毕业设计-排球大力发球机结构设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 排球大力发球机结构设计目 录 摘要1ABSTRACT31 绪论41.1课题来源41.2研究意义41.3国内外现状及开发前景61.4本文主要研究内容81.5排球相关专业数据92 发球机的总体方案设计92.1设计方法及设计思想92.2方案论证112.2.1机构的选型112.2.2技术要求122.2.3 方案确定122.2.4传动方式的选择与确定132.2.5源动力系统的选择与确定193主要机构结构设计233.1 移动机构设计233.2 喂球机构设计253.3 击球机构设计253.4 输球机构设计263.5 导向机构设计263.6其他零部件设计273.6.1检修口连接零件的选则273.6.2过渡管道设计283.6.3主轴设计283.6.4减速器的选用283.6.5挡球板、托球板设计284机器使用说明及注意事项294.1机器使用说明294.2注意事项295结论及工作展望305.1本设计结论305.2工作展望30参考文献3234摘 要如今是体育大时代，对一些人来说体育是一种精神，对另外一些人来说，体育是一种信仰，总而言之，体育已经深深地融入而的生活，成为人们不可缺的娱乐追求。随着姚明、李娜、刘翔等人取得的成绩，已经将体育事业推向了高潮，全民掀起了体育热潮。排球是世界三大球之一，我国女排曾经取得了辉煌的成绩。一种新型排球发球机的成功设计应用一定程度上可以帮助排球运动员训练。根据市场调研，目前市场上暂时没有排球发球机出售，本机器具有非常好的发展趋势。由此参考我明确了本次设计的主要任务。本次设计任务包括比较本机器与同类产品的差别，介绍排球发球机的基本运行原理，各零部件的选材、安装及操作配合，机器效率及其实用效果的初步确定，提出进一步完善本机器的科学构想。在本次设计过程中，本人参照以往设计的设计经验，基本完成了预期任务，使得该设备的特点鲜明，排球时速在18-30米每秒之内，发射距离约为20米，并具有上下左右调节装置。结构严谨，造价低廉，移动便利，操作简单。 关键词： 原创，排球，发球机，训练，效率Volleyball serve machine manufacture processpreliminary designABSTRACTIs now the great age of sports, for some sports is a kind of spirit, for some people, sports is a kind of faith, in a nutshell, sports has been deeply integrated into our life, become a indispensable for our entertainment. With yao, li and lius achievements, has the undertakings of physical culture and sports to the climax, the raised a hot wave of sports. Volleyball is one of the three big ball, Chinese womens volleyball team has made brilliant achievement. I try to design a new type of volleyball serve machine, used to help the volleyball athletes training. According to market research, temporarily no volleyball serve machine sold on the market at present, this machine has the very good development trend. The reference I made clear the main task of this design. The design tasks including compare the difference of the machine and the same products, introduce the basic operation principle of the volleyball serve machine, material selection, installation and operation of parts of coordination, the machine efficiency and its practical effect is determined primarily, to further improve the scientific idea of the machine are put