乒乓球自动发球机创新设计说明书.docx
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乒乓球自动发球机创新设计说明书
广州学院
《机械创新设计竞赛》
产品设计说明书
乒乓球自动发球器
院（系）机械工程学院
专业机械工程及自动化
班级09机电3班
学生何炳键
指导老师牛吉梅
2012年12月20日
机械创新设计任务书
兹发给09机电3班班学生何炳键设计任务书，内容如下：
1．设计题目：
兵乓球自动发球机的设计
2．应完成的项目：
（1）了解自动乒乓球自动发球机的工作过程
（2）分析市场上的乒乓球自动发球机的相关情况
（3）根据要求对机构进行创新设计
（4）进行软件系统的设计
（5）做完课程设计之后的感受
（6）编写20页左右的详细说明书
3．参考资料以及说明：
（1）李琳，李杞仪主编.机械原理.中国轻工业出版社，2009
（2）杨忠秀主编.机械原理课程设计指导书.机械工业出版社，2003
4．本设计任务书于2012年11月14日发出，应于2012年12月21日前完成，然后进行答辩。
指导教师签发2012年11月14日
课程设计评语：
课程设计总评成绩：
指导教师签字：
年月日
摘要
摘要：
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。
根据课程设计的要求，我选择了抛投机械的设计，根据相关的要求，我选用了乒乓球作为抛投物，本设计提出了一种全自动控制的乒乓球发球机。
根据抛投物的特性，乒乓球质量较轻，因此发球机的体积相对比较小。
该发球机应用单片机C8051为软控芯片,实现通过远程控制来改变发球快慢、发球力度、发球高度及角度等的功能,并可模拟进行人工发球,实现随机发球的效果。
本设计实现简单,使用方便,可满足乒乓球运动员对不同强度专业训练的要求。
也可以满足业余乒乓球爱好者的平时的训练和锻炼时使用。
关键词:
发球机;单片机;远程控制；抛投
第一章绪论
1.1绪论:
我国是乒乓球强国。
参与乒乓球的人数非常的巨大，随着我国乒乓健儿在国际上取得的好成绩，乒乓球成为了我国的国球，民间参加乒乓球运动的积极性非常高。
随着乒乓球运动的开展，尤其是对高质量的乒乓球专业训练要求的提高，设计一种高度自动化的乒乓球发球机具有积极重要的时代意义。
有时想找到拥有各种技术特点的对手是不太容易的，因此乒乓球发球机能很好的解决这个平时的训练问题。
因此发明了乒乓球发球机。
国内现有的乒乓球发球机的类型有两种，一种是半自动式发球机,它需要通过人工对机头旋转角度进行手动调整,从而实现各种发出各种角度的旋转球的目的；
同时需要通过抬高或降低机头以对球的射程弧度进行手动调整。
这种发球机操作麻烦，功能基本,越来越不能满足专业训练对发球机的要求。
另一种发球机是半自动式发球机,通过电脑编程进行操作调节。
它的操作系统,需要设置参数来实现各种发球意图。
这种半自动式发球机虽然可发出各种变化的球,但由于设备体积大,使用不方便，因此局限性较大。
本设计提出一种由红外遥控器控制的智能型乒乓球发球机,它的体积小,控制方便,并可实现随机发球。
1.2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。
第二章机构设计
2.1发球机的机构设计
发球机模拟人工发球原理,产生连续的多角度、多速度的球路变化。
由遥控器选择某一功能模式后,从储球斗落入输送机构的球,由输送轮送入送球通道,进入发射机构后,由摩擦轮将球发射出去。
发球机的结构,如图1所示。
储球机构中拨杆的作用是搅动储球斗中的乒乓球,防止入球口堵塞,它通过输送机构中的直流电机带动一组锥齿轮来转动,球靠自身重力落入输送机构。
输送机构中的直流电机以遥控器选择的速度模式带动输送轮运动,输送轮上设有半圆形卡球槽,将球送入送球通道,球在通道内依次排成一列,后面的球将前面的球顶入发射机构。
发射机构中的直流电机也以设定的速度模式带动摩擦轮转动,当球进入时,在摩擦力的作用下,将球发射出去。
图2.1乒乓球自动发球机机构
机构可使发球机发射不同高度的球,其工作过程为:
步进电机带动丝杠转动,与丝杠配合的螺母实现上、下运动,则与螺母固定在一起的托盘带动发射机构调整发射高度。
角度摆动装置可连续摆动发
球,也可定角度发球,由步进电机带动转动齿盘在某角度内摆动,齿盘上的托板带动发射机构摆动,当按下遥控器的暂停键时,可固定在该角度发射球。
其功能组成,如下图2.1A所示。
