乒乓球拣拾器设计及仿真Word文档格式.docx

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附录…………………………………………………………………………………24

摘要：

本乒乓球拣拾器前端采用滚筒毛刷配合弧形挡板的结合结构，采用直流电机驱动其转动，将乒乓球收入机器内，然后通过仿传送带式传送机构将乒乓球传送并收入球桶中。

填补了目前市场上乒乓球拣拾器既价格低廉又功能强大的空白。

关键词：

乒乓球；

直流电机；

带传动

Abstract:

Thetabletennispickerusesarollerbrushwiththecombinationofcurvedbafflestructureinthefront,makestherollerbrushrotatebydirectcurrentmotor,andputstabletennisintothemachinery.Thentheimitativebelt-typeconveyortransmitthemintotheballcontainer.Tofillthecurrentmarkettabletennispickerisbothinexpensiveandpowerfulblank..

Keywords:

Tabletennis;

DCmotor;

Belttransmission

1前言

乒乓球是我国的国球，无数的乒乓球运动员在国际赛场上争金夺银，为祖国带来了无数的荣誉，这些都是和乒乓球在我国的普及是息息相关的。

在全国各地业余乒乓球训练基地和乒乓球学校随处可见，专业的乒乓球训练基地和学校越来越多。

随着科学技术的发展，乒乓球的训练也越来越系统化、科学化、合理化。

乒乓球发球机的出现、利用计算机进行乒乓球运动轨迹分析等，这一系列的出现都使乒乓球运动员能够得到更好的锻炼，取得更好的成绩。

但目前为止，国内外市场上还没有乒乓球捡拾器的出现。

专业的乒乓球捡拾器可以应用在业余或专业的乒乓球训练基地或训练学校，使用专业乒乓球捡拾器可以大大减少乒乓球训练基地或学校的工作人员和运动员捡球的工作量和工作时间，是运动员可以更好的投入到专业的训练当中，从而取得更好的比赛成绩。

本乒乓球捡拾器前段采用滚筒毛刷配合弧形挡板的结合结构，

采用直流电机驱动其转动，将乒乓球收入机器内，然后通过仿真传送带式传送机构将乒乓球传送并收入球桶中实现其功能的。

本乒乓球捡拾器主要包括：

总体结构和行走机构、收球机构、传送机构、传动系统和控制系统等。

总体结构和行走机构、收球机构、传送机构属于机械部分，主要是直流电机驱动车轮行走，同时直流电机通过带传动带动带动滚筒和传送带转动。

控制部分主要包括直流电机和单片机控制电机的正反转，并有压力控制电路控制球的收满后报警。

通过对本乒乓球捡拾器的设计，我们基本上把大学四年的所学全部派上用场，是对我们所学的一次综合测试，特别是机械设计和电子设计方面，例如：

机械原理，机械设计，材料力学，电路设计，单片机技术等。

以及各种应用软件的使用。

如AUTOCAD、PRO/E、PROTEL、CAXA、MicrosoftWord等。

毕业设计是我们大学四年的最后一次阅兵，对我们四年所学知识的检测和归纳，只有通过设计，才会发现问题、提出问题及解决问题，也是我们从学生时代走上社会大家庭的最后一扇门。

