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分類號 — ——————————————————————— 密級 UDC 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 網(wǎng)球自動撿球機(jī)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 姜杰 學(xué)號 080242011013 指導(dǎo)教師 謝迎春 院、系、中心 工程學(xué)院機(jī)電工程系 專業(yè)年級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 2011 級 論文答辯日期 2015 年 6 月 4 日 中 國 海 洋 大 學(xué) 網(wǎng)球自動撿球機(jī)設(shè)計(jì) 完成日期： 指導(dǎo)教師簽字： 答辯小組成員簽字： I 摘 要 隨著網(wǎng)球運(yùn)動的不斷普及 ，越來越多的網(wǎng)球愛好者開始投身于網(wǎng)球鍛煉中 來，而在 網(wǎng)球訓(xùn)練時(shí)，網(wǎng)球的使用量 非常大， 頻繁撿起隨機(jī)散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時(shí) 耗力的工作， 且不是每個(gè)人都 能像專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動員一樣擁有屬于自己的球童，因此高效 的自動撿球機(jī)會為訓(xùn)練者們提供便利，節(jié)省時(shí)間。本課題研究目的在于 設(shè)計(jì)一款網(wǎng)球自 動 撿球機(jī)，使其具有高效和不遺漏的特點(diǎn)，并盡可能解決卡球、傷球的問題 。本次設(shè)計(jì) 完成了 撿球機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案設(shè)計(jì) ，零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，以及三 維圖和二維圖 紙的繪制，最終完成了網(wǎng)球自動撿球機(jī)的整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 。 關(guān)鍵詞： 撿球機(jī)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)；控制系統(tǒng) II Abstract With the continuous popularization of tennis， a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exercise。 And in the tennis training， the usage of tennis ball is very large， it’s a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range， but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players， so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the trainers， and save time。 The main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pick-up machine which has the characteristics of high efficiency and not missing， and solve the problem of ball stuck and damage。 This topic deals with kinematic precept design， calculation and analysis of components and parts， and three- dimensional diagram and two-dimensional drawing， finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine。 Keys： Agency to pick up the ball； Driving system； Control system III 目 錄 1 緒論 ...................................................................................................................................... 1 1.1 課題的研究背景 ......................................................................................................... 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ......................................................................................................... 1 1.3 本章小結(jié) ..................................................................................................................... 4 2 總體方案設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 5 2.1 設(shè)計(jì)要求 ..................................................................................................................... 5 2.2 關(guān)鍵問題 ..................................................................................................................... 5 2.3 方案的選擇和確定 ..................................................................................................... 5 2.4 整體方案三維圖 ......................................................................................................... 7 2.5 本章小結(jié) ..................................................................................................................... 