王舜

摘要：機(jī)械化網(wǎng)球撿球車以人力驅(qū)動(dòng)撿球車前進(jìn)，電動(dòng)機(jī)通過二級(jí)齒輪減速器和槽輪間歇機(jī)構(gòu)，使工作機(jī)內(nèi)的滾筒做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，工作機(jī)內(nèi)的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)完成網(wǎng)球的收集。本文按照機(jī)械設(shè)計(jì)的基本流程，經(jīng)過研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，對(duì)比現(xiàn)存的網(wǎng)球撿球車機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出機(jī)械化的網(wǎng)球撿球車結(jié)構(gòu)，依據(jù)機(jī)械原理對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算齒輪結(jié)構(gòu)和軸，選擇最合適的電動(dòng)機(jī)；最后，通過AutoCAD繪制出高、低速軸零件圖，整體機(jī)構(gòu)的三維圖等。整個(gè)設(shè)計(jì)完成了機(jī)械化網(wǎng)球撿球車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算、選材、繪圖工作。

關(guān)鍵詞：機(jī)械化；網(wǎng)球撿球車；結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.緒論

1.1研究的目的和意義

隨著全民健身的推廣和大眾體育的普及，網(wǎng)球這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)也在走進(jìn)普通人的生活中，越來(lái)越多的人喜歡網(wǎng)球、熱愛網(wǎng)球。然而對(duì)于大多數(shù)網(wǎng)球愛好者來(lái)說，撿球成為一件令人頭疼的問題，因?yàn)榫W(wǎng)球技術(shù)的提升勢(shì)必要進(jìn)行大量的訓(xùn)練，而大量的訓(xùn)練就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)遍地的網(wǎng)球需要撿起，這種現(xiàn)象對(duì)于專業(yè)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員尤為嚴(yán)重。專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員都有專門的球童在賽場(chǎng)上撿網(wǎng)球，大多數(shù)網(wǎng)球愛好者既要訓(xùn)練又要充當(dāng)球童的作用，而且球童這類職業(yè)的存在本身就是對(duì)社會(huì)資源的極大浪費(fèi)，因此，研究一款機(jī)械化網(wǎng)球撿球車非常有必要。

本文的主要目標(biāo)是完成一款機(jī)械化網(wǎng)球撿球車的設(shè)計(jì)任務(wù)，解決網(wǎng)球訓(xùn)練場(chǎng)上遍地網(wǎng)球影響訓(xùn)練的現(xiàn)象，減輕人工撿球的負(fù)擔(dān)，使得網(wǎng)球訓(xùn)練者有更多精力、更多時(shí)間投入到訓(xùn)練中去，促進(jìn)網(wǎng)球這項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)在我國(guó)得到更廣泛的開展。本研究的預(yù)期目標(biāo)是對(duì)以往網(wǎng)球撿球機(jī)低效率、卡球、損傷網(wǎng)球現(xiàn)象的一次改進(jìn)與創(chuàng)新。

1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

眾所周知，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，國(guó)外熱愛網(wǎng)球的群體很多，網(wǎng)球相關(guān)產(chǎn)品的研究人員也較多，但是國(guó)外網(wǎng)球產(chǎn)品的研究與中國(guó)基本處于同一水平，關(guān)于網(wǎng)球的收集機(jī)構(gòu)的研究目前較少[12][16]，美國(guó)學(xué)者Alexand-erK.Guo[1]在2014年提出了Tennis Ball Pick-up Cart的研究產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高，體積較大，占用空間大，雖然操作簡(jiǎn)單、撿球效率高，但是不能自主完成撿球過程，需要人的輔助，綜合來(lái)說還有很多需要改進(jìn)的地方。

