網(wǎng)球發(fā)球機機械系統(tǒng)方案設計資料

1、 26 / 272015-1-29 組長：組員：機械原理課程設計多功能網(wǎng)球發(fā)球機原理設計目錄需求分析結(jié)果2功能要求4功能原理設計4運動規(guī)律設計101. 給球連桿機構(gòu)102. 定位加轉(zhuǎn)機構(gòu)123. 下層搖轉(zhuǎn)機構(gòu)144. 擊球機構(gòu)185. 防堵球機構(gòu)206. 傳動系統(tǒng)設計21最終效果展示24課程設計的感想和總結(jié)25參考文獻26多功能網(wǎng)球發(fā)球機機械系統(tǒng)原理方案設計一、 需求分析結(jié)果。網(wǎng)球起源于法國，現(xiàn)在已經(jīng)成為全世界最流行的球類運動之一，深受廣大運動愛好者的喜愛。但是作為一個對抗性的運動，當你只有一個人的時候或者是需要一個穩(wěn)定的對手來練習的時候，就會顯得十分尷尬，而網(wǎng)球發(fā)球機的出現(xiàn)，極大程度上解決了

2、類似的問題。盡管可能無法獲得如同與人對抗時的樂趣，但對于技術(shù)的提高與自身的鍛煉還是有很大的幫助的。當前最主流的網(wǎng)球發(fā)球機是靠兩個輪子的相對旋轉(zhuǎn)時擠壓網(wǎng)球?qū)⒕W(wǎng)球打出。它們在前部都有個出球口，通過出球口可以看見兩個輪子，就是這兩個由電機帶動的輪子通過快速旋轉(zhuǎn)將球擠壓射出。通過上下兩個輪子的不同的旋轉(zhuǎn)速度可以把球擠出時產(chǎn)生可以調(diào)整的上旋或下旋。目前市場同類產(chǎn)品中較為常見的有以下兩種：TUTOR-03網(wǎng)球發(fā)球機球容量:125個球道高度控制:平擊球至高吊球最大球速:136公里/小時發(fā)球頻率:1.5-10秒發(fā)球方向控制：雙線搖擺，隨機搖擺電池款使用時間：3-4小時尺寸：50CM長 x 51CM寬x 30C

3、M高重量：19 公斤斯波阿斯SS-3033微電腦智能網(wǎng)球發(fā)球機訓練機可調(diào)發(fā)球速度30150公里/小時，可調(diào)出球頻率212秒/球此兩種是市場上較為常見的兩種網(wǎng)球發(fā)球機，他們都有共同的問題，那就是不夠靈活，不能夠完美的按照用戶需求進行發(fā)球，發(fā)球線路較為單一，且由于用到了單片機控制電路，導致造價昂貴，售價也是讓人望而卻步。二、 功能要求（設計目的）。鑒于目前的市場上的現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機功能不太全面并且用到了復雜的電子控制電路，本小組決定設計一個控制簡單并且功能全面的網(wǎng)球發(fā)球機，其基本功能包括以下幾點：1. 可以發(fā)出一定速度的球：在所有球類中，網(wǎng)球的球速差不多算是最高的，業(yè)余個人打球的話可能不會特別高，一

4、般在100KM/H-150KM/H,但專業(yè)人員會高一些。 男子方面：在2011年克羅地亞與德國隊的戴維斯杯一場雙打比賽中，卡洛維奇在第四盤的一記發(fā)球達到251公里小時，打破了美國人安迪羅迪克249公里小時的前紀錄。后者的紀錄是在2004年戴維斯杯美國隊與白俄羅斯隊的比賽中創(chuàng)造的。 女子方面的紀錄是大威保持的207km/h。所以考慮到發(fā)球機的面向人群應該更廣，本設計要求網(wǎng)球出膛速度達到120km/h（即33.3m/s）2. 可以發(fā)出各種方向的轉(zhuǎn)球。網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)雖然不像乒乓球一樣致命，但是在比賽中也很具有威脅。本設計要求發(fā)球機可以發(fā)出任意方向的轉(zhuǎn)球，并且可以手動調(diào)整發(fā)出轉(zhuǎn)球的種類，例如側(cè)旋、上旋、下