8 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 .............................................................................. 9 3.1 撿球籃的尺寸 ............................................................................................................. 9 3.2 撿球機(jī)行走速度的計(jì)算 ........................................................................................... 10 3.3 同步帶的設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 11 3.4 球道的設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 12 3.5 撿球機(jī)同步帶電機(jī)的選擇 ....................................................................................... 13 3.6 同步帶軸的設(shè)計(jì)與校核 ........................................................................................... 15 3.6.1 求軸上的功率 ??1、轉(zhuǎn)速 ??1和轉(zhuǎn)矩 ??1 ............................................................. 15 3.6.2 初步確定軸的最小直徑 ................................................................................. 16 3.6.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................. 16 3.6.4 計(jì)算軸上的載荷 ............................................................................................. 18 3.6.5 按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 ................................................................. 19 3.7 車輪的選擇 ............................................................................................................... 19 3.8 驅(qū)動原動機(jī)的選擇 ................................................................................................... 19 3.9 車輪軸的設(shè)計(jì)與校核 ............................................................................................... 21 3.9.1 確定軸的最小直徑 ......................................................................................... 21 3.9.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................. 21 IV 3.9.3 軸的校核 ......................................................................................................... 22 3.10 本章小結(jié) ................................................................................................................. 23 4 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 24 4.1 行進(jìn)方案的確定 ....................................................................................................... 24 4.2 單片機(jī)的選用 .......................................................................................................... 24 4.3 本章小結(jié) ................................................................................................................... 25 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................... 26 總結(jié) .................................................................................................................................. 26 展望 .................................................................................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 27 致謝 ......................................................................................................................................... 29 1 緒論 1 1 緒論 1.1 課題 的研究 背景 根據(jù) 國際機(jī)器人聯(lián)合會（ International Federation of Robotics, IFR） 2014 年發(fā)布的 服務(wù)機(jī)器人研 究報(bào)告， 2013 年個(gè)人和家用服務(wù)機(jī)器人的銷量在全球范圍內(nèi)大約為四百 萬臺， 相 比 2012 年 同比 增長 28%，粗略統(tǒng)計(jì) 市場規(guī)模約為 17 億美元 ，據(jù)估計(jì)，未來 2014 到 2017 年之間 將 會 有 3100 萬臺個(gè)人服務(wù)機(jī)器人 售出 [1]。 