网球发球机的设计【卷筒抛射机器人】

喜欢这套资料就充值下载吧。资源目录里展示的都可在线预览哦。下载后都有，请放心下载，文件全都包含在内，有疑问咨询QQ:414951605 或 1304139763 摘要 为了使练习者能更好地自学习网球技术以达到健身的目的，从而提高全民参与网球运动的积极性，针对网球发球的特点，从总体上设计了一台新型的网球发球机。 本文论述了智能网球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统，并探讨了网球发球及控制系统的设计原理，从摩擦轮发球原理谈起，介绍了网球发球机的结构和系统设计。在此基础上，设计了一种新型的、性价比高的发球装置。该装置利用双轮摩擦原理，发出各种适合练习者需要的球，同时利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行远程控制，以满足练习者的各种技术需要。 关键词：网球发球机；工作原理；系统设计 ABSTRACT In order to enable the learners to study the tennis technology well and achieve the goal of building their body as well as thus enhances all the people s enthusiasm to participate in the tennis movement, i has designed a new tennis serving machine considering the characteristics of the tennis serving. That is the intelligent tennis serving machine. This article elaborated the design thought, the principles of work, the unique feature as well as the control system of the intelligent tennis servin. From the principle of friction wheel driving about on the tennis serve and the structure of the machine system design. On this basis, the design of a new, cost-effective installation service.The device using the principle of double friction, the issue of a variety of needs for practitioners of the ball, while the use of computers for a variety of ball speed, angle of rotation for remote control, in order to meet the needs of practitioners of the various technologies. Key words：Tennis Serve Machine；Working Principle；System Design 目录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 绪论 4 1.1需求分析结果。 4 1.2功能要求（设计目的）。 5 1.3网球发球机技术的发展 5 1.4国内外网球发球机的研究现状 6 1.4.1国外网球发球机的研究现状 6 1.4.2国内网球发球机的研究现状 7 1.5抛射机器人要求 8 1.5.1抛射发球机器人设计要求 8 1.5.2研究设计方法及技术路线 8 1.6小结 8 第二章 网球发球机的工作原理及工作过程 9 2.1网球发球机的工作原理 9 2.2网球发球机的工作过程 10 第三章 网球发球中球的旋转和速度的分析 10 3.1网球发球中的旋转球的几种现象 10 3.1.1 上旋球 11 3.1.2 下旋球 12 3.1.3 不旋球 12 3.1.4 右旋球 13 3.1.5 右旋球 13 3.1.6 总结 14 3.2抛射机器人工作原理 14 3.3挡板工作原理 15 第四章 网球发球机的机械结构设计 18 4.1一代发球器的速度分析 20 4.2带传动分析 21 4.3两个主动摩擦轮的转速相同时网球的速度分析 21 4.3.1 网球刚进挤压区的速度计算 21 4.3.2 网球半进挤压区的速度计算 23 4.3.3 网球球心超过两摩擦轮球心连线时速度 25 4.3.4 网球完全进入带传动时速度 25 4.3.5网球在带中的运动情况 26 4.4两个主动摩擦轮的转速不同时网球的速度分析 26 4.5两带传动传动比不为1的时候网球的速度分析 28 4.6为发球器选择带型号及参数 28 4.7设计带发球器装置的参数，计算网球的速度 30 4.8小结 30 总 结 31 致谢 32 参考文献 33 第一章 绪论 1.1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。 1.2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/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。 