(??H)g(3-5)通過改變?chǔ)取、v的取值，可得到不同的落點(diǎn)坐標(biāo)。θ的取值范圍設(shè)定為-15°到+15°，v的取值范圍為10米/秒到20米/秒。當(dāng)θ=0°時(shí)，L的取值范圍為1.37米至2.74米，h在18至61厘米之間。當(dāng)θ=±15°時(shí)，L的取值范圍為1.42米至2.84米，h在19至65厘米之間。考慮到空氣阻力等其他的因素h~H取值在20cm~60cm比較合適。所以可以確定乒乓球發(fā)球器發(fā)球的高度范圍在40mm之內(nèi)。發(fā)球角度在±15°。3.3乒乓球發(fā)球器的升降裝置和搖擺裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)前文的分析可知道，該乒乓球發(fā)球裝置的發(fā)球高度參數(shù)要控制在40毫米以內(nèi)，發(fā)球角度允許范圍是±15度，基于此本研究設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的升降機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。升降裝置：為了契合乒乓球發(fā)球過程中對(duì)于擊球高度的各種不同需求，此裝置運(yùn)用了一套借助步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移，促使與托板剛性相連的螺母組件帶動(dòng)發(fā)射裝置以及輸球管在垂直方向上進(jìn)行精確的位置調(diào)節(jié)，其有效的調(diào)節(jié)范圍是20至60毫米，以此保證發(fā)球器可以適應(yīng)不同戰(zhàn)術(shù)需求時(shí)的高度變化要求。圖3-2升降裝置從圖3-2可看到，電機(jī)跟絲桿借助鍵連接達(dá)成剛性固定狀態(tài)，其升降行程有的可調(diào)節(jié)范圍是20毫米至60毫米，在這個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，絲杠和固定盤螺母形成螺紋副配合，然后跟輸球管道構(gòu)成聯(lián)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，依靠絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)副把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，精確控制輸球管道的垂直位移，讓乒乓球發(fā)射裝置可依據(jù)實(shí)際的需求在不同高度達(dá)成精準(zhǔn)發(fā)球[7]。搖擺裝置：如圖3-3呈現(xiàn)的那樣，此裝置運(yùn)用角度擺動(dòng)機(jī)構(gòu)展開設(shè)計(jì)，借助步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，接著帶動(dòng)和輸球管相連的齒盤達(dá)成周期性的左右擺動(dòng)，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)讓輸球管可在預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)或者特定的固定角度做定向擺動(dòng)，提升了乒乓球發(fā)射軌跡的多樣程度，豐富了訓(xùn)練模式，還提高了使用者的操作體驗(yàn)。圖3-3搖擺裝置電機(jī)連接傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)固定于輸球管上的齒盤。鑒于乒乓球臺(tái)尺寸限制，搖擺角度不宜過大（不超過30°），故齒輪盤僅設(shè)置一段齒。輸球管底部裝有滾動(dòng)軸承，該軸承僅起輔助機(jī)頭旋轉(zhuǎn)與固定作用，對(duì)強(qiáng)度無過高要求?；诠艿莱叽?，選定軸承型號(hào)為NU109[8]，其內(nèi)徑為四十五毫米。。3.4輸球裝置的設(shè)計(jì)輸球機(jī)構(gòu)是確保乒乓球順利到達(dá)發(fā)球口的關(guān)鍵部件。為了避免卡球，本設(shè)計(jì)選用了強(qiáng)度比較大的塑料材料的輸球管道。葉片輪由六個(gè)收球槽構(gòu)成，每旋轉(zhuǎn)一周，六個(gè)乒乓球依次被輸送。葉片輪在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的減速齒輪組帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，通過精準(zhǔn)調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠靈活調(diào)節(jié)乒乓球的輸送頻率。葉片輪后方連接一段弧形輸球管道，有效引導(dǎo)乒乓球順暢進(jìn)入管道。圖3-4葉片輪依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)乒乓球40毫米的直徑尺寸規(guī)格，此項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的葉片輪結(jié)構(gòu)配備了六個(gè)直徑為40毫米的收球槽，其整體厚度也設(shè)定為40毫米，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可詳見圖3-4。