基于虛擬樣機(jī)的乒乓球發(fā)球機(jī)動態(tài)仿真*

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)動員的日常訓(xùn)練，以前運(yùn)動員訓(xùn)練時都需兩個人一組，一個人訓(xùn)練就需另外的人來配合。而發(fā)球機(jī)的出現(xiàn)則很好的解決了這個問題，可讓一人單獨(dú)練習(xí)，提高訓(xùn)練效率，同時設(shè)計人員通過對發(fā)球機(jī)的精心設(shè)計，也可使發(fā)球機(jī)發(fā)出來的球接近真實比賽時運(yùn)動員的發(fā)球，來提高訓(xùn)練質(zhì)量，從而達(dá)到很好的訓(xùn)練效果[1]。

實際運(yùn)動中乒乓球的運(yùn)動軌跡會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)動方式等等。因此模擬以上的出各種情況下乒乓球的運(yùn)動軌跡。本次研究是在ADAMS中為一種乒乓球發(fā)球機(jī)做動態(tài)仿真分析，通過分析各個球的運(yùn)動方式和軌跡來驗證該發(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，降低產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)成本，提高設(shè)計效率[2]。

2 虛擬樣機(jī)建模過程

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

(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，移動方向為X，并添加滑移驅(qū)動函數(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球體(摩擦球)并在球體上打一個洞為方便觀察球體的轉(zhuǎn)動，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)動函數(shù)為：360d * time

(8) 在發(fā)球機(jī)儲球漏斗處創(chuàng)建四個乒乓球，并給每一個球依次與以下幾個構(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，同時每一個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)置仿真時間為20s，步數(shù)為500步。查看結(jié)果，通過對乒乓球的軌跡分析，可發(fā)現(xiàn)設(shè)置的幾個乒乓球，運(yùn)動軌跡各異，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。

仿真時各球運(yùn)動軌跡實際運(yùn)動的情況。以球2的速度變化為例來分析該發(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，前4 s是球在發(fā)球機(jī)主體里往下落的過程，之后被推桿擊中彈出，速度不斷增大在碰到對面球桌時速度可達(dá)15 m/s，這個接近真實的現(xiàn)實速度。在球2表面創(chuàng)建一個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，說明球一直在自轉(zhuǎn)也就是說發(fā)出去的球一直是旋轉(zhuǎn)的。從而驗證了該發(fā)球機(jī)的可行性

圖9 白色曲線為各球運(yùn)動軌跡

圖10 球2的速度變化曲線

圖11 球2的自轉(zhuǎn)速度

另外通過對球速的分析，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。這個可以根據(jù)實際情況需要時，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)模型過程，同時添加約束和驅(qū)動，對該

虛擬樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動仿真，通過對各球的運(yùn)動軌跡和球速度的分析，驗證了該發(fā)球機(jī)設(shè)計的可行性。同時也為該發(fā)球機(jī)的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)[3]。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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