毕业设计（论文）-乒乓球发球器的结构设计-动画仿真

I摘要乒乓球是一项集速度、耐力、反应力和力量为一体的运动，同时也是考验技术和战术的运动。乒乓球运动不仅适合小孩也适合老人的运动，对身体素质要求不高。随着科技生活的不断发展，人们的生活水平不断的提高，人们追求也不断提高。为了使广大练习者能达到学习乒乓球技术和健身的效果，本文设计了一种方便且好控制的乒乓球发球器。本文综述了普遍的乒乓球发球器的类型和优缺点。了解乒乓球发球的原理，设计一种以对转双摩擦轮的发球原理，能够发射上下旋球和不旋球；采用了丝杠与螺母的配合其工作的原理，设计出乒乓球发球器的升降装置。利用齿轮带动输球管上啮合的齿盘设计摇摆装置；采用六个收球槽的叶片轮输球。对乒乓球发球器的功能结构等设计分析。本文采用三维造型设计和功能设计相结合，利用SolidWorks软件绘制乒乓球发球器的零部件和总装三维图。用AutoCAD绘制工程图。本文设计乒乓球发球器结构比较简单，体积适中，拆装比较简单，容易操控，老少皆宜，能发射不同角度、速度和旋转的球。关键词：三维结构设计；功能结构设计；SolidWorks；AutoCAD。全套图纸加V信153893706或扣3346389411

TableTennisBallMachineDesignAbstract:Tabletennisisasetofspeed,endurance,reactionforceandstrengthasoneofthesport,butalsoatestoftechnicalandtacticalmovement.Tabletennisisnotonlysuitablefortheelderlyisalsosuitablefortheelderlychildrenexercise,physicalfitnessdonotask.Withthedevelopmentoflifescienceandtechnology,people'slivingstandardsimprove,peoplepursueisalsorising.Inordertoreachthemajorityofpractitionerscanlearntennistechniqueandfitnessresults,designaconvenientandwell-controlleddeviceofTableTennisService.Thisarticlereviewsthecommontennisballonthetypeandadvantagesanddisadvantagesof.LearnofTableTennisServiceprinciplesdesignedtoserveadualfrictionwheelrotationprinciple,capableoffiringupanddownspinandnotspin;UsingtheprincipleofthescrewandnutwithitsworktodesigntheliftingdeviceofTableTennisService.Theuseofgeardriveengaginglosingteethonthetubeplatedesignrockingdevice.Itusessixreceivedtheballslotbladewheelslose.DesignandAnalysisofTableTennisthefunctionstructure.Inthispaper,three-dimensionaldesignandfunctionaldesigncombinedwithSolidWorkssoftwaretodrawtabletennisballmachinecomponentsandassemblythree-dimensionalmap.EngineeringDrawingwithAutoCAD.ThisdesignIofTableTennisServicestructureisrelativelysimple,modestvolume,disassemblyissimple,easytocontrol,youngandoldareeasilycapableoffiringdifferentangle,speedandrotationoftheball.Keywords:three-dimensionalstructuredesign;functionaldesign;SolidWorks;AutoCAD.