DIY 크리켓 볼링 머신

이 프로젝트는 플라스틱 공, 테니스공, 고무공 및 크리켓공을 사용한 연습용 DIY 크리켓 볼링 머신의 설계와 제작을 설명합니다.

이 머신은 4인치 PU 휠을 구동하는 RS775 DC 모터 2개를 사용합니다. 두 휠이 공을 사이에서 잡아 가속하므로, 간단하고 컴팩트하게 볼링 속도를 만들어낼 수 있습니다.

이 머신은 여러 단계의 기계 및 전기적 실험을 거쳐 개발되었습니다. 개발 과정에서 휠 크기, 휠 간격, 모터 성능, 스프링 하중, 진동, 배터리 용량 및 공 속도를 시험하고 수정했습니다.

또한 휠 속도를 모니터링하고 공 속도를 측정하기 위해 ESP8266 기반의 제어 및 측정 시스템도 개발했습니다.

완성된 머신은 반복적인 볼링 시험을 거쳤으며 12 V, 7.2 Ah 배터리로 안정적으로 작동하는 것으로 확인되었습니다.

이 Instructable에서는 개발 과정에서의 기계 구조, 전자 장치, 제어 시스템, 시험 및 얻은 교훈을 설명합니다.

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STEP 1. 준비물

이 머신은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 고속 휠 사이에서 발생하는 마찰을 이용해 공을 가속하고 앞으로 발사합니다. 휠 사이의 간격은 공을 단단히 잡을 수 있을 정도로 압축되도록 공의 직경보다 약간 작게 설정합니다. 휠 속도가 높을수록 공 속도도 그에 비례해 높아집니다.

부품 체크리스트:

1. 주 투척 시스템: RS775 DC 모터 2개, 4인치 폴리우레탄(PU) 휠 2개, 가공 휠 허브/커플링, 모터 클램프, 목재 장착 블록 및 고무 진동 패드.
2. 공 공급 시스템: 2½인치 PVC 파이프(수직 슈트 및 수평 배럴용), 맞춤형 PVC 피스톤(폭 1¾"), 크랭크 디스크, 연결 링크 및 30 RPM 기어드 DC 모터.
3. 공 제어 및 전자 장치: 차단 핀이 있는 12V 솔레노이드, 마이크로스위치(홈 위치 감지용), 555 타이머 기반 PWM 속도 컨트롤러, 12V 7.2Ah 배터리, 메인 스위치 및 배선.
4. 주 구조물: 경목 베이스 플랭크, 금속 브래킷, 볼트, 너트 및 조정 스프링.

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STEP 2. 모터 배치 및 휠 간격의 발전

최종 설계에서는 두 모터를 경목 베이스에 단단히 고정했습니다. 장착 브래킷의 슬롯을 통해 다양한 공 크기에 맞게 휠 간격을 수동으로 조정할 수 있습니다. 설정이 끝나면 볼트를 단단히 조여 고속 회전 중에도 정렬이 완벽하게 유지되도록 합니다.

실패한 스프링 장착 시험에서 얻은 교훈:

1. 첫 번째 및 두 번째 시도: 공이 들어오면 하나 또는 두 휠 어셈블리가 자동으로 바깥쪽으로 움직이도록 스프링을 장착한 설계를 시험했습니다.
2. 문제점(슬로 모션 영상으로 확인): 영상 분석 결과, 구속되지 않은 휠 마운트가 깔끔하게 열리는 대신 하중을 받으면서 부자연스럽게 기울어졌습니다. 이로 인해 휠 정렬이 흐트러지고 에너지 전달이 저하되었으며 투구가 일관되지 않게 되었습니다.
3. 결론: 동적인 스프링 시스템에는 고강도 베어링으로 지지되는 적절하게 설계된 피벗이 필요합니다. 이 DIY 제작에서는 단순성을 위해 견고한 수동 슬롯 조정 설계 가 훨씬 우수하고 완전히 만족스러운 결과를 보였습니다.