forward. In the process of the design, I design experience in reference to previous design, basically complete the desired task, the specific application of the engineering drawing, mechanical principle, mechanical design, mechanics of materials, electrical and mechanical transmission, such as classroom knowledge, and access to more than the domestic and foreign related information to solve the problem. Keywords: Original ，volleyball ，serve machine ，training,，efficiency排球大力发球机结构设计马鸿宾 0111114321 绪论1.1 课题来源如今是体育发展的大时代，体育发展和科技发展的相互联系越来越密切，体育训练正逐步地时代走向科学时代。现代科学技术已悄然渗透到体育训练中，潜移默化的的影响着各个环节，有着举足轻重的影响效果。为全面提高运动员的训练质量和比赛成绩，辅助体育事业的发展，体育界与科研界联合提出了设计制造排球训练装置的基本科学构想。排球类发球机的课题来源源自2005年后科技奥运，大力发展体育事业的国家号召，本课题源自渤海大学马勇教授的专利项目，是设计思想与生产制造的直接相关联系。本人本科专业学习的是机械工程自动化，所谓职业病可能就是看待每一件事物都会跟专业相联系。就会经常好奇所见机构的运行原理，即使水平有限，弄不懂某些机器的精妙之处，也总是试图搞清楚基本的运行原理。在学习了机械设计，机电传动等一系列课程后小试牛刀的想法愈发强烈，本次毕业设计联系本人所钟爱的体育项目，设计一种新型击打式排球发球机。1.2 研究意义排球运动作为世界体坛的重要赛事在我国比较流行具有较为广泛的群众础，是一种大众化的体育项目。相比于足球和篮球两项运动，排球的受关注程度并不低，但在国内的普及情况远不如足球和篮球。排球基础设施十分有限，专业从业人数较少。客观来看我国女排取得了傲人成绩，但近来成绩不佳，男排水平在世界上处于中等地位，相比于世界顶尖强队相比还有一定的差距。1953年我国成立了自己的排球组织中国排球协会，并于1956年八月首次以国家队的形式参加了巴黎排球世界锦标赛。我国有固定的排球联赛，1996年由中国排球协会组织创立了排球超级联赛，发展至今，时间尚短，中国的体育联赛存在许多问题。在联赛中外援起到了极为重要的作用，对于与国内球员来说接不到外援发出的大力高速旋转的发球，这是短期内无法解决的硬伤。由此可见提高训练质量迫在眉睫，科学高效的训练已经成为各专业相关人士探索的终极目标。在日常的排球运动训练中，接发球训练和拦网训练是最重要的训练科目，通常是聘请退役运动员或者教练员辅助练习。即陪练员作为对手，与队员进行对战模拟。事实上，长期保持一定强度的发扣球动作是非常消耗体力的。对于陪练员来说工作强度太大，工作情绪也不高，这其实比较乏味枯燥。而且身体素质，运动天赋十分有限，陪练员在发扣球高度、球速、出球方向以及稳定性方面较难长时间达到欧美强队优秀球员的水平。也就是说靠人力来模拟高水平对手是不现实的。当人力难以完成时，我们试图通过机器设备来解决这种问题，缓解陪练员的压力，排球发球机也就应运而生了。在现代排球比赛中发球有十分重要的作用，接发球的成功率直接影响比赛的趋势走向，从众多比赛记录中可以清楚看到这点。发球是正常比赛的开始环节，对于进攻方来说，大力的发球可以打乱布置好的战术起到先发制人、敲山震虎的功效。大力告诉的攻击性发球，不仅能给对方创造心理压力暗示，还能给本方队友争取时间营造组织反攻的机会。对于防守方来说，接发球也是极为关键，若对方大力发球直接获得分数，本方的队友很难实现有效的防守反击,就会陷入被动失去比赛信心。综合了上述的理由，本文归纳出如下的具体研究意义1）设计出大力高速的发球器，次发球机能够代替人力保持一定强度频率稳定地的发扣球，使得模拟强度达到世界一流水平，由此在大大提高我国专业排球运动员的训练水平和比赛成绩的同时，解放人体劳动力。2）设置调速调频装置，满足主流专业队员训练的同时，使得业余排球爱好者也可参与其中，享受体育带来的快乐。3）本文参照比较了其他球类发球机的差异，球类发球器的设计是有相通之处的（本文就重点参考了气喷式、摩擦式发球机的原理），因而，此排球发球器的设计对其它球类发球器今后的研发具有广泛的借鉴意义。4）将本科机械专业的许多课程联系到一起，可以说一部成型的机器就是对各门专业课的集中展示，理论联系实际，可以作为范例应用到教学中具有一定的说服力。1.3 国内外现状及开发前景早至19世纪末20世纪初，中国受到洋务学潮的影响不断地吸纳西方文化，体育作为一种文化输出被集中体现了出来。