3.5傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 本研究提出的乒乓球發(fā)球裝置運(yùn)用雙齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)葉片輪旋轉(zhuǎn)來達(dá)成球體輸送功能，另一組齒輪-齒盤組合機(jī)構(gòu)用于控制擺動(dòng)裝置的橫向運(yùn)動(dòng)，鑒于系統(tǒng)傳遞力矩較小且對(duì)齒輪強(qiáng)度要求較低的特性，本方案創(chuàng)新性地選用ABS工程塑料作為齒輪材料，這種高強(qiáng)度塑料材質(zhì)能契合使用性能需求，還有一定的成本優(yōu)勢(shì)。塑料齒輪具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如有良好的耐磨性、耐腐蝕性、減震性，還具備質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定、成本低廉、加工方便等特點(diǎn)，因此在眾多傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，塑料齒輪成為優(yōu)先考慮的元件。目前，常見的塑料齒輪主要是漸開線小模數(shù)齒輪。所以選擇齒輪模數(shù)選為2[9]。在輸球裝置里，有一對(duì)圓柱直齒輪，其參數(shù)如下：輸入功率是15瓦，轉(zhuǎn)速可達(dá)1300轉(zhuǎn)每分鐘，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行時(shí)，沖擊輕微且方向固定，傳動(dòng)比為3。1.由于輸球裝置作為常規(guī)工作設(shè)備，對(duì)于運(yùn)行速度并沒有特別的要求，依據(jù)工程實(shí)踐里的精度匹配原則，此項(xiàng)研究選用7級(jí)精度齒輪來契合其功能性需求。2.在材料選擇這個(gè)環(huán)節(jié)，本研究參考在線機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)里表10-1所給出的推薦參數(shù)，確定選用工程塑料當(dāng)作齒輪材料，展開來說，在高速傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，小齒輪和大齒輪都選用了齒面硬度為30HBS的塑料材質(zhì)，如此一來，這一參數(shù)的選擇就保證了傳動(dòng)副的硬度可相互匹配。在齒輪傳動(dòng)的常規(guī)工況設(shè)計(jì)里，要遵循一些關(guān)鍵準(zhǔn)則，首先要保證齒輪有足夠的抗彎疲勞性能，這樣能有效防止齒根斷裂失效，其次要著重保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度，以此抑制點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，對(duì)于高速重載工況下的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，除了上述基本準(zhǔn)則，還得特別留意齒面抗膠合性能的設(shè)計(jì)要求。大量工程實(shí)踐數(shù)據(jù)說明，對(duì)于閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)放在提升齒面接觸疲勞強(qiáng)度上，對(duì)于閉式硬齒面或開式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)把設(shè)計(jì)重心放在優(yōu)化齒根彎曲疲勞強(qiáng)度方面。此次研究運(yùn)用的閉式硬齒面齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)階段著重考量了齒面抗點(diǎn)蝕的性能，其主要的失效形式呈現(xiàn)為齒根斷裂的情況，鑒于此，本設(shè)計(jì)將齒根彎曲疲勞強(qiáng)度當(dāng)作核心的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并且還輔以齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核計(jì)算，以此來保障傳動(dòng)系統(tǒng)有可靠性。設(shè)計(jì)公式為：m≥32K式中：φd=b/d1為稱為facewidthcoefficient齒寬系數(shù)（b為大齒輪寬度）,由網(wǎng)上資料查??；YFSQUOTE稱為formfactor齒形系數(shù)，[σF]為彎曲許用應(yīng)力。在齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算中，針對(duì)彎曲強(qiáng)度的計(jì)算，由于齒輪的參數(shù)如QUOTE[σF]、YFaQUOTE、YSaQUOTE值有不同，因此需具體問題具體分析來計(jì)算。計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，校核公式為：σH表3-1使用系數(shù)K載荷狀態(tài)工作機(jī)器原動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)均勻輕微沖擊運(yùn)輸機(jī)、輕、中型的卷場(chǎng)機(jī)、起重機(jī)、發(fā)電機(jī)鼓風(fēng)機(jī)1中、小沖擊重型運(yùn)輸機(jī)、卷相機(jī)、起重機(jī)、混凝土攪拌機(jī)、機(jī)床主傳動(dòng)1.25較大沖擊碎礦機(jī)、特重型起重機(jī)、軋鋼機(jī)、鍛壓機(jī)1.75對(duì)于軟齒面閉式傳動(dòng)，當(dāng)滿足彎曲疲勞強(qiáng)度時(shí)，宜多設(shè)齒數(shù)，一般小齒輪齒數(shù)取z1=20~40.