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STEP 3. 시스템 진동 제거

고RPM 회전은 쉽게 극심한 소음과 격렬한 구조 진동을 일으킵니다. 이를 해결하려면 여러 층으로 구성된 기계적 대책이 필요했습니다:

1. 휠 교체 및 허브 정밀도

고무 트레드가 있는 초기 플라스틱 휠은 제조 편차로 인한 런아웃, 면 흔들림, 헐거운 보어 맞춤 및 트레드 박리 문제가 있었습니다. 이를 고급 4인치 PU 휠 로 교체하고 맞춤 가공한 MS 허브 를 사용하자 모터 샤프트에서의 장착 정렬이 크게 향상되었습니다.

2. 맞춤형 DIY 정적 휠 밸런싱

동적 밸런싱 장비를 사용할 수 없었기 때문에 작업장에서 매우 효과적인 방법을 고안했습니다:

1. 각 휠을 자유롭게 회전하는 베어링으로 지지된 매끄러운 6mm 로드에 장착했습니다.
2. 회전시키면 휠은 자연스럽게 가장 무거운 지점이 아래로 향한 상태에서 멈췄습니다.
3. 시험용 추(케이블 타이 또는 너트 등)를 정확히 반대쪽에 추가했습니다.
4. 결과: 첫 번째 휠은 균형을 맞추기 위해 영구적으로 부착한 2.19g 볼트/너트 조합 이 필요했고, 두 번째 휠에는 1.17g으로 다듬은 추가 필요했습니다. 이제 두 휠 모두 특정 무거운 지점에서 걸리지 않고 부드럽게 회전합니다.

3. 구조적 진동 격리

균형이 맞은 휠도 미세 진동을 섀시에 전달합니다. 고무 시트와 진동 격리 패드 를 모터 클램프, FR4 지지 부품 및 목재 장착 블록 사이에 촘촘히 겹쳐 배치했습니다. 밸런싱과 격리를 함께 적용한 결과, 모터 속도 70% 이하에서는 시스템 소음이 거의 들리지 않는 수준으로 줄었고, 그 이상에서도 안전하게 관리할 수 있는 수준이 되었습니다.

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STEP 4. 기계식 공 공급 및 제어 순서

공 공급 어셈블리는 전적으로 중력과 단순한 기계적 타이밍으로 구동되므로 복잡한 디지털 프로그래밍이 필요하지 않습니다.

주요 하위 시스템:

1. PVC 피스톤 게이트: 마찰을 방지하기 위해 배럴 내부에 1–2mm의 간극을 두고 가공했습니다. 폭 1¾인치는 의도적으로 정한 치수입니다. 공을 밀어내기 위해 앞으로 이동하면 견고한 몸체가 수직 슈트 바로 아래로 들어가 나머지 공이 아래로 떨어지는 것을 막고, 피스톤이 돌아오면 다시 통과시킵니다.
2. 솔레노이드 차단 핀: 머신이 대기 중일 때 물리적인 핀이 공 앞에 놓입니다. 이 핀이 공이 사이클이 작동하기 전에 실수로 휠 쪽으로 굴러 들어가는 것을 확실히 막습니다.
3. 크랭크 메커니즘: 30 RPM 기어드 모터가 기계식 링크 암에 연결된 디스크를 회전시켜, 회전 운동을 깔끔하고 반복 가능한 왕복 직선 피스톤 행정으로 변환합니다.

6단계 공급 순서:

1. 대기 상태: 피스톤이 완전히 후퇴한 상태입니다. 공 하나가 배럴 안으로 떨어지고, 솔레노이드 핀이 위로 올라가 공이 휠 간극으로 이동하지 못하도록 막습니다.
2. 사이클 시작: 30 RPM 공급 모터가 작동하여 크랭크 디스크를 회전시킵니다.
3. 해제: 솔레노이드에 전원이 인가되어 차단 핀이 후퇴합니다.
4. 공급 행정: 피스톤이 앞으로 이동하면서 공을 휠 간극으로 밀어 넣고, 동시에 수직 공 공급 슈트를 차단합니다.
5. 발사: 공이 고속 휠의 닙에 맞아 앞으로 튀어나갑니다.
6. 리셋: 피스톤이 뒤로 당겨지고 솔레노이드가 내려가 차단 핀이 다시 올라옵니다. 피스톤이 충분히 후퇴하면 다음 공이 배럴 안으로 떨어지고, 마이크로스위치가 공급 모터를 정확히 "홈" 위치에서 정지시킵니다.

