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分類號(hào)————————————————————————密級(jí)
UDC
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)
網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 姜杰 學(xué)號(hào) 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(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化2011級(jí)
論文答辯日期 2015 年 6 月 4 日
中 國(guó) 海 洋 大 學(xué)
7
網(wǎng)球自動(dòng)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：
摘 要
隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的不斷普及，越來(lái)越多的網(wǎng)球愛(ài)好者開(kāi)始投身于網(wǎng)球鍛煉中來(lái)，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(dòng)員一樣擁有屬于自己的球童，因此高效的自動(dòng)撿球機(jī)會(huì)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(dòng)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(wèn)題。本次設(shè)計(jì)完成了撿球機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
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
目 錄
1 緒論 1
1.1課題的研究背景 1
1.2國(guó)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(wèn)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P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1 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(dòng)原動(dòng)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
3.9.3軸的校核 22
3.10本章小結(jié) 23
4 自動(dòng)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 緒論
1.1課題的研究背景
根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（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(wàn)臺(tái)，相比2012年同比增長(zhǎng)28%，粗略統(tǒng)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模約為17億美元，據(jù)估計(jì)，未來(lái)2014到2017年之間將會(huì)有3100萬(wàn)臺(tái)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)?huì)有持續(xù)而強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，服務(wù)機(jī)器人將越來(lái)越多的走進(jìn)人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。
根據(jù)中國(guó)網(wǎng)球協(xié)會(huì)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(huì)四強(qiáng)，國(guó)人網(wǎng)球熱情空前高漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)網(wǎng)球人口現(xiàn)已經(jīng)突破900 萬(wàn)。而隨著李娜在法網(wǎng)和澳網(wǎng)奪冠，國(guó)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(guó)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(dòng)，正在受到越來(lái)越多人的關(guān)注和喜愛(ài)，網(wǎng)球愛(ài)好者在進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練過(guò)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(huì)像專業(yè)運(yùn)動(dòng)員一樣擁有自己的球童，因此網(wǎng)球訓(xùn)練亟需自動(dòng)撿球機(jī)器人來(lái)輔助，為每位網(wǎng)球愛(ài)好者提供便利，節(jié)省時(shí)間。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前市場(chǎng)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(chǎng)上最為常見(jiàn)的產(chǎn)品方案，如圖1-1，1-2所示，其工作原理很簡(jiǎn)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(huì)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(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜。
圖1-1 網(wǎng)球籃
圖1-2 網(wǎng)球籃
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(jiǎn)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(guò)的收球裝置，保證網(wǎng)球不會(huì)掉落。
圖1-4 網(wǎng)球筒
圖1-3 網(wǎng)球筒
以上兩種撿球機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，使用方便，但也存在較多的缺點(diǎn)，撿球過(guò)程中對(duì)網(wǎng)球的損傷較大，且容易卡球，需要人工尋找并對(duì)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(huì)大大增加。
綜合來(lái)看，網(wǎng)球籃和網(wǎng)球筒相對(duì)比較原始，由于成本低，適用于網(wǎng)球較少的訓(xùn)練場(chǎng)景，但是與今后網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)不符，具有明顯的局限性。
目前市場(chǎng)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(méi)有限制；輪子采用高級(jí)耐磨PU材料，不傷網(wǎng)球場(chǎng)；撿球直徑可以達(dá)到100cm[4]。
