网球自动捡球机设计
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分类号分类号密级密级 UDC 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 网球自动捡球机设计 学生姓名学生姓名 姜杰 学号学号 080242011013 指导教师指导教师 谢迎春 院、系、中心院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级专业年级 机械设计制造及其自动化 2011 级 论文答辩日期论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中中 国国 海海 洋洋 大大 学学 网球自动捡球机设计 完成日期: 指导教师签字: 答辩小组成员签字: I 摘 要 随着网球运动的不断普及,越来越多的网球爱好者开始投身于网球锻炼中来,而在网球训练时,网球的使用量非常大,频繁捡起随机散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作,且不是每个人都能像专业网球运动员一样拥有属于自己的球童,因此高效的自动捡球机会为训练者们提供便利,节省时间。本课题研究目的在于设计一款网球自动捡球机,使其具有高效和不遗漏的特点,并尽可能解决卡球、伤球的问题。本次设计完成了捡球机机械系统运动方案设计,零部件的设计计算和分析,以及三维图和二维图纸的绘制,最终完成了网球自动捡球机的整体机构的设计。 关键词:捡球机构;驱动系统;控制系统 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,its 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 录 1 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 本章小结 . 4 2 总体方案设计 . 5 2.1 设计要求 . 5 2.2 关键问题 . 5 2.3 方案的选择和确定 . 5 2.4 整体方案三维图 . 7 2.5 本章小结 . 8 3 机械结构及零部件的设计与校核 . 9 3.1 捡球篮的尺寸 . 9 3.2 捡球机行走速度的计算 . 10 3.3 同步带的设计 . 11 3.4 球道的设计 . 12 3.5 捡球机同步带电机的选择 . 13 3.6 同步带轴的设计与校核 . 15 3.6.1 求轴上的功率1、转速1和转矩1 . 15 3.6.2 初步确定轴的最小直径 . 16 3.6.3 轴的结构设计 . 16 3.6.4 计算轴上的载荷 . 18 3.6.5 按照弯扭合成应力校核轴的强度 . 19 3.7 车轮的选择 . 19 3.8 驱动原动机的选择 . 19 3.9 车轮轴的设计与校核 . 21 3.9.1 确定轴的最小直径 . 21 3.9.2 轴的结构设计 . 21 IV 3.9.3 轴的校核 . 22 3.10 本章小结 . 23 4 自动控制系统设计 . 24 4.1 行进方案的确定 . 24 4.2 单片机的选用 . 24 4.3 本章小结 . 25 总结与展望 . 26 总结 . 26 展望 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 29 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景 根据国际机器人联合会(International Federation of Robotics, IFR)2014 年发布的服务机器人研究报告,2013 年个人和家用服务机器人的销量在全球范围内大约为四百万台,相比 2012 年同比增长 28%,粗略统计市场规模约为 17 亿美元,据估计,未来2014 到 2017 年之间将会有 3100 万台个人服务机器人售出1。这也就意味着在服务机器人领域将会有持续而强劲的增长,服务机器人将越来越多的走进人们日常生活当中。 根据中国网球协会官方最新数据统计,到 2008 年,凭借着郑洁温网杀入四强和李娜的奥运会四强,国人网球热情空前高涨。据统计,目前中国网球人口现已经突破 900 万。而随着李娜在法网和澳网夺冠,国际女子职业网联(WTA,Womens Tennis Association)官网甚至认为,李娜的大满贯冠军将为中国增加 3 亿网球人口2。 网球作为世界第二大球类运动,正在受到越来越多人的关注和喜爱,网球爱好者在进行网球训练过程中,网球的使用数量巨大,短时间内需要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作,而每个人不会像专业运动员一样拥有自己的球童,因此网球训练亟需自动捡球机器人来辅助,为每位网球爱好者提供便利,节省时间。 