5、旋等等。3. 能夠?qū)崿F(xiàn)兩點的定點給球。網(wǎng)球比賽中回球的質(zhì)量很大程度上在于運動員的移動擊球能力，步法更不上對手的進攻球，防守必然處于被動的地位，因此平時多加訓練奔跑擊球尤為重要。本設計要實現(xiàn)能夠使得發(fā)球機在一側(cè)的端線，把球發(fā)到另一側(cè)的雙打底線的兩端點。三、 功能原理設計（系統(tǒng)運動方案設計的構(gòu)想）1. 機構(gòu)整體采用立式層次結(jié)構(gòu)，并且各個功能模塊如圖：考慮到實際過程中在入球口可能會發(fā)生堵球的現(xiàn)象，在此特地增加一個防堵球機構(gòu)。給球功能：給球功能可以由槽輪機構(gòu)實現(xiàn)，每90度卡一個球，將球送給擊球機構(gòu)后下一個球進入槽輪，但這樣的缺點是容易卡死；還可以用凸輪機構(gòu)進行封堵給球，缺點同樣是容易卡死。擊球功能：擊

6、球功能可以由兩個轉(zhuǎn)動的輪子實現(xiàn)，兩個輪子高速轉(zhuǎn)動為球加轉(zhuǎn)通過擠壓的力量將球射出，缺點是能夠?qū)崿F(xiàn)的發(fā)球種類較少；也可以由連桿機構(gòu)實現(xiàn)，缺點是效率稍低。定位加轉(zhuǎn)功能：定位加轉(zhuǎn)功能可以由連桿滑塊機構(gòu)實現(xiàn)，缺點是不夠精確；也可以由齒輪傳動實現(xiàn)，缺點是效率低。下層搖轉(zhuǎn)功能：下層搖轉(zhuǎn)功能是由連桿機構(gòu)實現(xiàn)的?？紤]到實際過程中在入球口可能會發(fā)生堵球的現(xiàn)象，在此特地增加一個防堵球機構(gòu)。經(jīng)過小組討論各功能模塊實現(xiàn)機構(gòu)如下：2. 運動循環(huán)圖制定發(fā)球機必須可以左右搖擺，并且在左右兩個極位附近把球發(fā)出。但是在發(fā)球之前還要完成兩個輔助動作，也就是把球推送到發(fā)球的位置以及給球加一個轉(zhuǎn)速，所以從這點來看，輔助動作必須在發(fā)球機

7、上層系統(tǒng)在向左擺、向右擺的過程中完成。根據(jù)整個發(fā)球的需求，我們確定的運動循環(huán)圖如下：主軸轉(zhuǎn)角0180180360360540540720送球機構(gòu)將要發(fā)的球推出，并擋住其他球下落擋球連桿移開，使球下落到送球連桿將要發(fā)的球推出，并擋住其他球下落擋球連桿移開，使球下落到送球連桿定位加轉(zhuǎn)機構(gòu)導桿上升，球被加轉(zhuǎn)導桿下降導桿上升，球被加轉(zhuǎn)導桿下降擊球機構(gòu)擊球頭回收行程擊球頭擊球行程擊球頭回收行程擊球頭擊球行程搖轉(zhuǎn)機構(gòu)搖桿向著左極位移動搖桿到達左極位附近搖桿向著右極位移動搖桿到達右極位附近防堵球機構(gòu)曲柄在落球口附近緩慢旋轉(zhuǎn)，防止堵塞四、 機構(gòu)運動規(guī)律設計1. 給球連桿機構(gòu)l 機構(gòu)定型：為了實現(xiàn)這樣的功能并且

8、使得機構(gòu)盡量簡單，可以參照參考資料一47頁的自動送料機構(gòu)：l 尺寸確定：本發(fā)球機以Slazenger比賽用球的標準球直徑為準，因此球入口直徑為690mm，可以按照比例算得運動學尺寸。機構(gòu)中所有的運動學尺寸根據(jù)上圖中的尺寸按比例繪制，轉(zhuǎn)配玩之后的三維模型圖如下：l 動力輸入連桿機構(gòu)尺寸確定：由于整個網(wǎng)球發(fā)球機只能采用一個動力源，所以我們必須實現(xiàn)考慮好送球機構(gòu)的運動輸入方式。下面我們考慮如何給該機構(gòu)輸入運動。送球機構(gòu)的動力輸入連桿事實上是一個搖桿，并且只能搖動30，因此動力輸入裝置必須是一個曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄可以和齒輪或者是帶輪固連作為動力輸入（這兩者具體選擇什么，在設計整個系統(tǒng)傳動方式的時候可以