很多在西方流行的竞技运动项目悄然地在中国蔓延开来，排球运动就是在这个时间段发展成型的。回顾漫长的体育发展历史，最早有记录排球运动是在1905年首次登陆中国的。排球运动刚传入我国时，我们只是对这种形式有个基本概念，甚至没有统一的叫法，有些地区称其为“队球”。我国最初开展这项运动是在华东和华北地区，以山东地区为首，上海也是排球发展较好的城市之一，上海的球队也取得了不错的成绩。排球大力发球机在国内外均没有成型固定生产的产品，渤海大学的马勇，毛毅钢等人设计申请并获得了国家专利（本设计经专利获得者马勇教授的准许及指导），合肥工业大学的刘正士教授早期也有相关项目在研发，合肥工业大学在整个相关机器的研发中出于领先地位，刘教授自2005年以来，为响应北京奥运会科技奥运的指示思想开始着手排球发球机相关项目的研发，着重参考了乒乓球，足球发球器的运行原理，于2006年至今相继指导几位学生丁峰、杨飞、王健等完成了创新，改进等一系列的相关硕士论文并且有样机制造完成（目前并无本科论文涉及此机器）。例如杨飞学长关于排球移动机器人的介绍，他的设计借鉴了国外体育设备的开发思想。机器人学的发展已经有了重大突破，取得了长足进步，人们对移动机器人的追捧已达到了前所未有的高度。自二十世纪九十年代以来，移动机器人的研究十分活跃，国际有许多机器人比赛，国内也有定期举办机器人比赛的活动，每年十月是机器人比赛的高峰阶段。体育设备移动机器人需求量增多在此背景下得到发展空间。该行业的迅速发展主要得益于两方面的优势：第一，移动机器人的应用范围十分广泛，特殊行业如核原料的存取，工业如制造系统的日常生产，服务性行业如清洁机器人等。第二，移动机器人的兴起是社会发展需要和相关领域技术发展的共同结果，是一个时代发展的特征产品、衍生产品。其中最重要的一个作用因素就是计算机技术的发展，有了高水平计算机技术作为支撑，移动机器人技术已成为众多高新技术的产物，同时也为其他相关技术的发展提供了丰富的研究素材和应用。合肥工业大学设计的排球发球机成型产品为气动摩擦式发球机，运行机理简单明了，在速度，方向，高度等多方面都能有效控制。其样机如图1.1。 图1.1气动摩擦式发球机湖南农业大学,谢方平等人于2006年申请并获得了关于排球发球机实用新型的国家专利,其机器为曲柄滑块机构，此发球器对后续的发球器研究起到了重要参考作用。如图1.2 图1.2曲柄滑块发球器1为击球头 2为击球杆 3为缓冲弹簧 4为套筒 5为挡块 6为击球弹簧 7为钩盘 8为夹板 9为控制钩 10为导向轴 11为导向盘 12为导套 13为导套 14为击球曲柄 29为限位块 。其主要优点在于机器规格小，操作方便，可以说是物美价廉性价比可观，其缺点也十分明显，机器运作连续性不稳定，需要人力一直监管处理机器运作，粗略看来没有成型生产的必要，这恐怕也是目前市场上限制此类产品的主要不利因素。大连大学的李传森先生于2004年也研发了一种活塞式排球发球机，反响一般。本机器可以在进一步完善后后连续运作，克服了同类设计产品的缺陷，十分适合运动队伍做训练装备，相信目前在体育事业飞速发展的时段里，可以占据一定的市场本文只作单球运作属于半自动化装置。通过以上资料可以显示，球类发球机的设计为期较早，且都没有批量生产出售，然而球类发球设备的研究一直在继续，在国内具有非常好的发展前景。国外有类似的智能反馈系统应用于排球运动中，其主体思想是设计机器人验证可行性，连接计算机系统，主要目的是为了详细的数据统计分析，它的特点是智能，应用电脑游戏开发模拟。在国外利用计算机游戏模拟的方法极为普遍，包括橄榄球、冰球等，几乎每一项体育运动都有对应的智能系统，机械设备仅仅是其中的一个环节。国内大多情况是使用仿真软件进行动画仿真模拟，国外则是更为具体，各方面信息详尽，将其制作成计算机游戏，通过大量专业，非专业玩家进行模拟体验，用于采集数据进行分析，例如篮球行业，NBA2k系列，既满足大众娱乐，也为篮球相关技术提供数据保证。在美国，圣安东尼奥ATT体育中心出现过供篮球迷们体验的击打式篮球发球机，与本排球发球机的设计类似。此机器其实质是可以制作精良用作训练的，但是美国人把它做得极为简单，用于娱乐大众和展示体育文化。他们还是习惯于利用计算机开发游戏，充分利用大量玩家的游戏数据，进行分析。篮球实战训练全部真人上阵，只要把数据分析结果告诉陪练员就可以了，这样的训练效果明显。当然，这有可能是因为身体素质或者科技水平的领先，我们未必模仿得来。或许我们国家以后也会将智能系统广泛的应用于体育项目中，但是此设备的设计理念是将机器应用于实地强度训练，而不仅仅是提供数据采集的样本机。其本质目的相差甚远，设计思路就全然不同了。1.4 本文主要研究内容本文主要研究内容如下：(l)初步设计出大力高速的新型排球发球器，时速在18-30米每秒之间，由此可以充分发挥本发球机的作用，帮助提高我国专业排球运动员提高训练质量和比赛成绩。(2)设计一套击球系统，保证顺利击球使排球和执行机构的运动学、力学要求均可以得到满足，同时提高能量的转换效率，尽量使击球元件的机械能转化为排球的动能，节省资源。