网球发球机机械系统方案设计

1、2015-1-29 组长：组员：机械原理课程设计多功能网球发球机原理设计目录需求分析结果2功能要求4功能原理设计4运动规律设计101. 给球连杆机构102. 定位加转机构123. 下层摇转机构144. 击球机构185. 防堵球机构206. 传动系统设计21最终效果展示24课程设计的感想和总结25参考文献26多功能网球发球机机械系统原理方案设计一、 需求分析结果。网球起源于法国，现在已经成为全世界最流行的球类运动之一，深受广大运动爱好者的喜爱。但是作为一个对抗性的运动，当你只有一个人的时候或者是需要一个稳定的对手来练习的时候，就会显得十分尴尬，而网球发球机的出现，极大程度上解决了类似的问题。尽管

2、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。当前最主流的网球发球机是靠两个轮子的相对旋转时挤压网球将网球打出。它们在前部都有个出球口，通过出球口可以看见两个轮子，就是这两个由电机带动的轮子通过快速旋转将球挤压射出。通过上下两个轮子的不同的旋转速度可以把球挤出时产生可以调整的上旋或下旋。目前市场同类产品中较为常见的有以下两种：TUTOR-03网球发球机球容量:125个球道高度控制:平击球至高吊球最大球速:136公里/小时发球频率:1.5-10秒发球方向控制：双线摇摆，随机摇摆电池款使用时间：3-4小时尺寸：50CM长 x 51CM宽x 30CM高重量：19

3、公斤斯波阿斯SS-3033微电脑智能网球发球机训练机可调发球速度30150公里/小时，可调出球频率212秒/球此两种是市场上较为常见的两种网球发球机，他们都有共同的问题，那就是不够灵活，不能够完美的按照用户需求进行发球，发球线路较为单一，且由于用到了单片机控制电路，导致造价昂贵，售价也是让人望而却步。二、 功能要求（设计目的）。鉴于目前的市场上的现有网球发球机功能不太全面并且用到了复杂的电子控制电路，本小组决定设计一个控制简单并且功能全面的网球发球机，其基本功能包括以下几点：1. 可以发出一定速度的球：在所有球类中，网球的球速差不多算是最高的，业余个人打球的话可能不会特别高，一般在100KM/

4、H-150KM/H,但专业人员会高一些。 男子方面：在2011年克罗地亚与德国队的戴维斯杯一场双打比赛中，卡洛维奇在第四盘的一记发球达到251公里小时，打破了美国人安迪罗迪克249公里小时的前纪录。后者的纪录是在2004年戴维斯杯美国队与白俄罗斯队的比赛中创造的。 女子方面的纪录是大威保持的207km/h。所以考虑到发球机的面向人群应该更广，本设计要求网球出膛速度达到120km/h（即33.3m/s）2. 可以发出各种方向的转球。网球的旋转虽然不像乒乓球一样致命，但是在比赛中也很具有威胁。本设计要求发球机可以发出任意方向的转球，并且可以手动调整发出转球的种类，例如侧旋、上旋、下旋等等。3. 能

5、够实现两点的定点给球。网球比赛中回球的质量很大程度上在于运动员的移动击球能力，步法更不上对手的进攻球，防守必然处于被动的地位，因此平时多加训练奔跑击球尤为重要。本设计要实现能够使得发球机在一侧的端线，把球发到另一侧的双打底线的两端点。三、 功能原理设计（系统运动方案设计的构想）1. 机构整体采用立式层次结构，并且各个功能模块如图：考虑到实际过程中在入球口可能会发生堵球的现象，在此特地增加一个防堵球机构。给球功能：给球功能可以由槽轮机构实现，每90度卡一个球，将球送给击球机构后下一个球进入槽轮，但这样的缺点是容易卡死；还可以用凸轮机构进行封堵给球，缺点同样是容易卡死。击球功能：击球功能可以由两个

6、转动的轮子实现，两个轮子高速转动为球加转通过挤压的力量将球射出，缺点是能够实现的发球种类较少；也可以由连杆机构实现，缺点是效率稍低。定位加转功能：定位加转功能可以由连杆滑块机构实现，缺点是不够精确；也可以由齿轮传动实现，缺点是效率低。下层摇转功能：下层摇转功能是由连杆机构实现的。考虑到实际过程中在入球口可能会发生堵球的现象，在此特地增加一个防堵球机构。经过小组讨论各功能模块实现机构如下：2. 运动循环图制定发球机必须可以左右摇摆，并且在左右两个极位附近把球发出。但是在发球之前还要完成两个辅助动作，也就是把球推送到发球的位置以及给球加一个转速，所以从这点来看，辅助动作必须在发球机上层系统在向左摆

