摘要：乒乓球發(fā)球機的工作原理、過程、設(shè)計及在實際中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：乒乓球發(fā)球機，工作原理，設(shè)計
1.乒乓球發(fā)球機的工作原理
乒乓球發(fā)球機是集電子、機械和計算機技術(shù)為一體的綜合技術(shù)產(chǎn)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。它的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)輪摩擦球原理，乒乓球由于受到一個旋轉(zhuǎn)磨擦輪的作用可以獲得一定的初速度，而摩擦輪在一個直流電機的控制下工作。當(dāng)電機帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，會磨擦乒乓球球使球獲得一定的動能，乒乓球才得以發(fā)射出去。這種原理方案既簡單又實用，它既能保證乒乓球球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的角度及速度，使用戶隨心所欲地練習(xí)打乒乓球。
設(shè)輪子的角速度為ω，半徑為R，那么就可以計算出輪子線速度:V=ω×R
則在瞬時間網(wǎng)球所獲得的速度為V，這就是乒乓球的初速度。
因此通過測量輪子的線速度就可以求得乒乓球的初速度。
2乒乓球發(fā)球機的工作過程
乒乓球發(fā)球機的工作過程是乒乓球球首先貯藏在儲球箱里，當(dāng)電源接通后供球裝置內(nèi)的電機工作，通過齒輪傳動機構(gòu)帶動儲球器里的攪拌器旋轉(zhuǎn)，乒乓球經(jīng)漏斗進入送球裝置。由送球裝置內(nèi)的葉片輪旋轉(zhuǎn)將球送出，經(jīng)送球管道到達機頭處的出球口。葉片輪也由電機經(jīng)傳動機構(gòu)帶動，葉片輪轉(zhuǎn)速由對直流電機進行PWM脈寬調(diào)制控制這樣就可以控制單位時間內(nèi)發(fā)出球的個數(shù)。乒乓球到達出球口后，驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球從而使球發(fā)出。按動機頭左右擺動裝置箱上的按鈕可以通過箱內(nèi)的類似曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)機頭的左右擺動。調(diào)解機頭上的手動調(diào)解按鈕可以通過機頭上的彈簧裝置實現(xiàn)機頭的上下調(diào)節(jié)。3乒乓球發(fā)球機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
乒乓球發(fā)球機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：底座部分的設(shè)計，送球裝置的設(shè)計，球道的設(shè)計，儲球器的設(shè)計，調(diào)整裝置的設(shè)計，機頭部分的設(shè)計，電動機的選擇等。
3.1乒乓球發(fā)球機整體方案的確定
3.1.1乒乓球發(fā)球機設(shè)計要求：
乒乓球發(fā)球機需要滿足的主要要求如下所示：
1、令使用者更加掌握有度，多落點，多角度。
2、出球頻率：30-72次/分鐘；出球速度：4–50公尺/秒
3、出球角度：可調(diào)范圍30度；出球弧度：可調(diào)范圍40度
4、出球速度，出球頻率通過遙控器操作。
3.2.2整體方案的確定：
根據(jù)以上要求，現(xiàn)確定出本套發(fā)球機整體方案如下：
1、機體材料主要選用增強塑料，ABS制成。部分零件選用優(yōu)質(zhì)鋼制成，關(guān)于這些材料的優(yōu)點將在下面具體介紹。
2、發(fā)球采用固定在出球口上的摩擦輪旋轉(zhuǎn)摩擦乒乓球?qū)⑶虬l(fā)出的原理。出球口采用單輪驅(qū)動，并且單輪可實現(xiàn)八種方位的調(diào)節(jié)，從而能夠使發(fā)出去的乒乓球?qū)崿F(xiàn)八種不同的旋轉(zhuǎn)。
3、送球裝置，球口驅(qū)動輪裝置，儲球器內(nèi)攪拌器均采用小功率直流電機驅(qū)動。