在中心距確定的情況下，齒數(shù)增多可提升重合度，進(jìn)而增強(qiáng)傳動(dòng)平穩(wěn)性。而硬齒面齒輪傳動(dòng)需優(yōu)先為確保齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)選用較大的模數(shù)。為了減小傳動(dòng)裝置的尺寸，齒輪的齒數(shù)應(yīng)適中選擇，同時(shí)需避免發(fā)生根切現(xiàn)象，一般情況下，齒數(shù)z1?取為17到20之間。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求取z1為二十，傳動(dòng)比為三，z轉(zhuǎn)矩T彎曲疲勞許用應(yīng)力：[σF按齒面硬度中間值網(wǎng)上查機(jī)械手冊(cè)得：σFlim1=50MPaσFlim2=50MPa設(shè)乒乓球發(fā)球器每天工作8小時(shí)，工作5年（一月按照30天算）則：QUOTEN1=60njLh=60×1300×1×0.015×100×5=5.85×105(3-15)N2=N由機(jī)械手冊(cè)得彎曲疲勞壽命系數(shù)

YN1=1.05按一般可靠性要求，取QUOTESF=1,則[σF1]=[σ表3-2齒輪系數(shù)YFaZ（ZV17181920212223242526272829Y2.972.912.852.802.762.722.692.652.622.602.572.552.53Y1.521.531.541.551.561.571.5751.581.591.5951.601.611.62Z（ZV303540455060708090100150200∞Y2.522.452.402.352.322.282.242.222.202.182.142.122.06Y1.621.651.671.681.701.731.751.771.781.791.831.8651.975YFYFa1=2.80YYFa2=2.28由公式：[σQUOTE[σF2]Y取較小者計(jì)算齒輪的模數(shù)查機(jī)械手冊(cè)按齒輪相對(duì)軸承對(duì)稱布置取Фd將以上數(shù)據(jù)代入下式，得m≥32由上述選取m=3確定主要參數(shù)小齒輪齒數(shù)取Z?=20，大齒輪齒數(shù)Z?=20×3=60，分度圓直徑分別為d?=40mm、d?=120mm，中心距為160mm，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)為2，齒頂圓直徑分別為QUOTEdk1=44mm，dk2=124mm，頂隙系數(shù)為0.5，齒根圓直徑分別為dr1=36mm、圖3-5傳動(dòng)齒輪圖3-5展示了傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)方案。另一對(duì)齒輪的參數(shù)確定方法與之前所述的齒輪一致。由于齒盤需要與輸球管道相匹配，而輸球管道的外徑為46毫米，因此這對(duì)齒輪的具體參數(shù)如圖3-6所示：圖3-6搖擺裝置齒輪因輸球機(jī)構(gòu)與搖擺機(jī)構(gòu)對(duì)齒輪強(qiáng)度要求不高，且傳遞力矩較小，故所設(shè)計(jì)齒輪均滿足強(qiáng)度要求。依據(jù)齒輪參數(shù)及葉片輪的尺寸與參數(shù)，完成傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)。軸通常選用碳素鋼、合金鋼或鑄鐵等材料。然而，考慮到摩擦輪軸、回轉(zhuǎn)中心軸以及卸載滾輪軸的性能要求，本設(shè)計(jì)突破常規(guī)，創(chuàng)新性地選擇了ABS材料，以滿足特定工況下的使用需求，根據(jù)公式QUOTEd0min=C3Fn并查詢機(jī)械設(shè)計(jì)表13-1，設(shè)定C值為120。d0min=2.37而設(shè)計(jì)的軸d0min遠(yuǎn)大于2.37，因此，所設(shè)計(jì)的軸的強(qiáng)度均滿足要求，軸的設(shè)計(jì)依據(jù)機(jī)械課程設(shè)計(jì)規(guī)范完成，具體設(shè)計(jì)如圖3-7所示3-7傳動(dòng)軸葉片輪的主要職責(zé)在于乒乓球傳至管道。鑒于乒乓球的質(zhì)量極輕，僅為0.27克，其對(duì)葉片輪產(chǎn)生的作用力微乎其微，幾乎可以忽略不計(jì)，這意味著葉片輪在運(yùn)行時(shí)遭遇的阻力也非常小。3.6儲(chǔ)球箱和撥球裝置的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)里，儲(chǔ)球箱作為專門用于存放乒乓球的裝置，它的關(guān)鍵作用是達(dá)成乒乓球朝著輸球系統(tǒng)的有序傳送，此裝置選用ABS工程塑料當(dāng)作箱體的制作材料，這種材料有良好的機(jī)械性能，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來講，儲(chǔ)球器運(yùn)用漏斗狀的設(shè)計(jì)方式，它的上部是斜圓錐形的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效地推動(dòng)乒乓球朝著漏口處聚集。