1.2 国内外研究现状 目前市场上的网球捡球机构比较少,较为经济、方便的网球捡球机构大多以人工操作为主。 网球筐是目前市场上最为常见的产品方案,如图 1-1,1-2 所示,其工作原理很简单,用力下压将球挤进球篮里,球篮网格的尺寸相比网球略小,保证网球进入球篮之后不会掉落,同时在不捡球时,可以将支架倒转使其站立,辅助网球训练,其结构简单,操作方便,价格便宜。 中国海洋大学本科毕业设计 2 另外一种与网球篮的工作原理比较相似的网球捡球机构是网球筒,如图 1-3、1-4所示3,其结构相比网球篮更加简单,主要由球筒、手柄和收球部分组成。挤压将球收进球筒之后,单向通过的收球装置,保证网球不会掉落。 以上两种捡球机构的主要优势是结构简单,造价低,使用方便,但也存在较多的缺点,捡球过程中对网球的损伤较大,且容易卡球,需要人工寻找并对准网球,效率低,且一次只能捡一个球,同时网球筒一次捡球数量很小,当网球数量较多时,捡球难度会大大增加。 综合来看,网球篮和网球筒相对比较原始,由于成本低,适用于网球较少的训练场景,但是与今后网球捡球机构的发展趋势不符,具有明显的局限性。 图 1-1 网球篮 图 1-2 网球篮 图 1-3 网球筒 图 1-4 网球筒 1 绪论 3 目前市场上还出现了一类手推式网球捡球车,如图 1-5 所示。这种捡球机的主要特点是:可伸缩球篮架,可循环换篮,拾球数量没有限制;轮子采用高级耐磨 PU 材料,不伤网球场;捡球直径可以达到 100cm4。 其主要工作原理是人推动小车前进,球顺着球道进入轮子之间,轮子的摩擦力将球夹住,带入球篮之中,这种捡球车页存在不少的缺点:需要人工操作,捡球过程容易对球产生损伤,且价格偏高,普通人消费不起。 国外的与网球捡球机的研究也并不是很多,可以找到的研究基本都是设计专利,如图 1-6,1-7 所示5,6。 其中,图 1-6 是一款与网球篮相似的网球捡球机构,使用时操作者握住手柄,推动捡球机前进, 同时将球卡进中间的球篮, 其结构同样简单, 但是效率低下, 且容易漏球。 图 1-5 波力网球捡球机 SS-401 图 1-6 国外网球捡球机专利 图 1-7 国外网球捡球机专利 中国海洋大学本科毕业设计 4 图 1-7 是一款自动网球捡球机,这款网球捡球机基本实现了全自动捡网球,其主要捡球原理是:捡球机在前进过程中,网球累积在挡板上,挡板运动将球抬升进入后面的球筐里。这款网球捡球机存在着明显的设计缺陷,因为在捡球过程中必然会出现网球停在挡板下方的情况,这会导致捡球机被卡住的情况,进而造成电机烧毁等严重后果。 1.3 本章小结 本章主要讲述了文献检索之后的主要成果,对现有的捡球机机构进行查阅、分析,对目前存在的捡球机主要工作原理有了比较详细的了解,有助拓宽视野,发散思维,同时比较各种捡球方式的优缺点,利于之后的捡球机构的设计。 2 总体方案设计 5 2 总体方案设计 2.1 设计要求 本课题的主要设计要求是设计一款高效的网球自动捡球机, 尽可能解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象,并使其具有无遗漏的特点。 其主要设计参数如表 2-1 所示 表 2-1 设计参数表 项目 指标 1.一次捡球数量/个 100 2.一次捡球周期/min 1000 2.2 关键问题 (1) 捡球方式的选择; (2) 传动方式的选择; (3) 行走速度分析; (4) 球道数选择。 2.3 方案的选择和确定 针对本课题,经过一段时间的查找资料,参考现有的相关设计,首先提出的方案是利用智能机械手臂实现捡球动作,这种方案虽然原理简单,但是实现起来比较困难,对系统控制的要求高,机械结构的精度要求更高,且一次只能捡起一个球,效率很低,高额的成本也导致这种方案不适用于普通的网球训练,因此机械手臂的方案得到否定。 其次提出的捡球机构方案如下图 2-1 所示,其主要原理为:捡球机采用后轮驱动的方式,两个后轮分别用步进电机控制,便于控制车速,通过差速实现拐弯作业,前轮由轮轴连接,在捡球车前进过程中,后轮驱动前轮转动,前轮轴上的同步带,可以带动扇叶转动,扇叶转动将到达车前的网球拨入后置的球篮里。 中国海洋大学本科毕业设计 6 针对此方案,进行了初步的设计与计算,并绘制了三维图,如图 2-2 所示,手柄设计的出发点是手自一体化,首先设计的是手动式,因此起初设计时并没有将后轮的步进电机加进去。 此设计方案,设计过程中,也发现不少问题: (1)转弯问题。起初在考虑后轮驱动,通过变速转弯时,没有考虑前轮的转弯问题,由于两个前轮通过一根轮轴连接,因此当后轮差速拐弯时,前轮没办法同时跟着后轮转动, 前轮的运动变成侧向滑动, 摩擦力大, 轻则损伤车轮, 重则无法拐弯烧毁电机。 (2)捡球数量问题。由于捡球机构的限制,捡网球过程中网球的抬升高度无法很高,且为了提升装球数量,不得不把球篮做成斜坡形式,导致后面球篮很小,可以装球的数量无法达到预期的 100 个。