4、通過曲柄連桿裝置實現(xiàn)機頭的左右來回擺動，曲柄輪裝置仍采用直流電機驅(qū)動。
3.2底座部分的設(shè)計
發(fā)球機底腳采用四個滾輪裝置。一方面四個滾輪足以承受機體重量，另一方面采用滾輪可以輕松的挪動機體，從而給用戶帶來方便。底座板采用薄金屬件，能夠很好的承受機體重量。
3.3送球裝置的設(shè)計
送球裝置是整套乒乓球發(fā)球機的核心部分，也是衡量一套乒乓球發(fā)球機性能是否優(yōu)越的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，送球裝置能否順利實現(xiàn)預(yù)期送球功能關(guān)系到整套產(chǎn)品能否被成功設(shè)計出來。因此，送球裝置的設(shè)計是整套產(chǎn)品設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。
本裝置采用的是葉片輪旋轉(zhuǎn)送球機構(gòu)，葉片輪由一個直流電機帶動齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動。葉片輪轉(zhuǎn)動一周可以送出六個球。對直流電機進行PWM脈寬調(diào)制可以改變電機轉(zhuǎn)速從而改變?nèi)~片輪轉(zhuǎn)動速度，從而改變送球頻率。葉片輪所在的中隔板與郵件玻璃板構(gòu)成一密閉室。為了防止卡球現(xiàn)象，葉片輪后是一段彎曲的球道，從而使乒乓球能夠順利地進入送球管道。在送球裝置內(nèi)共設(shè)計兩個直流電機。其中一個電機通過齒輪傳動同時帶動葉片輪和攪拌器轉(zhuǎn)動，另一個直流電機帶動曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)機頭的左右擺動。電機的選用在下面章節(jié)介紹。
3.4.材料的選擇
送球裝置中，裝置殼體，葉片輪，及中隔板的制作材料是增強塑料，增強塑料的特點：有較高的強度，剛度，韌性；有良好的耐磨性與耐疲勞性，并有較高的熱變形溫度。從增強塑料的特點上來看，它是適合做這些部件的材料的。
送球裝置中，三對傳動齒輪以及齒輪軸均采用ABS材料注塑制成，ABS材料的特點：ABS是由苯乙烯—丁二烯—丙烯腈為基的三元共聚體，故具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌性與良好的機械強度；優(yōu)良的耐熱，耐油性與化學(xué)穩(wěn)定性；尺寸穩(wěn)定，易于成型和加工，且表面可渡金屬；電性能良好。鑒于ABS材料具有以上優(yōu)良的特性，正適合齒輪這種轉(zhuǎn)速高，強度、沖擊韌性大，局部溫度高，加工較為復(fù)雜的裝置，因此特選用ABS作為三對齒輪與齒輪軸的制作材料。
3.4.1葉片輪的設(shè)計
葉片輪的作用是通過其旋轉(zhuǎn)將球順利地送入送球管道中。本套發(fā)球機的葉片輪采用六葉片機構(gòu)，即旋轉(zhuǎn)一周輸送六球，選用ABS材料注塑制成。葉片厚度為42mm。
3.4.2中隔板的設(shè)計
中隔板的作用是安放葉片，電機與軸承，并且與有機玻璃板共同封閉住電機，葉片輪與乒乓球。因此，中隔板的厚度要綜合考慮以上幾個因素。中隔板的具體尺寸見CAD送球裝置部件圖。
3.5.傳動齒輪的設(shè)計
在本設(shè)計中采用三對齒輪傳動，兩對斜齒圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動。即可以實現(xiàn)同時控制葉片輪同攪拌器的轉(zhuǎn)動。由于本套設(shè)備中的齒輪傳遞力矩相對較小，對齒輪材料的強度要求也不是很高，因此所用塑料齒輪，制造材料選擇ABS。
塑料齒輪以質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、振動小、噪音低、化學(xué)性能穩(wěn)定、加工成本低、便于大批量快速生產(chǎn)等眾多優(yōu)勢受到了很多傳動機構(gòu)及研發(fā)工程師的青睞。其設(shè)計過程大體上分為以下幾個部分：齒輪副理論設(shè)計、齒輪模具設(shè)計、齒輪模具制造和齒輪注塑生產(chǎn)，其流程如下頁圖所示：