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)乒乓球的體積參數(shù)，儲(chǔ)球箱內(nèi)部容積的設(shè)計(jì)要契合起碼能存放200個(gè)乒乓球的要求，具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計(jì)方案可以查看圖3-8。圖3-8儲(chǔ)球箱200顆乒乓球所占空間為6.7×106mm2，儲(chǔ)球箱的設(shè)計(jì)需至少滿足此容量要求，其整體尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)350毫米、寬200毫米、高180毫米為切實(shí)解決儲(chǔ)球器漏口處因乒乓球相互擠壓所引發(fā)的卡滯問題，本研究構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一種攪拌機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此裝置被安裝在漏口的側(cè)方位置，依靠維持適當(dāng)?shù)牡退偾页掷m(xù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)成了對(duì)堆積乒乓球的均勻攪動(dòng)效果，降低了球體間的擠壓效應(yīng)，保障了出球過程的順暢無阻。圖3-9撥球桿從圖3-9可看出，撥球桿的設(shè)計(jì)方案存在多種形式，比如2葉、3葉以及多葉等，可供人們?nèi)ミM(jìn)行選擇，經(jīng)過對(duì)乒乓球尺寸特征以及撥球桿功能性要求展開綜合分析，為了防止葉片分布太過密集對(duì)操作性能造成不利影響，本研究最后決定采用4葉結(jié)構(gòu)的撥球桿設(shè)計(jì)方案。3.7乒乓球發(fā)球器的電機(jī)選擇根據(jù)前面的分析可了解到，乒乓球發(fā)球裝置的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要依靠電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的選型十分關(guān)鍵[7]，在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇時(shí)需要著重考慮下面這些技術(shù)要求：1) 功率的大小選擇要合適帶動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)。2) 容易控制控制精度高3) 性能穩(wěn)定，防震和防干擾性能好4）電動(dòng)機(jī)有一系列關(guān)鍵性能指標(biāo)，像最大轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及牽入轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，都經(jīng)過了精心的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來可契合工作機(jī)械的特定工況要求。在對(duì)升降裝置進(jìn)行電機(jī)選型時(shí)，考慮到電動(dòng)機(jī)與絲杠采用直接連接方式，所以兩者之間的減速比G/L=1/1，絲杠的螺距BP=40mm，通過參考相同類型的乒乓球發(fā)球器，獲知其機(jī)頭部分的質(zhì)量通常在2.5Kg上下。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定做功質(zhì)量為W=3.0Kg（即從搖擺裝置到發(fā)射裝置的部分）。同時(shí)，已知鐵的密度ρ=7.85×103Kg/m3，于是可設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JL則絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1(其中D1轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J2=WJL=對(duì)于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩?fù)Q選：TL(其中F為推力為0，摩擦系數(shù)μ=0.1，絲杠的機(jī)械效率?=0.9)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL所以選擇的三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有，保持轉(zhuǎn)矩，T經(jīng)計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JM=0.035×10?4Kg/m2，功率為P=68W，額定電流為I=0.75A，額定電壓為U=100V。綜合以上參數(shù)，選擇YY56型號(hào)的三相電機(jī)，該型號(hào)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，由于擺動(dòng)裝置和升降裝置的作用部分在功能上具有相似性，需要的基于發(fā)射裝置采用電動(dòng)機(jī)經(jīng)由摩擦輪帶動(dòng)乒乓球發(fā)射的原理，結(jié)合常見的發(fā)球器選型經(jīng)驗(yàn)，在本項(xiàng)目中，所選用的兩臺(tái)直流電機(jī)具有以下參數(shù)：額定功率為25瓦，工作電流為0.27安培，額定電壓為220伏，額定轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘3000轉(zhuǎn)。