目次摘要 IAbstract: II1引言 51．1论文选题的根据和研究意义 51.2常见的乒乓球发球器的种类 51.3设计的主要内容 71.4小结 72乒乓球发球器的要求和准则 82.1乒乓球发球器过程 82.2乒乓球发球器的要求 82.3整体方案 82.4乒乓球发球器整体参数 92.5小结 93乒乓球发球器传动设计 103.1乒乓球发球器原理 103.2乒乓球发球器的升降装置和摇摆装置的设计 113.3乒乓球发球器的电机选择 123.4输球装置的设计 143.5传动部分的设计 143.6储球箱和拨球装置的设计 193.7小结 204乒乓球发球器部分零部件三维设计 214.1乒乓球发球器箱体的设计 214.2机头管道设计和摩擦轮的选择 214.3电机造型 224.4底座板设计 224.5小结 235乒乓球发球器的装配设计 245.1重点部分零部件的装配设计 245.2输球装置电机与叶片轮装配 245.3.乒乓球发球器发射装置的装配设计 255.4升降装置的装配 275.5拨球装置和储球箱的装配 285.6摇摆装置的装配 295.7各大部分的装配 305.8本章小结 316乒乓球发球器的使用注意事项和保养 327总结 33致谢 34参考文献 351引言1．1论文选题的根据和研究意义乒乓球运动是无国界的运动，在乒乓球这个运动中，发球的好坏决定着输赢的一半。发球在乒乓球运动的各个技术中是不受对手限制，能够体现出自己的个性、进攻性和想象力等。在乒乓球比赛中，高质量的发球不仅能够直接得分，还能为进攻创造有利条件，并使对手产生较大的心理压力。随着乒乓球运动的不断发展，发球的种类越来越多，发球的好坏成了一个选手能否成功的首要因素之一。到21世纪乒乓球运动已经越来越为人们喜爱，为了推动乒乓球运动更好的融入社会，其中在2002年10月1日，将乒乓球发球改为了“无遮挡发球”，国际乒联提高了乒乓球比赛的观赏性，使比赛回合增加，促使世界乒乓球运动更好的向前发展，以求最大限度地降低发球者给对方造成的直接威胁，利用无遮挡发球降低接发球者的难度。为快速适应新规则的发球技术，探索新的发球技术，寻求更科学、有效的发球训练方法，以保持我国乒乓球运动在世界上的领先地位。本课题设计的一种多功能的乒乓球发球器，主要利用机电相结合，这种发球器可以将发球速度控制在10m/s到20m/s，发射多角度、多速度的线路球或组合球，为更多的业余的爱好者或专业选手提供更多的选择。大大缩短使用者的掌握规范全面的技术的训练时间。1.2常见的乒乓球发球器的种类1）无需电源类大致分为三类主要有：桌上类、携带类、落地类的对打器，主要由特制板块、乒乓球的塑料胶套、支撑架构成。桌上类和携带类板面都是8块方形未剪的胶套大小，红色为发胶，海绵厚度约为2.0mm，黑色的为粒胶（介于长胶与半长胶之间），海绵厚度大约为1.0mm。套胶性能同上。落地类的板面是16块方形未剪的胶套大小，胶套的性能和上述的一样。为了打出不同的旋转的球，对打器的击球板面的角度可随意调节。落地类的对打器的体积最大，适用于对中远台发力技术的练习，比如连续发力拉球；桌上类的对打器体积最小而且只有一个桌上支架，适用于近台技术的练习，比如正反手攻球；携带类的体积比较小有且两个支架，一个是落地支架同落地类的支架，体积略小，一个是桌上支架和桌上类的支架一样。对打器的结构接近真实的球拍，通过角度、距离的自由调节，可以的到真实性练习；对打器分两面套胶，两面的性能不同，使用者使用不同套胶训练，可以练习不同种类的打球技术。缺点：结构虽然比价简单，但价格却不低，性价比也不高；相对与常规的发球机，对打器的原理比较单一而且单球训练，虽然利用提高连续性和协调性，但无法达到训练多种类的技术和动作。而常规的发球器立足点就是为了多球训练，接近与人对打，可以对动作进行训练，长期使用比较容易训练动作定型。。初学者使用对打器时，常常把注意力放在增加乒乓球的回击次数上，而忽略了动作的规范和准确性。对打器因为太多细节都可自由调节，而反弹力是有其规律（大于上限会出界，小于下限会下网），就造成了不能随意发力或减力就显的单一了。2）桌上类便携式桌上类便携式的乒乓球发球器代表是IPONG，美国品牌，质量为2.5英镑，发球的频率有快有慢，最快的发球频率为70个/min，最少发球频率为28～34个/min，最多储存乒乓球为110个，可发上下旋、重旋、不旋球四种旋转。IPONG的操作按钮可以自主调节而且很灵活，最新的IPONG四代可以发出简单的不定落点球。优点：IPONG相比其他自动化发球器是最便宜的一款，性价比高；虽然说定点球还是不定点球，IPONG的功能简单点，但最起码都比较全面，能够满足一般训练或者使用者的需求。