這也就意味著在 服務(wù)機(jī) 器人 領(lǐng)域?qū)?會 有持續(xù)而強(qiáng)勁的增長 ，服務(wù) 機(jī)器人將越來越多的走進(jìn) 人們 日常生活當(dāng) 中 。 根據(jù) 中國網(wǎng)球協(xié)會官方最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到 2008 年，憑借 著 鄭潔溫網(wǎng)殺入四強(qiáng)和李 娜的奧運(yùn)會四強(qiáng)，國人網(wǎng)球熱情空前高漲。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前 中國網(wǎng)球人口 現(xiàn)已經(jīng) 突破 900 萬。而隨著李娜 在 法網(wǎng) 和澳網(wǎng) 奪冠 ， 國際女子職業(yè) 網(wǎng)聯(lián)（ WTA， Women's Tennis Association） 官網(wǎng)甚至認(rèn)為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加 3 億網(wǎng)球人口 [2]。 網(wǎng)球作為世界第二大球類運(yùn)動 ， 正在受到越來越多人的關(guān)注和喜愛 ， 網(wǎng)球愛好者 在進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練過程中，網(wǎng)球的使用數(shù)量巨大，短時(shí)間內(nèi)需要頻繁撿起散落在很大范 圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時(shí)耗力的工作，而每個(gè)人不會像專業(yè)運(yùn)動員一樣擁有自己的球 童，因此網(wǎng)球訓(xùn)練亟需自動撿球機(jī)器人來輔助，為每位網(wǎng)球愛好者提供便利，節(jié)省時(shí) 間。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前 市場上的 網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu) 比 較少，較為經(jīng)濟(jì) 、方便的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu) 大 多以人工 操作為主。 網(wǎng)球筐是目前市場上最為常見 的 產(chǎn)品 方案 ， 如圖 1-1， 1-2 所示 ，其工作原理很簡 單，用力下壓將球擠進(jìn)球籃里，球籃網(wǎng)格的尺寸相比網(wǎng)球略小，保證網(wǎng)球進(jìn)入球籃之 后不會掉落，同時(shí)在不撿球時(shí)，可以將支架倒轉(zhuǎn) 使其站立，輔助網(wǎng)球訓(xùn)練， 其 結(jié)構(gòu)簡 單，操作方便，價(jià)格便宜 。 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 另外一種與網(wǎng)球籃的工作原理比較相似 的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)是網(wǎng)球筒， 如圖 1-3、 1-4 所示 [3]， 其結(jié)構(gòu)相比網(wǎng)球籃更加簡單，主要由球筒、手柄和收球部分組成。 擠壓將球收 進(jìn)球筒之后，單向通過的收球裝置，保證網(wǎng)球不會掉落。 以上兩種撿球機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)勢 是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，使用方便，但也存在較多的 缺點(diǎn)，撿球過程中對網(wǎng)球的損傷較大，且容易卡球，需要人工尋找并對準(zhǔn)網(wǎng)球，效率 低， 且 一次只能撿一個(gè)球，同時(shí)網(wǎng)球筒一次撿球數(shù)量很小， 當(dāng)網(wǎng)球數(shù)量較多時(shí)，撿球 難度會 大大 增加。 綜合來看 ， 網(wǎng)球籃和網(wǎng)球筒相對比較原始 ， 由于 成本低 ， 適用于網(wǎng)球較少 的訓(xùn)練 場景 ，但是與今后網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢不符，具有明顯的局限性。 圖 1-1 網(wǎng)球籃 圖 1-2 網(wǎng)球籃 圖 1-3 網(wǎng)球 筒 圖 1-4 網(wǎng)球筒 1 緒論 3 目前市場上還出現(xiàn)了一類手推式網(wǎng)球撿球車，如圖 1-5 所示 。 這種撿球機(jī)的主要 特點(diǎn)是：可伸縮球籃架，可 循環(huán)換籃，拾球數(shù)量沒有限制； 輪子采用高級耐磨 PU 材 料，不傷網(wǎng)球場 ；撿球直徑可以達(dá)到 100cm[4]。 其主要工作原理是人推動小車前進(jìn) ， 球順著球道進(jìn)入輪子之間 ， 輪子的摩擦力將 球夾住 ， 帶入球籃之中 ， 這種撿球車頁存在不少的缺點(diǎn) ： 需要人工操作 ，撿球過程容 易對球產(chǎn)生損傷 ，且價(jià)格偏高，普通人消費(fèi)不起 。 國外的 與 網(wǎng)球撿球機(jī)的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是設(shè)計(jì)專利，如 圖 1-6， 1-7 所示 [5,6]。 其中 ， 圖 1-6 是一款與網(wǎng)球籃相似的網(wǎng)球撿球 機(jī)構(gòu) ， 使用時(shí)操作者握住手柄 ， 推動 撿球機(jī)前進(jìn) ， 同時(shí)將球卡進(jìn)中間的球籃 ， 其結(jié)構(gòu)同樣簡單 ， 但是效率低下 ， 且容易漏球 。 圖 1-5 波力 網(wǎng)球撿球機(jī) SS-401 圖 1-6 國外 網(wǎng)球撿球機(jī)專利 圖 1-7 國外 網(wǎng)球撿球機(jī)專利 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 圖 1-7 是一款 自動網(wǎng)球撿球機(jī) ，這款網(wǎng)球撿球機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了全自動撿網(wǎng)球，其主要 撿球原理是：撿球機(jī)在前進(jìn)過程中 ，網(wǎng)球累積在擋板上，擋板運(yùn)動將球抬升進(jìn)入后面的 球筐里。這款網(wǎng)球撿球機(jī)存在著明顯的設(shè)計(jì)缺陷， 因?yàn)樵趽烨蜻^程中必然會出現(xiàn) 網(wǎng)球停 在擋板下方的情況，這會導(dǎo)致 撿球機(jī)被卡住的情況，進(jìn)而造成電機(jī)燒毀等嚴(yán)重后果。 