计123. 5 捡球机同步带电机的选择133. 6同步带轴的设计与校核153. 6. 1求轴上的功率几、转速心和转矩“153. 6. 2初步确定轴的最小直径163. 6. 3轴的结构设计163.6.4计算轴上的载荷183. 6. 5按照弯扭合成应力校核轴的强度193. 7车轮的选择193. 8 驱动原动机的选择203. 9车轮轴的设计与校核213.9. 1确定轴的最小直径213. 92轴的结构设计213.9.3轴的校核223. 10本章小结234

7、自动控制系统设计244. 1行进方案的确定244.2单片机的选用254. 3木章小结25总结与展望26总结26展望26参考文献27致谢291绪论1课题的研究背景根据国际机器人联合会(international federation of robotics, ifr) 2014年发布的服 务机器人研究报告，2013年个人和家用服务机器人的销量在全球范围内大约为四百万 台，相比2012年同比增长28%,粗略统计市场规模约为17亿美元，据估计，未来2014 到2017年z间将会有3100万台个人服务机器人售出山。这也就意味着在服务机器人领 域将会有持续而强劲的增长，服务机器人将越来越多的走进人们日常

8、生活当中。根据中国网球协会官方最新数据统计，到2008年，凭借着郑洁温网杀入四强和李 娜的奥运会四强，国人网球热情空前高涨。据统计，目前中国网球人口现已经突破900 万。而随着李娜在法网和澳网夺冠，国际女子职业网联(wta, womenrstennis association)官网其至认为，李娜的大满贯冠军将为中国增加3亿网球人口。网球作为世界第二大球类运动，正在受到越来越多人的关注和喜爱，网球爱好者在 进行网球训练过程中，网球的使用数量巨大，短时间内需要频繁捡起散落在很大范围内 的网球是一件耗时耗力的工作，而每个人不会像专业运动员一样拥有自己的球童，因此 网球训练亟需自动捡球机器人来辅助，为

9、每位网球爱好者提供便利，节省时间。1.2国内外研究现状目前市场上的网球捡球机构比较少，较为经济、方便的网球捡球机构大多以人工操 作为主。网球筐是目前市场上最为常见的产品方案，如图1-1, 1-2所示，其工作原理很简 单，用力下压将球挤进球篮里，球篮网格的尺寸相比网球略小，保证网球进入球篮之后 不会掉落，同时在不捡球时，可以将支架倒转使其站立，辅助网球训练，其结构简单, 操作方便，价格便宜。图1-1网球篮图1-2网球篮另外一种与网球篮的工作原理比较相似的网球捡球机构是网球筒，如图13、14 所示，其结构相比网球篮更加简单，主要由球筒、手柄和收球部分组成。挤压将球收 进球筒之后，单向通过的收球装置

10、，保证网球不会掉落。图1-3网球筒图1-4网球筒以上两种捡球机构的主要优势是结构简单，造价低，使用方便，但也存在较多的缺 点，捡球过程中对网球的损伤较大，且容易卡球，需要人工寻找并对准网球，效率低, jel次只能捡一个球，同吋网球筒一次捡球数量很小，当网球数量较多时，捡球难度会 大大增加。综合来看，网球篮和网球筒相对比较原始，由于成本低，适用于网球较少的训练场 景，但是与今后网球捡球机构的发展趋势不符，具有明显的局限性。目前市场上还出现了一类手推式网球捡球车，如图15所示。这种捡球机的主要特 点是：可伸缩球篮架，可循环换篮，拾球数量没有限制；轮子采用高级耐磨pu材料, 不伤网球场；捡球直径可以

11、达到100cml4jo其主要工作原理是人推动小车前进，球顺着球道进入轮子之间，轮子的摩擦力将球 夹住，带入球篮之中，这种捡球车页存在不少的缺点：需要人工操作，捡球过程容易对 球产生损伤，且价格偏高，普通人消费不起。图1-5波力网球捡球机ss-401国外的与网球捡球机的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是设计专利，如图1-6, 1-7所示叽图1-6国外网球捡球机专利图1-7国外网球捡球机专利其中，图16是一款与网球篮相似的网球捡球机构，使用时操作者握住手柄，推动 捡球机前进，同时将球卡进中间的球篮，其结构同样简单，但是效率低下，且容易漏球。图17是一款白动网球捡球机，这款网球捡球机基本实现了