(3)选择适当的源动力系统，分析液压、气动和电气传动等传动方式的传动特点选择适当的传动系统，分析排球发球器的具体工作条件和环境，选择适合排球发球器的动力源，主要考虑生产成本及使用安全性等因素。(4)设计传动系统，保证击球元件能够准确击中排球球，并且使得击球后球的运行轨迹在可控范围内。主要是喂球的时间间隔问题，这关系到排球能否及时而准确地送达预定位置，与各零部件配合得当，以达到稳定运输的效果。(5)工艺造型设计，尺寸设计合理，尽量节约空间，无明显浪费或者缺陷。1.5 排球相关专业数据（1） 排球标准直径20.69-21.32cm之间，标准圆周在65-67cm之间。（2） 从专业队伍了解到我国男女排最高水平发球速度26m|s，女排国际高水平发球28m|s，男排国际最高水平时速可达到惊人的33m|s。（3） 击球点高度在2-3.2m。（4） 排球的标准质量为260-280g。（5） 标准排球场地尺寸为长18m宽9m，两端线外无障碍区至少5m，上空无障碍区至少12.5m。（6） 排球拦网高度女排为2.24米，男排为2.43米。2 发球机的总体方案设计2.1 设计方法及设计思想设计方法学是一门新兴科学，是现代设计方法的重要组成部分，已经得到了足够的重视。工业产品设计属于人类创造性活动，设计结果直接影响产品质量和企业经济效益其重要性不言而喻。各国在研究方法上各有侧重，但有共通之处，就是总结设计规律，激发创造性，我国自二十世纪八十年代以来，不断吸收国外研究成果，开展了设计方法学的理论和应用研究机器的设计阶段是决定机器好坏的关键根据人们设计机器的长期经验，一部机器的设计程序基本上可以如图2.1 图2.1设计机器步骤表 在大学本科4年的学习中，学生已经接触了一些设计产品的方法，本次毕业设计在整体构思方法上与机械设计课的课程设计十分相似，可以说机械设计、机电传动课程设计的训练为本次毕业设计做了充分的铺垫。根据过往经验和查阅资料本文讨论总结了几种常用机构的特性和设计方法，以便于更好的开发新产品。根据对新产品的要求差异，设计的思路也有所不同，大致可以分为三种为:全新设计，改进设计，系列设计。本设计不属于系列设计。本人参与了全新设计的部分工作，有一些细节设计是在团队获得专利之后为完成毕业论文所作的必要的补充与整改。（1）全新设计:也称开发型设计，硬性规定从基本原理到各零部件功能特点都需要有一定的创新性。一般来说，设计一种机器全新设计的难度最大，根据经验我们可以按以下步骤完成:步骤1进行初步产品规划，提出机器的功能要求，明确设计任务。步骤2作具体功能分析，选择机器工作原理，确定源动力、传动方式。步骤3列出各子系统应完成的独立运动，相互搭配运动确定实现该运动的构件(执行构件)。步骤4选择和组合能实现各执行构件所需运动的机构。步骤5确定机器各执行机构的运动协调关系，验证可行性。（一般做动画仿真模拟）步骤6根据各机构运动规律、动力条件、安全等级要求等确定机构尺寸和各机构间的相对尺寸。步骤7构形设计，选则各主要零部件的材料（非标准件需要考虑加工方式）确定结构、外形和尺寸。 步骤8总体协调设计;步骤9零、部件设计，构图;步骤10编写技术文件。步骤(1)至(2)是产品的规划阶段，其中功能要求包含机器规格、执行、使用和制造等有关要求。有需要才有被需要，前两部分就是明确究竟需要什么样的机器。步骤(3)至(5)便是机械运动方案的拟定阶段，主要实现机器的执行功能，并有承上启下的作用，此过程即是理论阶段，运用专业知识来设计满足需求。步骤(6)至(10)是详细设计阶段，确定了实现机器全部功能的具体构形，是机器设计的最后成果。此过程是准备阶段，即是用一种通用形式语言把理论转述出来，用来指导后续的生产装配。纵观全过程可以初步提高设计效率和为新的机器赋予不错的市场竞争力。因此，拟定机械运动方案在整部机器设计中的重要性显而易见，拟定方案在设计方法学中也有重要章节介绍。（2）改进设计:也称适应性设计，产品的子系统要有明显的的改进和变化，仅仅是设计风格和大量辅助装置沿用原来机器。改进设计需特别突出改进的必要性，改进结果包括在功能性，经济性以及技术要求等方面。（3）系列设计:也称变型设计，产品仅在功能方面微调，规格上肯能有量的变化，其核心思想及主要功能无本质差别。系列设计适用于技术成型，产品信誉可靠，有较为稳定市场消费保障的产品。2.2 方案论证2.2.1 机构的选型机构选型的首要问题是要熟悉各种机构的运动特性，重点是明白源动力机构的类型以及从动装置的具体运动，因为源动力是一台机器运转的开始。原动机的输出运动可分为如下几种:连续转动、往复转动、往复摆动、可控转动实际上，绝大部分机器的原动机输出运动为连续匀速转动，少数复杂从动机对制动、启动、反转要求较高，会出现可控转动、摆动等形式。通常设计者可以将执行构件的运动划分类别，将转动转换成这些运动的相应机构制成图表以便对照，本文可以选用伺服电机实现频率可控的连续转动。2.2.2 技术要求（1）操作方便，移动便利，推广容易。（2) 生产制造工艺简单，性价比较高。（3）生产及使用安全性可靠。（4）确保发球时速在18-30之间。