7、、向右摆的过程中完成。根据整个发球的需求，我们确定的运动循环图如下：主轴转角0180180360360540540720送球机构将要发的球推出，并挡住其他球下落挡球连杆移开，使球下落到送球连杆将要发的球推出，并挡住其他球下落挡球连杆移开，使球下落到送球连杆定位加转机构导杆上升，球被加转导杆下降导杆上升，球被加转导杆下降击球机构击球头回收行程击球头击球行程击球头回收行程击球头击球行程摇转机构摇杆向着左极位移动摇杆到达左极位附近摇杆向着右极位移动摇杆到达右极位附近防堵球机构曲柄在落球口附近缓慢旋转，防止堵塞四、 机构运动规律设计1. 给球连杆机构l 机构定型：为了实现这样的功能并且使得机构尽量简单

8、，可以参照参考资料一47页的自动送料机构：l 尺寸确定：本发球机以Slazenger比赛用球的标准球直径为准，因此球入口直径为690mm，可以按照比例算得运动学尺寸。机构中所有的运动学尺寸根据上图中的尺寸按比例绘制，转配玩之后的三维模型图如下：l 动力输入连杆机构尺寸确定：由于整个网球发球机只能采用一个动力源，所以我们必须实现考虑好送球机构的运动输入方式。下面我们考虑如何给该机构输入运动。送球机构的动力输入连杆事实上是一个摇杆，并且只能摇动30，因此动力输入装置必须是一个曲柄摇杆机构，曲柄可以和齿轮或者是带轮固连作为动力输入（这两者具体选择什么，在设计整个系统传动方式的时候可以确定）。参照我们

9、上面设计的送球机构运动学尺寸，我们得到动力输入的曲柄摇杆机构动力学尺寸要求如下：120mmL+r=1202+1502-2*120*150cos60L-r=1202+1502-2*120*150cos30L+r=138mmL-r=75mmL=107mmr=32mm=60150mm上面的计算公式主要用了解三角形的数学知识，其中L表示摇杆的长度，r表示曲柄的长度。根据计算得到的尺寸，转配出来的三维模型如下图所示。最后整个送球机构的三维模型如下： 2. 定位加转机构l 机构定型：该机构的目的是实现间歇运动并且还要具有急回特性，因此选择盘形凸轮机构。l 尺寸确定：推程要慢，这使得挡块可以防止加速旋转的球

10、滚出膛；回程要快，要避免挡块和击球装置碰撞。所以，推程需要34mm这样正好到球的一半高，可以挡住球，回程需要快速。在实现功能的基础下为了使机构更简单，凸轮可采用偏心轮。R-eR+e35mm假设取e=10mm =30解图中三角形：2R+eR-ecos30=R+e2+R-e2-352可以解得R=58mm(取整)根据上面的尺寸建立出来的三维模型系统如下：图中绿色的轮子表示是动力输入轮，这里的动力输入可以选择皮带轮传动，这样比较方便，而且空间布局也比较方便。传动方案如下：3. 下层摇转机构l 机构定型：这个机构就是要实现能够使得发球机在一侧的端线，把球发到另一侧的双打底线的两端点。可以选择连杆机构，具

11、体地说是参照电风扇摇头机构（双摇杆机构）进行设计。标准网球场地尺寸图见下图：l 尺寸确定：功能上要求网球发球机能够在一个端点把球发到正对角和斜对角，并且采用的连杆机构不能有急回特性，也就是说行程速比系数必须等于1。这些约束条件具体表示在下图中：23770mm10970mm 在网球场地尺寸简图中可计算得：=tan-=24.77参照算出的摆动角度可以设计如下的双摇杆机构，也就是摇头机构：其中AB杆是与发球机上层固连的摇杆，BC杆上连接齿轮作为整个机构的动力输入，那么AB杆必须能够在=24.77 范围内摇摆，然后整个机构尺寸必须构成一个双摇杆机构，没有急回特性。这三个要求构 尺寸设计的约束条件。一般