其主要工作原理是人推動(dòng)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(yè)存在不少的缺點(diǎn)：需要人工操作，撿球過(guò)程容易對(duì)球產(chǎn)生損傷，且價(jià)格偏高，普通人消費(fèi)不起。
圖1-5 波力網(wǎng)球撿球機(jī)SS-401
國(guó)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]。
圖1-6 國(guó)外網(wǎng)球撿球機(jī)專利
圖1-7 國(guó)外網(wǎng)球撿球機(jī)專利
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(dòng)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(jiǎn)單，但是效率低下，且容易漏球。
圖1-7是一款自動(dòng)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(dòng)撿網(wǎng)球，其主要撿球原理是：撿球機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中，網(wǎng)球累積在擋板上，擋板運(yùn)動(dòng)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^(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)球停在擋板下方的情況，這會(huì)導(dǎo)致?lián)烨驒C(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(duì)現(xiàn)有的撿球機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行查閱、分析，對(duì)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)
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(dòng)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(wú)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
<10
3.撿球范圍/mm
>1000
2.2關(guān)鍵問(wèn)題
（1） 撿球方式的選擇；
（2） 傳動(dòng)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(duì)本課題，經(jīng)過(guò)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(dòng)作，這種方案雖然原理簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，對(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)程中，后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪軸上的同步帶，可以帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)將到達(dá)車前的網(wǎng)球撥入后置的球籃里。
圖2-1 扇葉式撿球機(jī)構(gòu)原理圖
針對(duì)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(dòng)式，因此起初設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有將后輪的步進(jìn)電機(jī)加進(jìn)去。
圖2-2 扇葉式撿球機(jī)
此設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)不少問(wèn)題：
（1）轉(zhuǎn)彎問(wèn)題。起初在考慮后輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變速轉(zhuǎn)彎時(shí)，沒(méi)有考慮前輪的轉(zhuǎn)彎問(wèn)題，由于兩個(gè)前輪通過(guò)一根輪軸連接，因此當(dāng)后輪差速拐彎時(shí)，前輪沒(méi)辦法同時(shí)跟著后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪的運(yùn)動(dòng)變成側(cè)向滑動(dòng)，摩擦力大，輕則損傷車輪，重則無(wú)法拐彎燒毀電機(jī)。
（2）撿球數(shù)量問(wèn)題。由于撿球機(jī)構(gòu)的限制，撿網(wǎng)球過(guò)程中網(wǎng)球的抬升高度無(wú)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(wú)法達(dá)到預(yù)期的100個(gè)。且網(wǎng)球提升過(guò)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(dòng)，通過(guò)三個(gè)大小相同的同步帶帶輪帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，在撿球機(jī)前進(jìn)過(guò)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。
4
3
5
2
1
圖2-3 同步帶加撥板原理圖
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(lái)，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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，制造難度低；不會(huì)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(guò)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(guò)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(wèn)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。
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(guò)程，經(jīng)過(guò)不斷地設(shè)計(jì)篩選，最終確定了一套相對(duì)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
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
100個(gè)，因此撿球籃的實(shí)際體積應(yīng)該大于最大容積Vmax，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(zhǎng)，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=0.036m3>0.0323m3 （3-3）
式中，V——撿球籃的實(shí)際容積，m3；
a——撿球籃的內(nèi)部長(zhǎng)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。
圖3-2 撿球籃特寫
圖3-1 撿球籃三維圖
圖3-2 撿球籃特寫
圖3-1 撿球籃三維圖
3.2撿球機(jī)行走速度的計(jì)算