能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。 1.3网球发球机技术的发展 现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占的比例呈持续增长趋势。可以预见，随着人们生活质量的不断提高，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也必将随之不断扩大。 网球运动近年来传入我国后，普及迅速，尤其深受广大青年人的喜爱。但对于初学者来说，要想在短时间内很快地提高技术，没有先进的网球训练设施是很难实现的。而目前国内网球球馆的设备仍存在着较大的缺陷，特别是用于发球的网球发球机，科技含量较低，价格较高，容易损坏，在一定程度上影响了人们的使用。鉴于此，开发一种科技含量高、价格低、美观耐用、大容量的智能网球发球机具有广阔的社会效益和经济效益。 由相关文献和网上资料调查得知：国外对网球发射器的研究开始得相对较早，最早的专利是1998年美国的Rose发明的。此后，各国纷纷开始投入此项研究，其中美国、英国和日本占主导地位，技术成熟，且有一些产品已经投入市场使用。此外，国外对网球接发球的研究要细腻得多，除了通过对蹬地转体到鞭打等增加发球时速的一系列动作的研究外，更是要求如何在发球的过程中，是核心力量更集中，逐渐由上步的动作改为不上步。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近些年来也涌现出了很多这方面的想法和创意，但是并没有申请国家专利。目前我国的大部分网球发射器生产厂家还是应用国外的网球发射技术。我国的网球发射技术既不先进也不十分成熟。 本课题研究的题目为网球发球机，主要是利用机械电子相结合的技术，对现有网球发球机的结构、控制电路加以改进升级，设计出一种低成本、耐用、美观且可控的多功能智能网球发球机。可发出上旋球、下旋球、中场、后场等，为使用者提供底线、中场、网前等各种训练，并可自动发球，便于单人正、反手跑动训练或双人同时训练，所具备的遥控可为教学、训练或单人使用带来极大的方便。并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了不同技术阶段的“多种训练”和“肌肉一记忆运动”的强化训练，使学者掌握规范全面技术的时间大为缩短。 1.4国内外网球发球机的研究现状 1.4.1国外网球发球机的研究现状 国外网球发球机的起步较早。它们的主要功能有可发出上旋球、下旋球、侧旋球、直球、高吊球、网前球、后场球、底线球、短截击球及边线球等。它既适合普通练习者的需求又能满足运动员的日常训练要求。 目前世界生产网球发球机的厂家比较多，最具有代表意义的是美国TUTOR公司和LOBSTER公司生产的网球发球机。二者所采用网球发球原理不同，前者是高性能网球发球机，它通常是利用两个高速旋转的轮子(旋转方向相反)，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滑轮滚入两轮之间的时候，轮子将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一个道理，只不过车轮滚石只用到一个轮子。而后者是利用空气压缩原理来工作。压缩空气使用一个空气压缩机产生。球被装入长桶的底部由一个窄口固定住，这个窄口的直径略小一些，当压缩空气推挤网球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。现在市面上销售的网球发球机多以对转双轮原理为主，这是因为空气压缩发球机的噪音极大而且不能提供高的性能，而对转双轮发球机能提供高的性能。同时，空气压缩发球机消耗的功率很大，无法使用电池来供电，其优点是价格比较便宜。 美国和德国生产网球公司不仅在发球机构上有独到之处而且在控制方面也处于领先地位。他们能够采用计算机远程控制，并备有遥控装置可以同时测速。 1.4.2国内网球发球机的研究现状 相对国外而言，国内网球发球机的研究才刚刚处于一个起步阶段，用于成品的很少。主要有以下几个典型方面。 1.丰润牌网球发球机: 该机型由台湾丰润集团生产研制，它利用对转双轮原理的特性，借助于轮子和球之间的摩擦力来获取能量，使球获得一定的初速度将球发射出去。这个原理和双轮旋转发球原理同出一则。它的优点很明显，即:速度高、易控制、经济实惠。缺点是故障率高、质量差。 2.力王牌举升式网球发球机 该机是由北京太阳计算机技术公司生产研制的举升式网球发球机，升华了科学训练过程。对初学者和专业选手均提供了不同技术阶层的”多球训练“和网球运动是“肌肉记忆运动“的强化训练，使掌握规范网球技术的时间大大缩短为“一年赛三年”。举升式网球发球机是一种比较先进的网球发球机。此机可发出上旋、下旋、平击球，可仿真模拟网球运动时真实击出的左侧上旋或下旋球，右侧上旋或下旋球，更可以仿真发出落点在发球区内任意点球的全新功能，提供了网球运动中重要的接发球技术高难度训练。在设计理念上采用了电动控制与液压技术相结合，这样不仅解决了上下旋转不好控制等问题，而且增加了发射的准确性。 我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近些年来也涌现出了很多这方面的想法和创意，但是并没有申请国家专利。目前我国的大部分网球发射器生产厂家还是应用国外的网球发射技术。我国的网球发射技术既不先进也不十分成熟。 