IPONG主要由可拆的上下底座、中间工作装置、电源等几部分组成，体积较小且重量轻，装拆简单老少皆可以完成而且携带方便。缺点：IPONG为桌上类的发球器，容易被使用者的回球击打到，而为了减轻配置质量，IPONG使用的塑料材质较薄，当球打到机身上时，长久比较容易损伤机器；IPONG活动范围太单一，只能在乒乓球台内，调节的空间距离有限，回球的弧度和落点球与标准型发球机相比较为单一（只有机器本身的三点位不定点练习），训练单一，不能多样化的训练。3）标准类标准类的乒乓球发球器传统印象中的发球器，此类发球器比较常见，而且品牌众多，型号也是众多，常见的品牌有以“随时随地享受快乐乒乓”为理念的乐吉高手（常见型号为540、1040、2040等）、以物美价廉著称的超级教练、以精密齿轮起家后专攻发球机的泰德（常见型号为V981～V989G等）、多领域涉猎的奥奇（常见型号为TW-2700-06～TW-2700-S9等）、后起之秀多利先科（常见型号为DL-161～DL-163等）、高端的许绍发智能教练机和新星2080发球机等等。优点：在一定的价格里，标准类发球器的质量和功能都相对的增加，机器配件的使用性、耐用性大大提升，无论是定点球、两点球等的基本功能够完善，出球大多都能达到要求的数量，售后维修的服务有保障；由于不同的品牌的生产理念和制作手段不同，细节方面也出现不同的发展方向，消费者可以根据爱好的不同有更多不同的选择，比如超级教练标称功能强大、做工用料和实际性能一般，价位走平民化路线；乐吉高手定点等基本功能扎实流畅、出球略显发“顶”、仿真度一般；泰德和奥奇为老牌厂家，产品总体来说质量不错，型号也最为丰富，泰德V989E、奥奇TW-2700-08至今为发球机市场上的拳头产品，同时均依靠其强大研发能力开发出双头发球机，泰德研发的机器人发球机为发球机市场的一朵奇葩。缺点：莫说动辄上万的新星2080发球机，就是许绍发智能教练机和泰德、奥奇新推出的双头发球机，价位都不是一般爱好者能消受得起的，质量再好，价格始终是不容回避的一道坎；制作工艺日渐复杂、引入电脑编程技术、细节设置越来越精确化。“本事越大，麻烦事越多”，万一哪个零件出现点小故障，别说智能练习，就是定点练习估计也没办法了[1]。4）机器人发球机市场上较常见的机器人发球机，是泰德推出的泰德1号、泰德2号、泰德3号、泰德5号，根据消费人群的不同进行划分。机器人发球机可以模仿真人的击球动作，左手抛球，右手击球，球拍采用特殊材料制成，节奏频率与真人对打类似。优点：机器人发球机号称“最人性化的发球机”，相比其它发球机，其机器面板亲切得多。缺点：鉴于机器人发球机制作成本较高，价位普遍偏高，一般球友往往承受不起；性能与同价位标准型发球机相比，功能上没有质的突破。1.3设计的主要内容本次设计的主要内容是乒乓球发球器的结构和三维造型的设计。应用SolidWorks和AutoCAD进行设计[2]，对乒乓球发球器的发射装置、输球装置、摇摆装置和升降装置等进行设计，使设计能够更加直观的表示出来。结构设计部分对电机的选择等选择的依据参数进行设计。乒乓球发球器整体材料主要选用增强塑料[3]ABS制成（ABS树脂是五大合成树胶之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工），部分结构选用优质钢制成。1.4小结乒乓球发球器是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物。能够更好的适应各种训练的需求。乒乓球作为我国国球，也是大众比较喜欢的运动，设计一种能够合适大众的乒乓球发球器，这将对乒乓球发球器的制造和工作的开展大有好处。2乒乓球发球器的要求和准则2.1乒乓球发球器过程乒乓球发球器的原理是利用对转摩擦轮摩擦球原理，乒乓球受摩擦轮的作用力下获得一定初速度。乒乓球发球器工作过程：先是乒乓球储存在储球器内，当电源接通后，系统控制下开始工作模式，开始工作后通过拨球装置的电机的带动下，储球器里的搅拌机构搅拌，乒乓球利用自重经漏斗进人输球装置，输球装置中有由直流电机带动的减速齿轮带动带有收球槽叶片轮，由输球装置输送乒乓球到输球管道内排成一排，经输球管道输球到发射机构，发射机构发射乒乓球[4]。其功能组成如图2.1所示：图2.1乒乓球发球器功能组成图框其中升降装置可以发射不同高度的球。角度摆动装置，在一定的角度或者固定的角度内发射出乒乓球。