周俊華，李旭榮

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

1 引 言

乒乓球發(fā)球機(jī)主要用于乒乓球運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練，以前運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)都需兩個(gè)人一組，一個(gè)人訓(xùn)練就需另外的人來(lái)配合。而發(fā)球機(jī)的出現(xiàn)則很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，可讓一人單獨(dú)練習(xí)，提高訓(xùn)練效率，同時(shí)設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)發(fā)球機(jī)的精心設(shè)計(jì)，也可使發(fā)球機(jī)發(fā)出來(lái)的球接近真實(shí)比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球，來(lái)提高訓(xùn)練質(zhì)量，從而達(dá)到很好的訓(xùn)練效果[1]。

實(shí)際運(yùn)動(dòng)中乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)受到很多因素的影響如空氣阻力；揮拍的角度、力度；拍子的運(yùn)動(dòng)方式等等。因此模擬以上的出各種情況下乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡。本次研究是在ADAMS中為一種乒乓球發(fā)球機(jī)做動(dòng)態(tài)仿真分析，通過(guò)分析各個(gè)球的運(yùn)動(dòng)方式和軌跡來(lái)驗(yàn)證該發(fā)球機(jī)的可行性，用虛擬樣機(jī)模型代替物理模型進(jìn)行試驗(yàn)，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率[2]。

2 虛擬樣機(jī)建模過(guò)程

由于ADAMS建模的局限性，先在Pro/E中完成發(fā)球機(jī)主要部件的建模，如圖1～6所示。然后分別另存為后綴名為x_t的文檔，再導(dǎo)入ADAMS中，并將發(fā)球機(jī)各部件按圖7所示位置放好。最后放置乒乓球臺(tái)整體效果如圖8所示。

圖1 發(fā)球機(jī)主體 圖2 推桿 圖3 后支架

圖4 連桿 圖5 底座 圖6 前支架

圖7 發(fā)球機(jī)虛擬樣機(jī)模型

圖8 整體效果圖

3 添加約束和驅(qū)動(dòng)

(1) 在前支架和發(fā)球機(jī)主體之間添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)軸為Y，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：180.0d * time

(2) 在后支架和發(fā)球機(jī)主體之間添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)軸為Z，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：-10.0d *sin(time)

(3) 在后支架和中間桿之間添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)軸為Y，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：20d *sin (0.5*time)

(4) 在中間桿和底座之間添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)軸為X，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：15d *sin( time)

(5) 將安裝好的發(fā)球機(jī)底座和乒乓球桌都固定在大地上。

(6) 在發(fā)球機(jī)主體和推桿之間添加滑移副，移動(dòng)方向?yàn)閄，并添加滑移驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：

step(time,0,50,0.1,-80)+step(time,0.6,-80,2.6,50)+step(time,2.6,50,2.7,-80)

+step(time,3.2,-80,5.2,50)+step(time,5.2,50,5.3,-80)+step(time,5.8,-80,7.8,50)

+step(time,7.8,50,7.9,-80)+step(time,8.4,-80,10.4,50)

+step(time,10.4,50,10.5,-80)

(7) 在前支架上新建一個(gè)球體(摩擦球)并在球體上打一個(gè)洞為方便觀察球體的轉(zhuǎn)動(dòng)，使之有一小部分進(jìn)入發(fā)球機(jī)主體的乒乓球彈射管道內(nèi)，能夠與乒乓球接觸，給與乒乓球旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。在摩擦球與前支架之間添加旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)軸為Z，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)為：360d * time

(8) 在發(fā)球機(jī)儲(chǔ)球漏斗處創(chuàng)建四個(gè)乒乓球，并給每一個(gè)球依次與以下幾個(gè)構(gòu)建間添加接觸約束，發(fā)球機(jī)主體、推桿、摩擦球、乒乓球桌，同時(shí)每一個(gè)球體相互之間也要添加接觸約束。接觸約束的主要參數(shù)如下：NORMAL FORCE:IMPACT,STIFFNESS:1.0E+005，F(xiàn)ORCE EXPONENT:2.2，DAMPING:10.0,PENETRATION DEPTH:0.1,FRICTION FORCE:NONE.。

4 仿真結(jié)果與分析

設(shè)置仿真時(shí)間為20s，步數(shù)為500步。查看結(jié)果，通過(guò)對(duì)乒乓球的軌跡分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)置的幾個(gè)乒乓球，運(yùn)動(dòng)軌跡各異，如圖9所示。圖中白色線條分別代表了邊路網(wǎng)前球、擦網(wǎng)球、底線球、自殺球。

仿真時(shí)各球運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況。以球2的速度變化為例來(lái)分析該發(fā)球機(jī)發(fā)出乒乓球的速度變化和自轉(zhuǎn)情況。圖10為球2的速度變化曲線，從圖中可見(jiàn)，前4 s是球在發(fā)球機(jī)主體里往下落的過(guò)程，之后被推桿擊中彈出，速度不斷增大在碰到對(duì)面球桌時(shí)速度可達(dá)15 m/s，這個(gè)接近真實(shí)的現(xiàn)實(shí)速度。在球2表面創(chuàng)建一個(gè)mark54點(diǎn)，分析它繞自己重心mark45的角速度在前5 s的變化曲線，如圖11所示，說(shuō)明球一直在自轉(zhuǎn)也就是說(shuō)發(fā)出去的球一直是旋轉(zhuǎn)的。從而驗(yàn)證了該發(fā)球機(jī)的可行性

圖9 白色曲線為各球運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 球2的速度變化曲線

圖11 球2的自轉(zhuǎn)速度

另外通過(guò)對(duì)球速的分析，發(fā)現(xiàn)如果需要提高各球發(fā)出的速度，只需要調(diào)整推桿的速度即可。這個(gè)可以根據(jù)實(shí)際情況需要時(shí)，再做調(diào)整。

5 總 結(jié)

主要論述了在ADAMS中建立某種乒乓球發(fā)球機(jī)的虛擬樣機(jī)模型過(guò)程，同時(shí)添加約束和驅(qū)動(dòng)，對(duì)該

虛擬樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)對(duì)各球的運(yùn)動(dòng)軌跡和球速度的分析，驗(yàn)證了該發(fā)球機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)也為該發(fā)球機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李旭榮，段敬飛，初秀文.基于ADAMS的乒乓球自動(dòng)發(fā)球器的動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2010,2(37):53-55.

[2] 李旭榮，蔡 力.基于ADAMS高位自卸汽車(chē)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2010,2(223):33-34.

[3] 李旭榮，袁定新.基于ADAMS的高位自卸卡車(chē)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真[J].制造過(guò)程技術(shù)——先進(jìn)材料研究,2011(189):1882-1885.