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STEP 5. 실사용 테스트 및 주요 결과

프로토타입은 연속 8오버 및 10오버 시험을 포함한 장시간 테스트를 거쳤으며, 매우 우수한 결과를 보였습니다.

1. 궤적 및 추적: 공의 진행 방향은 직선이었고 반복성이 매우 높았습니다. 초기 공 발사 속도가 매우 빨라 기계에서 나온 직후 육안으로 추적하기 어려웠습니다.
2. 전기적 신뢰성: 12V 7.2Ah 배터리는 눈에 띄는 전압 강하 없이 완벽하게 작동했으며, RS775 모터는 안전하고 따뜻한 작동 온도를 유지했습니다.
3. 공 진입 거동: 휠 고무에 남은 작은 흰색 접촉 자국을 통해, 파이프 가이드 내부의 자연스러운 구름 여유 때문에 공이 중심보다 약간 높은 위치로 진입했음을 확인했습니다. 휠 높이를 조정해도 이 현상은 달라지지 않았지만, 성능은 여전히 매우 만족스러웠습니다.
4. 공 경도가 미치는 영향: 단단하고 견고한 플라스틱 공은 더 높은 발사 속도를 유지하는 것으로 테스트에서 확인되었습니다. 더 부드럽고 낡은 공은 휠 압력으로 변형되고 에너지를 흡수하며 미끄러져, 훨씬 낮은 속도로 발사되었습니다.
5. 테니스공의 한계: 조정 가능한 최대 50mm 휠 간극을 사용하여 테니스공으로 짧은 시험을 진행했습니다. 기계는 테니스공을 성공적으로 발사했지만, 토크 한계 또는 불충분한 압축으로 인해 발사 속도는 낮았습니다.

스마트폰 속도 추적의 한계:

스마트폰 카메라(30 FPS)를 사용해 1m 및 5m 거리에서 정확한 발사 속도를 계산하려고 했습니다. 1m에서는 공이 너무 빨라 프레임 간 이동을 포착할 수 없었습니다. 5m에서는 공이 약 12~14개 프레임에 걸쳐 나타나 높은 평균 속도를 보였습니다. 그러나 프레임 수 계산의 불확실성과 가벼운 플라스틱 공의 빠른 공기역학적 속도 손실 때문에 일반 스마트폰 카메라로는 실제 발사구 출구 속도를 정확히 추적할 수 없습니다. 전문 레이더나 고속 장비를 사용하기 전까지는 확정적인 속도 등급을 발표하지 않습니다.

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STEP 6. 현재 프로토타입 상태 및 향후 계획

이 볼링 머신은 완전히 완성되어 작동하는 프로토타입 으로 간주되며, 장기적인 부품 마모, 배터리 사이클 수명 및 구조적 신뢰성을 추적하기 위해 6~12개월의 관찰 기간 동안 완전히 개조하지 않은 상태로 유지됩니다.

검토 중인 차세대 업그레이드:

1. 대형 휠: 더 큰 직경의 휠로 변경하여 낮은 모터 RPM에서도 높은 공 속도를 달성하고, 기계적 응력과 진동을 줄입니다.
2. 견고한 금속 베이스: 목재 프레임을 세련되고 견고한 3mm~4mm 강철 또는 알루미늄 플레이트로 업그레이드합니다.
3. 향상된 프로파일: 휠 트레드에 크라운형 프로파일을 추가하여 공의 곡면을 감싸고 표면 접지력을 극대화합니다.
4. 스마트 ESP32 통합: MicroPython을 실행하는 ESP32 마이크로컨트롤러를 구현하여 휠 속도를 독립적으로 변화시키고(스핀/스윙 볼링), 자동화된 프로그래밍 가능 시퀀스, 무작위 투구 패턴 및 서보 제어식 자동 기울기 조정을 처리합니다.

프로젝트 링크

1. YouTube:[게시 후 링크 추가 예정]
2. GitHub: https://github.com/snivasms/Bowling-machine
3. Hackaday.io:[게시 후 링크 추가 예정]

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원문: https://www.instructables.com/DIY-Cricket-Bowling-Machine/