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)存的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)很少，比較經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)基本都是以人工來(lái)操作的[9]，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的網(wǎng)球筐和網(wǎng)球筒，這兩種撿球裝置都是用彈性條狀材料制作，其間距略小于網(wǎng)球直徑，用力壓下或者滾過球身時(shí)將球壓進(jìn)筐或筒中。這類機(jī)構(gòu)一般都非常簡(jiǎn)單方便，但是效率低，需要人工參與的任然較多。經(jīng)常出現(xiàn)“卡球”現(xiàn)象；對(duì)網(wǎng)球的損害較大，網(wǎng)球的使用壽命大大的降低了；并且這樣的機(jī)構(gòu)不能夠撿拾網(wǎng)球場(chǎng)邊緣的網(wǎng)球，而且對(duì)網(wǎng)球場(chǎng)地有一定的損傷。

中國(guó)學(xué)者王侃[2]和韓良[18]在2008年研究了一種手推式網(wǎng)球拾球車，此類撿球車為半自動(dòng)式，此類機(jī)構(gòu)主要適用于地上球較多的情況。它的體積非常龐大而笨重，與全自動(dòng)撿球機(jī)相比較顯出很笨拙，需要占用大量空間，訓(xùn)練人員訓(xùn)練時(shí)受到影響，還需要借助人工來(lái)操作，與智能化撿球機(jī)相比較浪費(fèi)了大量的時(shí)間和體力，它的適用環(huán)境較局限。

盧飛躍和劉志鋒[3]在2010年研制了一款遙控自動(dòng)網(wǎng)球拾球機(jī)左右驅(qū)動(dòng)輪由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，后輪和前輪分別采用普通輪和萬(wàn)向輪，起到很好的支撐作用。拾球機(jī)滾筒由萬(wàn)向輪帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，萬(wàn)向輪與傳動(dòng)齒輪組之間是單向推力軸承聯(lián)接，使得拾球滾筒在前進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)而自動(dòng)拾球。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安裝了傳感器，安裝在左右兩端的紅外反射式傳感器用于躲避檢測(cè)，儲(chǔ)球箱的上部?jī)?nèi)側(cè)安裝了三對(duì)紅外對(duì)射式傳感器。電路板和電池是撿球機(jī)的控制部分，控制著其他部件的運(yùn)動(dòng)。這種網(wǎng)球撿球機(jī)制造成本大，操作復(fù)雜給使用者帶來(lái)不必要的麻煩，辨識(shí)網(wǎng)球的靈敏性還有待考證。

目前較先進(jìn)的撿球器是全自動(dòng)撿球機(jī)，位于上海機(jī)電學(xué)院的呂騰飛和陸麗[4]研究了智能網(wǎng)球撿球機(jī)，其采用機(jī)械臂和圖像識(shí)別等高科技，不需要人工操作，可以完成自動(dòng)撿球，但這種機(jī)構(gòu)效率低，而且每次只能撿起一個(gè)網(wǎng)球，而且機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，成本也相當(dāng)高，不容易推廣。

1.3本文的研究?jī)?nèi)容

綜合已有研究存在的撿球效率低、體積笨重、操作復(fù)雜、使用壽命低的問題，設(shè)計(jì)一款高效率網(wǎng)球撿球機(jī)是非常必要的?？紤]到如果產(chǎn)品的自動(dòng)化程度較高必然導(dǎo)致成本高，大量推廣難度大，而且自動(dòng)化程度越高則操作就越復(fù)雜，其產(chǎn)品的穩(wěn)定性就很難保證，本文擬設(shè)計(jì)一種機(jī)械化網(wǎng)球撿球車，能夠解決因撿球帶來(lái)的浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力問題，解決同類產(chǎn)品中的卡球和損傷網(wǎng)球現(xiàn)象。

2.總體方案設(shè)計(jì)

2.1撿球車的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)

電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)高速級(jí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過二級(jí)齒輪減速器，將軸3的轉(zhuǎn)速減到合適大小，聯(lián)軸器連接低速級(jí)齒輪與槽輪機(jī)構(gòu)，槽輪間歇機(jī)構(gòu)使得工作機(jī)做周期運(yùn)動(dòng)[19]。