9、確定）。參照我們上面設計的送球機構(gòu)運動學尺寸，我們得到動力輸入的曲柄搖桿機構(gòu)動力學尺寸要求如下：120mmL+r=1202+1502-2*120*150cos60L-r=1202+1502-2*120*150cos30L+r=138mmL-r=75mmL=107mmr=32mm=60150mm上面的計算公式主要用了解三角形的數(shù)學知識，其中L表示搖桿的長度，r表示曲柄的長度。根據(jù)計算得到的尺寸，轉(zhuǎn)配出來的三維模型如下圖所示。最后整個送球機構(gòu)的三維模型如下： 2. 定位加轉(zhuǎn)機構(gòu)l 機構(gòu)定型：該機構(gòu)的目的是實現(xiàn)間歇運動并且還要具有急回特性，因此選擇盤形凸輪機構(gòu)。l 尺寸確定：推程要慢，這使得擋塊可以

10、防止加速旋轉(zhuǎn)的球滾出膛；回程要快，要避免擋塊和擊球裝置碰撞。所以，推程需要34mm這樣正好到球的一半高，可以擋住球，回程需要快速。在實現(xiàn)功能的基礎下為了使機構(gòu)更簡單，凸輪可采用偏心輪。R-eR+e35mm假設取e=10mm =30解圖中三角形：2R+eR-ecos30=R+e2+R-e2-352可以解得R=58mm(取整)根據(jù)上面的尺寸建立出來的三維模型系統(tǒng)如下：圖中綠色的輪子表示是動力輸入輪，這里的動力輸入可以選擇皮帶輪傳動，這樣比較方便，而且空間布局也比較方便。傳動方案如下：3. 下層搖轉(zhuǎn)機構(gòu)l 機構(gòu)定型：這個機構(gòu)就是要實現(xiàn)能夠使得發(fā)球機在一側(cè)的端線，把球發(fā)到另一側(cè)的雙打底線的兩端點。可以

11、選擇連桿機構(gòu)，具體地說是參照電風扇搖頭機構(gòu)（雙搖桿機構(gòu)）進行設計。標準網(wǎng)球場地尺寸圖見下圖：l 尺寸確定：功能上要求網(wǎng)球發(fā)球機能夠在一個端點把球發(fā)到正對角和斜對角，并且采用的連桿機構(gòu)不能有急回特性，也就是說行程速比系數(shù)必須等于1。這些約束條件具體表示在下圖中：23770mm10970mm 在網(wǎng)球場地尺寸簡圖中可計算得：=tan-11097023770=24.77參照算出的擺動角度可以設計如下的雙搖桿機構(gòu)，也就是搖頭機構(gòu)：其中AB桿是與發(fā)球機上層固連的搖桿，BC桿上連接齒輪作為整個機構(gòu)的動力輸入，那么AB桿必須能夠在=24.77 范圍內(nèi)搖擺，然后整個機構(gòu)尺寸必須構(gòu)成一個雙搖桿機構(gòu)，沒有急回特性。

12、這三個要求構(gòu) 尺寸設計的約束條件。一般位置示意圖：CBDA極位示意圖：從圖中可以看出，如果BC桿作的是勻速圓周運動（事實上是這樣）那么無論如何機構(gòu)都有急回特性，但是我們可以減小這種差異，也就是設計的時候可以讓它的極位夾角盡量減小。利用數(shù)學知識可以將約束條件表達為：B1C2=2RA2-2RA2coscosB1DB2=(R+r)2+(R-r)2-B1C222(R2-r2)其中B1DB2就是極位夾角，我們的目標就是讓它盡量小。我們可以利用mat lab進行優(yōu)化設計，求得r的表達式由下圖中的fans變量接收。實際設計中長度顯然是正數(shù)所以我們?nèi)。哼M行優(yōu)選的源程序.m文件代碼如下：a=200:1:300;

13、b=200:1:300;c=200:1:300;f=0.5*(0.1843687*a.2+0.008016*2002).0.5;g=0.5*(0.1843687*b.2+0.008016*3002).0.5;h=0.5*(0.1843687*c.2+0.008016*4002).0.5;figureplot(a,f,b,g,c,h);生成圖像：我們想要選取的點也在圖中標注。注意：這里固定了R取值200,300,400mm,并且極位夾角取5，這樣急回特性不明顯，可以近似認為沒有急回特性。中間的藍線表示R=300mm因此最終參數(shù)選擇為：R=300mm,r=55mm,ra=250mml 動力輸入機構(gòu)