2乒乓球捡拾器工作原理

本乒乓球捡拾器前端采用滚筒毛刷配合弧形挡板的结合结构，采用直流电机驱动其转动，将乒乓球收入机器内，然后通过仿传送机构将乒乓球传送并收入球桶中实现其功能的。

外框架结构和行走机构、收球机构、输送机构、控制部分等。

本乒乓球捡拾器是一款适用于各地区中、大型乒乓球训练基地和训练学校的专业机器，其主要功能：

高效的捡拾乒乓球馆运动员训练后场地中散落的乒乓球。

3主要技术规范及参数

乒乓球直径：

40mm重量：

2.7克

机器体积：

600mm×

600mm

手球宽度：

工作效率：

约为370m/h（注：

机器走过的地面乒乓球即被收起，所以本乒乓球捡拾器一单位时间内机器扫过的面积作为工作效率参数）

图1总体外观图

Fig.1Overallexteriorpicture

4外形框架结构

一般乒乓球馆在放置多张球台的情况下，每张所占的面积应为12米、宽6米，用0.75米高的挡板围成，在离地面3.5米以上装电源

。

如果是单张球台，所占的面积应为长14米、宽7米，用0.75米高的挡板围成，在离地面5米以上装电源。

根据目前国内大部分乒乓球馆的规模和大小，本乒乓球捡拾器的框架尺寸设计为600mm×

572.5mm,其外形图如图2。

外形框架材料采用25mm×

25mm的方钢管，其壁厚为4mm，工艺采用焊接连接，部分支架杆表面在转配时需要打磨表面和钻孔安装。

5行走机构设计和车轮驱动电机选择

5.1行走机构设计

行走机构是由两直流电机带动车轮转动，两个电极同时正向或反向转动时，本机器就前进或后退

当两个电机一个正向一个反向转动时，机器进行左转和右转。

车轮由两个直轮和两个万向轮组成，其安装位置如图3。

为了能够使本机器在收球过程中收球完全、不留死角，本机器要求能够直线行走、并能360度转向，而且在转向过程中保持一定的稳定性和准确性，为了达到以上要求，综合考虑工作情况要求，车轮的安放位置简图如图3。

图2外型框架图

Fig.2Appearanceframework

两个电机通过联轴器分别直接驱动直轮。

直轮及万向轮均安放在各边架的中心位置，装配时需要画线和钻孔安装，电机通过弧形铁皮用螺栓固定在底部支架面。

直轮直径尺寸为：

110mm

直轮中心高为：

55mm

行走电机尺寸：

36mm×

80mm

万向轮车轮直径为：

56mm

其行走情况如下：

直线前进：

当电机1和电机2同时正向转动时，机器直线前进。

直线后退：

当电机1和电机2同时反向转动时，机器直线后进。

左转：

当电机1反向转动，电机2正向转动时，机器左转。

右转：

当电机2反向转动，电机1正向转动时，机器右转。

5.2车轮驱动电机选择

在工业企业中，大量应用电动机去拖动各种生产机械，如在机械工业、冶金工业、化学工业中，机床、抽水机、鼓风机等用大大小小的电动机来拖动；

在自动控制技术中，各式各样的小巧灵敏的电机也广泛的作为检测、发大、执行和解算元件应用在各种产品中。

图3车轮安放位置示意图

Fig.3Wheelplacementofdrum

由于直流电动机机械性能优良，过载能力强。

我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。

直流电机的控制简单，性能出众，直流电源也容易实现。

所以综合考虑以上情况，本机器采用永磁式直流电机。

经过市场调查，发现现在市场上有自带齿轮减速箱的永磁直流电机，其结构简单，外型小巧。

外型尺寸和转速以及功率大小、扭矩均可按照客户的要求定做，而且价格相当经济。

故打算选用此类型的自带齿轮减速箱的永磁式直流电机。

根据设计要求，机器速度在1m/s左右，因为直车轮直径D为110mm,所以要求电动机转速为

估算整个机器的重量

1）估算框架的质量，查铸钢的密度p=

G框架=

×

[（0.6×

4+0.55×

4+0.535×

4+0.118×

2+0.034×

4）×

（0.025×

0.025-0.017×

0.017）]

