摘要：乒乓球發球機的工作原理、過程、設計及在實際中的應用。
關鍵詞：乒乓球發球機，工作原理，設計
1.乒乓球發球機的工作原理
乒乓球發球機是集電子、機械和計算機技術為一體的綜合技術產物，它具有自動化程度高、靈敏度高、穩定性可靠等多種特性。它的基本工作原理是利用轉輪摩擦球原理，乒乓球由于受到一個旋轉磨擦輪的作用可以獲得一定的初速度，而摩擦輪在一個直流電機的控制下工作。當電機帶動驅動輪轉動時，會磨擦乒乓球球使球獲得一定的動能，乒乓球才得以發射出去。這種原理方案既簡單又實用，它既能保證乒乓球球發射的穩定性，又能極好地控制乒乓球發射的角度及速度，使用戶隨心所欲地練習打乒乓球。
設輪子的角速度為ω，半徑為R，那么就可以計算出輪子線速度:V=ω×R
則在瞬時間網球所獲得的速度為V，這就是乒乓球的初速度。
因此通過測量輪子的線速度就可以求得乒乓球的初速度。
2乒乓球發球機的工作過程
乒乓球發球機的工作過程是乒乓球球首先貯藏在儲球箱里，當電源接通后供球裝置內的電機工作，通過齒輪傳動機構帶動儲球器里的攪拌器旋轉，乒乓球經漏斗進入送球裝置。由送球裝置內的葉片輪旋轉將球送出，經送球管道到達機頭處的出球口。葉片輪也由電機經傳動機構帶動，葉片輪轉速由對直流電機進行PWM脈寬調制控制這樣就可以控制單位時間內發出球的個數。乒乓球到達出球口后，驅動輪旋轉摩擦乒乓球從而使球發出。按動機頭左右擺動裝置箱上的按鈕可以通過箱內的類似曲柄搖桿機構實現機頭的左右擺動。調解機頭上的手動調解按鈕可以通過機頭上的彈簧裝置實現機頭的上下調節。3乒乓球發球機總體結構設計
乒乓球發球機總體結構設計包括：底座部分的設計，送球裝置的設計，球道的設計，儲球器的設計，調整裝置的設計，機頭部分的設計，電動機的選擇等。
3.1乒乓球發球機整體方案的確定
3.1.1乒乓球發球機設計要求：
乒乓球發球機需要滿足的主要要求如下所示：
1、令使用者更加掌握有度，多落點，多角度。
2、出球頻率：30-72次/分鐘；出球速度：4–50公尺/秒
3、出球角度：可調范圍30度；出球弧度：可調范圍40度
4、出球速度，出球頻率通過遙控器操作。
3.2.2整體方案的確定：
根據以上要求，現確定出本套發球機整體方案如下：
1、機體材料主要選用增強塑料，ABS制成。部分零件選用優質鋼制成，關于這些材料的優點將在下面具體介紹。
2、發球采用固定在出球口上的摩擦輪旋轉摩擦乒乓球將球發出的原理。出球口采用單輪驅動，并且單輪可實現八種方位的調節，從而能夠使發出去的乒乓球實現八種不同的旋轉。
3、送球裝置，球口驅動輪裝置，儲球器內攪拌器均采用小功率直流電機驅動。
4、通過曲柄連桿裝置實現機頭的左右來回擺動，曲柄輪裝置仍采用直流電機驅動。
3.2底座部分的設計
發球機底腳采用四個滾輪裝置。一方面四個滾輪足以承受機體重量，另一方面采用滾輪可以輕松的挪動機體，從而給用戶帶來方便。底座板采用薄金屬件，能夠很好的承受機體重量。
3.3送球裝置的設計
送球裝置是整套乒乓球發球機的核心部分，也是衡量一套乒乓球發球機性能是否優越的重要標準。因此，送球裝置能否順利實現預期送球功能關系到整套產品能否被成功設計出來。因此，送球裝置的設計是整套產品設計中的重要環節。
本裝置采用的是葉片輪旋轉送球機構，葉片輪由一個直流電機帶動齒輪傳動機構驅動。葉片輪轉動一周可以送出六個球。對直流電機進行PWM脈寬調制可以改變電機轉速從而改變葉片輪轉動速度，從而改變送球頻率。葉片輪所在的中隔板與郵件玻璃板構成一密閉室。為了防止卡球現象，葉片輪后是一段彎曲的球道，從而使乒乓球能夠順利地進入送球管道。在送球裝置內共設計兩個直流電機。其中一個電機通過齒輪傳動同時帶動葉片輪和攪拌器轉動，另一個直流電機帶動曲柄連桿機構實現機頭的左右擺動。電機的選用在下面章節介紹。
3.4.材料的選擇
送球裝置中，裝置殼體，葉片輪，及中隔板的制作材料是增強塑料，增強塑料的特點：有較高的強度，剛度，韌性；有良好的耐磨性與耐疲勞性，并有較高的熱變形溫度。從增強塑料的特點上來看，它是適合做這些部件的材料的。
送球裝置中，三對傳動齒輪以及齒輪軸均采用ABS材料注塑制成，ABS材料的特點：ABS是由苯乙烯—丁二烯—丙烯腈為基的三元共聚體，故具有良好的綜合性能，即高的沖擊韌性與良好的機械強度；優良的耐熱，耐油性與化學穩定性；尺寸穩定，易于成型和加工，且表面可渡金屬；電性能良好。鑒于ABS材料具有以上優良的特性，正適合齒輪這種轉速高，強度、沖擊韌性大，局部溫度高，加工較為復雜的裝置，因此特選用ABS作為三對齒輪與齒輪軸的制作材料。