14、的確定：考慮到最后所有機構(gòu)的動力輸入應該都是齒輪，所以我們想出來一個將雙搖桿機構(gòu)和行星輪機構(gòu)復合的傳動方案，靈感來自于電風扇的搖頭機構(gòu)，也就是動力輸入是一個齒輪和雙搖桿中可以整周轉(zhuǎn)的連桿固連形成的一個構(gòu)件，上層的發(fā)球機把轉(zhuǎn)動用齒輪傳入該機構(gòu)，使得整個網(wǎng)球發(fā)球機上層的發(fā)球系統(tǒng)可以隨著搖桿擺動。具體的機構(gòu)原理見下圖。4. 擊球機構(gòu)l 機構(gòu)定型：本發(fā)球機要求擊球機構(gòu)的最大速度達到120km/h，并且機構(gòu)擊球過程快、回程過程慢，因此機構(gòu)必須具有急回特性，且速度快的行程為工作行程，工作行程要求達到50mm。所以選擇偏置曲柄滑塊機構(gòu)比較合適。l 尺寸確定：擊球機構(gòu)的最大速度達到120km/h，具有急回特性

15、，工作行程至少達到50mm。不妨取行程速比系數(shù)K=2，從而可知=60d+eed=100mm取d=100mm，a=40mm利用余弦定理：2b-ab+acos60=(b-a)2+(b+a)2-d2從而可以解得b=72mm，進一步課算得偏距e=31mml 運動輸入機構(gòu)確定：因為該機構(gòu)是一個導桿機構(gòu)，主要是一個曲柄轉(zhuǎn)動作為動力來源，所以對于這個機構(gòu)我們一樣可以選擇齒輪作為運動輸入構(gòu)件。下面展示的是我們設計的低速擊球機構(gòu)，藍色的圓柱就是擊球頭，由連桿帶動，擊球的速度取決于錐齒輪的轉(zhuǎn)速，前面那個由皮帶輪驅(qū)動的橙色輪子是給球增加一定的轉(zhuǎn)速。這里展示的這個機構(gòu)是我們設計的低速擊球機構(gòu)，也就是說可以發(fā)出我們設計

16、的網(wǎng)球發(fā)球機中的最低速度也就是30km/h，在最后提交的動畫里面用的也是這個機構(gòu)。主要是考慮到快的擊球機構(gòu)在展示動畫時看不清楚。展示效果太差。 下面是我們在低速擊球機構(gòu)基礎上對傳動系統(tǒng)做出改進從而設計出來的高速擊球機構(gòu)，理論上擊球速度是低速擊球機構(gòu)的4倍，因此可以達到我們設計時提出的最高速度120km/h的要求。傳動系統(tǒng)主要改進是：外界傳進來的旋轉(zhuǎn)并沒有直接加在擊球機構(gòu)動力輪上，而是通過了槽輪機構(gòu)和不完全齒輪機構(gòu)使得擊球機構(gòu)動力輪轉(zhuǎn)速提高到以前的4倍，這樣在理論上就可以發(fā)出120km/h的球。 外界的旋轉(zhuǎn)直接加在槽輪機構(gòu)的撥盤上，這樣既可以保證擊球機構(gòu)的運動周期與其它機構(gòu)同步，又可以把擊球速度

17、提升到之前的4倍。不完全齒輪和一個完全齒輪嚙合，槽輪轉(zhuǎn)動一個90，帶動不完全齒輪轉(zhuǎn)動90度，從而完全齒輪轉(zhuǎn)動一周也就是360度，這樣可以將轉(zhuǎn)速提高到以前四倍。另一個角度的截圖如下 5. 防堵球機構(gòu)該機構(gòu)僅僅起一個輔助的功能，在裝備漏球斗的網(wǎng)球發(fā)球機中很容易出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是堵球，也就是多個球聚集到落球口附近，但是每個球都掉不下去。這時要求網(wǎng)球發(fā)球機旁邊有一個人看著，發(fā)生堵球時用手稍稍撥動一下球，讓它順利下落。但是如果在落球口附近裝備一個曲柄，讓其在那里不停旋轉(zhuǎn)就可以避免堵球的發(fā)生。尺寸要求僅僅是讓曲柄覆蓋范圍能夠達到漏球口，轉(zhuǎn)速稍慢即可。這個機構(gòu)由于是一個輔助機構(gòu)，尺寸是我們在設計空間布局的時