2.2乒乓球发球器的要求1）可调发球角度；2）使用者可以方便的掌握多角度，多落点的发球；3）发球频率：17~90次/分钟；4）发球速度，可以通过调节电机的速率改变；5）自动回收和供球系统，持续击打，无须捡球；6）快速安装与拆卸只需几分钟，无须任何工具；2.3整体方案1）发射装置固定在出球口由上下两个摩擦轮组成，可以发射上下旋球和不旋球；2）输球机构，漏球口有搅拌机构，采用叶片轮输送球；3）采用齿轮带动输球管上的啮合的齿盘，实现机头摇摆；4）用了丝杠与螺母的配合其工作的原理实现机头的升降；5）底座设计方案四个滚轮；2.4乒乓球发球器整体参数高：1200mm宽：400mm长：540mm质量：25Kg~30Kg发球频率：17~90个每分钟发球球速：10~20m/s根据乒乓球的大小尺寸设计输球管道内径为：40mm。2.5小结本章主要介绍了乒乓球发球器的相关设计的准则和要求，包括了乒乓球发球器的设计参数、材料选择、设计方案等。在相关的设计要求和准则指导下可以对乒乓球发球器的相关功能和零部件的设计合理化，保证整个设计的科学性和使用性。3乒乓球发球器传动设计3.1乒乓球发球器原理设计的乒乓球发球器的发射装置由两个摩擦轮组成，分别由两个直流电动机来带动。两个摩擦轮的速度决定发射出来的乒乓球不同，当上摩擦轮速度大于下摩擦轮即发射上旋球；当下摩擦轮速度大于上摩擦轮时即发射下旋球；当上下摩擦轮速度一样时即发射不旋球。摩擦轮可以通过电动机的转速调节球的初始速度。如3.1图所示：图3.1对转双摩擦轮原理乒乓球发球器的发球原理是利用一对摩擦轮对转的原理[5]，乒乓球由于受到两个反向旋转的摩擦轮的作用获初速度。由图的原理可知，两个摩擦轮分别由两个电机带动，从而摩擦轮与乒乓球摩擦使乒乓球获得动能，乒乓球发射出去，这样设计可以使得乒乓球受到很好的控制，又使得乒乓球发射的稳定。乒乓球飞行过程的力学分析计算：为了控制乒乓球发射的角度、速度和转向，下面考虑整个发射装置的设计。设轮子的角速度分别为W1、W2，半径都为R，摩擦轮的线速度为：V1=W1*R(3-1)V2=W2*R(3-2)当W1＞W2时，乒乓球发射上旋球，初速度V=(V1+V2)/2：当W1＜W2时，乒乓球发射下旋球，初速度为V=(V1+V2)/2。所以只要测量两个摩擦轮的角速度就知道乒乓球的初速度。由资料查询可以知道：乒乓球直径40.00mm，重量2.53-2.70g，乒乓球台标准尺寸为:乒乓球台台面尺寸：2740×1525mm,乒乓球台台高：760mm,乒乓球台网宽1.83m,乒乓球台网高0.1525m。设乒乓球的质量m=0.0027Kg，直径d=40.00mm。由发球机发射后，产生初速度，测试知道：乒乓球运动的最大速度可达20m/s，旋转球的最高转速可达3000r/min。建立数学模型[6]如图3.2所示：图3.2乒乓球的力学分析已知球桌面的长度为L1=2740mm、宽度L2=1525mm、高度H=760mm，设发球的高度为h、飞行距离为L、摆动的角度为θ、发射的速度为v，（不记阻力和其他外力作用），乒乓球的落球的位置坐标（x，y）表达式为：,,x=,1-2.L2+Lsinθ(3-3)-y=Lcosθ(3-4)则L=vt=vQUOTE(3-5)式中θ、h、v取值不同，则可得到的不同的落点坐标，设θ的取值范围为-15°~+15°，v的取值范围为10m/s~20m/s。所以当θ=0°时，L的取值范围为1.37m~2.74则h~H为18cm~61cm；当θ=±15°时，L的取值范围为1.42cm~2.84cm，则h~H的取值范围为19cm~65cm。考虑到空气阻力等其他的因素h~H取值在20cm~60cm比较合适。所以可以确定乒乓球发球器发球的高度范围在40mm之内。发球角度在±15°。3.2乒乓球发球器的升降装置和摇摆装置的设计由上述的内容知道乒乓球发球器的发球高度在40mm之内，发球的角度在±15°，所以设计的升降装置和摇摆装置如下。升降装置：为了能更加方便实现不同线路的发球，乒乓球发球器设计了可调节发球高度的装置，能够上下的调整发球器不同高度的发球，采用了丝杠与螺母的配合其工作的原理：由步进电动机带丝杠，螺母固定在托板上带动发射装置和输球管，丝杠转动则螺母在丝杠上下运动。图3.3升降装置如图3.3所示：电机直接和丝杠相连，用键连接固定，升降的范围在20~60mm。同时丝杠与固定盘的螺母相连，固定盘与输球管道相连，当电机转动带动丝杠转动时，螺母在丝杠的带动下带动输球管的上下运动，实现发射口在不同高度下发射乒乓球。摇摆装置：在托板上有个角度摆动装置，齿轮由步进电机带动，齿轮带动输球管上的啮合的齿盘，使得输球管在齿盘的作用下实现左右的摆动，所以在一定的角度或者固定的角度发射出乒乓球。