（5）机器使用场地适用于封闭式体育馆塑胶场地和开放式体育场。2.2.3 方案确定1）总体结构本机器按功能划分主要由移动机构、喂球机构、击球机构、输球机构、导向机构五大结构部分组成同时需要辅助零件及源动力系统共同支持。移动机构由机箱部分和移动器械共同搭配；喂球机构由存球筒、运输弯管构成；击球元件为与套筒固定的钢板；输球机构为装配可自由转动滚球的钢丝网管；导向机构为导向杆和连杆；源动力系统即是电机负责为整部机器提供能量，产生驱动力。2）工作原理本设计应用了本科学习的课内知识涵盖了机械原理、机械设计、机电传动控制、材料力学、工程制图等多方面综合运用。其具体的工作原理如下。排球首先经由喂球机构，从进球口进入，经管壁到达击球点位，同时击球钢板在电机驱动下做规律运动，经过托球板（也称蓄力板）蓄力，于击球点位击打排球，排球由于挡球板的轨迹保护顺利进入输球机构，成功运动到出球口，调节导向机构，在导向杆及连杆共同的作用下选定一个随机方向最终顺利发出。2.2.4 传动方式的选择与确定机械传动装置的选用机械传动装置的选用(传动类型的选用)是整个设计过程中的重中之重，因为一方面传动装置几乎决定了整个机器的精度，另一方面，他影响了机器的构型进而左右了成本。在选择时需要考虑从原动机到工作机各个方面的作用因素，经比较后才能作出适当的选择。通常，可以从以下几方面着手选择:(1)参考工作场地负载确定机器工况性能参数;(2)源动力设备的性能及与其匹配的传动装置在机械特性上的相关要求;(3)为使得该机器性价比提高，增加市场吸引力。使其更具有竞争性应对比不同类型传动装置的购置费用、运转费用和维修费用，保证良好的经济效益，减少不必要损失。(4)能符合安全等级要求和环境保护要求;(5)使用时控制方便、简单、可靠以便于满足大众普遍需求。选定传动装置类型考虑方面: (1)功率范围:各种机械传动都有各自最合理的功率范围，例如链传动不适用于传递大功率，而圆柱齿轮传递的功率则非常高。所以，要适当规划功率范围。(2)速度:机器运转时，各种传动装置的极限速度(转速)虽然在不断提高，但是受发热、振动、噪声或制造精度等条件的限制，其适用的速度范围还是严格存在的，尤其是在参考了制造技术条件以后，范围更加精准。例如，V带传动最高带速不可超过3Om/s;如果控制带速过低、需增加带的条数来维持，这是不明智的做法。强行提高带速也提高了离心应力，增加了单位时间内带的循环次数，这将影响传动带的疲劳强度和使用寿命。 (3)传动效率:对于小功率的传动，其传动效率的高低一般不太引人注意;但是对于大功率的传动装置来说，其传动效率对能源的消耗和运转费用的影响就至关重要。因此在技术条件允许的情况下，就应该优先考虑选用传动效率高的传动类型。(4)寿命:机械传动装置的使用寿命主要可分为疲劳寿命和磨损寿命两方面，疲劳会出现裂痕甚至折断导致失效，磨损会影响连接紧密性可靠性，情节严重时甚至“失联”，这样的机器是不允许生产的，也是极度危险的。在设计机械传动装置时，一般都有明确的要求。(5)外廓尺寸:在相同的传动功率和速度下，采用不同类型的传动装置，其外廓尺寸可以相差很大。如果安装空间较小，要求结构尽量紧凑时，就不宜采用带传动和链传动。相反，如果由于布置上的原因，要求主从动轴之间的距离较大时，就应该采用带传动或链传动，而不宜采用齿轮传动。在选择尺寸时，我们应该考虑生产工艺、装配、运输方便等因素。(6)重量:很多机器对自身重量有限制要求，例如飞机等航空器、机动车辆、安装在海上钻探平台上用的机器等，这些机器都希望在不影响平衡的前提下减轻自重。在这种情况下，就要优先考虑传动装置的重量(常用功率重量比G/P，kg/kw来表示)。各种传动的G/P差别很大，即使是同类传动，各型式传动的G/P值也不同。自重也影响到源动力的选择问题，是必须考虑的因素之一。(7)变速要求:由于电动机的转速较高通常都在千转每分钟以上，有些第转速的机器就的使用减速器（变速器）。有级变速常采用圆柱齿轮传动，或采用带、链的配合机构来实现。后者由于操纵不方便、尺寸大，瞬时传动比不足够精确目前被使用的不多。机械无级变速最常用的是摩擦式无级变速器，它有结构紧凑、传动平稳、噪声小等优点，因而备受追捧，美中不足的是负载不能过大功率低，寿命也较短。(8)运转的平稳性:由于不同机器的工作场地千差万别，因而对传动装置运转平稳性的要求也不尽相同。一些重载机器要求在不影响环境的同时平稳运转。传动装置运转平稳性的主要指标是振动和噪声，它直接受传动装置的制造质量水平的影响。对于一些高标准的传动装置，其技术要求中都明确规定验收的振动、噪声精度等级。由于各种传动装置的设计规格和工作条件不同，因此对振动、噪声的要求也不同。不同类型的传动装置只要提高制造精度，通常都可以在一定程度上将振动、噪声降下来，但是由于生产成本增加，在收益方面未必划算。所以，在运转平稳性要求严苛的场合，设计者会选择稳妥方案（配置较低的蜗杆传动或带传动），可保障一定的性价比。(9)价格:传动装置价格是机器总体价格的一部分，设计完成一部机器后，价格相对较低会吸引更多的投资使得机器可以大量生产，占据一定的市场。