18、候配湊出來的，具體可以參照表示整個設計機械原理的運動簡圖。下圖中紫紅色的類似菱形的桿件就是放堵球的曲柄，顯示產(chǎn)品中可以用硬質(zhì)橡膠來做這個構(gòu)件。6. 傳動系統(tǒng)設計整個傳動系統(tǒng)主要由各種齒輪和皮帶輪傳動構(gòu)成，空間布局尺寸見運動簡圖。整個系統(tǒng)采用一個動力源，所以動力源主軸如下圖所示，圖中紅色的那根軸就是直接和電機相連的主軸，是整個系統(tǒng)的唯一動力源。其它各個子機構(gòu)的動力輸入如后續(xù)各圖展示。同樣，具體的尺寸見機構(gòu)運動簡圖。由于前面設計各個機構(gòu)的過程中充分考慮了和傳動系統(tǒng)的連接，所以設計傳動系統(tǒng)的工作相當簡單，所有齒輪和皮帶輪的傳動比都是一樣的1:1。并且為了方便實際制造，在空間布局上恰好使得所有齒輪對都

19、可以使用標注齒輪。l 原動機的選擇：原動機我們可以選擇普通電機，要求能夠通電時輸出穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速可以這樣確定：業(yè)余運動員從網(wǎng)球場底線的一邊跑到另一邊平均時間大概為2秒，主軸旋轉(zhuǎn)一周，發(fā)球機上層發(fā)球機構(gòu)從一邊搖向另一邊，所以主軸轉(zhuǎn)速應該是30r/min左右。l 主軸齒輪系（使用錐齒輪：直齒錐齒輪GB/T12369-1990-m4-z30）l 擊球機構(gòu)的動力輸入（錐齒輪參數(shù)同上）l 送球機構(gòu)的動力輸入采取皮帶輪l 下層搖轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力輸入采用錐齒輪（直齒錐齒輪GB/T12369-1990-m4-z30）l 定位機構(gòu)的動力輸入采用皮帶傳動l 防堵球機構(gòu)動力輸入采用標準直齒輪傳動（直齒圓柱外齒輪GB/T

20、1356-2001-m2-z40）五、 最終效果展示。最后整個機構(gòu)空間布局以及最終效果圖如下：渲染后的效果圖：六、 課程設計的感想和總結(jié)l 知識運用方面：之前學習機械原理課程的時候碰到的很多設計和分析的問題都是唯一解的，題目給出的約束條件不多也不少，正好夠給出一個唯一的解。但是通過這次設計我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實生活中的設計問題很難找到正好有唯一解的，主要是約束條件不足，設計者可以在一個適當范圍內(nèi)選取，我們的所有機構(gòu)都是這種情況；或者是約束條件是有矛盾的，要在一定范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解。除此之外，這次設計連桿機構(gòu)時碰到的情況也是以前學習機械原理時前所未有的。在我們設計下層搖轉(zhuǎn)機構(gòu)的過程中，那些約束條件都是我們

21、以前沒有見過的，所以最后我們采用了計算機輔助設計，利用MATLAB程序把所有的可能結(jié)果全部列舉，然后擇優(yōu)選取。所以我們也訓練了利用計算機輔助優(yōu)化設計的能力。l CAD軟件運用方面：我們這次建立三維模型所用的軟件是CATIAV5R19，CATIA軟件在行業(yè)內(nèi)部認為是比較高端的設計軟件。但是通過這次的運用發(fā)現(xiàn)，CATIA不太適用于新手操作，必須是略懂計算機數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及比較熟悉計算機CAD模型表達方式的專業(yè)人員操作。而且由于采用的版本比較老，槽輪的運動仿真沒辦法一部到位，和其他小組交流發(fā)現(xiàn)，一些中低端軟件例如SolidWorks、inventor倒是比較適合這次設計，并且尤其適合運動仿真。CATIA

22、軟件的高端就在于它的復雜曲面造型功能是CAD軟件中數(shù)一數(shù)二的、參數(shù)化設計程度也是業(yè)內(nèi)數(shù)一數(shù)二的而且它是一個CAX高度集成軟件。從這些方面看來，這個軟件高端的地方并沒有給這次課程設計帶來什么便利。因此以后學習CAD軟件的過程中應該博取眾長，不能只學一些所謂的高端軟件。l 小組合作方面：在這次課程設計中，我們收獲頗豐。雖然在設計過程中遇到了很多問題，但經(jīng)過我們積極的討論，用心的思考，以及經(jīng)常向?qū)W長們請教，全部一一解決了。這也說明我們光靠上課學習是不夠的，不實際應用一下學過的知識，是不能切實掌握的。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷學習，不斷領悟。例如在設計給球裝置時我們提出了三種方案，分別是槽輪機構(gòu)，凸輪