綜合考慮各項(xiàng)性能指標(biāo)后，型號(hào)為4RK25GW-C的直流電機(jī)被認(rèn)為是最為合適的選擇。在對(duì)類似發(fā)球器進(jìn)行研究并參考相關(guān)文獻(xiàn)后，輸送機(jī)構(gòu)與撥球機(jī)構(gòu)所采用的直流電機(jī)參數(shù)被確定為：額定功率15瓦，額定電流0.20安培，額定電壓220伏，額定轉(zhuǎn)矩0.125牛頓米，額定轉(zhuǎn)速每分鐘1300轉(zhuǎn)[10]。電機(jī)型號(hào)3RK15GW-C的直流電機(jī)比較合適[11]。3.8小結(jié)在這一章節(jié)之中，系統(tǒng)性地搭建起了乒乓球發(fā)球器完整的功能架構(gòu)體系，著重深入剖析了傳動(dòng)系統(tǒng)里關(guān)鍵齒輪組件的選型依據(jù)所在，并且依據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論，針對(duì)乒乓球飛行軌跡的動(dòng)力學(xué)特性展開了定量化的建模以及計(jì)算分析工作，于功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)程當(dāng)中，借助多維度去考量影響發(fā)球性能的關(guān)鍵參數(shù)，最終達(dá)成了有穩(wěn)定發(fā)球功能的乒乓球發(fā)球器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。4乒乓球發(fā)球器部分零部件三維設(shè)計(jì)在對(duì)乒乓球發(fā)球器的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循模具設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。與此同時(shí)，還需充分考量這些零部件與其他部件之間的協(xié)同配合，以及其在整體功能中所發(fā)揮的作用。此外，還需對(duì)另外一部分零部件的尺寸規(guī)格及其搭配方式進(jìn)行精心設(shè)計(jì)[12]。通過這樣的設(shè)計(jì)思路，不僅便于優(yōu)化乒乓球發(fā)球器的整體結(jié)構(gòu)，而且有助于降低生產(chǎn)成本。4.1乒乓球發(fā)球器箱體的設(shè)計(jì)從圖4-1中可以清晰地看到，這款乒乓球發(fā)球裝置采用的是一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的外殼同存球箱以及輸球管相互連接，構(gòu)成了整體的框架，系統(tǒng)內(nèi)部主要囊括了三個(gè)功能模塊，分別是輸球機(jī)構(gòu)、撥球機(jī)構(gòu)以及輸球管道，這些關(guān)鍵部件都集成在箱體內(nèi)部的空間之中。圖4-1箱體箱體結(jié)構(gòu)的外形參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是依據(jù)葉輪系統(tǒng)所有的幾何特征以及輸球管道的規(guī)格尺寸來確定的。4.2機(jī)頭管道設(shè)計(jì)和摩擦輪的選擇根據(jù)國(guó)際乒聯(lián)所規(guī)定的40毫米標(biāo)準(zhǔn)球體直徑參數(shù)，這項(xiàng)研究全面考量了市售摩擦輪構(gòu)件的尺寸適配情況，最終得出了如圖4-2所示的摩擦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖4-2摩擦輪該摩擦輪的具體尺寸為：外徑44mm、厚度14mm、內(nèi)徑9mm，且摩擦輪上設(shè)計(jì)有凹槽，凹槽的最小外徑為40mm。圖4-3機(jī)頭管道如圖4-3展示的那樣，機(jī)頭部位的管道系統(tǒng)采用了一段呈現(xiàn)90°彎管形態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)乒乓球尺寸與摩擦輪規(guī)格的匹配條件，出球口選用了壁厚為3mm、內(nèi)徑是46mm的提高塑料材質(zhì)構(gòu)件，為契合摩擦輪安裝的需要，在發(fā)射管口位置專門設(shè)計(jì)了2個(gè)直徑為55mm的裝配孔，還配置了4個(gè)螺釘固定孔位，以此來保障驅(qū)動(dòng)電機(jī)可穩(wěn)定安裝。4.3電機(jī)造型圖4-4步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)在SolidWorks三維建模平臺(tái)上，本研究圍繞乒乓球發(fā)球器系統(tǒng)展開了數(shù)字化設(shè)計(jì)工作，依據(jù)選型電機(jī)的技術(shù)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特征，首先完成了核心驅(qū)動(dòng)部件的三維建模，具體如圖4-4所示：左圖展示的是兩個(gè)同型號(hào)的直流電機(jī)，其作用是驅(qū)動(dòng)摩擦輪組件，右圖呈現(xiàn)的是其他輔助電機(jī)的三維實(shí)體模型。在建模期間，著重關(guān)注各部件之間的裝配關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，以此來保證整體設(shè)計(jì)有合理性與可行性[13]。