图2.1A自动发球机功能组成框图
2.2发球机的控制系统设计
2.2.1硬件结构
整个系统以单片机C8051作为其控制核心,其功能主要包括:
根据解码单片机获得的按键信号发出相应的控制信号驱动各个电动机做执行动作;控制电动机实现随机发球;将各种数据在显示器上显示等。
本装置的供球快慢和发球力度由直流电动机来控制实现;而发射装置在一定角度内摆动以及在一定距离内上、下移动由步进电动机来控制实现。
电动机驱动选用专用功率集成芯片L298,用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等元件。
其驱动电压可达46V,直流电流总和可达4A,内部有2个完全相同的PWM功率放大器。
电动机驱动电路图,如下图2.2.1
图2.2.1专用功率集成芯片L298电动机硬件电路图
图2.2.2步进电动机的驱动电路
使用L297+L298可以作成两相双极性的步进电动机驱动电路，它是采用定电流方式驱动，每相电流峰值可达2A，L297是步进电动机控制器，用来产生两相双极驱动步进电动机的电力输出，是双全桥方式驱动，由于采用双极性驱动，因此电动机线圈完全利用，使步进电动机可以达到最佳的驱动。
第三章机构各部分的设计和选材
机构的具体设计和材料的选用：
根据以上要求，现确定出本套发球机整体方案如下：
3.1主机体的设计和选材
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。
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。
3.2机座部分的设计
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输送机构的设计
输送机构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。
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托板的设计
托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。
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。
第四章软件系统设计
4.1软件系统设计
软件主程序主要包括实现初始化、辨别接收红外信号、执行按键操作和调用显示子程序等功能。
初始化程序为系统上电后做准备工作,控制系统中，单片机应用软件的设计，是系统设计中的最基本和最重要的部分。
在自动乒乓球发球机控制系统的设计中要实现的主要软件功能:
系统控制的主程序设计、显示器的子程序设计、键的输入子程序设计以及功能模块的输入输出设计。
系统的主程序中实现对系统的复位、显示器的初始化、键的输入、8255的初始化、对电动机的启动以及发球的技术目标的实现。
当接收到遥控器发送的信号后,引起解码单片机的中断,使单片机判断键值,然后将键值传给核心单片机。
核心单片机根据所得键值执行对应的操作动作,同时显示正执行的功能状态,其模块结构,
图4.1自动发球机软件总控模块
电动机的调速方式都采用脉宽调制（PWM）。
PWM脉冲控制信号的产生方法有多种,本系统采用软件模拟法,即利用单片机的一个I/O引脚,通过软件使该引脚不断输出高低电平来实现PWM波形输出。
为减少对CPU的占用时间,采用计数器定时的方法。
它的程序流程图如下：
图4.2直流电动机程序流程图
控制步进电动机摆动、转动的脉冲控制信号仍采用定时中断的方式产生,改变定时时间,即可改变脉冲频率,从而改变电动机的转速。
角度摆动机构要求步进电动机在某角度内摆动,根据摆动角度和步距角得出所需的脉冲数N（取偶数）,先左旋N/2个步距角,再右旋N个步距角左旋N个步距角,以此反复实现左右摆动功能。
左转时绕组通电顺序为:
A-AB-B-BC-C-CD-D-DA,右转时通电顺序为A-AD-D-DC-C-CB-B-BA,将8路相序分别设定为表格形式,由单片机I/O口通过查表依次输出控制脉冲信号。
上、下调整机构实现上、下运动的原理同上,根据运动距离、丝杠螺距得出电动机转动角度,则同样可以求得所需脉冲数。
本装置采用两相步进电动机,用半步励磁法实现0.9°的步距角,其脉冲分配由软件方法实现。
程序流程图,如下图所示。
需调速时,通过查表改变进入中断的定时时间即可。
4.3图步进电动机程序流程图
第五章结论