几种常用的传动方式液压传动液压传动具有以下特点:(1)以液体为传动介质来传递运动的动力。(2)液压传动零部件必须安置在封闭的的空间内完成能量转换。(3)依靠密封容积的变化传递运动。其优点为（1）运行过程中可实现大范围无极调速，调速范围可达2000；1。 （2）应用各种制式阀易实现快速启动，制动和高频率的换向。 （3）可实现自动控制，中距离控制，过载保护。 （4）元件基础化，标准化，系列化，通用化程度较高，有利于降低设计制造周期和生产成本。其缺点为（1）传动过程中能量至少需经过两次转换，阻力因素明显，传动效率偏低。 （2）油液是有可压缩性的再加上传动过程中泄露的因素影响，导致无法保证精确传动比。 （3）不能在高温下工作，注意防火安全要求较高。 （4）制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。气压传动气压传动与液压传动有异曲同工之妙，工作介质为空气。气压传动优点有很多:(1)无需油液，只要吸纳空气即可，来源甚是广泛，在任意场合都可以获取，使用后直接排入大气整个过程没有产生污染性物质，不需要附加配置回气装置，省去不少麻烦。(2)空气的粘度并不高，流动时可以避免一些压力损失，没有油液泄漏节约能源、高效，适合集中供应或者远距离输送。(3)气动动作迅速，反应快，维护简单，调节方便，特别适合于一般设备的控制。 (4)成本低出很多，过载时有能力实现自动保护，有安全保障。气压传动与其他传动相比，具有以下缺点:(1)空气具有可压缩性，不易实现准确的速度控制和很高的定位精度，负载变化时对系统的稳定性影响较大。(2)使用压力基本为一个标准大气压，驱动能力有限，只适用于压力较小的场合。(3)排气噪声较大，高速排气时应加消声器。电气传动电气传动也称电力传动、电力驱动，是以电动机作为拖行系统驱动生产机械的执行机构我国对电动机的研发技术十分成熟，所以电气驱动是所有传动方式中最常见的。电气传动系统实现了从电能到机械能的转变突破，由此完成了对生产机械执行机构的启动、停止、调速、换向等各方面要求。电气传动系统由原动机（电动机）、控制装置、从动机（执行机构）三部分组成。电气传动的驱动功率可调性很强，小至几毫瓦大到几百兆瓦均可实现;调速范围宽泛是其他传动装置远不能相比的，转速调节从每分钟几转到每分钟几十万转，即使没有变速机构辅助调节调速范围依然可达1:10000;适用范围甚是广泛，标准化、系列化、通用化程度高可适用于任何工作环境。电气传动是工业机械的支柱环节，是检验工业普及应用成的显著标志之一。电气传动可分为不调速和调速两大类。按照电动机的类型不同，电气传动又分为直流与交流传动两大类。带传动带传动我们非常熟悉，其基本组成为带轮和传动带在生活中十分常见比如安全门。在摩擦式带传动中，根据传送带的横截面形状不同，又可分为平带传动，圆带传动，多楔带传动，v带传动。平带传动是所有带传动的基础类型，制造简单、生产成本低，中心距数值很大，几乎所有其他带型都是平带升级版本。经过多年的优胜劣汰，V带传动成为了带传动的典型代表。V带的横截面呈等腰梯形，带轮也做出相应的轮槽。工作时，V带和轮槽的两个侧面接触，即两侧面都是作用面，提高了接触面积。按照槽面摩擦的接触原则，在张紧力相同前提下，V带传动比平带传动产生更大的摩擦力。这是V带传动性能上的最主要优点。再加上V带多已标准化并大量生产等优点，因而V带传动以压倒性优势领先平带传动。其优点为（1）结构简单，运行平稳，噪声小，能够吸收震动能量，缓和冲击载荷。 （2）过载时将在带轮上打滑，对其他零件可起到保护作用。 （3）制造精度和安装精度不高，为生产和实地应用提供了便利。其缺点为（1）存在弹性打滑现象，降低了使用效率。 （2）不能保持准确的传动比。 （3）寿命较短。 （4）需要有张紧轮装置配合。链传动链传动通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力。其优点为能保持精确平均传动比，传动效率高，径向压轴力小，适于低速情况下工作，安装精度要求不高，成本低廉，远距离传动明显优于其他传动方式。其缺点为运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损严重可能发生跳齿等失效现象，工作时噪声明显，场面上档次不高，难以应用在重要场合，同时不宜用在载荷变化很大的传动中。链传动主要用在要求工作可靠，低速重载，且两轴相距较远，工作环境恶劣的场合。例如，农业，矿山，起重运输，冶金，石油化工等机械中。其中，对于滚子链传动常用与传动系统的低速级来说，传递功率有严苛限制一般在功率不高于100kw，链速不超过15m|s，日常使用中推荐使用的最大传动比i=8.齿轮传动齿轮传动的优点为，传动效率高，传动比稳定，使用寿命长，工作可靠。缺点为制造和安装精度要求高，成本较高，中心距较短不宜用于传动距离过大的场合。按传动轴相对位置不同，分为平行轴齿轮传动，相交轴齿轮传动和交错轴齿轮传动。按齿形不同分为渐开线、摆线、圆弧线等。按轮齿的分布方式不同分为直齿、斜齿、人字齿曲齿等。