標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場(chǎng)地的尺寸如圖3-3所示，由圖中可以看出網(wǎng)球場(chǎng)的賽場(chǎng)尺寸23.77m×8.23m，而球場(chǎng)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(huì)比轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度快，所以可以假定撿球機(jī)覆蓋全場(chǎng)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=bt×nl=18.275×60×36.571≈2.23m/s （3-4）
圖3-3 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場(chǎng)地（單位：mm）
式中，v——撿球機(jī)的行走速度，m/s；
b——網(wǎng)球場(chǎng)地的寬度，m；
t——撿球機(jī)走完覆蓋全場(chǎng)直線距離所需時(shí)間，s；
n——網(wǎng)球場(chǎng)地的長(zhǎng)度，m；
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dd>68.58mm，根據(jù)《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)》表1-89[7]，選取帶寬代號(hào)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>zmin（帶輪最小齒數(shù)），參照表1-92，假定帶輪轉(zhuǎn)速n1<900r/min,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d0=79.48mm。
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
n1=vπd=250×60π×80.85=59.09r/min<900r/min （3-5）
式中，n1——帶輪的轉(zhuǎn)速，r/min；
v——同步帶的帶速，mm/s；
d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm。
因此，選取的帶輪符合條件。
經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，帶輪的小內(nèi)徑為15.90mm，大內(nèi)徑為31.79mm，小內(nèi)徑的深度為53.34mm，大內(nèi)徑的深度為22.86mm。
考慮到網(wǎng)球的最大直徑68.58mm，為了讓球能拖住網(wǎng)球，考慮到最理想的狀況，撥板的最小長(zhǎng)度為網(wǎng)球的半徑34.29mm，考慮到可能存在三個(gè)網(wǎng)球同時(shí)在一條球道的情況，因此設(shè)定撥板的長(zhǎng)度為l=100mm，撥板的厚度為5mm，寬度為76.2mm，設(shè)定最低同步帶帶輪高度為
h1>d2+l=80.852+100=140.43mm （3-6）
式中，h1——同步帶帶輪的高度，mm；
d——同步帶帶輪的節(jié)徑，mm；
l——同步帶撥板的長(zhǎng)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(duì)集中，在多數(shù)球過(guò)網(wǎng)的情況下，分布在邊線處的網(wǎng)球數(shù)量相對(duì)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(chǎng)地的其他區(qū)域。設(shè)定網(wǎng)球撿球機(jī)的撿球?qū)挾葹?m，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）
vn=nsAvd=402×18.27×2.3×1=2.52個(gè)/s （3-7）
式中，vn——撿球機(jī)在單位時(shí)間里遇到網(wǎng)球的數(shù)量，個(gè)/s；
ns——區(qū)域內(nèi)網(wǎng)球的數(shù)量，個(gè)；
A——該區(qū)域的面積，m2；
v——撿球機(jī)的行走速度，m/s；
d——撿球機(jī)的撿球?qū)挾?，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(wèn)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。
圖3-5 球道特寫
圖3-5 球道特寫
圖3-4 球道三維圖
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(zhǎng)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n1=6個(gè)網(wǎng)球，單個(gè)網(wǎng)球的最大重量m1=58.5g;
②同步帶的重量。同步帶型號(hào)H，采取最常用材料，其密度為ρ2=0.448kg/m，同步帶的總長(zhǎng)l2=1464.64mm，同步帶的數(shù)量為n2=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n3=6個(gè)，因此撥板的總長(zhǎng)度為l3=6×0.1×3=1.8m。
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m4=373g/個(gè)，帶輪的個(gè)數(shù)為n4=9個(gè)。
根據(jù)公式計(jì)算同步帶的負(fù)載為
m=m1×n1+ρ2×l2×n2+ρ2×l3×n3+m4×n4=10.78Kg （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）
式中，P——電動(dòng)機(jī)的有效功率，W；
F——電動(dòng)機(jī)上作用的力，N；
v——電動(dòng)機(jī)的線速度。
因此，電動(dòng)機(jī)的總功率P0為
P0=Pη （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=vr=0.2580.85÷2×10-3≈6.18rad/s （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=?ω?t=6.18-00.1-0=61.8rad/s2 （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=mr22ε
式中，M——帶輪的扭矩，N·m；
J——帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；
ε——帶輪的角加速度，rad/s2。
由此可以得到每個(gè)帶輪的扭矩為
M1=mr22ε=0.373×0.04042522×61.8=0.019N·m （3-13）
帶輪的總扭矩為M=M1×3×3=0.019×3×3=0.171N·m
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(guò)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(hào)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
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(guò)市場(chǎng)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(dòng)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P1、轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)矩T1