12、全白动捡网球，其主要 捡球原理是：捡球机在前进过程中，网球累积在挡板上，挡板运动将球抬升进入后面的 球筐里。这款网球捡球机存在着明显的设计缺陷，因为在捡球过程中必然会出现网球停 在挡板下方的情况，这会导致捡球机被卡住的情况，进而造成电机烧毁等严重后果。1.3本章小结本章主要讲述了文献检索之后的主要成果，对现有的捡球机机构进行查阅、分析, 对目前存在的捡球机主要工作原理有了比较详细的了解，有助拓宽视野，发散思维，同 时比较各种捡球方式的优缺点，利于之后的捡球机构的设计。2总体方案设计2.1设计要求本课题的主要设计要求是设计一款高效的网球自动捡球机，尽可能解决同类产品中 可能岀现的卡球和伤球现象，

13、并使其具有无遗漏的特点。其主要设计参数如表21所示表21设计参数表项目指标1一次捡球数量/个> 1002. 一次捡球周期/min< 103.捡球范围/mm> 10002.2关键问题(1) 捡球方式的选择；(2) 传动方式的选择；(3) 行走速度分析；(4) 球道数选择。2.3方案的选择和确定针对本课题，经过一段时间的查找资料,参考现有的相关设计，首先提出的方案是利用智能机械手臂实现捡球动作，这种方案虽然原理简单，但是实现起来比较困难，对 系统控制的要求高，机械结构的精度要求更高，且一次只能捡起一个球，效率很低，高 额的成本也导致这种方案不适用于普通的网球训练，因此机械手臂的方

14、案得到否定。其次提岀的捡球机构方案如下图21所示，其主要原理为：捡球机采用后轮驱动的 方式，两个后轮分别用步进电机控制，便于控制车速，通过差速实现拐弯作业，前轮由 轮轴连接，在捡球车前进过程中，后轮驱动前轮转动，前轮轴上的同步带，可以带动扇 叶转动，扇叶转动将到达车前的网球拨入后置的球篮里。图21扇叶式捡球机构原理图针对此方案，进行了初步的设计与计算，并绘制了三维图，如图22所示，手柄设 计的出发点是手自一体化，首先设计的是手动式，因此起初设计吋并没有将后轮的步进 电机加进去。图22扇叶式捡球机此设计方案，设计过程中，也发现不少问题：(1) 转弯问题。起初在考虑后轮驱动，通过变速转弯吋，没有考

15、虑前轮的转弯问 题，由于两个前轮通过一根轮轴连接，因此当后轮差速拐弯时，前轮没办法同时跟着后 轮转动，前轮的运动变成侧向滑动，摩擦力大，轻则损伤车轮，重则无法拐弯烧毁电机。(2) 捡球数量问题。由于捡球机构的限制，捡网球过程中网球的抬升高度无法很 高，且为了提升装球数量，不得不把球篮做成斜坡形式，导致后面球篮很小，可以装球 的数量无法达到预期的100个。口网球提升过程中由于斜坡短，提升速度较快，网球可 能飞出去。由于各种缺点，此方案也得到了否定。最终，提出的设计方案如图23所示，其主要工作原理为：由电机驱动，通过三个 大小相同的同步带带轮带动同步带转动，在捡球机前进过程中，同步带上的拨板将网球

16、 沿斜坡送入后置的球篮之中。图23同步带加拨板原理图1一网球；2一球道；3 同步带带轮；4一拨板：5同步带本方案的设计由方案二演变而來，两个同步带轮被三个同步带轮所替换，带拨板的 同步带替代了扇叶，使用电机带动同步带的主要0的是提高球道的高度，提高装球数量。相比前两种方案，木方案的优点是：结构相对简单，制造难度低；不会出现卡球、 伤球的现象；可盛装网球数量大，可以满足捡球要求。2.4整体方案三维图经过不断地设计计算，选取相应的标准零部件，并进行其余零部件的设计绘图，最 终得到捡球机的总体装配图如图2-4所示。从图中可以看岀，车身前面的小车轮加支架为捡球机的收集装置，在捡球机前进过 程屮最大限度