摇摆装置的设计能够使乒乓球多角度的发射，通过改变乒乓球角度能够使使用者感受到与人对打的感觉，改变单一的角度发射乒乓球而带来的枯燥。摇摆装置安装在靠近机头附近，如图3.4所示：图3.4摇摆装置电机与传动齿轮相连，传动齿轮带动套固定在输球管上的齿轮盘，由于乒乓球台的大小决定了摇摆的角度不能过大在30°范围内，所以使用的齿轮盘的齿数只有一段，输球管下端装有轴承，因为对轴承的强度没有要求，轴承只是方便机头的转动和固定作用。所以根据管道的大小选择轴承型号NU109，内径为45mm。3.3乒乓球发球器的电机选择从上述内容可以知道，乒乓球发球器的运动要靠电动机带动，所以选择准确的电动机非常重要[7]，选择电动机的要求有：功率的大小选择要合适带动装置的运动。容易控制控制精度高性能稳定，防震和防干扰性能好电动机的最大转矩、起动转矩、牵入转矩等性能指标均能满足工作机械的要求。对于升降装置的步电机选择，已知电动机和丝杠直接连接的，所以两者减速比G/L=1/1，丝杠的螺距BP=40mm，根据相同类型的乒乓球发球器了解到一般机头部分质量为2.5Kg左右。设定做功质量为W=3.0Kg（即摇摆装置的到发射装置的部分）、铁密度ρ=7.85×10³Kg/m³，所以设步进电机的负载转动惯量为QUOTE则丝杠的转动惯量QUOTE：QUOTE=5.92QUOTE(3-6)(其中QUOTE的直径为40mm，L为长度30mm)转动部分的转动惯量QUOTE：QUOTE=1.22QUOTE(3-7)QUOTE(3-8)对于电动机的负载转矩换选QUOTE：QUOTE(3-9)(其中F为推力为0，摩擦系数μ=0.1，丝杠的机械效率ŋ=0.9)负载转矩QUOTE所以选择的三相步进电动机的参数有，保持转矩QUOTE，转动惯量QUOTE,功率P=68W,额定电流I=0.75A,电压U=100V。所以选用YY56型号的三相电机。因为摆动装置的摆动部分与升降装置的作用部分都是一样的，所以都是摆动W=3Kg的，所以选择的步进电机的参数：电源电压输入U=100V,额定电流I=0.75A功率P=60W，保持转矩T=0.13N/m，转动惯量QUOTE。所以选用YY56型号电机。由于发射装置是电动机带动摩擦轮，摩擦轮转动发射乒乓球，由普遍的发球器选择了解到，所以选择的两个直流电动机的参数：额定功率P=25W,电流I=0.27A，电压U=220V，额定转速n=3000r/min。选用型号4RK25GW-C的直流电机。参考相似的发球器和资料，选择输送机构和拨球机构的直流电动机的参数：额定功率P=15W,电流I=0.20A,额定电压U=220V，额定转矩T=0.125N/m，额定转速n=1300r/min。选择电机型号3RK15GW-C的直流电机。3.4输球装置的设计输球机构是能否发出球的关键部分。所以输球管道就是能够把乒乓球顺利送到发球口，而且不能卡球。考虑到乒乓球的大小和每次都能送一个球，输球管采用强塑料比较好。输球装置采用叶片轮旋转输球，叶片轮由直流电动机带动的一对减速齿带动。考虑输球的速度和效率，叶片轮设计为六个收球槽转动一圈可以输送6个球。对电动机速度的调节可以控制输球频率。为了防止卡球，叶片轮后是一段弯曲的输球管，保证乒乓球能够顺利的进人输球管内。图3.5叶片轮根据乒乓球的大小为40mm，选择如图3.5所示，根据设计要求，叶片轮采用6个收球槽，厚度40mm，六个收球槽的直径为40mm。3.5传动部分的设计 在乒乓球发球器的设计中总共有两对齿轮传动，一对直齿轮和一对齿轮和齿盘。分别可以实现控制叶片轮的转动输球和摇摆装置的左右摇摆。由于本次乒乓球发球器设计的齿轮传递力矩比较小，对齿轮的强度要求不大，所以选用强塑料齿轮，制造选用材料为ABS。使用塑料齿轮的优点有耐磨、耐腐蚀、震动小、质量轻、性能稳定、成本低、制造方便等。所以选择塑料齿轮成了很多传动机构的首选考虑。目前经常使用的的塑料齿轮大多数为渐开线小模数齿轮，所以选择齿轮模数选为2（齿轮设计参照《机械设计》教材进行设计）[8]。以输球装置的一对直齿轮为例。已知条件：圆柱直齿轮传动，输入功率为P=15W，齿轮转速为n=1300r/min，由电动机驱动，轻微冲击，转向不变，传动比设为3。1）输球机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。2）材料：参照机械手册表10-1，选用的是塑料齿轮，高速级小齿轮，齿面硬度为30HBS。高速级大齿轮齿面硬度为30HBS。对一般工作情况下的齿轮传动，其设计准则是：保证足够的齿轮弯曲疲劳强度，以免发生齿根折断；保证足够的齿面接触疲劳强度，以免发生齿面点蚀。对于高速重载的齿轮传动，除以上两种设计准则外，还应按齿面抗胶合能力的准则进行设计。由实践得知：闭式软齿面齿轮传动，以保证齿面接触疲劳强度为主；闭式硬齿面或开式齿轮传动，以保证齿根弯曲疲劳强度为主。