较常见的是按工作条件不同，分为开式、半开式、闭式齿轮。从应用场合的角度考虑，开式齿轮传动普遍应用在低速传动机构中，闭式齿轮传动可靠性极强在许多重要场合受到了设计者的青睐。按齿面硬度不同分为硬齿面齿轮和软齿面齿轮以HBS350作为划分线。齿轮传动的失效形式主要是轮齿折断和工作面磨损、点蚀、胶合及塑性变形。轮齿折断主要发生在齿根部分，在齿轮多次啮合过程中重复的弯曲应力和应力集中导致齿根弯曲疲劳折断；过载折断是在突然过载或受到预期外载荷冲击时无征兆折断；局部折断是由于载荷集中或受载过大时发生，这与最初选型有关。齿面磨损主要是齿面磨粒磨损，这是开式齿轮传动的主要失效形式之一，在闭式齿轮传动中较为罕见。齿面点蚀首先发生在靠近节线的齿根面上。在齿轮工作时，齿面受到脉动循环接触应力的作用。齿面接触应力超出材料的接触疲劳强度时，在载荷的多次重复作用下，齿轮的表层就会出现细微的裂痕，裂痕逐步扩展变深拉长，致使齿面的金属微粒剥落下来最终形成疲劳点蚀。齿面胶合首先在软齿面上，重载高速时摩擦热大，瞬时温度高，啮合齿面粘结，沿着相对滑动方向齿面材料被撕裂发生热胶合，低速重载时候如果缺少润滑油，压力超出极限负载时，油膜就会被挤破与杂质接触此时便会引起冷胶合。闭式软齿面齿轮传动的失效形式是齿面点蚀，因此，按齿面接触疲劳强度进行设计，按齿根弯曲疲劳强度进行校核；闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式是齿根弯曲疲劳折断，因此，按齿根弯曲疲劳强度进行设计，按齿面接触疲劳强度校核；开式齿轮传动的主要失效形式是齿面磨损，因此，只按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并通过增大模数和降低许用应力来考虑磨损的影响。蜗杆传动蜗杆传动是转换运动和动力的一种传动机构，可用于在空间重叠交错的两轴件之间，主要用作减速装置。其特点为传动比大，结构紧凑；受到较小的冲击载荷，传动十分 平稳，噪声低；具有自锁性， 摩擦损失大，传动效率低。我们接触的蜗杆传动通常是根据蜗杆形状划分的，具体有三类表现形式：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。蜗杆传动的失效形式有点蚀、齿根折断、齿面胶合及过度磨损等。在开式蜗杆传动中，通常只需要按齿根疲劳强度进行设计齿根弯曲疲劳强度；在闭式蜗杆传动中，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核。传动系统方案确定,综合各方面因素选用电气传动作为本设备的传动方式。2.2.5 源动力系统的选择与确定1）源动力传出机构的设计 电力拖动系统使用的电动机的种类通常可以分为直流电动机和交流电动机类。电力拖动系统电动机的选择参考条件是经济效益，在电动机的性能满足拖动系统生产机械要求的条件下，尽量选用结构简单、工作可靠的电动机。仅仅从结构构造的角度来判断，交流电动机优于直流电动机，而异步电动机明显比同步电动机简单，笼型异步电动机比绕线型异步电动机略好一些。综上所述，本发球器可选用交流拖动系统中的三相伺服电动机，电机旋转运动的运动方程公式为 （2.1） （2.2）G为重量，D为惯性半径，g为重力加速度选取9.82）电动机系列的选择在我国，电动机的系列化，标准化，通用化应用十分广泛。挑选一台电动机首先应进行系列选择，电动机的系列可分为基本系列、派生系列和专用系列等。基本系列是一般用途系列产品，适用于普通传动要求，通用化程度高应用广泛。派生系列按不同的使用要求，在基本系列基础上做了一部分改动，其零部件与一般系列基本通用，包括电气派生、结构派生、环境派生等系列，若选用派生系列需要重点体现出选择派生系列的必要性;专用系列是指有特殊防护要求的系列产品，在普通机器的设计过程中较为少见。电动机额定参数的选择一台成型的电动机，从产品铭牌上可以看出额定参数很多，设计者挑选电动机时需要重点参考的是额定电压、额定转速、额定功率等项目。一般来说源动力系统的使用环境决定了电动机额定电压。我国民用用电标准为220V或者44OV直流电压，三相交流低压值为380V，高压则有3kv到10kV不等，选择时应选用与额定电压相匹配的电动机，避免出现无法供电的尴尬现象。在供电环境条件宽松时，一般容量大的电动机尽量使用高压低流的方式利于节能。电动机额定转速是所有因素中最重要的一个，电动机的本质就是驱动旋转，转速直接关系到生产机械的效率。其选择的原则通常是根据拖动需要的转速大小来决定。在某些对电动机启动、制动、反转频率要求较高的动力系统中，额定转速的确定应格外注意。通常情况下，选择电动机额定转速要完全根据机械制造生产的实际情况，考虑到前期投入和后期维护等消费收益问题，考虑在过渡过程中系统动态变化、电动机的损耗报废等因素。额定功率相同的电动机，若转速高则体积小，价格低;但与运行机械相配合时，电动机的转速高则相应的拖动系统要求的传动机构速比大，通常传动机构配置复杂，经济损耗增加，系统运行可靠性下降。电动机的额定功率即是负载额定容量，早在设计、制造电动机时就确定了数值。