17、的收集网球，并将球引导进入球道，同时很好的避免了球在进入球道z前 四处乱窜和不进入球道的问题，收集装置前方的车轮主要起导向作用，同时支撑收集装 置支架，避免其发牛形变。图2-4整体方案三维建模2.5本章小结本章主要讲述的是捡球机捡球方案的确定过程，经过不断地设计筛选，最终确定了 一套相对合理，缺点少，易于实现的方案，为捡球机整体设计奠定了基础。3机械结构及零部件的设计与校核3.1捡球篮的尺寸根据设计参数要求：一次捡球数量>100个。按照标准网球的直径要求65.41mm < d < 68.58mm进行设计计算，理想状况下，盛放100个网球所需要的最小容积为knin =fx7tx

18、 (警)3 x hx 7t x (65-41103)3 x 100 = 0.0146m3 (3一1)而盛放100个网球所需要的最大容积为vmax = dmax3 x n = (68.58 x 10-3)3 x 100 = 0.0323m3(32)式中，v捡球机捡球篮的容积，m3；dmax单个网球的最大直径，m；drain单个网球的最小直径，m；n捡球篮所装网球的数量，个。因此捡球篮的容积v需要满足的理论条件为：vmin<v < vmax,但是在考虑到实 际情况时，捡球数量则需要> 100个，因此捡球篮的实际体积应该大于最大容积冷处, 参考球道以及捡球车整体机架结构的设计，确定

19、捡球筐的内部容积基木尺寸为 0.3 x 0.4 x 0.3m,分别为长，宽，高。验算捡球篮能否满足一次捡球，可装球100个以上，实际捡球篮的容积为v = abh = 0.3 x 0.4 x 0.3 = 0.036m3 > 0.0323m3(3-3)式中，v捡球篮的实际容积，m3；a捡球篮的内部长度，b捡球篮的内部宽度，m；h捡球篮的内部高度，m。因此满足条件，可以使用。创建捡球篮的三维图如图3-1, 3-2所示，其中图3-1为捡球篮的整体三维图，图 32为捡球篮顶部挂钩特写，考虑到捡球机捡球之后取球的便利，决定在捡球篮中放置 球网，因此挂钩的作用为固定球网，同时利于球网的取岀。图3-2捡

20、球篮特写3.2捡球机行走速度的计算标准网球场地的尺寸如图3-3所示，由图中可以看出网球场的赛场尺寸23.77m x 8.23m,而球场的总体尺寸为36.57m x 18.27m,根据设计参数的要求一次捡球所需时 间为lomin,考虑到直线行走的速度会比转弯时的速度快，所以可以假定捡球机覆盖全 场的直线距离行走时间为5min,按照设计参数要求，捡球机捡球范围 1000mm,假 定其所覆盖的捡球范围就是1000mm,则粗略估计捡球机的行走速度为：(3-4)v = -x- = x« 2.23m/st i 5x601'图33标准网球场地（单位：mm）式中，v捡球机的行走速度，m/s；

21、b网球场地的宽度，m；t捡球机走完覆盖全场直线距离所需时间，s；n网球场地的长度，m；1捡球机捡球的宽度，m。考虑到实际情况，将捡球机的行走速度初步设定为2.3m/so3.3同步带的设计考虑到标准网球的最大直径68.58mm,因此球道的宽度尙> 68.58mm,根据现 代机械设计手册(单行本)机械传动设计表189刀,选取带宽代号300,带宽76.2mm,选 取带型h,查表187,得知同步带的节距12.7mm,考虑到每秒钟遇到的球的数量约为 三个，三个球在同一个球道的概率虽然很小但是需要考虑，三个网球的最大的宽度为 3 x 68.58mm = 205.74mm,因此设定同步带上拨板的距离为

22、250mm,设定同步带的带 速为 250mm/s。考虑到实际情况，本次设计选取的同步带是三个大小相同的同步带轮，按照要求带 轮齿数z>zm汛(带轮最小齿数)，参照表192,假定带轮转速hi < 900r/min,得知h 型带的最低齿数要求为14,而在带速和安装尺寸允许的情况下，带轮齿数可以尽可能 选取较大值，因此参照表1104,选取带轮齿z = 20,节径d = 80.85mm,外径 d° = 79.48mm。验算带轮选择是否合理，按照选定齿数进行计算转速hi = = 59.09r/min < 900r/min(3-5)丄 nd 7tx80.85'1式屮，带

