自动网球发球机.doc

机械原理课程设计 -网球自动发球机 学院：机电学院专业：机械设计制造及其自动化 班级：072125 成员：刘钱桥 郭川川 指导老师：王玉丹21 机械原理课程设计报告目录一、设计背景简介3二、最初设想方案简介3三、最终选择方案简介4四、发球机的功能4五、功能的实现5六、送球部分相关参数的计算与选定7七、旋转机构的相关计算与参数选定14八、出球部分相关计算与参数选定16九、设计项目总结18十、参考文献19 一、设计背景简介：起源于法国的网球现在成为了全世界最流行的球类运动之一，深受户外运动人士的喜爱。但事实上，作为一个对抗性的运动，当你只有一个人的时候，或许也只能徒唤奈何了，而我们的这个网球发球机的设想，便是为了应对这种情况而产生的。尽管可能无法获得如同与人对抗时的乐趣，但对于技术的提高与自身的锻炼还是有很大的帮助的。二、最初设想方案简介。类牛头刨床机构：原理：主要采用的是牛头刨床的急回原理，因为急回现象存在着较大的瞬时速度，在击球的同时使球获得大的动能，从而实现抛球。优点：该机构可以实现送球与抛球的协调统一，由于采用的是牛头刨床的急回原理，故结构可以稍微小一些。缺点：由于是连杆机构，所以运动速度不可能过大，因此，球的抛射距离不会很远。三、 最终选择方案简介：原理：主要靠得是两个高速反方向旋转的轮把球挤压并抛射出去。优点：机构体积相对来说比较小，机构平稳性比较好。可以实现抛球与送球的协调统一。缺点：球的抛出速度计算比较复杂，只能采用经验公式来粗略计算。四发球机的功能1、 发上旋球、下旋球、平击球。上旋和下旋是通过上下轮的转速差实现的，发平击球时上下轮的转速一样。2、 球往不同的方向发射，通过旋转机构-齿轮齿条机构实现3、发球高度的调节，通过调整机架上可调支架的长度实现。五、功能的实现1.其中将上面皮带轮做成圆锥形，如图：这样皮带在转动过程中将沿着圆锥体左右运动，也就可以起到改变上面大皮带轮转速的作用。由于上面皮带轮速度可变，因此上下轮的速度有如下关系：即：上轮速度小于下轮速度，上下轮速度相同，上轮速度大于下轮速度因此也就分别实现了上旋球，平击球，下旋球。2.通过调整基座上可调支架的长度，并用销钉将其夹紧可以起到调节发球机整体高度的目的。3.利用上面一个偏心轮的运动，可以将球有规律的发出，并且通过改变偏心轮的转速可以调整发球的间隔。4.利用偏心轮的运动以及齿轮与齿条机构实现发球机在一定角度内的转动，以此实现发球角度的自动改变。如图：综上，发球机最终的简图为：机构名称构件1构件2构件3构件4进球机构偏心轮直径20cm偏心距5cm长杆20cm短杆5cm滑块75*68*68mm发球机构大轮30cm下皮带轮20cm圆锥形上皮带轮大径21cm小径19cm旋转机构齿轮分度圆直径20cm齿条7cm偏心轮直径20cm偏心距5cm六、送球部分相关参数的计算与选定1.机构尺寸的计算( 齿轮连杆等效图 )1、偏心轮及相关尺寸两个偏心轮采用相同的尺寸：偏心轮：直径20cm，偏心到圆心的距离5cm，长杆20cm ，短杆 5cm。2、齿轮及齿条尺寸齿轮分度圆直径为20cm，齿条长度为7cm3、滑块尺寸7568684、大轮及皮带轮的尺寸两个大轮大小为30cm，两个大轮之间距离为65mm下面及右边的两个皮带轮直径为20cm，圆锥形的上皮带轮大径为21cm，小径为19cm2.参数确定过程及考虑因素1、由球的直径（正常状态下约为65.41- 68.58mm），确定筒的截面为6969，留出适当空间方便下球。2、确定滑块宽、高为6868。3、滑块长度也可由送球的通道长度确定了，为了保证送球平稳，准确，特取75，比68稍大，利于滑块的滑进，不易卡住！且与连杆的铰接点并不在中间位置，这是防止齿轮打到滑块！4、连杆长度及偏心轮尺寸的确定。滑块长度为75，综合考虑，尤其考虑实际情况，取长杆20cm，短杆5cm，直径20cm，偏心到圆心的距离5cm。 5、为了使网球发出时平稳有力，则大皮带轮的直径应远大于网球直径，且间距略小于网球直径。因此取大轮的直径为30cm，间距为65mm。3.机构的解析法求解该机构可以简化为曲柄滑块机构，如图所示，、和分别为曲柄滑块的曲柄、连杆和偏差，、分别为曲柄和连杆的转角，、分别为曲柄和连杆的角速度，S为滑块的位移。 曲柄滑块机构运动简图一数学模型的建立为了对机构进行运动分析，先如图建立直角坐标系，将各构件表示为杆矢，并将各杆矢表示。1， 位置分析如图所示，有封闭图形ABCA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程 L1+L2=S 其复数形式表示为 L1ei1 +L2ei2 =Sc将上式的实部和虚部分离，得 L1cos1+ L2cos2=ScL1sin1+ L2sin2=0由该式可得1 =arcsin(-L1sin1 /L2)Sc=L1cos1 + L2cos2 2，速度分析 对位置对时间t 求一次导，得速度关系L1w1cos1+ L2w2cos2=0-L1w1sin1- L2w2sin2=Vc若用矩阵形式来表示，则上式可写为 L2sin2 1 w2 - L1sin1 = w1 -L2cos2 0 Vc L1cos1 解上式即可求得角速度w2和线速度Vc.3、加速度分析将速度对时间t求导，可得加速度关系表达式L2sin2 1 a2 w2L2cos2 0 w2 -w1 L1cos1 + = w1-L2cos2 0 aC w2L2sin2 0 Vc -w1 L1sin1 解上式即可求得角加速度a2和线加速度aC。