且网球提升过程中由于斜坡短,提升速度较快,网球可能飞出去。 由于各种缺点,此方案也得到了否定。 最终,提出的设计方案如图 2-3 所示,其主要工作原理为:由电机驱动,通过三个图 2-1 扇叶式捡球机构原理图 图 2-2 扇叶式捡球机 2 总体方案设计 7 图 2-3 同步带加拨板原理图 大小相同的同步带带轮带动同步带转动,在捡球机前进过程中,同步带上的拨板将网球沿斜坡送入后置的球篮之中。 1网球;2球道;3同步带带轮;4拨板;5同步带 本方案的设计由方案二演变而来,两个同步带轮被三个同步带轮所替换,带拨板的同步带替代了扇叶, 使用电机带动同步带的主要目的是提高球道的高度, 提高装球数量。 相比前两种方案,本方案的优点是:结构相对简单,制造难度低;不会出现卡球、伤球的现象;可盛装网球数量大,可以满足捡球要求。 2.4 整体方案三维图 经过不断地设计计算,选取相应的标准零部件,并进行其余零部件的设计绘图,最终得到捡球机的总体装配图如图 2-4 所示。 从图中可以看出,车身前面的小车轮加支架为捡球机的收集装置,在捡球机前进过程中最大限度的收集网球,并将球引导进入球道,同时很好的避免了球在进入球道之前四处乱窜和不进入球道的问题,收集装置前方的车轮主要起导向作用,同时支撑收集装置支架,避免其发生形变。 1 3 2 4 5 中国海洋大学本科毕业设计 8 图 2-4 整体方案三维建模 2.5 本章小结 本章主要讲述的是捡球机捡球方案的确定过程,经过不断地设计筛选,最终确定了一套相对合理,缺点少,易于实现的方案,为捡球机整体设计奠定了基础。 3 机械结构及零部件的设计与校核 9 3 机械结构及零部件的设计与校核 3.1 捡球篮的尺寸 根据设计参数要求:一次捡球数量 100个。按照标准网球的直径要求65.41mm d 68.58mm进行设计计算,理想状况下,盛放 100 个网球所需要的最小容积为 =43 (2)3 =43 (65.411032)3 100 = 0.01463 (3-1) 而盛放 100 个网球所需要的最大容积为 = 3 = (68.58 103)3 100 = 0.03233 (3-2) 式中,V捡球机捡球篮的容积,3; 单个网球的最大直径,m; 单个网球的最小直径,m; n捡球篮所装网球的数量,个。 因此捡球篮的容积 V 需要满足的理论条件为: V 100个,因此捡球篮的实际体积应该大于最大容积,参考球道以及捡球车整体机架结构的设计,确定捡球筐的内部容积基本尺寸为0.3 0.4 0.3m,分别为长,宽,高。 验算捡球篮能否满足一次捡球,可装球 100 个以上,实际捡球篮的容积为 V = abh = 0.3 0.4 0.3 = 0.0363 0.03233 (3-3) 式中,V捡球篮的实际容积,3; a捡球篮的内部长度,m; b捡球篮的内部宽度,m; h捡球篮的内部高度,m。 因此满足条件,可以使用。 创建捡球篮的三维图如图 3-1,3-2 所示,其中图 3-1 为捡球篮的整体三维图,图 3-2 为捡球篮顶部挂钩特写,考虑到捡球机捡球之后取球的便利,决定在捡球篮中放置球网,因此挂钩的作用为固定球网,同时利于球网的取出。 中国海洋大学本科毕业设计 10 图 3-1 捡球篮三维图 图 3-2 捡球篮特写 3.2 捡球机行走速度的计算 标准网球场地的尺寸如图 3-3 所示,由图中可以看出网球场的赛场尺寸23.77m 8.23m, 而球场的总体尺寸为36.57m 18.27m, 根据设计参数的要求一次捡球所需时间为10min,考虑到直线行走的速度会比转弯时的速度快,所以可以假定捡球机覆盖全场的直线距离行走时间为5min,按照设计参数要求,捡球机捡球范围 1000mm,假定其所覆盖的捡球范围就是1000mm,则粗略估计捡球机的行走速度为: v =18.2756036.571 2.23/ (3-4) 图 3-3 标准网球场地(单位:mm) 式中,v捡球机的行走速度,m/s; b网球场地的宽度,m; t捡球机走完覆盖全场直线距离所需时间,s; n网球场地的长度,m; 3 机械结构及零部件的设计与校核 11 l捡球机捡球的宽度,m。 考虑到实际情况,将捡球机的行走速度初步设定为2.3m/s。 3.3 同步带的设计 考虑到标准网球的最大直径68.58mm,因此球道的宽度 68.58,根据现代机械设计手册 (单行本) 机械传动设计 表 1-897, 选取带宽代号 300, 带宽76.2mm,选取带型 H,查表 1-87,得知同步带的节距12.7mm,考虑到每秒钟遇到的球的数量约为三个, 三个球在同一个球道的概率虽然很小但是需要考虑, 三个网球的最大的宽度为3 68.58mm = 205.74mm, 因此设定同步带上拨板的距离为250mm, 设定同步带的带速为250mm/s。 