23、轮的转速，r/min；v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。经过计算可得，带轮的小内径为15.90mm,大内径为31.79mm,小内径的深度为 53.34mm,大内径的深度为22.86mm。考虑到网球的最人直径68.58mm,为了让球能拖住网球，考虑到最理想的状况，拨 板的最小长度为网球的半径34.29mm,考虑到可能存在三个网球同时在一条球道的情况, 因此设定拨板的长度为1 = 100mm,拨板的厚度为5mm,宽度为76.2mm,设定最低同 步带带轮高度为>? + 1 =齊+ 100 = 140.43mm(3-6)丄22式中，/ii同步带带轮的高

24、度，mm；d同步带带轮的节径，mm；1同步带拨板的长度，mm。考虑到实际情况，同步带带厚等因素，取同步带最低带轮的高度为150mmo3.4球道的设计按照设计参数设定，一次捡球数量100个，假定网球练习者一次练习，发球数量 100个，考虑到实际情况，网前和边线处网球数量相对集中，在多数球过网的情况下, 分布在边线处的网球数量相对更高，因此假定边线附近区域(2m x 18.27m范围内)网 球的数量为40个，网前(4m x 18.27m)的数量为20个，其余40个网球随机分布在 网球场地的其他区域。设定网球捡球机的捡球宽度为lm,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)

25、v"=tvd=蛊7 x 2.3 x 1 = 2.52 个is(3-7)式中，捡球机在单位时间里遇到网球的数量，个/s；ns区域内网球的数量，个；a该区域的面积，m2；v捡球机的行走速度，m/s；d捡球机的捡球宽度，m。根据上式计算的结果，得到单位吋间里捡球的个数,因此设定捡球机的球道数为3。考虑到拨板的宽度为76.2mm,以及安装偏差问题，设定球道的宽度为77mm,球 道的高度设定主要与捡球篮的高度以及捡球机主体部分与地面高度相关，其相关的尺寸 在二维图纸有详细表示，在这里不做赘述。其最终的三维建模如图34, 35所示，其屮图34是球道的主体结构示意图，图 35是球道的固定装置的特写

26、，由于球道为悬空状态，因此将其固定在捡球篮上，起到 固定和支撑的作用。图3-4球道三维图3.5捡球机同步带电机的选择首先确定捡球机同步带的负载，其只要负载特性如下： 网球的重量。设计所得的球道的长度约为470mm,考虑到单个网球的最大直径 68.58mm,拨板的厚度5mm,以及拨板之间的距离250mm,因此同时最多存在两个拨 板在球道上方，球道上最多存在n1 = 6个网球，单个网球的最大重量mi = 5859； 同步带的重量。同步带型号h,采取最常用材料，其密度为p2 = 0.448/c/m,同 步带的总长l2 = 1464.64mm,同步带的数量为n2 = 3条。同步带上的拨板材料与同步 带

27、材料相同，每条同步带拨板的数量为n3 = 6个，因此拨板的总长度为z3 = 6 x 0.1 x 3 = 1.8m。 同步带轮的质量。同步带轮的材料是尼龙，使用solidworks软件赋予模型尼龙 材料，计算得到带轮的重量为叫= 3tig个,带轮的个数为s = 9个。根据公式计算同步带的负载为m = mi x 71 + 卩2 x b x 兀2 + p2 x $ x 兀3 + 加4 x 兀4 = 1078kg( 3-8 )同步带的速度为v = 0.25m/s,因此可以求得电机的功率为(3-9)p = fv= 10.78 x 9.8 x 0.25 = 26.41w式中，p电动机的有效功率，肌f电动机

28、上作用的力，n；v电动机的线速度。因此，电动机的总功率弘为(3-10)式中，r|电机的机械效率。根据角速度和线速度的关系式v =推导得到带轮的角速度为3 厂80.85+2x10-30 25u 6.1srad/s(3-11)式中，（1）同步带带轮的角速度，rad/s；r同步带带轮的节径，mo而同步带带轮的转速为59.09r/min « 60r/min,假设带轮在0. is60r/min的角速度，则可以计算得到轴的角加速度为时间内加速到(3-12)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 mr2m = je = s乙式中，m带轮的扭矩，n - m；j带轮的转动惯量，kg.m