7.372×

0.000336

19.32kg

2）估算滚筒轴的质量，查合金钢的密度p=

G滚筒

[

5kg

3）估算滚筒的质量，查铸钢的密度，橡胶的密度分别为：

同理估算上升机构总质量约为15.5kg

考虑其他外设装置，所以总重量约为40kg左右。

查摩擦系数表（表1），直轮材质为橡胶，乒乓球馆同为橡胶地面。

选取摩擦系数为：

表1摩擦系数表

Table1formofcoefficientoffriction

材质静摩擦系数动摩擦系数

橡胶0.620.48

则：

静摩擦力f=40×

9.8×

0.62=243N

故电机的最小扭矩为243×

0.055=13.36n﹒m

综合以上条件确定所选电机型号和参数如下：

选用大洋公司的直流减速电机DY-0006

其参数为：

表2电机参数

Table2motorparametertable

型号额定电压输出转速最大扭矩

DY-0006DC12V175r/min30n·

m

6收球机构设计

收球机构采用滚筒毛刷配合弧形挡板的结合结构，采用直流电机驱动其转动，将乒乓球收入机器内，同时用塑料挡板防止求溜出。

总的收球机构见图4

图4收球机构

Fig.4Ballreceptionmechanism

此机构主要包括

1）轴承

2）滚筒轴

3）滚筒

4）弧形挡板

6.1收球滚筒

滚筒三维图见图4，

图5滚筒外观图

Fig.5AppearanceBallRoller

收球滚筒的主视图如下

图6滚筒主视图

Fig.6Mainviewofballroller

滚筒是以刚性材料为骨架，上面固定橡胶材料制作的毛刷，其连接用铆钉和胶水粘结固定，有L型条状铁皮做整体连接固定用。

右视图见图7。

6.2滚筒轴的设计计算和校核

轴的结构决定于受力情况、轴上零件的布置和固定方式、轴承的类型和尺寸、轴的毛坯，制造和装配工艺、以及运输、安装等条件。

轴的结构，应使轴受力合理，避免或减轻应力集中，有良好的工艺，并使轴上零件定位可靠、转配方便。

对于要求刚度大的轴，还应该从结构上考虑减小轴的变形。

图7滚筒右视图

Fig.7Rightviewofballroller

6.2.1计算轴的功率P、转速n和转矩T

V带传动的效率

=0.96轴承传递的效率

=0.97则

P=30×

0.96×

0.97=0.028kw

n=100r/min

T=9550000×

0.028/60=4457n·

mm

6.2.2初步确定轴的最小直径

初步估算轴的最小直径：

轴的材料为45钢，调质处理，根据表15-3取A0=103，于是得

≈7mm

对于直径d小于等于100mm时，有两个键槽应增大直径10%～15%，所以

6.2.3轴的结构设计

根据轴向定位的要求确定轴各段直径和长度

a.为了满足从动轮的轴向定位要求，1-2轴段左端需要制出一轴肩，取1-2端直径为d1=30mm,轴承为对开式二螺柱正滑动轴承，此轴承为宽度B=34mm，所以轴左端尺寸为34mm，根据装配尺寸，轴的总长去d1=700mm.

b.初步选择滑动轴承。

因为轴承主要起定位作用，轴承载荷不大，故选滑动轴承

参照工作要求选取对开式二螺柱正滑动轴承（摘自JB/T2561-1991）型号：

H2030型，其尺寸为d×

D×

B=30mm×

38mm×

34mm,滑动轴承因为是采用一体化轴承，所以轴承由螺栓固定在支架上。

轴肩进行轴向定位。

由手册上查得轴肩高度a应大于R或C1通常取

a=（0.07～0.1）d

所以取定位轴肩高度h=2.5mm,因此取中间轴端直径为：

35mm

根据装配尺寸，所以中间轴段长度尺寸为544mm

6.2.4轴上零件的轴向定位

滚轮与轴的定向定位采用平键连接，根据滚筒与联轴接段d1=35mm,查表得平键截面b×

h=10mm×

8mm（GB/T1095-1979），键槽用键槽铣刀加工，长为22mm,同时为了保证带轮与轴配合有良好的对中性，故选择带轮轮毂与轴的配合为H7/n6.滑动轴承与轴的轴向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6.

6.2.5确定轴上圆角和倒角尺寸

参考机械设计手册取轴端倒角为1.2×

45°

，具体见轴的零件图

6.2.6求轴上的载荷

首先根据轴的结构图做出轴的计算简图

在确定轴承的支点位置时，从15-23中查取a值。

对于滑动轴承，支点在e=0.5B处，因此作为简支梁的轴的支撑跨距578mm，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。

从轴的结构图及弯矩图和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。

先将计算出的截面C处的、Mv、及M值列于表3。

做出轴的计算简图（即力学模型）

分析轴所受的垂直分力情况

轴上所受的垂直分力如图8（b）所示

1）面已算得滚筒质量为6.24kg，那么所用在轴上的重力为

FH4=6.24×

9.8=61.2N

2）皮带轮的分度圆直径为112mm,那么作用在皮带轮上的压轴力

=568N

（1）

表3载荷表

Table3Loadtable

载荷支反力F弯矩M总弯矩扭矩T

水平面HFH1=107NMH=5000N·

mm

FH2=624N

FH3=568NM=5775N·

mmT=4457N·

垂直面VFH4=61.2N

FV1=15NMv=2090N·

FV2=15N

FV3=30N

由静力平衡方程

FNH1=107NFNH2=624N

作弯矩图如图8（c）

显然有MH=5000N·

分析轴所受的水平分力情况

轴上所受的水平方向的分力如图8（d）所示

3）每个乒乓球的重量为2.7g，综合考虑确定估算FV3=30N

可求得：

FV1=15N，FV4=15N

作弯矩图

作弯矩图如图8（e）所示

显然有Mv=2890N·

总弯矩见图9（f）

M=

=

mm

（2）

作扭矩图

总的扭矩图如图8（g）所示

T=4457N·

按弯扭矩合成应力校核轴的强度

进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面3）的强度。

根据《机械设计》书式（15-5）及以上所算的数据，并取a=0.6，轴的计算应力

（3）

=3.6

图8载荷分析图

Fig.8Loadanalysis

易知3.6＜[

]=40（[

]Q235-A=40）故安全

6.3传送轴的轴承选择

初步确定选择对开式二螺柱正滑动轴承（摘自JB/T2561-1991）

6.3.1滑动轴承的计算

1.验算轴承的平均压力P

（4）

查表选用耐磨铸铁材料符合要求

表4轴承参数表

Table4Bearingparameter

孔直径d外圈直径D安装长度L重量

30mm40mm140mm0.8kg

2.验算轴承的Pv

Pv=

（5）

3.验算滑动速度v

（6）

所以此型号的滑动轴承符合要求

6.4键的选择和校核

普通平键（摘自GB/T1095-2003，GB/T1096-2003）

轴径d:

＞30～38

键的工称尺寸|（h8）h（11）：

0.4～0.6

键的工称尺寸|L（h14）：

22～110

每100mm重量/kg:

0.063

键槽|轴槽深t|基本尺寸：

5.0

键槽|轴槽深t|公差：

（+0.2,0）

键槽|毂槽深t1|基本尺寸：

3.3

键槽|毂槽深t1|公差：

键槽|圆角半径r|min：

0.25

键槽|圆角半径r|max:

0.4

6.4.1键的校核

对键进行校核

键的尺寸为b×

h×

l=10mm×

8mm×

22mm

键和轴的材料都是钢

，由表6-2查得许用挤压应力[]=100～120MPa，取其平均值

键的工作长度l=L-b=12mm

接触高度K=0.5h=0.5×

8=4mm

又∵T=12.35N·

则

可见键的挤压强度合适。

同理，可校核其他键的挤压强度。

7传送机构设计

上升机构采用传送带方式的上升传送机构，此类型的机构可以保证传送的连续性和稳定性。

其图形结构如图如下：

图9传动机构

Fig.9Transissionmechanism

上升机构主要包括：

（1）传送支架

（2）上升轴

（3）轴承

（4）传送滚筒

（5）传送带

本机构是以传送支架作为主体，配合传送带以仿输送带式的结构将乒乓球源源不断的上升传送，并通过出口将乒乓球输送到收球箱中。

7.1传送支架

为了减轻整机的重量，本支架的材料采用塑料板切割加工完成，主要起固定和支撑作用。

7.2输出轴的设计计算

7.2.1计算轴的功率P、转速n和转矩T

V带传动的效率

轴承传递的效率

7.2.2初步确定轴的最小直径

初步估算轴的最小直径

轴的材料为45钢，调质处理

根据表15-3取，于是得

（7）

7.2.3轴的结构设计

根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

a.为了满足从动轮的轴向定位要求，1-2轴段左端需制出一轴肩，取1-2端直径d1=30mm,轴承为对开式二螺柱正滑动轴承，此轴承为宽度B=34mm,所以轴左端尺寸为34mm,根据装配尺寸，轴的总长度取d1=700mm

b.初步选择滑动轴承。

因为轴承主要起定位作用，轴向载荷不大，故选滑动轴承。

参照工作要求选取对开式二螺柱正滑动轴承（摘自JB/T2561-1991）型号：

所以取定位轴肩高度h=2.5mm,因此取中间轴段直径为：

7.2.4轴上零件的周向定位

滚轮与轴的周向定位采用弹性海绵用来连接轴和传送带。

弹性海绵主要是增大摩擦力。

7.2.5确定轴上圆角和倒角尺寸

参考《机械设计》表15-2取轴端倒角为1.2×

，具体见轴的零件图。

7.2.6求轴上的载荷

首先根据轴的结构图做出轴的计算简图，在确定轴承的支点位置时，从15-23中查取a值，对于滑动轴承，支点在e=0.5B处，因此作为简支梁的轴的支撑跨距578mm,根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。

表5载荷表

Table5Loadtable

水平面HFH1=38NMH=21964N·

FH2=38N

FH3=79.95NM=72155N·

垂直面VFV1=-574NMv=68731N·

FV2=119N

FV3=103.2N

计算简图见图10（a）所示

轴上所受的垂直分力如图10（b）所示

（1）前面已算得输送机构总质量为15.5kg，那么所用在轴上的重力为

FH3=15.5×

9.8÷

2=75.95N

忽略带轮的重量列静力平衡方程

FH1=38N，FH2=38N

弯矩图如图10（c）所示

显然有MH=21964N·

轴上所受的水平方向的分力如图10（d）所示

（2）皮带轮的分度圆直径为112mm,那么作用在皮带轮上的压轴力

=103.2N（8）

可求得FV1=-574NFV2=119N

弯矩图如图10（e）所示

显然有

Mv=68731N·

总弯矩见图10（f）

M=

=72155N·

mm（9）

总的扭矩图如图10（g）所示

T=4457N·

根据机械设计书式（15-5）及以上所算的数据

，并取a=0.6，轴的计算应力

（1