考虑到实际情况,本次设计选取的同步带是三个大小相同的同步带轮,按照要求带轮齿数z (带轮最小齿数) , 参照表 1-92, 假定带轮转速1 900/,得知 H 型带的最低齿数要求为 14, 而在带速和安装尺寸允许的情况下, 带轮齿数可以尽可能选取较大值, 因此参照表 1-104, 选取带轮齿z = 20, 节径d = 80.85mm, 外径0= 79.48。 验算带轮选择是否合理,按照选定齿数进行计算转速 1=2506080.85= 59.09/ 2+ l =80.852+ 100 = 140.43 (3-6) 式中,1同步带带轮的高度,mm; 中国海洋大学本科毕业设计 12 d同步带带轮的节径,mm; l同步带拨板的长度,mm。 考虑到实际情况,同步带带厚等因素,取同步带最低带轮的高度为150mm。 3.4 球道的设计 按照设计参数设定, 一次捡球数量 100 个, 假定网球练习者一次练习, 发球数量 100个,考虑到实际情况,网前和边线处网球数量相对集中,在多数球过网的情况下,分布在边线处的网球数量相对更高,因此假定边线附近区域(2m 18.27m范围内)网球的数量为 40 个,网前(4m 18.27m)的数量为 20 个,其余 40 个网球随机分布在网球场地的其他区域。 设定网球捡球机的捡球宽度为1m, 则捡球机在单位时间里遇到网球的数量为(按照网球最密集区域进行计算) = =40218.27 2.3 1 = 2.52个/ (3-7) 式中,捡球机在单位时间里遇到网球的数量,个/s; 区域内网球的数量,个; A该区域的面积,2; v捡球机的行走速度,m/s; d捡球机的捡球宽度,m。 根据上式计算的结果, 得到单位时间里捡球的个数, 因此设定捡球机的球道数为 3。 考虑到拨板的宽度为 76.2mm,以及安装偏差问题,设定球道的宽度为 77mm,球道的高度设定主要与捡球篮的高度以及捡球机主体部分与地面高度相关, 其相关的尺寸在二维图纸有详细表示,在这里不做赘述。 其最终的三维建模如图 3-4,3-5 所示,其中图 3-4 是球道的主体结构示意图,图 3-5 是球道的固定装置的特写,由于球道为悬空状态,因此将其固定在捡球篮上,起到固定和支撑的作用。 3 机械结构及零部件的设计与校核 13 图 3-4 球道三维图 图 3-5 球道特写 3.5 捡球机同步带电机的选择 首先确定捡球机同步带的负载,其只要负载特性如下: 网球的重量。设计所得的球道的长度约为470mm,考虑到单个网球的最大直径68.58mm,拨板的厚度5mm,以及拨板之间的距离250mm,因此同时最多存在两个拨板在球道上方,球道上最多存在1= 6个网球,单个网球的最大重量1= 58.5; 同步带的重量。同步带型号 H,采取最常用材料,其密度为2= 0.448/,同步带的总长2= 1464.64,同步带的数量为2= 3条。同步带上的拨板材料与同步带材料相同,每条同步带拨板的数量为3= 6个,因此拨板的总长度为3= 6 0.1 3 =1.8。 同步带轮的质量。同步带轮的材料是尼龙,使用 SolidWorks 软件赋予模型尼龙材料,计算得到带轮的重量为4= 373/个,带轮的个数为4= 9个。 根据公式计算同步带的负载为 m = 1 1+ 2 2 2+ 2 3 3+ 4 4= 10.78 (3-8) 同步带的速度为v = 0.25m/s,因此可以求得电机的功率为 P = Fv = 10.78 9.8 0.25 = 26.41W (3-9) 中国海洋大学本科毕业设计 14 式中,P电动机的有效功率,W; F电动机上作用的力,N; v电动机的线速度。 因此,电动机的总功率0为 0= (3-10) 式中,电机的机械效率。 根据角速度和线速度的关系式v = r,推导得到带轮的角速度为 =0.2580.852103 6.18/ (3-11) 式中,同步带带轮的角速度,rad/s; r同步带带轮的节径,m。 而同步带带轮的转速为59.09r/min 60r/min,假设带轮在 0.1s 时间内加速到60r/min的角速度,则可以计算得到轴的角加速度为 =6.1800.10= 61.8/2 (3-12) 在这里可以将同步带带轮看成圆柱体,则可以计算得到扭矩为 M = J =22 式中,M带轮的扭矩,N m; J带轮的转动惯量,kg 2; 带轮的角加速度,rad/2。 由此可以得到每个带轮的扭矩为 1=22 =0.3730.04042522 61.8 = 0.019 (3-13) 带轮的总扭矩为M = 1 3 3 = 0.019 3 3 = 0.171 由上述计算结果可知,所选电机的基本参数需为:转速60r/min,扭矩0.171N m,经过不断地筛选,最终选定东莞市威邦机电有限公司生产的直流电机,所选电机的型号为:4D40-24,其主要参数如表 3-1 所示8 表 3-1 直流电机主要参数 额定电压/V 额定功率/W 空载转速/(r/min) 空载电流/A 额 定 转 速/( r/min) 额定转矩/(kg cm) 额定电流/A 马达重量/kg 24 40 3100 0.8 3000 1.3 2.1 1.8 3 机械结构及零部件的设计与校核 15 齿轮箱的主要参数如表 3-2 所示 表 3-2 齿轮箱参数表 减速比 3 3.6 5 6 7.5 9 10 12.5 输出轴转速 r/min 1033 861 620 517 413 344 310 248 允许力矩 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 减速比 18 20 25 30 36 40 50 60 输出轴转速 r/min 172 155 124 103 86 78 62 52 允许力矩 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,选择减速比为 50 的齿轮箱。 