1.3 本章小結(jié) 本章主要講述了文獻(xiàn)檢索之后的主要成果，對現(xiàn)有的撿球機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行查閱、分析， 對目前存在 的撿球機(jī)主要工作原理有了比較詳細(xì)的了解，有助拓寬視野，發(fā)散思維，同 時(shí)比較各種撿球方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利于之后的撿球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 2 總體方案設(shè)計(jì) 5 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 本課題的 主要設(shè)計(jì)要求是 設(shè)計(jì)一款高效的網(wǎng)球自 動撿球機(jī)，盡可能解決同類產(chǎn)品中 可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并使其具有 無遺漏的特點(diǎn)。 其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如 表 2-1 所示 表 2-1 設(shè)計(jì)參數(shù)表 項(xiàng)目 指標(biāo) 1.一次撿球數(shù)量 /個(gè) > 100 2.一次撿球周期 /min 1000 2.2 關(guān)鍵問題 （ 1） 撿球 方式的選擇； （ 2） 傳動方式的選擇； （ 3） 行走速度分析； （ 4） 球道數(shù)選擇。 2.3 方案的選擇和確定 針對本課題，經(jīng)過一段時(shí)間的查找資料，參考現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)計(jì)， 首先提出的方案是 利用智能機(jī)械手臂 實(shí)現(xiàn)撿球動作 ， 這種方案雖然原理簡單，但是實(shí)現(xiàn)起來比較困難，對 系統(tǒng)控制的要求高，機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度要求更高，且一次只能撿起一個(gè)球，效率很低，高 額的成本也導(dǎo)致這種方案不適用于普通的網(wǎng)球訓(xùn)練， 因此機(jī)械手臂的方案得到否定。 其次提出的 撿球機(jī)構(gòu) 方案如下圖 2-1 所示 ， 其主要原理為 ： 撿球機(jī) 采用后輪驅(qū)動的 方式 ，兩個(gè)后輪分別用步進(jìn)電機(jī) 控制，便于控制車速，通過差速實(shí)現(xiàn)拐彎作業(yè)，前輪由 輪軸連接，在撿球車前進(jìn)過程中，后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動， 前輪軸上的同步帶，可以帶動扇 葉轉(zhuǎn)動，扇葉轉(zhuǎn)動將到達(dá)車前的網(wǎng)球撥入后置的球籃里。 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 針對此方案 ， 進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ， 并繪制了三維圖 ， 如圖 2-2 所示 ，手柄 設(shè) 計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是手自一體化 ， 首先設(shè)計(jì)的是手動式，因此起初設(shè)計(jì)時(shí)并沒有將后輪的步進(jìn) 電機(jī)加進(jìn)去 。 此設(shè)計(jì)方案 ， 設(shè)計(jì)過程中 ， 也發(fā)現(xiàn)不少問題 ： （ 1） 轉(zhuǎn)彎問題。起初在考慮后輪驅(qū)動，通過變速轉(zhuǎn)彎時(shí)，沒有考慮 前輪的轉(zhuǎn)彎問 題，由于兩個(gè)前輪 通過一根輪軸連接，因此當(dāng)后輪差速拐彎時(shí)，前輪沒辦法 同時(shí) 跟著后 輪轉(zhuǎn)動，前輪的運(yùn)動變成側(cè)向滑動，摩擦力大，輕則損傷車輪，重則無法拐彎燒毀電機(jī)。 （ 2） 撿球數(shù)量問題。 由于撿球機(jī)構(gòu)的限制，撿網(wǎng)球過程中網(wǎng)球的抬升高度無法很 高，且為了提升裝球數(shù)量，不得不把球籃做成斜坡形式，導(dǎo)致后面球籃很小，可以裝球 的數(shù)量無法達(dá)到預(yù)期的 100 個(gè)。 且網(wǎng)球提升過程中由于斜坡短，提升速度較快，網(wǎng)球可 能飛出去。 由于各種缺點(diǎn)，此方案也得到了 否定。 最終，提出的設(shè)計(jì)方案如圖 2-3 所示 ， 其主要工作原理為 ： 由電機(jī)驅(qū)動， 通過三個(gè) 圖 2-1 扇葉式 撿球機(jī)構(gòu)原理圖 圖 2-2 扇葉式 撿球機(jī) 2 總體方案設(shè)計(jì) 7 圖 2-3 同步帶 加撥板原理圖 大小相同的同步帶帶輪帶動 同步帶轉(zhuǎn)動， 在撿球機(jī)前進(jìn)過程中， 同步帶上的撥板將網(wǎng)球 沿斜坡送入后置的球籃之中。 1— 網(wǎng)球； 2— 球道； 3— 同步帶帶輪； 4— 撥板； 5— 同步帶 本方案的設(shè)計(jì)由方案二演變而來 ， 兩個(gè)同步帶輪被三個(gè)同步帶輪所替換 ， 帶撥板的 同步帶替代了扇葉，使用電機(jī)帶動同步帶的主要目的是提高球道的高度，提高裝球數(shù)量。 相比前兩種方案 ， 本方案的優(yōu)點(diǎn)是 ：結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度低；不會出現(xiàn)卡球、 傷球的現(xiàn)象；可盛裝網(wǎng)球數(shù)量大，可以滿足撿球要求 。 2.4 整體方案三維圖 經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)計(jì)算，選取相應(yīng)的 標(biāo)準(zhǔn) 零部件，并 進(jìn)行其余零部件的設(shè)計(jì)繪圖，最 終得到撿球機(jī)的總體裝配圖如圖 2-4 所示 。 從圖中可以看出 ，車身前面的小車輪加支架為撿球機(jī)的收集裝置，在撿球機(jī)前進(jìn)過 程中最大限度的收集網(wǎng)球，并將球引導(dǎo)進(jìn)入球道，同時(shí)很好的避免了球在進(jìn)入球道之前 四處亂竄和不進(jìn)入球道的問題，收集裝置前方的車輪主要起導(dǎo)向作用，同時(shí)支撐收集裝 置支架，避免其發(fā)生形變。 1 3 2 4 5 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 2-4 整體方案三維建模 2.5 本章小結(jié) 本章主要講述的是撿球機(jī)撿球方案的確定過程 ， 經(jīng)過不斷地設(shè)計(jì)篩選 ， 最終確定了 一套相對合理 ， 缺點(diǎn)少 ， 易于實(shí)現(xiàn)的方案 ， 為撿球機(jī)整體設(shè)計(jì)奠 定了基礎(chǔ) 。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 9 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 3.1 撿球籃的尺寸 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求：一次撿球數(shù)量 > 100個(gè)。