其值规定为在正常工作温度条件下，电动机的发热状态允许的运行时极限输出功率。电动机的额定功率与电动机的散热系统、电动机材料、电动机的运行状况、电动机的结构形式、与其他机构的连接等都有关系。在源动力系统内运动的机械设备工作时也需要消耗机械功率，这一部分消耗的功率是由拖动电动机的轴伸端输出提供支持的。选择电动机额定容量的基本原则应该是在不超出生产机械负载要求的条件下，尽可能的 选额定功率小的电动机。电动机额定功率的选择过程就是根据负载转矩、转速变化范围、启动频繁程度等要求，考虑三个方面条件:电动机的允许温升、电动机的过载能力和电动机的启动能力，配置合适额定功率的电动机。电动机质量性能的选择衡量电动机质量性能的优劣是选择电动机的核心问题，可以从下列几个角度来考虑质量指标水平。(1)效率水平效率提高体现在节能方面上，随着电动机运行时间的增加，效率提高的节能效果十分明显。交流电动机性能特性效率指标影响着能量的转换利用率，除此之外还有电动机的功率因数也起到一定的作用。(2)启动性能选择电机主要是选额定值，电动机的启动性能往往被忽略，但启动性能好是机器高效高能的主要表现，涵盖了启动转矩、最大转矩、启动电流等项目。拖动电动机选用有足够大的启动转矩和较小的启动电流，这样选择的目的是为了让拖动系统迅速带动负载启动至额定转速比较适宜。同时，为了保证机器运转过程中拖动系统正常运行，需要足够大的驱动力以保证电动机的过载保护。此外还需特别注意的是，应尽量减小电动机的启动电流，避免电动机突然电流升高产生热对电源供电设备造成一定程度的冲击现象的发生，扰乱了整个回路导致其余用电设备正常使用。(3)噪声、振动水平电动机的噪声、振动水平从侧面揭示了电动机设计、工艺、制造、装配水平，是实地应用水平的重要检测标准之一，一般在产品规划阶段技术要求一项中就要做明确要求。电动机的噪声可以分为通风散热噪声、机械噪声、电磁噪声等。正常情况下，通风噪声是影响噪声水平的主要作用因素;机械噪声主要是因轴承运转、机械共振、电刷摩擦等产生的，可通过改善加工精度略微调整。当交变磁拉力的频率临近铁心机座原有的共振频率时，电磁噪声此时会突然增大，频率范围幅度变化从7004000Hz不等，此范围内人的听觉可以清楚察觉引发不适的感觉，因此，电磁噪声是需要特别抑制的主要噪声。现如今，检测人员可以通过频谱分析的专业技术来测寻电动机噪声主要声源。 剖析振动、噪声产生的原因，我们可以粗略的认为高频振动是噪声产生的直接原因;而低频振动作为噪声幅度的影响因数，也是不可忽略的。电动机的振动速度与电动机结构件的材质、强度、重量、尺寸及其间隙的配合等相关。随着生产制造工艺的逐步提高，可以通过控制零件加工精度来有效抑制振动，也可以从选材，装配质量等方面着手。(4)温升水平电动机的温度过高将导致电动机绝缘老化、机械强度降低、使用寿命也有所缩短，情节严重时甚至烧毁整台电动机。在某些机械传动过程中，温度长期超标会增加胶合，磨损的可能性。一台额定功率确定的电动机，负载越大，损耗也随之增多，导致单位时间内聚集的热量过多，温度上升至超过正常工作水平。为限制温升，应该控制电动机损耗，避免过载运转，减少发热量，提高散热能力。电动机温升是发热、冷却动态平衡状态下的综合性指标，电动机的功率与温升存在着相互对应的关系，只有温升极限值确定了才能进一步确定电动机的额定功率范围，作出明智抉择。选择电动机额定容量就是考虑电动机工作制的过程。我国生产的电动机总体分成3个类别，分别为连续工作制、断续工作制和定时工作制。本设计发球机用于强度训练，专业单人训练时长为2小时多人训练时长可达十多个小时。保险起见选用连续工作制的电机。按照上面的具体技术要求选定电动机后，下一步就该选择电动机的轴伸端与传动装置的连接方式。在电动机和工作主轴之间可以安装一级V带传动，V带具有传动平稳的特点，尤其能过缓冲吸振，适合本机器。本问选用标准化更高的高标减速器来完成任务。结论：在衡量各项参考因素，比较了若干种电机性能之后，本设计选用中小惯量交流伺服电动机，代号FB，功率范围小于2.5kw，该电机转矩惯量比高，响应快，热容量高，低速性能良好，精度高，可靠性好。选择原则详见机械设计手册第3版第5卷P22-75.3主要机构结构设计3.1 移动机构设计本设备总体构形规格为长1.4米宽0.9米总构型高约2米，初级总重量为30公斤 ，进一步完善后总重量约为50公斤。其移动机构很大程度上决定了机器的整体规格。其示意图如图3.1图中A、B即为移动机构。 图3.1整体机构示意图框架的选材：框架的选材除了要考虑经济因素和功能分析外还要注意机器存放和抗氧化处理。本机器在应用后将会定期使用，金属制品框架应该注意其防锈处理。金属腐蚀的原因可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀即是通常所说的氧化的过程如公式3.1。 (3.1)电化学腐蚀是由于钢材在制造过程中不可避免的参杂了其他金属，一旦接触导电溶液时就会出现电位差，导电液中游离电子定向移动使得溶液中产生电流，直接导致电位低的金属首先被