电池的选择,经过市场调查,最终选定玮孚24V,4Ah锂电池9,其主要参数如表3-3 所示 表 3-3 电池主要参数 电压容量 重量/kg 电压范围 24V 4Ah 0.7 20V-29.2V 电芯 放电接头 充电接头 18650 动力锂电芯 T 型放电母头 DC 工业母头 3.6 同步带轴的设计与校核 已知电机的功率为 40w,额定转速为3000r/min,经齿轮箱减速后,额定转速为62r/min。 3.6.1 求轴上的功率、转速和转矩 同步带轴与电机通过联轴器连接,其传动效率为 = 0.98,则 1= = 40 0.98 = 39.2 (3-14) 已知转速1= 62/,于是 3= 9550000 11= 9550000 0.039262 6038.064 (3-15) 中国海洋大学本科毕业设计 16 3.6.2 初步确定轴的最小直径 根据公式,轴的扭转强度条件为 =0.23 (3-16) 式中,扭转切应力,MPa; T轴所受到的扭矩,N mm; 轴的抗扭截面系数,3; 许用扭转切应力,MPa。 选取轴的材料为 45 钢,调质处理,根据机械设计表 15-310,取0= 112,于是可以得到 = 0113= 112 0.0392623= 9.61 (3-17) 由于轴与轴承和联轴器直接连接,因此轴的最小直径为轴承与联轴器的直径,为了使所选的轴的直径III与联轴器和轴承孔径大小相适应,故需要同时选取联轴器的型号。 联轴器的计算转矩= 1,查机械设计表 14-1,由于转矩变化很小,故取= 1.3,于是 = 1= 1.3 6038.064 = 7849.48 (3-18) 按照规定,计算转矩应该小于联轴器的公称转矩,根据所选的电机输出轴径12mm,查现代机械设计手册-轴及其连接件设计表 3-1411,选取 GY1 凸缘联轴器,其公称转矩为25000N m。联轴器的孔径I= 12,故取III= 12,联轴器的外围直径为D = 80mm,联轴器与轴配合的毂孔的长度1= 32。 3.6.3 轴的结构设计 根据轴的结构工艺性要求,轴的结构越简单越好,在满足使用要求的前提下,尽可能地简化轴的结构。初定轴的结构如图 3-6 所示 图 3-6 轴的结构示意图 (1)轴上零件的装配方案 I II III IV V VI VII 3 机械结构及零部件的设计与校核 17 由于轴上的零件的选取均是根据实际情况来定的,同步带轮的大小相同,考虑到带轮的安装问题,主要的轴向定位都是通过套筒实现。 (2)根据轴向定位的要求来确定轴的各段的直径和长度 1)为了满足联轴器的轴向定位要求,故 I-II 的直径III= 12,长度为III=33;根据同步带轴径的大小15.9mm,轴承尺寸的限制,故 II-III 段无法做出轴肩,因此 II-III 段使用套筒进行轴向定位,其直径大小为IIIII= 12,其长度为(即套筒的长度)IIIII= 21.4。 3)轴承的选择。轴承主要受到径向力的作用,故选用深沟球轴承,参照工作要求并根据IIIII= 12,查现代机械设计手册-轴承表 5-212,选取标准精度等级的深沟球轴承 61801, 其尺寸为d D B = 12mm 21mm 5mm, 最左侧同样选取深沟球轴承 61801。 4)III-IV 的长度主要由轴承端盖,轴承,套筒的长度之和决定,轴承端盖的厚度为5mm,轴承宽为5mm,套筒长18.1mm,因此IIIIV= 28.1,IIIIV= 12。 5)为了满足同步带轮的轴向定位要求,将 IV-V 段制出一轴肩,由于同步带轮小径为15.9mm,因此取IVV= 20。 6)V-VI 段的尺寸完全由同步带轮的尺寸决定,根据同步带带轮小径15.9mm,取VVI= 15.9,由于球道宽度的限制,带轮之间需要加厚垫片进行轴向定位,套筒的宽度为5.8, 同步带带轮的宽度为76.2, 因此 V-VI 段的长度为VVI= 76.2 3 +5.8 2 = 240.2。 至此,已初步确定了轴的各段直径和长度。 (3)轴上零件的周向定位 同步带轮、联轴器与轴的周向定位均采用普通平键连接。