按照 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球的 直徑 要求 65.41mm < d < 68.58mm進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算， 理想狀況下， 盛放 100 個(gè)網(wǎng)球所需要的最小容積為 ???????? = 43 ×π×(????????2 )3 ×?? = 43 ×?? ×(65.41×10?32 )3 ×100 = 0.0146??3 （ 3-1） 而 盛放 100 個(gè)網(wǎng)球所需要的最大容積為 ???????? = ????????3 ×?? = (68.58×10?3)3 ×100 = 0.0323??3 （ 3-2） 式中 ， V— — 撿球機(jī)撿球籃的容積 ， ??3； ????????— — 單個(gè)網(wǎng)球的最大直徑 ， m； ????????—— 單個(gè)網(wǎng)球的最小直徑 ， m； n—— 撿球籃所裝網(wǎng)球的數(shù)量 ， 個(gè) 。 因此撿球籃的容積 V 需要滿足的 理論 條件為： ???????? < V 100個(gè) ， 因此撿球籃的實(shí) 際體積應(yīng)該大于最大容積 ????????， 參 考 球道以及撿球車整體機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定撿球筐的內(nèi)部容積基本尺寸為 0.3×0.4× 0.3m， 分別為長 ， 寬 ， 高 。 驗(yàn)算撿球籃能否滿足一次撿球，可裝球 100 個(gè)以上，實(shí)際撿球籃的容積為 V = abh = 0.3×0.4×0.3 = 0.036??3 > 0.0323??3 （ 3-3） 式中 ， V—— 撿球籃的實(shí)際容積， ??3； a—— 撿球籃的內(nèi)部長度， m； b—— 撿球籃的內(nèi)部寬度 ， m； h—— 撿球籃的內(nèi)部高度， m。 因此滿足條件 ，可以使用。 創(chuàng)建撿球籃的三維圖如圖 3-1， 3-2 所示 ，其中圖 3-1 為撿球籃的整體三維圖，圖 3- 2 為撿球籃頂部掛鉤特寫，考慮到撿球機(jī)撿球之后取球的便利，決定在撿球籃中放置球 網(wǎng)，因此掛鉤的作用為固定球網(wǎng)，同時(shí)利于球網(wǎng)的取出。 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 3-1 撿球籃 三維圖 圖 3-2 撿球籃特寫 3.2 撿球機(jī) 行走速度 的 計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場地的尺寸如 圖 3-3 所示 ，由圖中可以看出 網(wǎng) 球場的賽場 尺寸 23.77m× 8.23m， 而球場的總體尺寸為 36.57m×18.27m，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求一次撿球所需時(shí)間 為 10min，考慮到直線行走的速度會比轉(zhuǎn)彎時(shí) 的速度快，所以可以假定撿球機(jī)覆蓋全場 的直線距離行走時(shí)間為 5min， 按照設(shè)計(jì)參數(shù) 要求，撿球機(jī)撿球范圍 > 1000mm，假定其 所覆蓋的撿球范圍就 是 1000mm， 則粗略估計(jì)撿球機(jī) 的 行走速度為： v = ???? × ???? = 18.275×60 × 36.571 ≈ 2.23??/?? （ 3-4） 圖 3-3 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場地（單位： mm） 式中， v—— 撿球機(jī)的行走速度， m/s； b—— 網(wǎng)球場地的寬度， m； t—— 撿球機(jī)走完覆蓋全場直線距離所需時(shí)間， s； n—— 網(wǎng)球場地的長度， m； 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 11 l—— 撿球機(jī)撿球的寬度， m。 考慮到實(shí)際情況 ， 將撿球機(jī)的行走速度初步設(shè)定為 2.3m/s。 3.3 同步帶的設(shè)計(jì) 考慮到標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球的最大直徑 68.58mm，因此球道的寬度 ???? > 68.58????， 根據(jù)《現(xiàn) 代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（單行本）機(jī)械傳動設(shè)計(jì)》表 1-89[7]，選取帶寬代號 300，帶寬 76.2mm， 選取帶型 H，查表 1-87， 得知同步帶的節(jié)距 12.7mm，考慮到每秒鐘遇到的球的數(shù)量約為 三個(gè)，三個(gè)球在同一個(gè)球道的概率雖然很小但是需要考慮，三個(gè)網(wǎng)球的最大的寬度為 3× 68.58mm = 205.74mm， 因此設(shè)定同步帶上撥板的距離為 250mm，設(shè)定同步帶的帶速為 250mm/s。 考慮到實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)選取的同步帶是三個(gè)大小相同的同步帶輪， 按照要求帶 輪齒數(shù) z > ????????（ 帶輪最小齒數(shù)），參照表 1-92， 假定帶輪轉(zhuǎn)速 ??1 < 900??/??????,得知 H 型 帶的最低齒數(shù)要求為 14，而在帶速和安裝尺寸允許的情況下，帶輪齒數(shù)可以盡可能選取 較大值，因此參照表 1-104， 選取帶輪齒 z = 20， 節(jié)徑 d = 80.85mm， 外徑 ??0 = 79.48????。 驗(yàn)算帶輪選擇是否 合理 ，按照選定齒數(shù)進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)速 ??1 = ?????? = 250×60??×80.85 = 59.09??/?????? ??2 +l = 80.852 +100 = 140.43???? （ 3-6） 式中， ?1—— 同步帶帶輪的高度 ， mm； 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 d—— 同步帶帶輪的節(jié)徑， mm； l—— 同步帶撥板的長度， mm。 考慮到實(shí)際情況 ，同步帶帶厚 等因素， 取同步帶 最低帶輪 的高度為 150mm。 3.4 球 道的設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定 ， 一次撿球數(shù)量 100 個(gè)，假定網(wǎng)球練習(xí)者一次練習(xí)，發(fā)球數(shù)量 100 個(gè)，考慮到實(shí)際情況，網(wǎng)前和邊線處網(wǎng)球數(shù)量相對集中，在多數(shù)球過網(wǎng)的情況下，分布 在邊線處的網(wǎng)球數(shù)量相對更高，因此假定邊線附近區(qū)域（ 2m×18.27m范圍內(nèi) ）網(wǎng)球的 數(shù)量為 40 個(gè)，網(wǎng)前（ 4m×18.27m）的數(shù)量為 20 個(gè)，其余 40 個(gè)網(wǎng)球隨機(jī)分布在網(wǎng)球場 地的其他區(qū)域。