本文通过对现有乒乓球发球机进行优缺点分析，提出设计一种自动型的发球机，对其总体设计做了一个详细的理论分析。
主要分为两大部分:
自动乒乓球发球机的机械结构改进，自动乒乓球发球机的控制系统设计。
论文主要完成了以下主要工作:
1.根据所需实现的功能，对原有乒乓球发球机的摇摆机构和发射机构进行改进设计，使其结构尽可能简单且方便控制，说明了要实现的主要技术参数指标以及达到这些技术参数指标所需要的保障。
2.介绍了自动乒乓球发球机工作原理及工作过程，并阐述了这种工作过程的可靠性。
选择对转双轮摩擦旋转原理作为自动乒乓球发球机发射装置的机械结构，并说明了这种原理的优越性。
3.根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。
4.进行了自动乒乓球发球机控制系统方案的设计。
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，详细说明了控制系统的可靠性。
5.提出了实现随机发球的原理，并对其进行程序设计。
通过以上的工作，证明自动乒乓球发球机的设计思想是完全可行的。
当然要提高自动乒乓球发球机的各项性能指标，还有待于以后更深入的探讨与研究。
在科学技术日新月异的今天，将乒乓球发球机推广为自动型是完全可行的，它在工业生产中，特别是在体育事业中有着广泛的应用领域和美好的发展前景。
本设计具有以下创新点:
1.根据乒乓球在空气中的受力分析，建立其数学模型，并对其在空气中的运动轨迹进行分析，从而得出发射有效球时所需的发球高度、发球角度和发球速度等参数的取值范围。
2.对原乒乓球发球机的机械结构进行改进设计，采用步进电动机直接带动角度摆动装置，同时增加了升降装置来调节发球高度，使得发球机的结构简单化，
同时发球机的各种功能调节可以基本实现自动化。
3.对自动乒乓球发球机设计研究了随机发球模式，可实现随机地发球，改进了原有发球机所发球具有规律性的缺点。
第六章设计后的感想
经过这次的机械创新设计，我学到很多以前没有涉及的知识领域。
很多课程都是从在书本上粗略的看了一遍知识。
而这次的机械创新设计要求我要多方面的去查询资料和询问相关人员。
因为一个人的知识有很有限的，我们在课堂上学到的东西都是非常的具有局限性，无法完全满足设计的需求的。
因此，我根据了老师给我的要求，开始了一个星期的资料搜索，搜索各种文献，别人的设计模板，别人对该器械的意见，再根据自己本身的理解。
毕竟我也是一个乒乓球爱好者，对乒乓球也是情有独钟的，对乒乓球运动也是十分地喜爱。
乒乓球自动发球机其实就是抛投机械的一种，它可以让我们在没有真人对手的情况下，找到一个能精通各种出球方式的形式。
我根据我们国家一些厂家的生产的乒乓球自动发球机，对他们的设计有了一些了解之后，我就对他们的设计进行了一些改变，使得这台机器的制作更加地低廉和简单。
另外，在做设计的过程中，还要感谢老师们的指导和同学们的帮忙，很多问题才可以很快得到解决。
很多的专业资料文献，都是同学帮忙筛选了一下。
我同时也帮他们寻找一些资料，毕竟在寻找资料的过程中可能会遇到别人想用的文献和资料。
于人于己都是有帮助的。
并且还拓宽了自己的知识面，可谓受益良多。
到进行设计的过程中，主体的设计理念都是用市场上的主流产品作为基准，主体机构都是根据他们提供的资料进行，只是对局部的机构进行了创新改造，让它功能更能满足我们的需求。
让这个乒乓球自动发球机更加符合我们的运动习惯和喜好。
让它的功能更加的人性化，智能化。
最后，感谢所以的老师和同学们。
在此次的设计中我获益良多，学习到了很多以前都没听说过的东西，这对我今后的学习和发展有很大的帮助。
更对于我之后的毕业设计做了一个很好热身。
希望大家在以后的路途里都能互相帮助，互相促进，有一个更好的明天和未来。
附件
参考文献
[1] 关慧贞,高英明.一种手控拾发球机器人的设计[J].机床
与液压,2004（12）:
141-143.
[2] 戴培山,冯成德,刘 栋.基于keilC51的红外遥控器解
码设计[J].自动化与仪器仪表,2003（6）:
11-13.
[3] 宋 健,姜军生,赵文亮,等.基于单片机的直流电动机
PWM调速系统[J].农机化研究,2006
（1）:
102-103.
[4] 王哓明.电动机的单片机控制[M].北京:
北京航空航天
大学出版社,2002.
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