该齿轮传动为闭式硬齿面，具有一定的齿面抗点蚀能力，主要失效形式是齿根折断，故按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。设计公式为：(3-10)式中：φd=b/d1为称为齿宽系数（b为大齿轮宽度）,由机械手册查取；QUOTE称为齿形系数，QUOTE为弯曲许用应力。齿轮传动的强度计算说明：弯曲强度计算中，因大、小齿轮的、QUOTE、QUOTE、QUOTE值不同，故按此强度准则设计齿轮传动时，校核公式为：

(3-11)表3-1使用系数K载荷状态工作机器原动机、电动机、内燃机、燃气轮机均匀轻微冲击运输机、轻、中型的卷场机、起重机、发电机鼓风机1中、小冲击重型运输机、卷相机、起重机、混凝土搅拌机、机床主传动1.25较大冲击碎矿机、特重型起重机、轧钢机、锻压机1.75对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳强度的条件下，宜采用较多齿数，一般取z1=20～40.因为当中心距确定后，齿数多，则重合度大，可提高传动的平稳性。对于硬齿面的齿轮传动，首先应具有足够大的模数以保证齿根弯曲疲劳强度，为减小传动尺寸，宜取较小齿数，但要避免发生根切，一般取z1=17~20。根据设计要求取z1=20，z2=iz1=3×20=60。载荷系数K，按表3-1取K=1

转矩T1=9.55×106×P1/n1=9.55×QUOTE×0.015/1300=110.2N·mm

弯曲疲劳许用应力：(3-12)按齿面硬度中间值查机械手册得：(3-13)(3-14)设乒乓球发球器每天工作8小数，工作5年（一年按照30天算）则：N1=60njLh=60×1300×1×0.015×100×5=5.85×QUOTE(3-15)N2=N1/i=1.95×QUOTE(3-16)由机械手册得弯曲疲劳寿命系数

YN1=1.05，YN2=1.05按一般可靠性要求，取QUOTE,则(3-17)(3-18)表3-2齿轮系数及应力校正系数Z（QUOTE）171819202122232425262728292.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.531.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62Z（QUOTE）303540455060708090100150200∞2.522.452.402.352.322.2022.061.6251.651.671.681.701.731.751.771.781.791.831.8651.97查表3-2(3-20)(3-21)由公式：QUOTE=43(3-22)QUOTE=45(3-23)取较小者计算齿轮的模数查机械手册按齿轮相对轴承对称布置取φd=0.6将以上数据代入下式，得(3-24)由上述选取m=3确定主要参数1）小齿轮齿数选Z1=20，大齿轮齿数Z2=24×3=60。2）分度圆直径为：QUOTE，QUOTE，则中心距为160mm。3）压力角α=20°。4）齿顶高系数=2，则两个齿轮的齿顶圆直径为：QUOTE，QUOTE。5）顶隙系数=0.5，则两个齿轮的齿跟圆直径为：QUOTE，QUOTE。图3.6传动齿轮传动齿轮如图3.6。另外一对齿轮的参数选择方法同这一对齿轮类似，因为齿盘与输球管配合，输球管的直径已知为外径=46mm则这对齿轮的参数如图3.7所示：图3.7摇摆装置齿轮无论是输球装置还是摇摆装置，所需要的齿轮强度要求都不是很高，而且传递的力矩都比较小，所以设计的齿轮都符合强度要求。根据设计的齿轮的参数和叶片轮的尺寸和参数，设计的传动轴。轴常选用材料有碳素钢、合金钢和铸铁。根据摩擦轮轴、回转中心轴和卸载滚轮轴。选择的材料为ABS，根据公式QUOTE查机械设计表13-1确定C的值取120(3-25)而设计的轴QUOTE远大于2.37，所以轴的强度都符合要求，根据机械课程设计[9]设计轴如图3.8所示：3.8传动轴因为叶片轮主要是运输乒乓球，而乒乓球的质量只有0.27g，乒乓球产生的力基本可以忽略不记，所以对于产生的阻力是非常的小。3.6储球箱和拨球装置的设计储球箱是用来存放乒乓球的装置，负责把乒乓球送入输球装置中。