12、位置示意图：CBDA极位示意图：从图中可以看出，如果BC杆作的是匀速圆周运动（事实上是这样）那么无论如何机构都有急回特性，但是我们可以减小这种差异，也就是设计的时候可以让它的极位夹角尽量减小。利用数学知识可以将约束条件表达为：B1C2=2RA2-2RA2coscosB1DB2=(R+r)2+(R-r)2-B1C222(R2-r2)其中B1DB2就是极位夹角，我们的目标就是让它尽量小。我们可以利用mat lab进行优化设计，求得r的表达式由下图中的fans变量接收。实际设计中长度显然是正数所以我们取：进行优选的源程序.m文件代码如下：a=200:1:300;b=200:1:300;c=200:1

13、:300;f=0.5*(0.*a.2+0.*2002).0.5;g=0.5*(0.*b.2+0.*3002).0.5;h=0.5*(0.*c.2+0.*4002).0.5;figureplot(a,f,b,g,c,h);生成图像：我们想要选取的点也在图中标注。注意：这里固定了R取值200,300,400mm,并且极位夹角取5，这样急回特性不明显，可以近似认为没有急回特性。中间的蓝线表示R=300mm因此最终参数选择为：R=300mm,r=55mm,ra=250mml 动力输入机构的确定：考虑到最后所有机构的动力输入应该都是齿轮，所以我们想出来一个将双摇杆机构和行星轮机构复合的传动方案，灵感来自

14、于电风扇的摇头机构，也就是动力输入是一个齿轮和双摇杆中可以整周转的连杆固连形成的一个构件，上层的发球机把转动用齿轮传入该机构，使得整个网球发球机上层的发球系统可以随着摇杆摆动。具体的机构原理见下图。4. 击球机构l 机构定型：本发球机要求击球机构的最大速度达到120km/h，并且机构击球过程快、回程过程慢，因此机构必须具有急回特性，且速度快的行程为工作行程，工作行程要求达到50mm。所以选择偏置曲柄滑块机构比较合适。l 尺寸确定：击球机构的最大速度达到120km/h，具有急回特性，工作行程至少达到50mm。不妨取行程速比系数K=2，从而可知=60d+eed=100mm取d=100mm，a=40

15、mm利用余弦定理：2b-ab+acos60=(b-a)2+(b+a)2-d2从而可以解得b=72mm，进一步课算得偏距e=31mml 运动输入机构确定：因为该机构是一个导杆机构，主要是一个曲柄转动作为动力来源，所以对于这个机构我们一样可以选择齿轮作为运动输入构件。下面展示的是我们设计的低速击球机构，蓝色的圆柱就是击球头，由连杆带动，击球的速度取决于锥齿轮的转速，前面那个由皮带轮驱动的橙色轮子是给球增加一定的转速。这里展示的这个机构是我们设计的低速击球机构，也就是说可以发出我们设计的网球发球机中的最低速度也就是30km/h，在最后提交的动画里面用的也是这个机构。主要是考虑到快的击球机构在展示动画

16、时看不清楚。展示效果太差。 下面是我们在低速击球机构基础上对传动系统做出改进从而设计出来的高速击球机构，理论上击球速度是低速击球机构的4倍，因此可以达到我们设计时提出的最高速度120km/h的要求。传动系统主要改进是：外界传进来的旋转并没有直接加在击球机构动力轮上，而是通过了槽轮机构和不完全齿轮机构使得击球机构动力轮转速提高到以前的4倍，这样在理论上就可以发出120km/h的球。 外界的旋转直接加在槽轮机构的拨盘上，这样既可以保证击球机构的运动周期与其它机构同步，又可以把击球速度提升到之前的4倍。不完全齿轮和一个完全齿轮啮合，槽轮转动一个90，带动不完全齿轮转动90度，从而完全齿轮转动一周也就