設(shè)定網(wǎng)球撿球機(jī)的撿球?qū)挾葹?1m，則撿球機(jī)在單位時(shí)間里遇到網(wǎng)球的數(shù) 量為（按照網(wǎng)球最密集區(qū)域進(jìn)行計(jì)算） ???? = ?????? ???? = 402×18.27 ×2.3×1 = 2.52 個(gè) /?? （ 3-7） 式中 ， ????—— 撿球機(jī)在單位時(shí)間里遇到網(wǎng)球的數(shù)量，個(gè) /s； ????—— 區(qū)域內(nèi)網(wǎng)球的數(shù)量 ， 個(gè) ； A—— 該區(qū)域的面積， ??2； v—— 撿球機(jī)的行走速度， m/s； d—— 撿球機(jī)的撿球?qū)挾龋?m。 根據(jù)上式計(jì)算的結(jié)果 ， 得到單位時(shí)間里撿球的個(gè)數(shù) ，因此 設(shè)定撿球機(jī)的球道數(shù) 為 3。 考慮到撥板的寬度為 76.2mm， 以及安裝偏差問 題 ， 設(shè)定球道的寬度為 77mm， 球道 的高度設(shè)定主要與 撿球籃的高度以及撿球機(jī)主體部分與地面高度相關(guān)，其相關(guān)的尺寸在 二維圖紙有詳細(xì)表示，在這里不做贅述。 其最終的 三維建模如圖 3-4， 3-5 所示 ， 其中圖 3-4 是球道的主體結(jié)構(gòu)示意圖，圖 3- 5 是球道的固定裝置的特寫，由于球道為懸空狀態(tài)，因此將其固定在撿球籃上，起到固 定和支撐的作用。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 13 圖 3-4 球道 三維圖 圖 3-5 球道 特寫 3.5 撿球機(jī)同步帶電機(jī)的選擇 首先確定撿球機(jī)同步帶的負(fù)載，其只要負(fù)載特性如下： ① 網(wǎng)球的重量 。 設(shè)計(jì)所得的球道的長 度約為 470mm，考慮到單個(gè)網(wǎng)球的最大直徑 68.58mm，撥板的厚度 5mm，以及撥板之間的距離 250mm，因此同時(shí)最多存在兩個(gè)撥 板在球道上方，球道上最多存在 ??1 = 6個(gè)網(wǎng)球 ，單個(gè)網(wǎng)球的最大重 量 ??1 = 58.5??; ② 同步帶的重量 。 同步帶型號 H， 采取最常用材料 ， 其密度為 ??2 = 0.448????/??， 同 步帶的總長 ??2 = 1464.64????， 同步帶的數(shù)量為 ??2 = 3條 。同步帶上的撥板材料與同步帶 材料相同， 每條同步帶撥板的數(shù)量為 ??3 = 6個(gè) ， 因此撥板的總長度為 ??3 = 6×0.1×3 = 1.8??。 ③ 同步帶輪的質(zhì)量 。同步帶輪的材料是尼龍，使用 SolidWorks 軟件 賦予模型尼龍材 料，計(jì)算得到帶輪的重量為 ??4 = 373??/個(gè) ，帶輪的個(gè)數(shù)為 ??4 = 9 個(gè) 。 根據(jù)公式 計(jì)算同步帶的負(fù)載為 m = ??1 ×??1 +??2 ×??2 ×??2 +??2 ×??3 ×??3 +??4 ×??4 = 10.78???? （ 3-8） 同步帶的速度為 v = 0.25m/s,因此 可以求得電機(jī)的功率為 P = Fv = 10.78×9.8×0.25 = 26.41W （ 3-9） 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 式中， P—— 電動機(jī)的有效功率， W； F—— 電動機(jī)上作用的力， N； v—— 電動機(jī)的線速度。 因此，電動機(jī)的總功率 ??0為 ??0 = ???? （ 3-10） 式中 ， η—— 電機(jī)的機(jī)械效率。 根據(jù)角速度和線速度的關(guān)系式 v = ωr， 推導(dǎo)得到帶輪的角速度為 ω = ???? = 0.2580.85÷2×10?3 ≈ 6.18??????/?? （ 3-11） 式中 ， ω—— 同步帶帶輪的角速度 ， rad/s； r—— 同步帶帶輪的節(jié)徑， m。 而同步帶帶輪的轉(zhuǎn)速為 59.09r/min ≈ 60r/min，假設(shè)帶輪在 0.1s 時(shí)間內(nèi)加速到 60r/min的角速度，則可以計(jì)算得到軸的角加速度為 ε = ?????? = 6.18?00.1?0 = 61.8??????/??2 （ 3-12） 在這里可以將同步帶帶輪看成圓柱體 ，則可以計(jì)算得到扭矩 為 M = Jε = ???? 2 2 ?? 式中， M—— 帶輪的 扭矩 ， N·m； J—— 帶輪的轉(zhuǎn)動慣量， kg ·??2； ε—— 帶輪的角加速度， rad/??2。 由此可以得到每個(gè)帶輪的扭矩為 ??1 = ????22 ?? = 0.373×0.04042522 ×61.8 = 0.019?? ·?? （ 3-13） 帶輪的總扭矩為 M = ??1 ×3×3 = 0.019×3×3 = 0.171?? ·?? 由上述計(jì)算結(jié)果可知，所選電機(jī)的基本參數(shù)需為：轉(zhuǎn)速 60r/min，扭矩 0.171N·m， 經(jīng)過不斷地篩選，最終選定東莞市威邦機(jī)電有限公司生產(chǎn)的直流電機(jī)， 所選電機(jī)的 型號 為 ： 4D40-24，其 主要參數(shù) 如 表 3-1 所示 [8] 表 3-1 直流電機(jī)主要參數(shù) 額定電壓 /V 額定功 率 /W 空載轉(zhuǎn)速 /(r/min) 空載電 流 /A 額 定 轉(zhuǎn) 速 /( r/min) 額定轉(zhuǎn)矩 /(kg·cm) 額定電 流 /A 馬達(dá) 重量 /kg 24 40 3100 0.8 3000 1.3 2.1 1.8 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 15 齒輪箱的主要參數(shù) 如 表 3-2 所示 表 3-2 齒輪箱參數(shù)表 減速比 3 3.6 5 6 7.5 9 10 12.5 輸出 軸轉(zhuǎn)速 r/min 1033 861 620 517 413 344 310 248 允許力矩 N·m 0.30 0.36 0.50 0.60 0.75 0.90 1.00 1.25 kgf·cm 3.06 3.67 5.09 6.1 7.64 9.17 10.2 12.73 減速比 18 20 25 30 36 40 50 60 輸出軸轉(zhuǎn)速 r/min 172 155 124 103 86 78 62 52 允許力矩 N·m 1.80 2.00 2.25 2.70 3.24 3.60 4.50 4.48 kgf·cm 18.33 20.36 22.95 25.74 33.04 36.71 45.90 49.80 由上表可知 ， 選擇減速比為 50 的齒輪箱。 