同步带带轮与轴配合的键的选取, 查 现代机械设计手册-连接件与紧固件 表3-413, 查得平键截面b h = 5mm 5mm,键槽用键槽铣刀加工,长度为36,考虑到同步带带轮的安装问题,同步带轮与轴之间的配合采用间隙配合,配合公差为76;联轴器与轴的连接选取方法相同,选取的平键的尺寸4mm 4mm 22mm, 键槽的长度为22mm, 联轴器与轴的配合采用过渡配合,配合公差为76;滚动轴承与轴的周向定位通过过渡配合来实现,选取轴的直径尺寸公差为m6。 (4)确定轴上的倒角尺寸 中国海洋大学本科毕业设计 18 参照机械设计表 15-2,取轴端倒角0.8mm。 3.6.4 计算轴上的载荷 首先根据轴的结构, 绘制轴的计算简图, 由手册查得深沟球轴承 61801, a = 2.5mm,因此作为简支梁的轴的支撑跨距为L = 342.7mm。根据轴的计算简图绘制出轴的弯矩图和扭矩图如图 3-7 所示。 从弯矩图和扭矩图可以看出截面 C 为轴的危险截面, 计算得到截面 C 的弯矩和扭矩值列入表 3-4。 表 3-4 弯矩、扭矩计算值 载荷 数值 支反力 F 1= 2= 12.06 弯矩 M M = 1033.24N mm 扭矩 T T = 283.78N mm M T 1 2 G M T 扭矩 T 图 3-7 轴的载荷分析图 A B C D E 3 机械结构及零部件的设计与校核 19 3.6.5 按照弯扭合成应力校核轴的强度 校核危险截面 C 的强度,根据机械设计式 15-5 以及上表的的数据,已知轴单向旋转,扭转切应力为脉动循环变应力,因此取 = 0.6,根据表 15-4,危险截面是带键槽的截面,因此 W =332()22=15.933253(15.93)2215.9 315.943 (3-19) 轴的计算应力为 =2+()2=1033.242+(0.6283.78)2315.94= 3.31MPa (3-20) 所选轴的材料为 45 钢, 调质处理, 由 机械设计 表 15-1,查得1 = 60MPa,1,所以安全。 3.7 车轮的选择 本次设计的网球捡球机的驱动方式为后轮驱动,分别使用两个步进电机进行控制,前轮采用两只万向轮进行导向。 前轮的万向轮采用市场上最常见的普通万向轮,经过筛选,最终选取的是申牌 3 寸脚轮14,其主要参数如下表所示 表 3-5 万向轮参数 轮子直径 mm:75(3 寸) 轮面宽度 mm:30 安装高度 mm:108 单轮承载 kg:105 底板规格 mm:92*64 安装孔距 mm:75*45 安装孔径 mm:9 轮子轴承:一体轴承 后轮的选择,经过一番市场筛选,最终决定选择的轮子为 PU 发泡轮,由青岛润达专用车辆有限公司生产销售的 10 寸 PU 发泡轮,型号 10X3.50-4,材质为聚氨酯,直径 250mm,质量 1kg15。 3.8 驱动原动机的选择 考虑到捡球机的转弯问题,因此选定的电机必须是可以进行控制的,因此捡球机的驱动系统选择的电机为步进电机。 中国海洋大学本科毕业设计 20 电机轴的转矩主要是车轮与地面的摩擦转矩,摩擦转矩主要与轮胎和地面的滚动摩擦系数以及整车的重量有关,查得轮胎与地面的滚动摩擦系数为 = 5mm,而整车的质量主要包含捡球机构、同步带电机、支架(包括收集装置) 、电池、万向轮、驱动轮、驱动电机以及 100 个网球等的质量,假设步进电机的重量为 2kg,则整车质量为 m = 10.78 + 1.8 + 8 + 0.7 3 + 0.105 2 + 1 2 + 2 2 + 0.057 100 =34.59 40kg (3-21) 整车的行进速度为v = 2.3m/s,根据公式v = r,可以求得车轮转动的角速度为 =2.30.125= 18.4/ (3-22) 进而求得转速为 n =2=18.4602= 175/ (3-23) 则摩擦转矩为 M = m = 0.005 40 = 2N m (3-24) 考虑到其他损失的功率,取机械效率 = 0.9,驱动电机的功率为 P =218.40.9= 40.89 (3-25) 经过筛选,最终选择常州康达通用电气有限公司生产的 86 精密行星减速步进电机16,其主要工作环境如下表所示 表 3-6 步进电机工作环境表 项目 规范 温升 80 max 环境温度 -20-+50 绝缘强度 100min,500V DC 介电强度 500V AC 1 分钟 回转间隙 25acrmin 主要技术参数为 表 3-7 步进电机工作参数表 电机型号 步距角/ 相电流/A 保持力矩/kg cm 引线数/条 电机重量/kg 85-H250B99 1.8 4 65 4 3.5 因此减速比为 5。 3 机械结构及零部件的设计与校核 21 3.9 车轮轴的设计与校核 已知步进电机的保持力矩为6.5N m。 3.9.1 确定轴的最小直径 根据机械设计手册新编软件版 ,轴的最小直径计算公式 = 53 (3-26) 式中,T轴传递的额定转矩,N mm; 轴的许用剪应力。 选取轴的材料为 45 钢,调质处理,根据机械设计表 15-3,选取 =35,于是 = 53= 56.51000353= 9.76 (3-27) 3.9.2 轴的结构设计 初步确定后车轮轴的结构如图 3-8 所示。 