基于虚拟样机的乒乓球发球机动态仿真*

周俊华，李旭荣

(华中农业大学 工学院， 湖北 武汉 430070)

1 引 言

乒乓球发球机主要用于乒乓球运动员的日常训练，以前运动员训练时都需两个人一组，一个人训练就需另外的人来配合。而发球机的出现则很好的解决了这个问题，可让一人单独练习，提高训练效率，同时设计人员通过对发球机的精心设计，也可使发球机发出来的球接近真实比赛时运动员的发球，来提高训练质量，从而达到很好的训练效果[1]。

实际运动中乒乓球的运动轨迹会受到很多因素的影响如空气阻力；挥拍的角度、力度；拍子的运动方式等等。因此模拟以上的出各种情况下乒乓球的运动轨迹。本次研究是在ADAMS中为一种乒乓球发球机做动态仿真分析，通过分析各个球的运动方式和轨迹来验证该发球机的可行性，用虚拟样机模型代替物理模型进行试验，降低产品的设计开发成本，提高设计效率[2]。

2 虚拟样机建模过程

由于ADAMS建模的局限性，先在Pro/E中完成发球机主要部件的建模，如图1～6所示。然后分别另存为后缀名为x_t的文档，再导入ADAMS中，并将发球机各部件按图7所示位置放好。最后放置乒乓球台整体效果如图8所示。

图1 发球机主体 图2 推杆 图3 后支架

图4 连杆 图5 底座 图6 前支架

图7 发球机虚拟样机模型

图8 整体效果图

3 添加约束和驱动

(1) 在前支架和发球机主体之间添加旋转副，旋转轴为Y，并添加旋转驱动函数为：180.0d * time

(2) 在后支架和发球机主体之间添加旋转副，旋转轴为Z，并添加旋转驱动函数为：-10.0d *sin(time)

(3) 在后支架和中间杆之间添加旋转副，旋转轴为Y，并添加旋转驱动函数为：20d *sin (0.5*time)

(4) 在中间杆和底座之间添加旋转副，旋转轴为X，并添加旋转驱动函数为：15d *sin( time)

(5) 将安装好的发球机底座和乒乓球桌都固定在大地上。

(6) 在发球机主体和推杆之间添加滑移副，移动方向为X，并添加滑移驱动函数为：

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) 在前支架上新建一个球体(摩擦球)并在球体上打一个洞为方便观察球体的转动，使之有一小部分进入发球机主体的乒乓球弹射管道内，能够与乒乓球接触，给与乒乓球旋转的动力。在摩擦球与前支架之间添加旋转副，旋转轴为Z，并添加旋转驱动函数为：360d * time

(8) 在发球机储球漏斗处创建四个乒乓球，并给每一个球依次与以下几个构建间添加接触约束，发球机主体、推杆、摩擦球、乒乓球桌，同时每一个球体相互之间也要添加接触约束。接触约束的主要参数如下：NORMAL FORCE:IMPACT,STIFFNESS:1.0E+005，FORCE EXPONENT:2.2，DAMPING:10.0,PENETRATION DEPTH:0.1,FRICTION FORCE:NONE.。

4 仿真结果与分析

设置仿真时间为20s，步数为500步。查看结果，通过对乒乓球的轨迹分析，可发现设置的几个乒乓球，运动轨迹各异，如图9所示。图中白色线条分别代表了边路网前球、擦网球、底线球、自杀球。

仿真时各球运动轨迹实际运动的情况。以球2的速度变化为例来分析该发球机发出乒乓球的速度变化和自转情况。图10为球2的速度变化曲线，从图中可见，前4 s是球在发球机主体里往下落的过程，之后被推杆击中弹出，速度不断增大在碰到对面球桌时速度可达15 m/s，这个接近真实的现实速度。在球2表面创建一个mark54点，分析它绕自己重心mark45的角速度在前5 s的变化曲线，如图11所示，说明球一直在自转也就是说发出去的球一直是旋转的。从而验证了该发球机的可行性

图9 白色曲线为各球运动轨迹

图10 球2的速度变化曲线

图11 球2的自转速度

另外通过对球速的分析，发现如果需要提高各球发出的速度，只需要调整推杆的速度即可。这个可以根据实际情况需要时，再做调整。

5 总 结

主要论述了在ADAMS中建立某种乒乓球发球机的虚拟样机模型过程，同时添加约束和驱动，对该

虚拟样机进行了运动仿真，通过对各球的运动轨迹和球速度的分析，验证了该发球机设计的可行性。同时也为该发球机的改进设计提供了理论依据[3]。

参考文献：

[1] 李旭荣，段敬飞，初秀文.基于ADAMS的乒乓球自动发球器的动态仿真设计[J].机械,2010,2(37):53-55.

[2] 李旭荣，蔡 力.基于ADAMS高位自卸汽车运动仿真分析[J].农业装备与车辆工程,2010,2(223):33-34.

[3] 李旭荣，袁定新.基于ADAMS的高位自卸卡车的虚拟样机设计与动态仿真[J].制造过程技术——先进材料研究,2011(189):1882-1885.