電池的選擇 ， 經(jīng)過市場調(diào)查 ， 最終選定 瑋孚 24V， 4Ah鋰電池 [9]， 其主要參數(shù) 如 表 3-3 所示 表 3-3 電池主要參數(shù) 電壓容量 重量 /kg 電壓范圍 24V 4Ah 0.7 20V-29.2V 電芯 放電接頭 充電接頭 18650 動力鋰電芯 T 型放電母頭 DC 工業(yè)母頭 3.6 同步帶軸的設(shè)計(jì)與校核 已知電機(jī)的功率為 40w，額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 經(jīng)齒輪箱減速后 ， 額定轉(zhuǎn)速為 62r/min。 3.6.1 求軸上的功率 ????、轉(zhuǎn)速 ????和轉(zhuǎn)矩 ???? 同步帶軸與電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，其傳動效率為 η = 0.98，則 ??1 = ?? ×?? = 40×0.98 = 39.2?? （ 3-14） 已知轉(zhuǎn)速 ??1 = 62??/??????， 于是 ??3 = 9550000 × ??1?? 1 = 9550000× 0.039262 ≈ 6038.064?? ·???? （ 3-15） 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 3.6.2 初步確定軸的最小直徑 根據(jù)公式，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 ???? = ???? ?? ≈ ??0.2??3 ≤ [????] （ 3-16） 式中 ， ????—— 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， MPa； T—— 軸所受到的扭矩 ， N·mm； ????—— 軸的抗扭截面系數(shù) ， ????3； [????]—— 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ， MPa。 選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-3[10]， 取 ??0 = 112，于 是可以 得到 ???????? = ??0√??1?? 1 3 = 112× √0.0392 62 3 = 9.61???? （ 3-17） 由于軸與軸承和聯(lián)軸器直接連接，因此軸的最小直徑為軸承與聯(lián)軸器的直徑，為了 使所選的軸的直徑 ??I?II與聯(lián)軸器和軸承孔徑大小相適應(yīng)，故需要同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號。 聯(lián)軸器 的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ?????? = ??????1，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 14-1， 由于轉(zhuǎn)矩變化很小 ， 故取 ???? = 1.3， 于是 ?????? = ??????1 = 1.3×6038.064 = 7849.48?? ·???? （ 3-18） 按照規(guī)定，計(jì)算轉(zhuǎn)矩 ??????應(yīng)該小于聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩 ， 根據(jù)所選的電機(jī)輸出軸徑 12mm， 查 《 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 -軸及其連接件設(shè)計(jì) 》 表 3-14[11]，選取 GY1 凸緣聯(lián)軸器， 其公稱轉(zhuǎn)矩為 25000N·m。 聯(lián)軸器的孔徑 ??I = 12????， 故取 ??I?II = 12????，聯(lián)軸器的外 圍直徑為 D = 80mm， 聯(lián)軸器與軸配合的轂孔的長度 ??1 = 32????。 3.6.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)工藝性要求，軸的結(jié)構(gòu)越簡單越好，在滿足使用要求的前提下，盡可 能地簡化軸的結(jié)構(gòu)。 初定軸的結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示 圖 3-6 軸的結(jié)構(gòu)示意圖 （ 1） 軸上零件的裝配方案 I II III IV V VI VII 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 17 由于軸上的零件的選取均是根據(jù)實(shí)際情況來定的，同步帶輪的大小相同，考慮到帶 輪的安裝問題，主要的軸向定位都是通過套筒實(shí)現(xiàn)。 （ 2） 根據(jù)軸向定位的要求來確定軸的各段的直徑和長度 1）為了滿足聯(lián)軸器的軸向定位要求， 故 I-II 的直徑 ??I?II = 12????， 長度為 ??I?II = 33????；根據(jù)同步帶軸徑的大小 15.9mm， 軸承尺寸的限制 ， 故 II-III 段無法做出軸肩 ， 因此 II-III 段使用套筒進(jìn)行軸向定位 ，其直徑大小為 ??II?III = 12????， 其長度為 （ 即套筒 的長度 ） ??II?III = 21.4????。 3）軸承的選擇。軸承主要受到徑向力的作用，故選用深溝球軸承，參照工作要求并 根據(jù) ??II?III = 12????， 查《 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 -軸承》表 5-2[12]， 選取標(biāo)準(zhǔn)精度等級的深 溝球軸承 61801，其尺寸為 d×D×B = 12mm×21mm×5mm，最左側(cè)同樣選取深溝球 軸承 61801。 4） III-IV 的長度主要由軸承端蓋 ， 軸承 ， 套筒的長度之和決定 ，軸承端蓋的厚度為 5mm， 軸承 寬為 5mm， 套筒長 18.1mm，因此 ??III?IV = 28.1????， ??III?IV = 12????。 5）為了滿足同步帶輪的軸向定位要求，將 IV-V 段制出一軸肩 ， 由于 同步帶輪小徑 為 15.9mm，因此 取 ??IV?V = 20????。 6） V-VI 段的尺寸完全由同步帶輪的尺寸決定 ， 根據(jù)同步帶帶輪小徑 15.9mm， 取 ??V?VI = 15.9????， 由于球道寬度的限制 ， 帶輪之間需要加厚墊片進(jìn)行軸向定位 ，套筒的 寬度為 5.8????，同步帶帶輪的寬度為 76.2????， 因此 V-VI 段的長度為 ??V?VI = 76.2×3+ 5.8×2 = 240.2????。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 （ 3）軸上零件的周向定位 同步帶輪、聯(lián)軸器 與軸的周向定位均采用普通平鍵連接。 同步帶帶輪與 軸配合的鍵 的選取， 查《 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 -連接件與緊固件》表 3-4[13]， 查得平鍵截面 b×h = 5mm× 5mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長度為 36????