29、2； £带轮的角加速度，rad/s2o 由此可以得到每个带轮的扭矩为(3-13)“ mr20.373x0.0404252八 cml =s =x 61.8 = 0.019/v m丄22带轮的总扭矩为 m =x 3 x 3 = 0.019 x3x3 = 0.171/v m由上述计算结果可知，所选电机的基木参数需为：转速60r/min,扭矩0171nm, 经过不断地筛选，最终选定东莞市威邦机电有限公司生产的直流电机，所选电机的型号 为:4d40-24,其主要参数如表31所示同表31直流电机主要参数额定电压额定功空载转速空载电额定转速额定转矩额定电马达重最/v率/w/(r/min)流/a/(

30、r/min)/ (kg cm)流/a/kg244031000.830001.321.8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 m0.300.360.500.600.750.901.001.25kgf cm3.063.675.0967.649.1710.212.73减速比1820253036405060输出轴转速r/min17215512410386786252允许力矩n m1.802.002.252.703.243.604.504.48kgf cm18.3320.3

31、622.9525.7433.0436.7145.9049.80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锂电池冏，其主要参数如表3-3所示表3-3电池主要参数电压容量重量/kg电压范围24v 4ah0.720v-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为40w,额定转速为3000r/min,经齿轮箱减速后，额定转速为62r/mino361求轴上的功率pi、转速巾和转矩同步带轴与电机通过联轴器连接，其传动效率为n = 0.98,则p = p x 7 = 40 x 0.98

32、= 39.2w(3-14)已知转速心=62r/min,于是(3-15)(3-16)"=9550000 x 壬=9550000 x 譽6038.064/v mm3.6.2初步确定轴的最小直径根据公式，轴的扭转强度条件为tt = < tt1 wt 0.2d31- 1j式屮，tt扭转切应力，mpa；t轴所受到的扭矩，nmm；wt轴的抗扭截面系数，mm3；tt许用扭转切应力，mpao选取轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计表15-3l1oj,取4。= 112,于 是可以得到dmin = a。牆=112 x= 9.61mm(3-17)由于轴与轴承和联轴器直接连接，因此轴的最小直径为轴

33、承与联轴器的直径，为了使所选的轴的直径du与联轴器和轴承孔径大小相适应，故需要同时选取联轴器的型号。 联轴器的计算转矩tca = kat19查机械设计表14-1,由于转矩变化很小，故取ka = 1.3,于是tca = ka7 = 1.3 x 6038.064 = 7849.48/v mm(3-18)按照规定，计算转矩7应该小于联轴器的公称转矩，根据所选的电机输岀轴径12mm,查现代机械设计手册-轴及其连接件设计表3-14n11,选取gy1凸缘联轴器，其公称转矩为25000nm。联轴器的孔径=12mm,故取你口 = 12mm,联轴器的外 围直径为d = 80mm,联轴器与轴配合的毂孔的长度厶】=

34、32mm。3.6.3轴的结构设计根据轴的结构工艺性要求，轴的结构越简单越好，在满足使用要求的前提下，尽可能地简化轴的结构。初定轴的结构如图36所示1tj1'1viivi1f/iiiii1图3-6轴的结构示意图（1）轴上零件的装配方案由于轴上的零件的选取均是根据实际情况来定的，同步带轮的人小相同，考虑到带 轮的安装问题，主要的轴向定位都是通过套筒实现。（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i-ii的直径d_n = 2mm,长度为 l_u = 33mm；根据同步带轴径的大小15.9mm,轴承尺寸的限制，故iiiii段无法做出 轴肩，因此ii-

35、iii段使用套筒进行轴向定位，其直径大小为dn_in = 12mm,其长度为（即 套筒的长度）厶ii-iii = 214mm°3）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dn-m = 12mm,查现代机械设计手册-轴承表5-2ll2j,选取标准精度等级的 深沟球轴承61801,其尺寸为d x d x b = 12mm x 21mm x 5mm,最左侧同样选取深 沟球轴承6180k4）ni-iv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lin_iv = 28.1mm, din_

36、iv = 12mm。5）为了满足同步带轮的轴向定位要求，将ivv段制出一轴肩，由于同步带轮小径 为 15.9mm,因此取div-v = 20mm。6）v-vt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 dv-vi = 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v-vi段的长度为厶v-vi = 76.2 x 3 + 5.8 x 2 = 240.2mm。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均采用普通平键连接。同步带带轮与轴配合的键