2.2工作機(jī)簡(jiǎn)圖

彈性繩滾筒2通過滑動(dòng)軸承與槽輪間歇機(jī)構(gòu)相連，帶動(dòng)彈性繩滾筒2做周期性的間歇運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)球被擠進(jìn)外殼1與網(wǎng)球儲(chǔ)存裝置3之間，在彈性繩滾筒做周期運(yùn)動(dòng)的條件下，網(wǎng)球自動(dòng)滾進(jìn)網(wǎng)球儲(chǔ)存裝置3中，完成一次撿球運(yùn)動(dòng)（如圖2-1）。

2.3運(yùn)動(dòng)功能分解

第一步：人力提供動(dòng)力，推動(dòng)網(wǎng)球撿球車前進(jìn)，萬(wàn)向輪可以調(diào)節(jié)前進(jìn)的方向。

第二步：?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)，通過二級(jí)齒輪減速器和槽輪間歇機(jī)構(gòu)，裝置2做周期性轉(zhuǎn)動(dòng)。

第三步：裝置2上的彈性圓繩將網(wǎng)球擠進(jìn)裝置1與裝置3之間。

第四步：撿球車前進(jìn)的同時(shí)，電動(dòng)機(jī)也在轉(zhuǎn)動(dòng)，裝置2也一直做周期性運(yùn)動(dòng)，其它網(wǎng)球又被擠進(jìn)裝置1與裝置3之間，并且之前擠進(jìn)的網(wǎng)球會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

第五步：如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把所有網(wǎng)球都運(yùn)送到裝置3內(nèi)。

第六步：網(wǎng)球車停止前進(jìn)，將電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，取出裝置3內(nèi)的網(wǎng)球，完成網(wǎng)球的撿起運(yùn)動(dòng)。

3.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1電動(dòng)機(jī)的選擇

（1）各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率：

一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的效率為η1=0.9；一級(jí)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)的效率為η2=0.98；槽輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的效率為η3=0.9；剛性聯(lián)軸器的效率為η4=0.99；η=η η η =0.868為傳動(dòng)裝置的總效率。

（2）電動(dòng)機(jī)所需功率： W

選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：YT0110，額定功率為：110W、轉(zhuǎn)速為：1350r/min。

3.2齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)樾↓X輪的直徑很小，所以本文采用齒輪結(jié)構(gòu)。大齒輪采用孔板式結(jié)構(gòu)，大齒輪2的孔徑由后續(xù)設(shè)計(jì)的中間軸的直徑?jīng)Q定，設(shè)計(jì)結(jié)果表3-1中。

3.3軸的設(shè)計(jì)

由于軸的工作條件決定軸的材料[17]，因此初選軸的材料為Q235，處理方式為調(diào)質(zhì)處理。由各軸段的直徑以及長(zhǎng)度可以確定各類軸的尺寸大小[18]。各軸段尺寸圖如下圖所示。

4.結(jié)論

本論文順利完成了預(yù)期任務(wù)，通過一步一步的精細(xì)計(jì)算和仔細(xì)繪圖，設(shè)計(jì)出的機(jī)械化網(wǎng)球撿球車能基本完成預(yù)期的功能?？梢詰?yīng)用于各類網(wǎng)球場(chǎng)，并且做到不卡球、不損壞網(wǎng)球、不損壞球場(chǎng)等。因此，在網(wǎng)球訓(xùn)練過程中繁瑣的撿球任務(wù)可以得到很大程度的減輕。本次設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作，成本低廉，在市場(chǎng)上與同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，本次設(shè)計(jì)也存在許多不足之處，目前的此款撿球機(jī)還不能實(shí)現(xiàn)智能撿球的功能等。相信關(guān)于網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)的研究不會(huì)停止，還會(huì)有更多更好的設(shè)計(jì)產(chǎn)品涌現(xiàn)出來(lái)。

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