同步帶軸與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接，其傳動(dòng)效率為η=0.98，則
P1=P×η=40×0.98=39.2W （3-14）
已知轉(zhuǎn)速n1=62r/min，于是
T3=9550000×P1n1=9550000×0.039262≈6038.064N·mm （3-15）
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
τT=TWT≈T0.2d3≤[τT] （3-16）
式中，τT——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T——軸所受到的扭矩，N·mm；
WT——軸的抗扭截面系數(shù)，mm3；
[τT]——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A0=112，于是可以得到
dmin=A03P1n1=112×30.039262=9.61mm （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dI-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(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT1，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1，由于轉(zhuǎn)矩變化很小，故取KA=1.3，于是
Tca=KAT1=1.3×6038.064=7849.48N·mm （3-18）
按照規(guī)定，計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca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(cè)-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dI=12mm，故取dI-II=12mm，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(zhǎng)度L1=32mm。
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(jiǎn)單越好，在滿足使用要求的前提下，盡可能地簡(jiǎn)化軸的結(jié)構(gòu)。初定軸的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示
VII
VI
IV
I
II
V
III
圖3-6 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
（1）軸上零件的裝配方案
由于軸上的零件的選取均是根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定的，同步帶輪的大小相同，考慮到帶輪的安裝問(wèn)題，主要的軸向定位都是通過(guò)套筒實(shí)現(xiàn)。
（2）根據(jù)軸向定位的要求來(lái)確定軸的各段的直徑和長(zhǎng)度
1）為了滿足聯(lián)軸器的軸向定位要求，故I-II的直徑dI-II=12mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)I-II=33mm；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(wú)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dII-III=12mm，其長(zhǎng)度為（即套筒的長(zhǎng)度）LII-III=21.4mm。
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)dII-III=12mm，查《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-軸承》表5-2[12]，選取標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)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(zhǎng)度主要由軸承端蓋，軸承，套筒的長(zhǎng)度之和決定，軸承端蓋的厚度為5mm，軸承寬為5mm，套筒長(zhǎng)18.1mm，因此LIII-IV=28.1mm，dIII-IV=12mm。
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dIV-V=20mm。
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dV-VI=15.9mm，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5.8mm，同步帶帶輪的寬度為76.2mm，因此V-VI段的長(zhǎng)度為L(zhǎng)V-VI=76.2×3+5.8×2=240.2mm。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長(zhǎng)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(cè)-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(zhǎng)度為36mm，考慮到同步帶帶輪的安裝問(wèn)題，同步帶輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；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(zhǎng)度為22mm，聯(lián)軸器與軸的配合采用過(guò)渡配合，配合公差為H7k6；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位通過(guò)過(guò)渡配合來(lái)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
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(jiǎn)圖，由手冊(cè)查得深溝球軸承61801，a=2.5mm，因此作為簡(jiǎn)支梁的軸的支撐跨距為L(zhǎng)=342.7mm。根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖繪制出軸的彎矩圖和扭矩圖如圖3-7所示。
G
B
A
E
D
C
扭矩T
FNH2
FNH1
M
M
T
T
圖3-7 軸的載荷分析圖
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
F1=F2=12.06N
彎矩M
M=1033.24N·mm
扭矩T
T=283.78N·mm
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(dòng)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=πd332-btd-t22d=π×15.9332-5×3×15.9-322×15.9≈315.94mm3 （3-19）
軸的計(jì)算應(yīng)力為