鑒于目前常用的塑料齒輪多為漸開線小模數(shù)齒輪，故本套系統(tǒng)的直齒傳動齒輪的模數(shù)選為1。現(xiàn)選擇一對直齒齒輪對其進行參數(shù)設(shè)計：
1、模數(shù)：m=1
2、齒數(shù)：Z1=60mm，Z2=120mm，即傳動比i=2
3、分度圓直徑：d1=60mm，d2=120mm，故中心距a=90mm
4、壓力角：α=
5、齒頂高系數(shù)：=1，故兩齒輪的齒頂圓直徑為：=62mm,=122mm
6、頂隙系數(shù)：=0.2，故兩齒輪的齒根圓直徑為：=57.6mm，=117.6mm
其他齒輪的參數(shù)選擇方法同這一對齒輪，現(xiàn)不予一一介紹。

3.6傳動軸的設(shè)計
傳動軸采用增強固體塑料注塑制成，傳動軸的設(shè)計參照金屬軸的設(shè)計方法，現(xiàn)選第一對傳動軸進行設(shè)計：
第一對軸連接的是電動機和齒輪，已知通過脈寬調(diào)制后電機的轉(zhuǎn)速范圍為：10r/min—24r/min,電機功率為：50W。
即軸的最小直徑d=A0mm=100×=17mm
即需要的軸的最小直徑為17mm，本套系統(tǒng)中設(shè)計的軸的直徑為20mm，因此可以滿足要求。
3.7送球管道的設(shè)計
發(fā)球球道基本設(shè)計原則就是能夠?qū)⑵古仪蝽樌�地送入發(fā)球口處，不能造成中間卡球。
發(fā)球管道的材料選用增強塑料，一方面能減輕底座承受的重量，便于安裝與固定；另一方面可以減少制造成本。送球管道下部分同送球裝置頂蓋的凸臺處用四個螺釘連接，上面部分同機頭的調(diào)整彈簧采用過盈連接，從而保證了乒乓球能夠順利進入機頭發(fā)球口處。在球道中間部分還設(shè)置了與回收球網(wǎng)相連接的套環(huán)。
3.8儲球器的設(shè)計
儲球器是乒乓球的盛放裝置，負(fù)責(zé)將乒乓球順利送入送球裝置中。
在設(shè)計中，儲球器的材料選用增強塑料，儲球器的下端設(shè)計成傾斜面，從而可以將乒乓球集中到儲球器口處。為了進一步防止由于乒乓球互相擠壓而產(chǎn)生的壓力將球卡在球道處，在儲球器底板靠近球口處設(shè)置了一個攪拌器裝置。通過攪拌器的攪拌消除球與球之間的持續(xù)靜止壓力從而有效地防止了卡球現(xiàn)象的發(fā)生。
3.9機頭的設(shè)計
機頭是最終實現(xiàn)發(fā)球的裝置，是整套系統(tǒng)中功能實現(xiàn)的裝置。因此，這個裝置也是整套乒乓球發(fā)球機的重要的一個部分。本套系統(tǒng)中機頭的設(shè)計主要包括以下部分：發(fā)球口，發(fā)球電機，旋轉(zhuǎn)刻度盤以及彈簧。
出球口的直徑為40毫米，厚度為5毫米，材料選用增強塑料，機頭可以實現(xiàn)通過橫擺裝置實現(xiàn)左右自動擺動，通過手動按鈕和彈簧裝置實現(xiàn)上下移動。
3.10調(diào)整裝置的設(shè)計
調(diào)整裝置是乒乓球發(fā)球機實現(xiàn)智能化，人性化的一個典型設(shè)計部分。這部分所起的作用是帶動機頭左右擺動，從而發(fā)出來自各個方位的乒乓球。極大的模擬了人工陪練。
根據(jù)機頭的特點，選用曲柄搖桿的機構(gòu)實現(xiàn)機頭的左右擺動。送球裝置內(nèi)的一個直流電機帶動曲柄桿轉(zhuǎn)動，進而通過搖桿的牽引使轉(zhuǎn)盤左右運動從而使固定在轉(zhuǎn)盤上的機頭實現(xiàn)左右擺動。通過對曲柄桿長，搖桿長，轉(zhuǎn)盤圓心與曲柄桿固定處的距離進行合適的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對機頭相應(yīng)轉(zhuǎn)角范圍的設(shè)定。
在本套設(shè)計中，曲柄桿長選用，搖桿長選用120mm，轉(zhuǎn)盤中心與曲柄桿固定處的距離選用，機頭處于正中心位置，從而實現(xiàn)了當(dāng)搖桿到達極限位置時，機頭能夠左右對稱的擺動，且擺動夾角為30度。
3.11小結(jié)
本章對乒乓球發(fā)球機的設(shè)計原理及整體結(jié)構(gòu)作了一個總體的說明，對其相應(yīng)部分所具有的功能也作了一個詳細(xì)的介紹，并對該機器的實際問題提出了具體設(shè)計方案。這將對乒乓球發(fā)球機的制造和這方面工作的開展大有好處。