4.4底座板設(shè)計(jì)為便于移動(dòng)整個(gè)乒乓球發(fā)球器，同時(shí)利于其安裝與拆卸，底座板的設(shè)計(jì)如圖4-5所示：圖4-5底座板在底座安裝四個(gè)滑輪，可便捷地移動(dòng)整個(gè)發(fā)球裝置，且與乒乓球發(fā)球器底座相得益彰，提升了整體的外觀美感。從安全性出發(fā)，底座的四個(gè)圓角設(shè)計(jì)相較于直角，能有效降低割傷風(fēng)險(xiǎn)。底座板選用薄金屬材質(zhì)，足以穩(wěn)固支撐整臺(tái)機(jī)器的重量。4.5乒乓球發(fā)球器的裝配設(shè)計(jì)4.5.1重點(diǎn)部分零部件的裝配設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)一方面在于對(duì)乒乓球發(fā)球器的零部件進(jìn)行形狀與尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)；另一方面則聚焦于將各零部件依據(jù)其相互關(guān)聯(lián)性進(jìn)行有效裝配。在零部件設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)規(guī)范與準(zhǔn)則，充分考量三維外觀布局和整體裝配的協(xié)同性，從而確保各零部件能夠精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的設(shè)計(jì)功能。零部件在裝配過程中，有些零部件需要特殊裝配（比如鍵槽的裝配要求等）。為清晰呈現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的零部件裝配流程及其合理性，特對(duì)部分特殊部件的設(shè)計(jì)裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)闡釋。鑒于其余部件的裝配形式相對(duì)簡(jiǎn)單且與前述過程相似，此處不再贅述[14]。4.5.2輸球裝置電機(jī)與葉片輪裝配本次設(shè)計(jì)中的輸球裝置電機(jī)與葉片輪裝配部分，具體涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是電機(jī)與傳動(dòng)齒輪間的裝配；二是傳動(dòng)齒輪相互之間的裝配；三是葉片輪與齒輪的裝配；四是軸承與葉片輪的配合裝配。下圖4-5為裝配所使用的零部件：a）葉片輪b）軸c）軸承d）大齒輪f）小齒輪g）電機(jī)圖4-5葉片輪、傳動(dòng)軸、軸承、大齒輪、小齒輪、電機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分的要求和尺寸，傳動(dòng)軸一端連著底座箱，中間連接著大齒輪、軸承、葉片輪。為了能夠變現(xiàn)出整個(gè)裝配過程和要求，如圖4-6為繪制的裝配過程圖： ↓ ↓ ↓圖4-6輸球機(jī)構(gòu)裝配過程圖鍵連接方式在機(jī)械裝配里可切實(shí)達(dá)成軸向定位功能，此次研究運(yùn)用這種連接方式分別構(gòu)建了電機(jī)與小傳動(dòng)齒輪、軸與齒輪以及軸與葉片輪之間的動(dòng)力傳遞關(guān)系，展開來說，系統(tǒng)動(dòng)力傳遞路徑呈現(xiàn)為：電機(jī)輸出軸驅(qū)使小傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪嚙合帶動(dòng)大齒輪運(yùn)行，大齒輪借助鍵連接把動(dòng)力傳遞給軸，最終由軸驅(qū)動(dòng)葉片輪完成乒乓球輸送工作。為保證傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)精度以及定位要求，在軸系兩端各配備了一個(gè)16006型深溝球軸承，該類型軸承雖不有高強(qiáng)度特性，然而完全符合系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)順暢性和定位精度的設(shè)計(jì)要求。4.5.3.乒乓球發(fā)球器發(fā)射裝置的裝配設(shè)計(jì)本研究圍繞乒乓球發(fā)球裝置核心功能的達(dá)成開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，關(guān)鍵之處在于達(dá)成多類型旋轉(zhuǎn)球的發(fā)射功能，從圖4-7可看出，此發(fā)射系統(tǒng)主要涉及雙直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、摩擦輪組件以及發(fā)射管道這幾個(gè)部分，借助對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，可穩(wěn)定輸出上旋球、下旋球以及無旋轉(zhuǎn)球等多種發(fā)球模式。a）摩擦輪b）發(fā)射管c）電機(jī)d）彎管圖4-7摩擦輪、發(fā)射管、電機(jī)、彎管如圖4-8所示，該裝配結(jié)構(gòu)是由直流電機(jī)以及摩擦輪構(gòu)成的，其中摩擦輪借助六角螺釘并配合墊片，與電機(jī)達(dá)成可靠連接，這樣的設(shè)計(jì)可保證摩擦輪在電機(jī)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)的結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定性，還可有效保證發(fā)球速度參數(shù)得以精確控制。