σca=M2+(αT)2W=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σ-1=60MPa,σca<[σ-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(dòng)方式為后輪驅(qū)動(dòng)，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(wàn)向輪進(jìn)行導(dǎo)向。
前輪的萬(wàn)向輪采用市場(chǎng)上最常見(jiàn)的普通萬(wàn)向輪，經(jīng)過(guò)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(wàn)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(guò)一番市場(chǎng)篩選，最終決定選擇的輪子為PU發(fā)泡輪，由青島潤(rùn)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(hào)10X3.50-4，材質(zhì)為聚氨酯，直徑250mm，質(zhì)量1kg[15]。
3.8驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)的選擇
考慮到撿球機(jī)的轉(zhuǎn)彎問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)選擇的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
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(dòng)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(dòng)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(wàn)向輪、驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)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(dòng)的角速度為
ω=vr=2.30.125=18.4rad/s （3-22）
進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速為
n=ω2π=18.4×602×π=175r/min （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(dòng)電機(jī)的功率為
P=Mωη=2×18.40.9=40.89W （3-25）
經(jīng)過(guò)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(hào)
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。
3.9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)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)新編軟件版》，軸的最小直徑計(jì)算公式
dmin=35T[τT] （3-26）
式中，T——軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩，N·mm；
[τ]——軸的許用剪應(yīng)力。
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，選取τT=35MPa，于是
dmin=35T[τT]=35×6.5×100035=9.76mm （3-27）
3.9.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
初步確定后車輪軸的結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。
VI
V
IV
III
II
I
圖3-8 后車輪軸結(jié)構(gòu)示意圖
（1）根據(jù)車輪的尺寸設(shè)計(jì)I-IV的直徑和長(zhǎng)度
車輪孔徑為24mm，因此dI-III=24mm，車輪的軸向定位采用右側(cè)加螺母的方式，而周向定位采用平鍵連接，根據(jù)車輪的尺寸選取LII-III=84mm，查找《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-連接件與緊固件》表2-37，選取六角螺母C級(jí)（GB/T 41-2000）M24，其主要尺寸為mmax=22.3mm，因此選取LI-II=23mm，LI-III=107mm。
考慮到車輪的左側(cè)定位，III-IV段制出軸肩，其尺寸為dIII-IV=30mm，LIII-IV=5mm。
（2）聯(lián)軸器的選取
參照步進(jìn)電機(jī)軸的尺寸，查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-軸及其連接件設(shè)計(jì)》表3-14，初步選取GY1凸緣聯(lián)軸器，其軸孔直徑為14mm，公稱轉(zhuǎn)矩為25000N·m，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1，由于轉(zhuǎn)矩變化小，因此取KA=1.3,聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
Tca=KAT=1.3×6500=8450N·mm （3-28）
計(jì)算轉(zhuǎn)矩小于公稱轉(zhuǎn)矩，因此符合條件。
（3）設(shè)計(jì)IV-V段并選擇軸承座
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定dIV-V=25mm，進(jìn)而選取軸承座，軸承座的孔徑為25mm。
（4）軸上零件的周向定位
車輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接，根據(jù)dII-III的尺寸，并查《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-連接件與緊固件》表3-4，選取平鍵的尺寸為b×h×L=8mm×7mm×36mm，鍵槽的長(zhǎng)度為40mm，車輪與軸之間的配合采用間隙配合，配合公差為H7g6；聯(lián)軸器與軸的連接，選取平鍵尺寸為b×h×L=5mm×5mm×22mm，鍵槽長(zhǎng)度為25mm，二者的配合為過(guò)渡配合，配合公差為H7k6；軸承座與軸的配合采用過(guò)度配合，其配合公差為H7m6。
（5）確定軸上倒角尺寸
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-2，取最左端倒角0.8×45°，另一個(gè)倒角1×45°。
3.9.3軸的校核
由于該軸受力比較簡(jiǎn)單，因此采用UG進(jìn)行有限元分析，軸上施加的力和約束如圖3-9所示
圖3-9 力和載荷示意圖
軸上施加的約束為圖中藍(lán)色線條，分別模擬的是軸承座和車輪的約束對(duì)軸的約束作用，施加的力為圖中的紅線箭頭部分，從左到右分別是6.5N·m的扭矩、200N的壓力（車身重量的一半）和-6.5N·m的反向扭矩。
經(jīng)處理后，得到的結(jié)果如下圖所示（變化趨勢(shì)有夸大效果）
圖3-10 最大位移
圖3-11 最大剪切應(yīng)力
圖3-12 最大主應(yīng)力
圖3-13 計(jì)算結(jié)果
由上圖可以看出，最大主應(yīng)力為23.23MPa，最大剪切應(yīng)力為16.54MPa，最大撓度為0.02019mm，以上三個(gè)數(shù)據(jù)均符合要求。