在设计中整个箱体使用ABS材料，在储球器设计上，储球器设计成漏斗状，上端设计斜圆锥形方便乒乓球集中在漏口。根据乒乓球的大小，储球箱内至少要能容纳200个乒乓球以上，设计的储球箱如图3.9所示：图3.9储球箱200个乒乓球的体积为6.7×QUOTEmm²，设计的储球箱至少要满足要求，所以设计储球箱的总体尺寸为长350mm、宽为200mm、高180mm。同时防止乒乓球相互挤压，造成卡球在漏口处。在储球器的漏口旁设计一个搅拌器，搅拌器由直流电动机带动，不需要速度太快，通过搅拌器的不停转动搅拌消除乒乓球之间的挤压而产生卡球的现象。图3.10拨球杆选择拨球杆如3.10图所示，拨球杆可以选择2叶片的、3叶片或者是多叶片的，根据乒乓球大小，对拨球杆的要求，拨球杆叶片不宜过密，所以设计4叶片的拨球杆。3.7小结本章主要介绍了乒乓球发球器整个机器的功能结构。其他介绍了选择的传动齿轮和乒乓球飞行过程的力学分析及计算。考虑了乒乓球发球器功能结构的设计和实现发球影响因素，进而实现设计的乒乓球发球器的能顺利发球功能。4乒乓球发球器部分零部件三维设计对于乒乓球的一些重要部分的零部件进行设计，设计这些零部件时候应该遵守模具设计的要求，同时也要考虑到与其他零部件的搭配使用和功能问题[10]。也对另一部分的尺寸要求和搭配进行设计[11]。这样便于设计乒乓球发球器的结构和减少成本。4.1乒乓球发球器箱体的设计乒乓球发球器的箱体上连着有存球箱，和输球管，整体连着发球器的外壳，内部有输球装置、拨球装置和输球管，设计箱体如图4.1所示：图4.1箱体设计箱体的外形尺寸是根据选择的叶片轮大小和输球管道的大小设计而来。4.2机头管道设计和摩擦轮的选择根据乒乓球的大小尺寸40mm和市场选用的摩擦轮大小尺寸，设计的摩擦轮如图4.2所示：图4.2摩擦轮设计选用的摩擦轮尺寸：外径为44mm、厚度14mm、内径为9mm。选用的摩擦轮带有凹槽的，凹槽最小外径为40mm。图4.3机头管道如图4.3所示机头部分的管道设计，其中一部分采用90°的管道设计。考虑到乒乓球的大小和摩擦轮的大小，出球口采用长度直径为46mm、壁厚3mm的增强塑料。考虑摩擦轮的大小，发射管口开了2个直径55mm的孔同时和开有4个螺钉孔，方便安装带动摩擦轮的电机的位置。4.3电机造型图4.4步进电机和直流电机由于本设计应用三维设计软件SolidWorks对果乒乓球发球器进行三维造型，乒乓球发球器的各部分相互关联，为了能够更好的搭配零件的设计和装配，故根据电机的型号和尺寸参数，将其三维模型绘制如图4.4所示：左图为带动摩擦轮的直流电机，共计2个。右图为其他电机造型。4.4底座板设计为了方便移动整个乒乓球发球器同时方便安装和拆卸，底座板设计如图4.5所示：图4.5底座板在底部采用四个滚轮滑动，可以很好的移动整个发球器，同时配合乒乓球发球器的底座，使乒乓球发球器整体外形更加美观。同时也为安全考虑，四个圆角比四个直角没那么容易割伤。底座板采用薄金属材料，能够很好的支撑整个机体重量。4.5小结本章结合乒乓球发球器相关设计准则和装配要求，对乒乓球发球器的部分零部件进行了设计[12]。对零部件设计的是否合理，对乒乓球发球器的装配合理性有着至关重要的影响，同时也是乒乓球发球器设计是否合理、可用的关键。所以对本章零部件三维建模和数据的设计时，反复进行修改完善，以达到最好效果。5乒乓球发球器的装配设计5.1重点部分零部件的装配设计本次设计重点除了对乒乓球发球器的零部件设计形状和尺寸外，另外一个重点是将相互联系各个零部件装配起来。零部件根据设计要求准则和三维外观设计和装配的设计要求，完成零部件的设计功能形状。零部件在装配过程中，有些零部件需要特殊装配（比如键槽的装配要求等）[13]。为了能够清晰的表达此次设计的零部件装配过程和合理性，对特殊部分进行设计装配过程的说明。相对与其他的装配形式和过程，由于其他装配比较简单和与之相似，故不做其他部分的特殊说明。5.2输球装置电机与叶片轮装配输球装置电机与叶片轮装配部分包括：电机与传动齿轮的装配；传动齿轮之间的装配；叶片轮与齿轮的装配；轴承与叶片轮的装配。下图5.1为装配所使用的零部件：a）叶片轮b）轴c）轴承d）大齿轮f）小齿轮g）电机图5.1叶片轮、传动轴、轴承、大齿轮、小齿轮、电机根据设计的各个部分的要求和尺寸，传动轴一端连着底座箱，中间连接着大齿轮、轴承、叶片轮。为了能够变现出整个装配过程和要求，如图5.2为绘制的装配过程图： ↓ ↓ ↓图5.2输球机构装配过程图键在键槽中轴向的固定良好，齿轮和电机的装配采用键连接[14]，轴与齿轮及叶片轮的连接同样用键连接。