PLC控制气动乒乓球发球机械手开发设计

摘要：该发球机采用plc控制、电气液联动的方式，对人的乒乓球发球方式进行模拟，用PLC控制各执行机构运动，用液压缸带动发球机移动变位，用气压缸模拟手臂动作，用气马达与伺服电机带动球拍模拟手腕角度来贴近真人发球，可实现各种旋球的随机变向变位发球，具有高度仿真性。

关键词：乒乓球　气动　液压　PLC　高仿真

中图分类号：TP241

文献标识码：A

文章编号：1007-3973(2012)011-077-02

1 前言

目前，国内外的乒乓球发球机种类繁多，不同的乒乓球发球机结构不同，综合分析后发现，大部分发球机由于自身结构的限制，基本不能完全实行自动控制，某些功能的实现仍需要手动调节，而且发球模式单一，并不能很好的代替真人发球，达到能够帮助使用者练习训练甚至提高的目的。而本文基于完全模拟人工发球原理的构思，采用PLC控制、电气液联动的方式尽可能的模拟真人发球动作，通过实验，发球机已在在速度和准确性上都有了很大的突破。

2 技术路线与方案

该仿真发球机，模拟真人手臂动作，采用PLC控制技术，通过远程控制来让球拍实现向前后、左右、上下和分别绕X、Z轴五个自由度的运动。因此，该发球机采用一个液压缸控制左右移动，两个气缸分别控制前后和上下两个方向的运动，一个伺服电机来控制球拍角度，一个气马达来控制击球力度及位置，从而实现对人手臂击球动作的模拟。此外，为了提高发球的效率，采用了另外一个相对较小的气压缸来进行落球，即落球缸，同时用一个调速电机来进行传送球。

3 发球机结构设计

该发球机的自由度有五个，分别为X方向平动与转动、Y方向平动、Z方向平动与转动。经过设计与研究，决定X方向平动用液压缸控制，即横向移动液压缸，Y、Z方向则分别通过2个气缸控制，即前后移动气缸和纵向移动气缸。X方向转动由伺服电机控制，Z方向转动由气马达控制，即五个可控自由度，另外，落球则通过另外一个气缸控制，输入球通过调速电机带动齿轮来实现。而所有的动作过程则由PLC控制来实现。主要的结构装置包括安装机架，回球机构，落球机构，击球机构等。

回收球机构主要由回收球网、步进电机、拨球轮架和输送管道组成。主要起回收球的作用。

落球机构主要落球缸和传感器以及相应的固定机构等构成。落球机构的主要作用是为击球机构提供球。

击球机构主要液压缸、气缸、气马达、伺服电机、球拍以及相应的固定机构等组成。击球机构主要作用即发出各种各样预先设定的球。由两个气缸纵横十字联动，通过PLC控制程序实现两个方向的运动，准确击打落球。击球时由万向夹紧机构固定的球拍做仿真打击。通过伺服电机改变击发球运转形式，与十字气缸组合实现击发高仿真旋球。两个电机分别控制X轴方向的球拍旋转和Z轴方向的球拍旋转，并以此实现各种旋转球。

发球机的具体结构如图1。结构设计部分，采用三维设计软件solidworks进行设计绘制，在选好气缸、液压缸、各类阀的基础上，设计出了整体的支架结构部分；整个机构包括了落球系统，回球系统，击球系统，以及相关辅助部分，然后在solidworks中进行1：1的安装，为后期设计制造做好准备。

4 PLC控制部分

为了进行有效的控制，该发球机采用了PLC进行控制，根据实际情况，最后决定选用三菱公司的FX2n系列PLC。其基本单元将CPU、存储器、I/O接口及电源等都集成在一个模块内，FX2n的用户存储容量可扩展到16KB，其I/O点数最大可扩展到256点，其有多种特殊功能模块，如模拟量I/O模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板。使用这些特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

经过调试，如今，该发球机已经能够发出一些令人满意的球，如不转球，上旋球等。

如图2，该程序中+号表示条件，方框表示结果，“0”表示开始按钮，按下则循环开始，“1”表示复位按钮，按下则发球机动作复位，“7”、“8”分别表示停止按钮的闭合、断开状态，闭合循环结束，断开则循环继续，中间的方框则表示一系列动作，如方框31表示发球机复位的动作。

5 伺服电机控制部分

在本发球机控制部分，考虑到对球拍旋转角度的控制要求比较高，每种发球过程球拍旋转的角度和速度均有苛刻的要求，故采用控制精度较高的伺服电机来控制球拍转动。

伺服电机是通过PlC向控制器发送脉冲，然后通过设置电子齿轮比将脉冲数进行放大或缩小，通过通信线反馈到伺服电机的译码器，依照所给定的脉冲数来控制球拍的转动角度。在本次发球机开发研究过程中，所选用的PLC发脉冲数最大可调到30 000，伺服电机控制器的电子齿轮比设定范围在1/50至50，通过相关参数的调定，球拍的旋转达到了预定的要求。

6 结束语

本发球机采用的高度仿真乒乓球发球机具有很高的创新性，可通过程序设置发各种不同位置、旋转、方向力度的球来适应运动员的训练，填补国内外发球机模式单一的空白，根据测试结果，发现整个系统稳定性较高，性能较好，尤其Z方向上采用气马之后，发球机的速度与力度有了显著地提高，使得发球机达到了预期的效果。总体而言，该设备具有较高仿真度，有较强的实用性，可以使广大的乒乓球爱好者提高乒乓球实战水平。

（基金项目：江苏省人事厅六大人才高峰项目”可视化三菱e-f@ctory自动生产线”(D2009142)；南京工程学院校青年基金项目：QKJB2010001）

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