圖4-8電機(jī)與摩擦輪裝配圖4-9發(fā)射機(jī)構(gòu)裝配在圖4-9所展示的裝配結(jié)構(gòu)示意圖里，電機(jī)借助專用固定支架達(dá)成定位的目的，并且運(yùn)用雙銷釘連接方式與發(fā)射管道構(gòu)建起可靠的連接關(guān)系，以此保障電機(jī)于發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)可穩(wěn)定安裝。4.5.4升降裝置的裝配升降裝置設(shè)計(jì)在整個(gè)乒乓球發(fā)球器中占據(jù)著核心地位，盡管其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，但功能上卻實(shí)現(xiàn)了不定點(diǎn)發(fā)球，能夠滿足不同使用者對(duì)于多落點(diǎn)的需求，堪稱乒乓球發(fā)球器的關(guān)鍵所在。如圖4-10所示，升降裝置所需零部件一目了然：a）螺桿b）電機(jī)c）螺母套圖4-10絲桿、電機(jī)、螺母套圖4-11描繪了電機(jī)與絲杠的結(jié)合方式，二者借由鍵連接達(dá)成穩(wěn)固結(jié)合。設(shè)備的升降區(qū)間被設(shè)定在25毫米至60毫米的范圍內(nèi)。在此結(jié)構(gòu)中，絲杠與固定盤的螺母實(shí)現(xiàn)連接，而固定盤又與輸球管道相互銜接。當(dāng)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)并帶動(dòng)絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換時(shí)，螺母受絲杠驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而引領(lǐng)輸球管道執(zhí)行上下位移動(dòng)作，借此達(dá)成乒乓球發(fā)射口在不同高度間的靈活轉(zhuǎn)換，充分滿足多樣化的高度發(fā)射需求。4-11升降機(jī)構(gòu)裝配4.5.5撥球裝置和儲(chǔ)球箱的裝配乒乓球發(fā)球器的撥球裝置對(duì)于確保其具備持續(xù)發(fā)射乒乓球的能力至關(guān)重要，該裝置所包含的所有零部件如圖4-12所示：a）撥球桿b）電機(jī)c）套筒圖4-12撥球桿、電機(jī)、套筒從圖4-13可看出，此次研究設(shè)計(jì)的撥球裝置運(yùn)用模塊化裝配結(jié)構(gòu)，它的核心傳動(dòng)部件是由電機(jī)、套筒以及撥球桿組成的，展開來說，電機(jī)輸出軸與套筒采用的是剛性連接方式，并且在套筒前端設(shè)置了平頭鍵結(jié)構(gòu)，以此來達(dá)成與撥球桿的可靠連接，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩經(jīng)由該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到撥球桿，讓撥球桿在儲(chǔ)球箱內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，有效減輕乒乓球之間的相互擠壓狀況，保證球體可以順利地進(jìn)入輸球管道。圖4-13撥球裝置裝配4.5.6搖擺裝置的裝配該擺動(dòng)裝置使乒乓球能以多種角度發(fā)射。通過改變發(fā)射角度，它為用戶提供了仿佛與真人對(duì)抗般的真實(shí)體驗(yàn)，避免了固定發(fā)射角度帶來的單調(diào)感。擺動(dòng)裝置在機(jī)器的頭部附近安裝，其主要零部件如圖4-14所示：a)傳動(dòng)齒輪b）傳動(dòng)齒輪套c）軸承d）電機(jī)圖4-14傳動(dòng)齒輪（2個(gè)）、軸承、電機(jī)圖4-15搖擺機(jī)構(gòu)裝配圖4-15呈現(xiàn)了電機(jī)與傳動(dòng)齒輪的連接方式，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)安裝在輸球管道上的齒盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由于乒乓球桌的尺寸限制，擺動(dòng)角度被限定在銳角差不多在30度以內(nèi)，因此所用的齒輪盤僅設(shè)計(jì)了一段齒輪。4.6本章小結(jié)本研究詳細(xì)闡述了乒乓球發(fā)球裝置的整體裝配設(shè)計(jì)方案[15]，重點(diǎn)分析了核心功能模塊及其配套機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，裝配工藝好壞直接影響最終產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)和技術(shù)指標(biāo)達(dá)成，在設(shè)計(jì)過程中充分參考了同類產(chǎn)品裝配工藝路線，嚴(yán)格依照行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證裝配方案合理，因研究者專業(yè)背景知識(shí)及對(duì)乒乓球發(fā)球設(shè)備領(lǐng)域認(rèn)知程度限制，設(shè)計(jì)方案可能有部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)考慮不周全的情況，這是本研究主要局限性。