图 3-8 后车轮轴结构示意图 (1)根据车轮的尺寸设计 I-IV 的直径和长度 车轮孔径为24mm,因此IIII= 24,车轮的轴向定位采用右侧加螺母的方式,而周向定位采用平键连接,根据车轮的尺寸选取IIIII= 84,查找现代机械设计手册-连接件与紧固件表 2-37,选取六角螺母 C 级(GB/T 41-2000)M24,其主要尺寸为= 22.3mm,因此选取III= 23,IIII= 107。 考虑到车轮的左侧定位,III-IV 段制出轴肩,其尺寸为IIIIV= 30,IIIIV=5。 (2)联轴器的选取 参照步进电机轴的尺寸,查找机械设计手册-轴及其连接件设计表 3-14,初步I II III IV V VI 中国海洋大学本科毕业设计 22 选取 GY1 凸缘联轴器,其轴孔直径为14,公称转矩为25000N m,查机械设计表 14-1,由于转矩变化小,因此取= 1.3,联轴器的计算转矩为 = = 1.3 6500 = 8450 (3-28) 计算转矩小于公称转矩,因此符合条件。 (3)设计 IV-V 段并选择轴承座 根据经验设定IVV= 25,进而选取轴承座,轴承座的孔径为25。 (4)轴上零件的周向定位 车轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接,根据IIIII的尺寸,并查现代机械设计手册-连接件与紧固件表 3-4,选取平键的尺寸为b h L = 8mm 7mm 36mm,键槽的长度为40mm,车轮与轴之间的配合采用间隙配合,配合公差为76;联轴器与轴的连接,选取平键尺寸为b h L = 5mm 5mm 22mm,键槽长度为25mm,二者的配合为过渡配合,配合公差为76;轴承座与轴的配合采用过度配合,其配合公差为76。 (5)确定轴上倒角尺寸 查机械设计表 15-2,取最左端倒角0.8 45,另一个倒角1 45。 3.9.3 轴的校核 由于该轴受力比较简单,因此采用 UG 进行有限元分析,轴上施加的力和约束如图 3-9 所示 图 3-9 力和载荷示意图 轴上施加的约束为图中蓝色线条, 分别模拟的是轴承座和车轮的约束对轴的约束作用, 施加的力为图中的红线箭头部分, 从左到右分别是6.5N m的扭矩、 200N的压力 (车身重量的一半)和6.5N m的反向扭矩。 经处理后,得到的结果如下图所示(变化趋势有夸大效果) 3 机械结构及零部件的设计与校核 23 图 3-10 最大位移 图 3-11 最大剪切应力 图 3-12 最大主应力 图 3-13 计算结果 由上图可以看出, 最大主应力为23.23MPa, 最大剪切应力为16.54MPa, 最大挠度为0.02019mm,以上三个数据均符合要求。 3.10 本章小结 本章主要讲述了捡球机各主要零部件的设计与校核, 最大程度的确保了捡球机机械借结构的可靠性,通过本章的计算,最终制作了捡球机的三维图,并根据三维图制作了对应的二维图纸。 中国海洋大学本科毕业设计 24 4 自动控制系统设计 4.1 行进方案的确定 考虑到捡球机捡球效率的问题,如果设计成,捡球机自动识别网球并进行自主捡球操作,势必大大降低捡球机的捡球速度,影响捡球效率。因此,最好的解决方案是使捡球机定路线进行捡球。 考虑到网球的的布局以及网球的分布情况,网球场周边的网球较多,因此捡球机首先需要围绕球场捡球一周,剩下的路段由于网球分布比较稀疏,因此捡球机按照 Z字型顺序依次走完场地其余部分。 图 4-1 捡球机行进路线示意图 路线示意图如图所 4-1 示,捡球机从右上角出发,沿边线前进,达到球场另一边界之后,为了顺利转弯并拾取边界的网球,因此,捡球机需要后退一段距离,然后利用步进电机差速控制实现转弯,到达球场另一边界,依次循环,直到快要达到起点位置,接着,捡球机转弯,继续拾取球场其他位置的网球,沿图中所示路线,进行 Z 字型路线行进,拐弯位置与外围捡球路线中的后退位置基本一致,直到达到球场对面边界,完成一次捡球过程。 4.2 单片机的选用 单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口4 自动控制系统设计 25 和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用17。 单片机主要分为通用型/专用型,总线型/非总线型等。 单片机与我们生活的各个领域息息相关,大到导弹的导航装置,飞机中各种仪表的控制,计算机中的网络通讯及数据传输,工业自动化过程的实时监控,小到各种智能 IC卡,汽车的安全保护系统,录像机、全自动洗衣机的控制,以及各种遥控玩具等等,都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便等优点,并且与步进电机的配合使用十分方便, 因此本次设计中捡球机的控制部分主要使用单片机进行控制。 