， 考慮到同步帶帶輪的安裝問題，同步帶輪 與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為 ??7??6；聯(lián)軸器與軸的連接選取方法相同，選取 的平鍵的尺寸 4mm×4mm×22mm， 鍵槽的長度為 22mm， 聯(lián)軸器與軸的配合采用過渡 配合 ， 配合公差為 ??7??6； 滾動軸承與軸的周向定位通過過渡配合來實(shí)現(xiàn) ， 選取軸的直徑尺 寸公差為 m6。 （ 4）確定軸上的倒角尺寸 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 參照 《 機(jī)械設(shè)計(jì) 》 表 15-2， 取軸端倒角 0.8mm。 3.6.4 計(jì)算軸上的載荷 首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)，繪制軸的計(jì)算簡圖，由手冊查得深溝球軸承 61801， a = 2.5mm， 因此作為簡支梁的軸的支撐跨距為 L = 342.7mm。 根據(jù)軸的計(jì)算簡圖繪制出軸的彎矩圖 和扭矩圖 如圖 3-7 所示 。 從彎矩圖和扭矩圖可以看出截面 C 為軸的危險(xiǎn)截面，計(jì)算得到截面 C 的彎矩和扭矩 值列入表 3-4。 表 3-4 彎矩、扭矩計(jì)算值 載荷 數(shù)值 支反力 F ??1 = ??2 = 12.06?? 彎矩 M M = 1033.24N·mm 扭矩 T T = 283.78N·mm M T ??????1 ??????2 G M T 扭矩 T 圖 3-7 軸的 載荷分析圖 A B C D E 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 19 3.6.5 按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 校核危險(xiǎn)截面 C 的強(qiáng)度， 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》式 15-5 以及上表的的數(shù)據(jù) ， 已知軸單向 旋轉(zhuǎn) ，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，因此取 α = 0.6，根據(jù)表 15-4， 危險(xiǎn)截面是帶鍵槽 的截面 ， 因此 W = ????332 ? ????(?????)22?? = ??×15.9332 ? 5×3×(15.9?3)22×15.9 ≈ 315.94????3 （ 3-19） 軸的計(jì)算應(yīng)力為 ?????? = √??2+(????)2?? = √1033.242+(0.6×283.78)2315.94 = 3.31MPa （ 3-20） 所選軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 15-1,查得 [???1] = 60MPa,?????? < [???1]，所以安全。 3.7 車輪的 選擇 本次設(shè)計(jì)的網(wǎng)球撿球機(jī)的 驅(qū)動方式為 后輪驅(qū)動，分別使用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制， 前輪采用兩只萬向輪進(jìn)行導(dǎo)向。 前輪的萬向輪采用市場上最常見的普通萬向輪 ， 經(jīng)過篩選 ， 最終選取的是 申牌 3 寸 腳輪 [14]， 其主要參數(shù)如下表所示 表 3-5 萬向輪參數(shù) 輪子直徑 mm： 75（ 3 寸） 輪面寬度 mm： 30 安裝高度 mm： 108 單輪承載 kg： 105 底板規(guī)格 mm： 92*64 安裝孔距 mm： 75*45 安裝孔徑 mm： 9 輪子軸承：一體軸承 后輪的選擇 ， 經(jīng)過一番市場篩選 ， 最終決定選擇的輪子為 PU 發(fā)泡輪， 由青島潤達(dá) 專用車輛有限公司生產(chǎn)銷售的 10 寸 PU 發(fā)泡輪，型號 10X3.50-4，材質(zhì)為聚氨酯，直 徑 250mm，質(zhì)量 1kg[15]。 3.8 驅(qū)動原動機(jī)的選擇 考慮到撿球機(jī)的轉(zhuǎn)彎問題，因此選定的電機(jī)必須是可以進(jìn)行控制的，因此撿球機(jī)的 驅(qū)動系統(tǒng)選擇的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī) 。 中國海洋大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩主要是車輪與地面的摩擦轉(zhuǎn)矩，摩擦轉(zhuǎn)矩主要與輪胎和地面的滾動摩 擦系數(shù)以及整車的重量有關(guān)，查得 輪胎與地面的滾動摩擦系數(shù)為 μ = 5mm， 而整車的 質(zhì)量主要包含撿球機(jī)構(gòu) 、同步帶電機(jī)、 支架 （ 包括收集裝置 ） 、 電池 、 萬向輪 、 驅(qū)動 輪 、 驅(qū)動電機(jī) 以及 100 個(gè)網(wǎng)球等的質(zhì)量， 假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的重量為 2kg，則整車 質(zhì)量為 m = 10.78+1.8+8+0.7×3+0.105×2+1×2+2×2+0.057×100 = 34.59 ≈ 40kg （ 3-21） 整車的行進(jìn)速度為 v = 2.3m/s，根據(jù)公式 v = ωr，可以求得車輪轉(zhuǎn)動的角速度為 ω = ???? = 2.30.125 = 18.4??????/?? （ 3-22） 進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速為 n = ??2?? = 18.4×602×?? = 175??/?????? （ 3-23） 則摩擦轉(zhuǎn)矩為 M = μm = 0.005×40 = 2N·m （ 3-24） 考慮到其他損失 的功率，取機(jī)械效率 η = 0.9，驅(qū)動電機(jī)的功率為 P = ?????? = 2×18.40.9 = 40.89?? （ 3-25） 經(jīng)過篩選，最終選擇常州康達(dá)通用電氣有限公司生產(chǎn)的 86 精密行星減速步進(jìn)電機(jī) [16]，其主要工作環(huán)境 如下表所示 表 3-6 步進(jìn)電機(jī)工作環(huán)境表 項(xiàng)目 規(guī)范 溫升 80℃ max 環(huán)境溫度 -20℃ -+50℃ 絕緣強(qiáng)度 100Ωmin， 500V DC 介電強(qiáng)度 500V AC 1 分鐘 回轉(zhuǎn)間隙 ≤ 25acrmin 主要技術(shù)參數(shù)為 表 3-7 步進(jìn)電機(jī)工作參數(shù)表 電機(jī)型號 步距角 /° 相電流 /A 保持力矩 /kg·cm 引線數(shù) /條 電機(jī)重量 /kg 85-H250B99 1.8 4 65 4 3.5 因此 減速比為 5。 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)與校核 21 3.9 車輪軸的設(shè)計(jì)與校核 已知步進(jìn)電機(jī)的保持力矩為 6.5N·m。 3.9.1 確定軸的最小直徑 根據(jù)