37、 的选取，查现代机械设计手册-连接件与紧固件表3-41'31,查得平键截面 b x h = 5mm x 5mm,键槽用键槽铳刀加工，长度为36mm,考虑到同步带带轮的安装 问题，同步带轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为竺；联轴器与轴的连接选取方法相同，选取的平键的尺寸4mm x 4mm x 22mm,键槽的长度为22mm,联轴器与轴的配合采用过渡配合，配合公差为2；滚动轴承与轴的周向定位通过过渡配合来实现, k6选取轴的直径尺寸公差为(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计算轴上的载荷首先根据轴的结构，绘制轴的计算简图，由手册查得深沟球

38、轴承61801, a = 2.5mm, 因此作为简支梁的轴的支撑跨距为l = 342.7mm根据轴的计算简图绘制出轴的弯矩图从弯矩图和扭矩图可以看岀截面c为轴的危险截面，计算得到截面c的弯矩和扭矩 值列入表3-4 o表34弯矩、扭矩计算值载荷数值支反力ff1 = f2 = 12.06n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，己知轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，因此取a = 0.6,根据表154,危险截面是带键槽的截面，因此nd3氏(d-t)27tx15.93

39、5x3x(15.9-3)2, ow =u 315.94mm5322d322x15.9轴的计算应力为(3-19)一丿”2 + (刃)2 _ a/1o33.242 + (o.6x283.78)2 _ o(ten = d.sjlmfacaw315.94所选轴的材料为45钢，调质处理，由机械设计表151,查得0_訂=60mpa, % <(3-20)0，所以安全。3.7车轮的选择木次设计的网球捡球机的驱动方式为后轮驱动，分别使用两个步进电机进行控制, 前轮采用两只万向轮进行导向。前轮的万向轮采用市场上最常见的普通万向轮，经过筛选，最终选取的是申牌3寸 脚轮，其主要参数如下表所示轮子直径mm： 75

40、 （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：一体轴承后轮的选择，经过一番市场筛选，最终决定选择的轮子为pu发泡轮，由青岛润达专用车辆有限公司生产销售的10寸pu发泡轮，型号10x3.50-4,材质为聚氨酯，育径表35万向轮参数250mm,质量 lkg。3.8驱动原动机的选择考虑到捡球机的转弯问题，因此选定的电机必须是可以进行控制的，因此捡球机的 驱动系统选择的电机为步进电机。电机轴的转矩主要是车轮与地面的摩擦转矩，摩擦转矩主要与轮胎和地面的滚动摩 擦系数以及整车的重量有关，查得轮胎与地

41、面的滚动摩擦系数为r = 5mm,而整车的质 量主要包含捡球机构、同步带电机、支架（包括收集装置）、电池、万向轮、驱动轮、 驱动电机以及100个网球等的质量，假设步进电机的重量为2kg,则整车质量为(3-22)=18arad/sm = 10.78 + 1.8 + 8 + 0.7 x 3 + 0.105 x2 + lx2 + 2x2 + 0.057 x 100 =进而求得转速为则摩擦转矩为0)n =2n184x602x7t=175r/min(3-23)34.59 « 40kg(3-21)整车的行进速度为v = 2.3in/s,根据公式v =可以求得车轮转动的角速度为vo)=-=2.30

42、.125(3-24)m = pm = 0.005 x 40 = 2n m考虑到其他损失的功率，取机械效率）1 = 0.9,驱动电机的功率为p = = 40.89"（3-25）“0.9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购,其主要工作环境如下表所示表36步进电机工作环境表项目规范温升8() °c max环境温度 20°c+50°c绝缘强度looqmin, 500v dc介电强度500v ac 1 分钟回转间隙< 25acrmin主要技术参数为电机型号步距角/°相电流/a保持力矩/kg-cm引线数/条电机重

43、量/kg85-ii250b991.846543.5因此减速比为5o3.9车轮轴的设计与校核已知步进电机的保持力矩为6.5n mo3.9.1确定轴的最小直径dmin根据机械设计于册新编软件版，轴的最小直径计算公式(3-26)式中，t 轴传递的额定转矩，nmm；t轴的许用剪应力。min3 5x6.5x1000 = 9 76t 35选取轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计表153,选取巧=35mpa,于是(3-27)3.9.2轴的结构设计初步确定后车轮轴的结构如图3-8所示。图38后车轮轴结构示意图(1) 根据车轮的尺寸设计i-iv的直径和长度车轮孔径为24mm,因此= 24mm,车轮的轴向定位

