设计简易实用的网球发球机：双轮摩擦与单片机控制技术

1.2 设计内容 网球发球机的设计内容包括机械机构和电路控制两部分。机械机构是网球发球机的主要部分，它构成了网球发球机的骨架。机械部分最重要的部分是发球机构，包括它的发球原理、发球力量的控制以及如何更加贴近地模拟人体动作等。此外还需要一些辅助机构来实现发球的目的。调整发球高度、发球角度、发球频率等。机械机构是网球投掷的直接执行机构。第二部分是电气控制部分。电气控制部分通过各种电路实现对机器各机构的协调控制，使服务器可以随意调节发球速度、发球频率、发球高度和摆动角度，从而满足不同水平练习者的要求。两个主要部分有机地统一起来，构成一个完整的网球发球机。 2 总体方案设计 网球发球器整体包括机​​械部分的设计和电路部分的设计。下面介绍总体设计方案。 2.1机械机构总体方案设计的网球发球必须完成模拟人工发球的任务，并应能产生连续的多角度、多速度的球路变化。网球发球机的各个功能部件如下图2-1所示。图2-1 网球发球机的主要机械机构由储球机构、发球机构、高度调节机构和角度调节机构四大部分组成。网球发球机的工作原理：在储球机构中，利用储球篮来盛放一定数量的网球。网球穿过下球板，其上有四个与网球大小相同的孔，进入球轨道。其中，下球板的旋转由直流电机驱动，从而可以通过调节直流电机旋转的速度来调节球的频率；送球机构的原理是通过两台直流电机驱动两个摩擦轮旋转。两个摩擦轮之间的距离略小于网球的直径。当球进入发球机构时，球会在摩擦力的驱动下发射出去。

本发球高度调节机构可以实现发球机发不同高度球的功能。其工作过程是：交流球伺服器带动曲柄摇杆旋转，曲柄带动摇杆摆动，摇杆的摆动使固定在支撑板上的两者产生摩擦。轮子在垂直面内摆动一定角度网球发球机价格，实现高度调节。角度调节结构还利用交流电机在曲柄摇杆的作用下，带动整个上箱体相对下箱体在一定角度内摆动，从而使网球机发射的网球落在不同的位置上。对手的法庭。 2.2 总体电气控制方案电气控制采用单片机控制。单片机通过锁存器与6264连接，扩展数据存储器； 3-8解码器通过P2口连接选通6264、8255等芯片。数字信号通过P0口输出到D/A转换器，模拟信号转换后输出以控制电压，从而调节电机转速。通过8255扩展并行接口，输出信号通过光电耦合控制继电器控制交流电机的启停，实现球的高度和角度的调节。另一方面，通过控制8279来控制键盘显示，将控制按钮连接到P1端口，可以设置网球发球机的参数；将用于接收红外遥控信号的机电接收器连接到单片机的中断端口。具体组成如图2-2所示。图2-2 电路系统组成 3 网球发球机机械部分的设计 机械部分的设计包括储球机构的设计、发球机构的设计、发球角度和高度的设计调整机制。

3.1 储球机构 储球机构包括储球篮、下球盘和驱动下球盘的直流电机。球篮下方为直流电机驱动的下球盘，下球盘与输送管连接。将多个网球放入球篮后，当下球板上的下球孔旋转至与输送管重合时，网球就会沿着输送管落入发球机构中。整体结构图如下图3-1所示。图3-1 储球机构设计 球篮四周用铁皮焊接而成，底面做成斜坡状，使网球可以沿斜坡滚入下层球盘中。在应用中，可以用类似的东西代替铁片。具体结构如下图3-2所示。下球盘由直流电机驱动，是一种用来控制发球频率的结构。下球板分为四格，中间用筋条隔开。下球板下方有输送管。每当下球板转动，下球孔与下面的输送管重合时，球就会落下。然后球沿着传送管向下移动到发球机构。下球孔和输送管的直径应略大于网球的直径，取Φ70mm。为了防止两个球同时落入一格内，在面向输送管的下球板上方增加了固定拨球片。下球板结构示意图如图3-3所示。图 3-2 球筐 图 3-3 下盘 网球机的发球频率一般为 2S/球～8S/球，因为转盘上有 4 个下球孔，折算转速为 7.5r/min～ 1.875r/min，经筛选，选用内置减速装置的微型直流减速电机：J55SZ-PX电机。

其配备的电源采用脉宽调制技术。 PWM控制方法可以提供更高的精度和更低的噪声。它还具有先进的短路保护功能，可输出0～220伏连续可调的直流稳压电源，使电机转速无级可调[6]。电机的主要参数为： 功率：30w 转速：10r/min 工作电压：24V 3.2 发球机构 本设计的发球机构采用两轮摩擦结构，即两轮相互滚动，两轮相互滚动。球通过两个轮子的摩擦力发射。出去。原理图如下图3-4所示。当两轮速度相同时，网球不旋转，其线速度与摩擦轮的线速度相同；当上轮的速度大于下轮的速度时，网球向下旋转，其线速度与下轮的线速度相同。 。反之，网球向后旋转，其线速度与前一轮的线速度相同。通过调节控制两个摩擦轮的直流电机的转速，可以实现使网球机发射不同旋转的球的功能。摩擦轮的材质为硬脂塑料，其表面涂有1毫米厚的硅胶层，可以增加摩擦轮与球体之间的摩擦力。摩擦轮设计为短圆柱滚子，高度为40mm网球发球机价格，直径为160mm。根据网球与摩擦轮接触的轮廓将圆柱面设计成圆弧面，使发球器能够将网球按固定方向发射。原理图如下图3-5所示。图 3-4 双轮发球原理示意图 图 3-5 摩擦轮示意图 由于发球的速度与摩擦轮的转速有关，所以驱动两个摩擦轮转动的电机是一个直流电机具有良好的调速性能。