二、程序设计曲柄滑块机构MATLAB程序由主程序slider_crank_main和子函数slider_crank两部分组成。1、 主程序slider_crank_main文件*%1.输入已知数据clear; l1=50;l2=200;e=0;hd=pi/180;omegal=20;alphal=0;%2.调用子函数slider_crank计算曲柄滑块机构位移，速度，加速度For n1=1:720 thetal(n1)=(n1-1)*hd;theta2(n1), s3(n1), omega2(n1), v3(n1), alpha2(n1), a3(n1)=slider_crank(thetal(n1), omegal, alphal, l1, l2,e);end %3.位移，速度，加速度和曲柄滑块机构图形输出figure(11);n1=1:720;subplot(2,2,1); %绘位移线图AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,theta2*du,theta1*du, s3);set(get(AX(1),ylabel),String,连杆角位移/ circ)set(get(AX(2),ylabel),String,滑块位移/ mm)title(位移线图);xlabel(曲柄转角 theta_1/ circ)grid on;subplot(2,2,2); %绘速度线图AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,omega2,theta1*du,v3)title(速度线图);xlabel(曲柄转角 theta_1/ circ)ylabel(连杆角速度/radcdots-1)set(get(AX(2),ylabel),String,滑块速度/ mmcdots-1)grid on;subplot(2,2,3); %绘加速度线图AX,H1,H2=plotyy(theta1*du,alpha2,theta1*du, a3)title(加速度线图);xlabel(曲柄转角 theta_1/ circ)ylabel(连杆角加速度/radcdots-2)set(get(AX(2),ylabel),String,滑块加速度/ mmcdots-2)grid on;三输出图像七、旋转机构的相关计算与参数选定1.发球机位置的确定 本机构设置了左右摇摆机构，所以机构发球时应位于球场中线处，图示如上。网球发球装置的放置高度约为1.25m出球点距离网高点的垂直高度h=0.336m 将速度分解为竖直方向和水平方向竖直方向：水平方向：即时速81.5km/h因此发球机距离球网的距离为：2.旋转部分机构尺寸的计算 下面一个偏心轮需要带动齿轮齿条，所以需要计算齿轮齿条的尺寸。经过计算得发球机需要转过的角度为21度，取齿轮分度圆直径为20cm，则齿条长度最小为3.66cm，考虑实际情况，取齿条长度7cm。八、出球部分相关计算与参数选定1.电动机转速的确定：根据上图的原理我们可以看到，当电机旋转时可以带动两个夹轮转动，同时磨擦网球使网球获得一定的动能，网球才得以发射出去。这种原理方案既简单又实用，它既能保证网球发射的稳定性，又能极好地控制网球发射的角度及速度，使用户随心所欲地练习打网球。 设轮子的角速度为，半径为R，那么就可以计算出轮子线速度:V=R 则在瞬时间网球所获得的速度为V，这就是网球的初速度。因此通过测量轮子的角速度就可以求得网球的初速度。上下轮的速度有如下关系：不管哪种情况下，网球的速度都可以认为等于上下轮速度的平均值，但由于上下轮之间的速度差异极小，因此可以近似认为网球的速度等于下轮的速度。又由于网球速度为22.63m/s,所以下轮的速度为22.63m/s.由大皮带轮的直径为30cm，解得皮带轮转速为1450r/min.2.选取相关参数轮速：1450r/min传动比为1：1电动机功率：1.5kw九、设计项目总结刚刚开始设计的时候,坦白的说真的不知道从何下手。尽管老师给我们讲过相关的知识,但是毕竟纸上得来终觉浅,绝知此事须躬行,一开始我们整个小组真的有一种无处下手的感觉。经过对于课程设计教材上的一些设计实例的研究，我们渐渐确定了设计的方向，但是由于考虑到大小等多种因素，我们先期的多个设计方案都被否决了。在很长的一段时间里，我们都为该采用什么样的方案而苦苦思考，小组在一起开了很多次会，最终确定了最后的方案。之后的工作基本就按部就班了，大家基本都在规定的期限内完成了自己的任务，然后我将大家完成的任务做了整理和修改。制作了三维演示动画，当然制作过程也经历了不少的挫折，尽管最后的结果不是特别理想，但是我们已经尽了我们的最大努力了。在整个设计的过程中，我们经历了很多挫折，但最终还是完成了预订的设计任务，在最后总结一下整个过程中的经验，并对整个设计的不足进行总结。经验：1、在设计中要早作计划，要进行充分的讨论，论证 2、整个组内既