44、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ln_ni = 84mm,查找现代机械设计 手册-连接件与紧固件表2-37,选取六角螺母c级(gb/t412000) m24,其主要尺寸为兀=22.3mm,因此选取厶一口 = 23mm,厶【一=107mm。考虑到车轮的左侧定位，iiiiv段制出轴肩，其尺寸为dni_iv = 30mm, 厶一v = 5mm。(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25000nm,查机械设计 表14-1,由于转矩变化小，因此取ka = 1.3

45、,联轴器的计算转矩为tca = kat = 1.3 x 6500 = 8450/v mm(3-28)计算转矩小于公称转矩，因此符合条件。(3) 设计ivv段并选择轴承座根据经验设定div-v = 25mm,进而选取轴承座，轴承座的孔径为25mm。(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diiji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 x h x l = 8mm x 7mm x 36mm,键槽的长度为40mm,车轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为半；联g6轴器与轴的连接，选取平键尺寸为b x h x l = 5mm x 5

46、mm x 22mm,键槽长度为25mm,二者的配合为过渡配合，配合公差为说；轴承座与轴的配合采用过度配合，其配合公差 k6斗h7为一i。m6(5) 确定轴上倒角尺寸查机械设计表15-2,取最左端倒角0.8x45°,另一个倒角1x45。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z5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，施加的力为图屮的红线箭头部分，从左到右分别是6.5n ni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

47、示（变化趋势有夸大效果）图310最大位移图3-11最人剪切应力图3-12最大主应力subcase - static loads 1 :迭代次数 二 1位移-节点的（皿）应力-单元节点(mn/nun"2 (kpa)xyz幅值口von uses最小主应力最大主应力1最大剪切静态步长1最大1.015e-0022. 019e-0021.683e-0032.113e-0022.873+004 |3. 075e+003 |2. 328e+0041.654e+004 |最小-3 048e-004t 659e-004-1. 699e-0030.000e+0004.039e+001-2. 388e+0

48、04 -2.437e+0032. 299e+001 |图313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4.1行进方案的确定考虑到捡球机捡球效率的问题，如果设计成，捡球机自动识别网球并进行自主捡球 操作，势必大大降低捡球机的捡球速度，影响捡球效率。因此，最好的解决方案是使捡 球机定路线进行捡球。考虑

49、到网球的的布局以及网球的分布情况，网球场周边的网球较多，因此捡球机首 先需要围绕球场捡球一周，剩下的路段由于网球分布比较稀疏，因此捡球机按照z字型之后，为了顺利转弯并拾取边界的网球，因此，捡球机需要后退一段距离，然后利用步 进电机差速控制实现转弯，到达球场另一边界，依次循环，直到快要达到起点位置，接 着，捡球机转弯，继续拾取球场其他位置的网球，沿图屮所示路线，进行z字型路线行 进，拐弯位置与外围捡球路线中的后退位置基本一致，直到达到球场对面边界，完成一 次捡球过程。4.2单片机的选用单片机(microcontrollers)是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具 有数据处理能力的中央

50、处理器cpu、随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o 口 和屮断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟 多路转换器、a/d转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机 系统，在工业控制领域广泛应用”】。单片机主要分为通用型/专用型，总线型/非总线型等。单片机与我们生活的各个领域息息相关，大到导弹的导航装置，飞机中各种仪表的 控制，计算机屮的网络通讯及数据传输，工业自动化过程的实时监控，小到各种智能ic 卡，汽车的安全保护系统，录像机、全自动洗衣机的控制，以及各种遥控玩具等等，都 离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机 械了。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便等优点，并且与步 进电机的配合使用十分方便，因此本次设计屮捡球机的控制部分主要使用单片机进行控 制。4.3本章小结本章主要讲述了捡球机捡球路线，以及控制系统的选用问题，实现了捡球机的智能 化。总结与展望本次设计是主要为了帮助网球训练者在进行网球训练过程中捡取网球，并能够解决 现有产品中卡球、伤球的问题，经过不断构思、设计与改进，最终形成了一套结构合理， 容易实现的完整捡球机构。并完成了三