3.4.1葉片輪的設計
葉片輪的作用是通過其旋轉將球順利地送入送球管道中。本套發球機的葉片輪采用六葉片機構，即旋轉一周輸送六球，選用ABS材料注塑制成。葉片厚度為42mm。
3.4.2中隔板的設計
中隔板的作用是安放葉片，電機與軸承，并且與有機玻璃板共同封閉住電機，葉片輪與乒乓球。因此，中隔板的厚度要綜合考慮以上幾個因素。中隔板的具體尺寸見CAD送球裝置部件圖。
3.5.傳動齒輪的設計
在本設計中采用三對齒輪傳動，兩對斜齒圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動。即可以實現同時控制葉片輪同攪拌器的轉動。由于本套設備中的齒輪傳遞力矩相對較小，對齒輪材料的強度要求也不是很高，因此所用塑料齒輪，制造材料選擇ABS。
塑料齒輪以質輕、耐磨、耐腐蝕、振動小、噪音低、化學性能穩定、加工成本低、便于大批量快速生產等眾多優勢受到了很多傳動機構及研發工程師的青睞。其設計過程大體上分為以下幾個部分：齒輪副理論設計、齒輪模具設計、齒輪模具制造和齒輪注塑生產，其流程如下頁圖所示：
鑒于目前常用的塑料齒輪多為漸開線小模數齒輪，故本套系統的直齒傳動齒輪的模數選為1�，F選擇一對直齒齒輪對其進行參數設計：
1、模數：m=1
2、齒數：Z1=60mm，Z2=120mm，即傳動比i=2
3、分度圓直徑：d1=60mm，d2=120mm，故中心距a=90mm
4、壓力角：α=
5、齒頂高系數：=1，故兩齒輪的齒頂圓直徑為：=62mm,=122mm
6、頂隙系數：=0.2，故兩齒輪的齒根圓直徑為：=57.6mm，=117.6mm
其他齒輪的參數選擇方法同這一對齒輪，現不予一一介紹。

3.6傳動軸的設計
傳動軸采用增強固體塑料注塑制成，傳動軸的設計參照金屬軸的設計方法，現選第一對傳動軸進行設計：
第一對軸連接的是電動機和齒輪，已知通過脈寬調制后電機的轉速范圍為：10r/min—24r/min,電機功率為：50W。
即軸的最小直徑d=A0mm=100×=17mm
即需要的軸的最小直徑為17mm，本套系統中設計的軸的直徑為20mm，因此可以滿足要求。
3.7送球管道的設計
發球球道基本設計原則就是能夠將乒乓球順利地送入發球口處，不能造成中間卡球。
發球管道的材料選用增強塑料，一方面能減輕底座承受的重量，便于安裝與固定；另一方面可以減少制造成本。送球管道下部分同送球裝置頂蓋的凸臺處用四個螺釘連接，上面部分同機頭的調整彈簧采用過盈連接，從而保證了乒乓球能夠順利進入機頭發球口處。在球道中間部分還設置了與回收球網相連接的套環。
3.8儲球器的設計
儲球器是乒乓球的盛放裝置，負責將乒乓球順利送入送球裝置中。
在設計中，儲球器的材料選用增強塑料，儲球器的下端設計成傾斜面，從而可以將乒乓球集中到儲球器口處。為了進一步防止由于乒乓球互相擠壓而產生的壓力將球卡在球道處，在儲球器底板靠近球口處設置了一個攪拌器裝置。通過攪拌器的攪拌消除球與球之間的持續靜止壓力從而有效地防止了卡球現象的發生。
3.9機頭的設計
機頭是最終實現發球的裝置，是整套系統中功能實現的裝置。因此，這個裝置也是整套乒乓球發球機的重要的一個部分。本套系統中機頭的設計主要包括以下部分：發球口，發球電機，旋轉刻度盤以及彈簧。
出球口的直徑為40毫米，厚度為5毫米，材料選用增強塑料，機頭可以實現通過橫擺裝置實現左右自動擺動，通過手動按鈕和彈簧裝置實現上下移動。
3.10調整裝置的設計
調整裝置是乒乓球發球機實現智能化，人性化的一個典型設計部分。這部分所起的作用是帶動機頭左右擺動，從而發出來自各個方位的乒乓球。極大的模擬了人工陪練。
根據機頭的特點，選用曲柄搖桿的機構實現機頭的左右擺動。送球裝置內的一個直流電機帶動曲柄桿轉動，進而通過搖桿的牽引使轉盤左右運動從而使固定在轉盤上的機頭實現左右擺動。通過對曲柄桿長，搖桿長，轉盤圓心與曲柄桿固定處的距離進行合適的設計，能夠實現對機頭相應轉角范圍的設定。
在本套設計中，曲柄桿長選用，搖桿長選用120mm，轉盤中心與曲柄桿固定處的距離選用，機頭處于正中心位置，從而實現了當搖桿到達極限位置時，機頭能夠左右對稱的擺動，且擺動夾角為30度。
3.11小結
本章對乒乓球發球機的設計原理及整體結構作了一個總體的說明，對其相應部分所具有的功能也作了一個詳細的介紹，并對該機器的實際問題提出了具體設計方案。這將對乒乓球發球機的制造和這方面工作的開展大有好處。