为了满足不同级别练习者的需求，发球速度设计可从80公里/小时调整到120公里/小时。网球的发球速度网球发球机价格，即摩擦轮的线速度为v，摩擦轮的半径r为80mm，摩擦轮的角速度为w，转速为n，计算过程W = v/r = (80~120)/(80×60) =(1.67~2.5)×104(rad/min)(3-1)N = w/2π=(1.67～2.5)×104/(2×3.14)≈2630～3980(r/min) (3-2) 可见，摩擦轮转速范围为2630～3980r/min，因为直接驱动摩擦轮，功率要求不高，采用小功率、小扭矩的电机即可。经过筛选，选用了SZ系列微型直流伺服电机。电机主要参数如下： 功率：29w 工作电压：48V 转速：4200（rad/min） 3.3 发球角度及高度调节机构 3.3.1 曲柄摇杆机构设计 （1）曲柄摇杆摆角范围的确定摇杆机构。网球场的形状如下图3-6所示。本设计是为了完成网球发球机模拟人工发球的任务。首先，将发球位置定在端线中间。然后，计算网球发球器需要旋转的角度： tanθ=5485/23775=0.23 (3-3) θ=.23≈13° (3-4) 图3-6 网球场示意图。由上述计算可知，网球发球机在水平面内的旋转角度应为26°。

因此，曲柄摇杆机构中的摇杆应能在26°以内摆动。高度调节与水平调节原理相同，选择的摆动角度范围相同为26°。由于摆杆的极角应大于摆角的1/2，故极角θ选取15°，摇杆CD的长度选取200mm。 (2)摇臂尺寸的确定。根据《机械原理》[8]中讲授的图解法计算曲柄摇杆机构各摇杆的长度。计算如下：首先选定旋转副D的位置，根据CD的长度和摆角26°，制作摇杆的两个极限位置DC1和DC2。然后，∠C1C2O=∠C2C1O=90°-θ，得到C1O和C2O的交点O。以O为圆心，OC1为半径画一个圆，则圆上任意点可作为固定铰链中心A。选取与D点同一水平面上的一点作为A点。如图3所示-7 以下。图3-7 曲柄摇杆机构示意图。设AB的长度为a，BC的长度为b，CD的长度为c，AD的长度为d。测量图中AC1和AC2的长度。根据图中关系为： a + b = AC2 (3-5) b - a = AC1 (3-6) 由此可以计算出a和b的长度。此外，还可以测量d的长度。最终曲柄摇杆的长度为：a=30(mm) b=260(mm) c=200(mm) d=171(mm)。计算了曲柄摇杆机构各摇杆的尺寸。

(3)电机型号的选择。电动机带动曲柄作圆周运动，因此对速度和功率的要求很低。只需选择低速、小功率的交流电机即可。本设计选用了《济南大手机电手册》中的90W K系列感应电机-C。电机主要参数： 工作电压：220V 工作频率：50Hz 转速：1300/1600r/min 该系列电机自带减速箱，减速后转速为50/60r/min。 3.3.2 发球高度调节结构 (1) 发球高度调节机构的整体结构。高度调节机构通过轴与发射球机构连接。具体结构示意图如图3-8所示：发球机构中的两个摩擦轮及驱动它们的电机固定在支撑板上。这样，只要调整支撑板的角度，就可以实现发球机构在垂直平面内的扑动。支撑板与箱体之间固定有轴。电机带动曲柄摇杆机构摆动一定角度，转化为轴和支撑板的旋转，实现高度调节。为了防止轴因压力过大而变形，中间加滑动轴承进行支撑。 (2)传动轴的固定。在高度调节机构与发球机构的连接中，传动轴起着很大的作用。其一端通过滚动轴承固定在箱体上，另一端用轴端挡圈固定在支撑板上。支撑板上的固定采用双螺钉和止动垫圈，防止松动。传动轴结构示意图如下图3-9所示。

图3-8 发球高度调节机构传动示意图 图3-9 传动轴示意图 3.3.3 发球角度调节机构 (1) 发球角度调节机构的总体结构。与高度调节机构一样，角度调节机构也是通过交流电机驱动曲柄做圆周运动，使摇杆在一定角度内摆动。摇杆机构再带动传动轴旋转，最终实现上箱体在水平面内的整体调节。转动。角度调节机构具体结构图如下图3-10所示。图3-10 发球角度调节机构 3.4 箱体框架 网球发球机的箱体首先采用角钢制成框架，然后在框架表面添加玻璃纤维等高强度材料制成薄面。箱体主框架采用热轧等边角钢焊接而成，坚固耐用。角钢材质为碳素结构钢Q235-A，尺寸为30mm×30mm×3mm。箱体分为上箱体和下箱体两部分。上箱尺寸为710mm×765mm×800mm，下箱尺寸为946mm×850mm×170mm，因为上箱需要与下箱相对。旋转，使上盒和下盒分开。两者的结构图如下图3-11和图3-12所示。图3-11 上箱体结构示意图 图3-12 下箱体结构示意图 以上是对网球发球器整个机械部分各机构设计的介绍。各种机构连接起来就形成了一个完整的发球器。其总体原理图如图3-13所示。