3.10本章小結(jié)
本章主要講述了撿球機(jī)各主要零部件的設(shè)計(jì)與校核，最大程度的確保了撿球機(jī)機(jī)械借結(jié)構(gòu)的可靠性，通過(guò)本章的計(jì)算，最終制作了撿球機(jī)的三維圖，并根據(jù)三維圖制作了對(duì)應(yīng)的二維圖紙。
29
4 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1行進(jìn)方案的確定
考慮到撿球機(jī)撿球效率的問(wèn)題，如果設(shè)計(jì)成，撿球機(jī)自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)球并進(jìn)行自主撿球操作，勢(shì)必大大降低撿球機(jī)的撿球速度，影響撿球效率。因此，最好的解決方案是使撿球機(jī)定路線進(jìn)行撿球。
考慮到網(wǎng)球的的布局以及網(wǎng)球的分布情況，網(wǎng)球場(chǎng)周邊的網(wǎng)球較多，因此撿球機(jī)首先需要圍繞球場(chǎng)撿球一周，剩下的路段由于網(wǎng)球分布比較稀疏，因此撿球機(jī)按照Z(yǔ)字型順序依次走完場(chǎng)地其余部分。
圖4-1 撿球機(jī)行進(jìn)路線示意圖
路線示意圖如圖所4-1示，撿球機(jī)從右上角出發(fā)，沿邊線前進(jìn)，達(dá)到球場(chǎng)另一邊界之后，為了順利轉(zhuǎn)彎并拾取邊界的網(wǎng)球，因此，撿球機(jī)需要后退一段距離，然后利用步進(jìn)電機(jī)差速控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，到達(dá)球場(chǎng)另一邊界，依次循環(huán)，直到快要達(dá)到起點(diǎn)位置，接著，撿球機(jī)轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)拾取球場(chǎng)其他位置的網(wǎng)球，沿圖中所示路線，進(jìn)行Z字型路線行進(jìn)，拐彎位置與外圍撿球路線中的后退位置基本一致，直到達(dá)到球場(chǎng)對(duì)面邊界，完成一次撿球過(guò)程。
4.2 單片機(jī)的選用
單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[17]。
單片機(jī)主要分為通用型/專用型，總線型/非總線型等。
單片機(jī)與我們生活的各個(gè)領(lǐng)域息息相關(guān)，大到導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)中各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)絡(luò)通訊及數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，小到各種智能IC卡，汽車的安全保護(hù)系統(tǒng)，錄像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及各種遙控玩具等等，都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。
單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，并且與步進(jìn)電機(jī)的配合使用十分方便，因此本次設(shè)計(jì)中撿球機(jī)的控制部分主要使用單片機(jī)進(jìn)行控制。
4.3本章小結(jié)
本章主要講述了撿球機(jī)撿球路線，以及控制系統(tǒng)的選用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了撿球機(jī)的智能化。
總結(jié)與展望
總結(jié)與展望
總結(jié)
本次設(shè)計(jì)是主要為了幫助網(wǎng)球訓(xùn)練者在進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練過(guò)程中撿取網(wǎng)球，并能夠解決現(xiàn)有產(chǎn)品中卡球、傷球的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)不斷構(gòu)思、設(shè)計(jì)與改進(jìn)，最終形成了一套結(jié)構(gòu)合理，容易實(shí)現(xiàn)的完整撿球機(jī)構(gòu)。并完成了三維模型的建造，相關(guān)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，主要零件的二維圖紙繪制等工作。
本次設(shè)計(jì)，對(duì)加深了專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)能力，加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力，完善實(shí)踐能力，有著巨大的幫助。尤其在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要不斷進(jìn)行鉆研、改進(jìn)，對(duì)耐力和毅力的鍛煉更是有非常大的幫助。
展望
（1）實(shí)物制作。由于設(shè)計(jì)時(shí)間的限制，以及精力的原因，本次設(shè)計(jì)并沒(méi)有完成事物的制作，因此，有許多潛在的需要改進(jìn)的地方無(wú)法得到考證，大部分設(shè)計(jì)只是停留在理論部分，希望今后可以有時(shí)間進(jìn)行實(shí)物制作。
（2）控制部分的具體設(shè)計(jì)。由于工作量的問(wèn)題，以及時(shí)間限制，本次設(shè)計(jì)并沒(méi)有完成控制部分的具體設(shè)計(jì)，只是具備了理論的撿球機(jī)撿球線路的設(shè)計(jì)，今后需要進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并編寫相關(guān)程序。
（3）工作方式多樣化。本次設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)撿球機(jī)手自動(dòng)一體化的設(shè)計(jì)，目前只完成了自動(dòng)撿球部分的設(shè)計(jì)，考慮到實(shí)際撿球情況，今后還需要加入手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)撿球機(jī)的更加便捷。
（4）自動(dòng)避障功能。本次設(shè)計(jì)只是讓撿球機(jī)沿指定路線進(jìn)行撿球運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際情況中必然會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，因此加入自動(dòng)避障系統(tǒng)可以在撿球機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)避免其出現(xiàn)較大損傷。
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致謝
致謝
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠圓滿結(jié)束離不開(kāi)大家的幫助，在這里感謝指導(dǎo)老師謝老師和劉老師的悉心指導(dǎo)，尤其是在課題初期方案確定時(shí)，老師的幫助彌足珍貴，同時(shí)感謝研究生們對(duì)我的幫助，大部分問(wèn)題都是在他們的幫助下解決的，感謝他們能在繁忙中抽出時(shí)間對(duì)我提供幫助，另外還要感謝各種文獻(xiàn)資料的編寫者。