17、是360度，这样可以将转速提高到以前四倍。另一个角度的截图如下 5. 防堵球机构该机构仅仅起一个辅助的功能，在装备漏球斗的网球发球机中很容易出现一种现象，就是堵球，也就是多个球聚集到落球口附近，但是每个球都掉不下去。这时要求网球发球机旁边有一个人看着，发生堵球时用手稍稍拨动一下球，让它顺利下落。但是如果在落球口附近装备一个曲柄，让其在那里不停旋转就可以避免堵球的发生。尺寸要求仅仅是让曲柄覆盖范围能够达到漏球口，转速稍慢即可。这个机构由于是一个辅助机构，尺寸是我们在设计空间布局的时候配凑出来的，具体可以参照表示整个设计机械原理的运动简图。下图中紫红色的类似菱形的杆件就是放堵球的曲柄，显示产品中可

18、以用硬质橡胶来做这个构件。6. 传动系统设计整个传动系统主要由各种齿轮和皮带轮传动构成，空间布局尺寸见运动简图。整个系统采用一个动力源，所以动力源主轴如下图所示，图中红色的那根轴就是直接和电机相连的主轴，是整个系统的唯一动力源。其它各个子机构的动力输入如后续各图展示。同样，具体的尺寸见机构运动简图。由于前面设计各个机构的过程中充分考虑了和传动系统的连接，所以设计传动系统的工作相当简单，所有齿轮和皮带轮的传动比都是一样的1:1。并且为了方便实际制造，在空间布局上恰好使得所有齿轮对都可以使用标注齿轮。l 原动机的选择：原动机我们可以选择普通电机，要求能够通电时输出稳定转速。转速可以这样确定：业余运

19、动员从网球场底线的一边跑到另一边平均时间大概为2秒，主轴旋转一周，发球机上层发球机构从一边摇向另一边，所以主轴转速应该是30r/min左右。l 主轴齿轮系（使用锥齿轮：直齿锥齿轮GB/T12369-1990-m4-z30）l 击球机构的动力输入（锥齿轮参数同上）l 送球机构的动力输入采取皮带轮l 下层摇转机构的动力输入采用锥齿轮（直齿锥齿轮GB/T12369-1990-m4-z30）l 定位机构的动力输入采用皮带传动l 防堵球机构动力输入采用标准直齿轮传动（直齿圆柱外齿轮GB/T1356-2001-m2-z40）五、 最终效果展示。最后整个机构空间布局以及最终效果图如下：渲染后的效果图：六、

20、课程设计的感想和总结l 知识运用方面：之前学习机械原理课程的时候碰到的很多设计和分析的问题都是唯一解的，题目给出的约束条件不多也不少，正好够给出一个唯一的解。但是通过这次设计我们发现，现实生活中的设计问题很难找到正好有唯一解的，主要是约束条件不足，设计者可以在一个适当范围内选取，我们的所有机构都是这种情况；或者是约束条件是有矛盾的，要在一定范围内寻找最优解。除此之外，这次设计连杆机构时碰到的情况也是以前学习机械原理时前所未有的。在我们设计下层摇转机构的过程中，那些约束条件都是我们以前没有见过的，所以最后我们采用了计算机辅助设计，利用MATLAB程序把所有的可能结果全部列举，然后择优选取。所以我

21、们也训练了利用计算机辅助优化设计的能力。l CAD软件运用方面：我们这次建立三维模型所用的软件是CATIAV5R19，CATIA软件在行业内部认为是比较高端的设计软件。但是通过这次的运用发现，CATIA不太适用于新手操作，必须是略懂计算机数据结构以及比较熟悉计算机CAD模型表达方式的专业人员操作。而且由于采用的版本比较老，槽轮的运动仿真没办法一部到位，和其他小组交流发现，一些中低端软件例如SolidWorks、inventor倒是比较适合这次设计，并且尤其适合运动仿真。CATIA软件的高端就在于它的复杂曲面造型功能是CAD软件中数一数二的、参数化设计程度也是业内数一数二的而且它是一个CAX高度集成软件。从这些方面看来，这个软件高端的地方并没有给这次课程设计带来什么便利。因此以后学习CAD软件的过程中应该博取众长，不能只学一些所谓的高端软件。l 小组合作方面：在这次课程设计中，我们收获颇丰。虽然在设计过程中遇到了很多问题，但经过我们积极的讨论，用心的思考，以及经常向学长们请教，全部一一解决了。这也说明我们光靠上课学习是不够的，不实际应用一下学过的知识，是不能切实掌握的。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断学习，不断领悟。例如在设计给球装置时我们提出了三种方案，分别是槽轮机构，