4.3 本章小结 本章主要讲述了捡球机捡球路线,以及控制系统的选用问题,实现了捡球机的智能化。 中国海洋大学本科毕业设计 26 总结与展望 总结 本次设计是主要为了帮助网球训练者在进行网球训练过程中捡取网球, 并能够解决现有产品中卡球、 伤球的问题, 经过不断构思、 设计与改进, 最终形成了一套结构合理,容易实现的完整捡球机构。并完成了三维模型的建造,相关零件的设计计算,主要零件的二维图纸绘制等工作。 本次设计,对加深了专业知识的系统性认识,提高机械设计能力,加强自主学习能力,完善实践能力,有着巨大的帮助。尤其在设计过程中,需要不断进行钻研、改进,对耐力和毅力的锻炼更是有非常大的帮助。 展望 (1)实物制作。由于设计时间的限制,以及精力的原因,本次设计并没有完成事物的制作,因此,有许多潜在的需要改进的地方无法得到考证,大部分设计只是停留在理论部分,希望今后可以有时间进行实物制作。 (2)控制部分的具体设计。由于工作量的问题,以及时间限制,本次设计并没有完成控制部分的具体设计,只是具备了理论的捡球机捡球线路的设计,今后需要进行单片机相关知识的学习,并编写相关程序。 (3) 工作方式多样化。 本次设计出发点是实现捡球机手自动一体化的设计, 目前只完成了自动捡球部分的设计,考虑到实际捡球情况,今后还需要加入手动控制,实现捡球机的更加便捷。 (4) 自动避障功能。 本次设计只是让捡球机沿指定路线进行捡球运动, 但实际情况中必然会出现差错, 因此加入自动避障系统可以在捡球机出现问题时避免其出现较大损伤。 参考文献 27 参考文献 1 IFR 发布 2014 服务机器人研究报告: 市场上升去世明显 EB/OL. http:/www.roboti 2014 2 张永刚. 中国网球运动与捷克网球运动发展的对比研究 J. 世界体育, 2015, 5(01): 11-12 3 韩良, 王德彬, 龚焕. 智能网球车的研制 J. 机电技术, 2011, 2: 49-54 4 Bonny波力网球捡球机SS-401 EB/OL. http:/ 2015 5 Ball-picking Device P. US:US 006481768B1, Nov.19, 2002 6 Tennis Ball Pick-up Cart P. US:US 20140294547A1, Oct.2, 2014 7 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册(单行本)机械传动设计 M. 北京:化学工业出版社, 2013: 55-67 8 东莞市威邦机电有限公司 EB/OL. http:/www.dg- l/?110, 2015 9 玮孚 24V4Ah 电动车锂电池 EB/OL. http:/ 4.1.AICHSX&id=18824212360&cm_id=140105335569ed55e27b&abbucket=2, 2015 10 濮良贵, 纪名刚, 陈国定等. 机械设计 M. 第八版, 北京: 高等教育出版社, 2006: 370 11 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册(单行本)轴及其连接件 M. 北京: 化学工业出版社, 2013: 55 12 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册(单行本)轴承 M. 北京: 化学工业出版社, 2013: 109 13 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册(单行本)连接件与紧固件 M. 北京: 化学工业出版社, 2013: 185-186 14 欧太力旗舰店 EB/OL. http:/ L&id=40448749447&cm_id=140105335569ed55e27b&abbucket=2, 2015 15 青岛润达专用车辆有限公司 EB/OL. http:/ tml?spm=a2615.2177701.0.0.SZbwgg, 2015 16 常州康达通用电气有限公司 EB/OL. http:/www.kde- 中国海洋大学本科毕业设计 28 2015 17 单片机 EB/OL. http:/ Y87MZFIor8nXxVkzRIweSLJhdjsdrSpcg8fe0FWtBmKQGjK0BdCzP_6RXKjK, 2015 致谢 29 致谢 本次毕业设计能够圆满结束离不开大家的帮助, 在这里感谢指导老师谢老师和刘老师的悉心指导,尤其是在课题初期方案确定时,老师的帮助弥足珍贵,同时感谢研究生们对我的帮助,大部分问题都是在他们的帮助下解决的,感谢他们能在繁忙中抽出时间对我提供帮助,另外还要感谢各种文献资料的编写者。
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