电机带动小传动齿轮的转动从而带动大齿轮的转动，大齿轮和轴连接，轴同时和叶片轮相连，从而实现乒乓球的输送。在轴的两端同时装有两个圆柱轴承，轴承的作用只是为了方便轴的转动和轴的定位，对轴承的强度没有具体的要求，所以根据设计选用轴承为16006普通深沟球轴承。5.3.乒乓球发球器发射装置的装配设计发射器的部分装配，乒乓球发球器的最主要功能就是能够发射不同类型的球，通过调节电机速率能够实现发射上下旋球和不旋球的功能。乒乓球发球器发射装置部分装配主要零部件有：直流电机（2个）、摩擦轮（2个）、发射管道，如图5.3所示：a）摩擦轮 b）发射管c）电机 d）弯管图5.3摩擦轮、发射管、电机、弯管图5.4所示为直流电机和摩擦轮的装配，摩擦轮通过六角螺钉垫片与电机连接，保证摩擦轮在电机的高速运转下的稳定，保证发球速度要求下的稳定性。图5.4电机与摩擦轮装配图5.5发射机构装配如图5.5所示为发射装置的装配图电机上有固定的支架，通过用2个销钉与管道连接从而使电机固定在发射管道上。5.4升降装置的装配升降装置设计是整个乒乓球发球器的主要部分，升降装置的设计虽然比较简单，但能够实现不定点的发射乒乓球，实现多落点的装置，能够满足不同使用者的需求，是整个乒乓球发球器的灵魂。升降装置需要的零部件如5.6图所示：a）螺杆 b）电机c）螺母套图5.6丝杆、电机、螺母套如下图5.7，电机直接和丝杠相连，用键连接固定，升降的范围在25~60mm。同时丝杠与固定盘的螺母相连，固定盘与输球管道相连，当电机转动带动丝杠转动时，螺母在丝杠的带动下带动输球管的上下运动，实现发射口在不同高度下发射乒乓球。5.7升降机构装配5.5拨球装置和储球箱的装配乒乓球发球器的拨球装置是保证整个机器能够实现不断的发射乒乓球的装置。拨球装置所有的零部件如图5.8所示：a）拨球杆 b）电机c）套筒图5.8拨球杆、电机、套筒下图5.9为拨球装置的装配图，电机与套筒相连，套筒前端带有平头键用于与拨球杆相连电机转动带动拨球杆转动，使拨球杆在储球箱内不停的转动，从而是乒乓球之间压力消除而顺利掉进输球管内。图5.9拨球装置装配5.6摇摆装置的装配摇摆装置的设计能够使乒乓球多角度的发射，通过改变乒乓球角度能够使使用者感受到与人对打的感觉，改变单一的角度发射乒乓球而带来的枯燥。摇摆装置安装在靠近机头附近，摇摆装置的主要零部件如图5.10所示：a)传动齿轮b）传动齿轮套c）轴承d）电机图5.10传动齿轮（2个）、轴承、电机图5.11摇摆机构装配如图5.11所示，电机与传动齿轮相连，传动齿轮带动套固定在输球管上的齿轮盘，由于乒乓球台的大小决定了摇摆的角度不能过大在30°范围内，所以使用的齿轮盘的齿数只有一段。5.7各大部分的装配虽然将乒乓球发球器的装配分成了五部分：、输球装置、发射装置、升降装置、拨球装置、摇摆装置。但各大部分的装配也非常重要，各大部分和重要部分装配起来才能够组成乒乓球发球器整个整体，完成乒乓球发球器的设计。各大部分的装配如图5.12所示：图5.12各大部分装配图5.13为整个的爆炸视图。各大部分与主要部分的装配按照设计的要求和尺寸进行装配如图5.14所示：图5.13爆炸图图5.14总体装配完成乒乓球发球器的整体装配，标志着整体乒乓球发球器的设计已经完成。5.8本章小结本章对乒乓球发球器的装配进行了设计[15]，主要分主要部分和各大部分的装置设计介绍。整个装配设计的好坏直接影响设计的乒乓球发球器的可行性和性能要求的实现。本章的装配设计通过类似的产品装配方法和设计要求准则两方面，实现乒乓球发球器的装配设计。但是由于个人专业水平有限及乒乓球发球器行业专业了解不多，在这个设计过程中，不可避免会忽略一些重要的设计要素，故也是本设计的缺陷所在。6乒乓球发球器的使用注意事项和保养1）请以水平方式放在坚固的地面上。地面若倾斜或不平则影响发球，请特别注意。2）请务必装上接地线及漏电保护开关。电源插头应该完全插入插座中，对待接地的产品，应该与带接地插口的插座连接。3）请不要用手或细根的棒子插入输球管道或者是储球箱漏球管内。因为如果正当电机转动时，会发生危险或者是损坏电机。4）当交流电插头未拔出时，不得打开储存箱底部和触碰底部的任何部件。否则有可能造成设备损坏或人员触电造成伤害。5）在机器带电的任何情况内，避免身体易受伤的部分或者是眼睛处于发球机头出球口内或前方，以免被发射出的球击伤。6）清理摩擦轮，摩擦轮外沿与球接触的，比较易沾染球带来的污垢，污垢多了后对发球有影响。可用沾湿酒精的棉球棒或布擦除上面的积垢。切莫用汽油或任何其它溶剂。7）因为整个乒乓球发球器的大部分零部件都是用ABS塑料，不宜在阳光下暴晒。工作温度为摄氏5度