5總結(jié)依據(jù)乒乓球發(fā)球器的技術(shù)規(guī)范以及裝配標(biāo)準(zhǔn)，本研究針對(duì)關(guān)鍵零部件開展了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，零部件設(shè)計(jì)的優(yōu)化狀況直接關(guān)乎裝配工藝的科學(xué)性，也是評(píng)判發(fā)球器整體設(shè)計(jì)合理性與實(shí)用性的核心要點(diǎn)，在研究進(jìn)程里，針對(duì)本章涉及的零部件三維建模與參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了迭代優(yōu)化，經(jīng)過多輪改進(jìn)方案的施行，最終達(dá)成了設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)呈現(xiàn)。本研究構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一款新型乒乓球發(fā)球裝置，與現(xiàn)有的同類型產(chǎn)品相比較而言，其創(chuàng)新特性主要呈現(xiàn)于兩個(gè)方面，一方面是增添了有可調(diào)節(jié)高度功能的升降機(jī)構(gòu)，另一方面是達(dá)成了多種旋轉(zhuǎn)球的發(fā)射功能，憑借這些改進(jìn)，該裝置的適用性得到了有效提升，可契合用戶的多樣化需求，在具體的研究工作內(nèi)容上，本文著重完成了以下核心要點(diǎn)。依據(jù)乒乓球發(fā)球裝置的功能性需求以及技術(shù)規(guī)范要求，本研究全面展開了整體方案設(shè)計(jì)工作，著重對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的操作便利性給予優(yōu)化，在研究進(jìn)程中，先是確定了該裝置的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)與核心性能指標(biāo)，接著從機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等層面提出了可保證性能指標(biāo)達(dá)成的具體技術(shù)方案以及保障措施。依據(jù)乒乓球發(fā)球器的功能需求以及運(yùn)行機(jī)理展開分析，本研究選用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪摩擦輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)當(dāng)作動(dòng)力傳遞系統(tǒng)，借助這個(gè)機(jī)構(gòu)達(dá)成對(duì)乒乓球的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，接著完成了發(fā)射裝置的整體設(shè)計(jì)，還從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面對(duì)該設(shè)計(jì)方案的工作可靠性以及技術(shù)優(yōu)勢(shì)做了系統(tǒng)性論證。依據(jù)乒乓球運(yùn)動(dòng)軌跡所有的動(dòng)力學(xué)特性，此項(xiàng)研究構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，借助系統(tǒng)的受力分析以及數(shù)值計(jì)算，精準(zhǔn)界定了落球點(diǎn)的有效區(qū)域范圍，建模時(shí)，該研究考量了主要力學(xué)參數(shù)，還綜合評(píng)估了飛行階段可能存在的各類干擾因素，歷經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及參數(shù)優(yōu)化，最終明確了最優(yōu)化的模型參數(shù)組合。本研究針對(duì)乒乓球發(fā)球機(jī)的核心機(jī)械結(jié)構(gòu)展開了全面分析，其主要有三大功能模塊，分別是升降機(jī)構(gòu)、送球機(jī)構(gòu)以及擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中升降機(jī)構(gòu)借助絲杠-螺母副達(dá)成垂直方向的位置調(diào)節(jié)功能，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)用齒輪-齒盤嚙合傳動(dòng)方式來達(dá)成角度變化功能，送球機(jī)構(gòu)依據(jù)葉片輪旋轉(zhuǎn)原理來實(shí)現(xiàn)乒乓球的連續(xù)輸送功能。本研究運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件針對(duì)所設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)球機(jī)構(gòu)件的尺寸以及結(jié)構(gòu)參數(shù)展開精確建模工作，借助生成的可視化三維效果圖，設(shè)計(jì)人員可直觀地識(shí)別出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里潛在的缺陷，開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及參數(shù)修正工作，最終達(dá)成發(fā)球器整體性能的提升。根據(jù)上述設(shè)計(jì)驗(yàn)證得出的結(jié)果，本研究提出的技術(shù)方案有實(shí)際的可行性，不過在當(dāng)下技術(shù)快速更新?lián)Q代的背景狀況下，乒乓球發(fā)球裝置對(duì)于性能參數(shù)優(yōu)化的需求在持續(xù)不斷地提高，相關(guān)技術(shù)的研究仍舊需要深入開展，展望將來，隨