1.5抛射机器人要求 1.5.1抛射发球机器人设计要求 设计一款自动抛射发球机，此便携式网球发球机既可用于训练专业网球运动员的特定动作与快速反应能力，又可以作为个人体育锻炼及高校网球教学训练器材使用。结构设计合理，实现在无交流电源下使用，可以发出各种适合练习者需求的球，具有携带方便，操作简易，收纳不占空间，成本低廉，功能齐全，控制灵活的特点。 1.5.2研究设计方法及技术路线 本网球抛射发球机与传统的空气压缩发球机不一样，采用了摩擦作为动力源以击打网球，用两个高速旋转的轮子，它们的旋转方向相反（所以后面用对转双轮来描述）。轮子间的空间很小。当球从滑轨滚入两轮之间的时候，轮子就将球喷出。使网球快速飞向指定区域。本网球发球机由动力装置，调节俯、仰角度装置，储球装置，供球装置，电控等几大部分组成。 调节俯、仰角度装置由支轴架、轴、双支承板架、齿杆、齿轮、丝母、步进电机组成；供球装置由供球盘、分球轮、拨球弹簧、挡球柱、供球孔组成。在壳体与盛球箱之间，在壳体顶口内装供球盘，靠近伸缩把手的供球盘内加工有容纳分球轮的孔，分球轮置入该孔内可作相对运动，分球轮上均分有三个供求孔，与三个供球空的位置相对应，靠近伸缩把手一侧的分球轮的孔地面上，加工一个与供球孔直径相同的孔，于该孔上方，在供球盘的内侧上布有两个挡球柱，于分球轮的顶柱上均置三个外套塑料的拨球弹簧；该供球装置主要将集中在盛球箱内的球，按设定的时间，有间隔的准时供给2#电机驱动轮上，并设有按时间顺序供球和实现1—20秒间隔出球的自动控制。 1.6小结 本章主要介绍了本次毕业设计的目的，以及国内外网球发球机的研究现状，让大家对网球发球机有一个初步的了解，从而能够更好的阅读本设计论文，同时介绍了本人设计的网球发球机的设计要求，研究设计方法及技术路线，为第二章的工作原理与工作过程的论述做好准备。 第二章 网球发球机的工作原理及工作过程 2.1网球发球机的工作原理 目前在市场上销售的高性能网球发球机都是用轮子来发球的。因此本设计也就采用此基本工作原理，即通常是用两个高速旋转的轮子，他们的旋转方向是相反的，因而又被称为对转双轮。两个轮子间的空间很小。当球从滑轨滚入两轮之间的时候，轮子就将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一样的。只不过车轮滚石只用到一个轮子。 此外，对转双轮发球机的双轮相对转速的变化可以改变球的选转。当上面的转轮转得比下面得转轮快时，发出来的是上旋球。当下面的转轮转得快时，发出来的是下旋球。当然，当双轮转速相同时，机器人发出平击球。 2.2网球发球机的工作过程 首先，根据训练要求，调节好水平角度，和俯、仰角度，在盛球箱内可盛500个以内的网球，接通电源，用遥控器或者手动依次开启供求装置中的步进电机。1#电机驱动轮、2#电机驱动轮、分球轮，就开始转动。 此时，网球受到拨球弹簧的拦截，就会将一个一个网球分别送入没有挡球住的两个供求孔内，且分球轮继续转动，当装有网球的供求孔与供球盘上的供求孔对准后，其网球就会落下，并沿上、下导球槽送到1#电机驱动轮和2#电机驱动轮之间的间距中。由于1#电机驱动轮为沿顺时针方向转动，而2#电机驱动轮沿逆时针方向转动，网球受两高速驱动轮的驱动，就将网球通过出球孔抛射至指定位置。 如此循环操作，就可以很轻松的实现网球教学与训练。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技术措施，实现本设计的目的。 第三章 网球发球中球的旋转和速度的分析 3.1网球发球中的旋转球的几种现象 网球发球器若要能真正提高运动员训练效果，就得能模拟国际上优秀网球运动员所发出的球，也就必须能够使发出的球达到一定的速度、旋转、落点及其变化等的性能要求。由此可见，发球器所具有的功能是非常复杂的。但在设计改进发球器之前，我们必须得清楚发出球后，不同旋转的网球的运动情况。 假设空气是粘弹性体。由于粘弹性的作用，旋转的网球带动球体周围的空气一起旋转，使得球体周围的空气相对于球体的速度大小不等。根据流体力学的伯努利定律 （3-1） 式中为空气的压强，为空气相对球体的速度,为空气的密度，为球体周围空气的相对高度，因非常小，且空气的密度也较小，伯努利定律可以表示为 （3-2） 由此可见一个重要的现象,即马格努斯效应：球周围空气速度大的地方压强小，速度小的地方压强较大，由于网球球体周围的压强不等，即球体表面不同位置所受的空气压力不同，网球将改变出球时原定的轨迹。 3.1.1上旋球 分析：曲线为网球的旋转方向；为网球不旋转时，空气相对网球质心的速度，也称来流速度；表示由于网球的旋转引起的，网球表面不同位置的空气相对网球质心的速度，也称环流速度。（假设网球由右向左发） 网球在空气中（上）前旋转飞行时，球体上部空气的环流速度与来流速度方向相反，球体上部空气的速度为，其大小为；球体下部环流速度与来流速度方向相同，球体下部空气的速度为，其大小为，根据马格努斯效应原理网球上部所受空气的压强大于网球下部所受的空气的压强，网球将快速提前下坠，球出现比判断落点近的现象（飞行轨迹向下弯曲）。 3.1.2下旋球 网球在空中下（后）旋转飞行时，球体上部空气的环流速度与来流速度方向相同，球体上部空气的速度为；其大小为；球体下部环流速度与来流速度方向相反，球体下部的空气速度为，大小为；根据马格努斯效应原理网球下部所受空气的压强大于网球上部所受的空气的压强，压力差克服重力，延长了网球飞行时间，使球出现比判断落点远的现象。 3.1.3不旋球 不转球在空中飞行时，球体上部和下部的速度大小相等均与来流速度相反，使得球体上下部空气的总速度相同，即上下不产生压强差。如果空气阻力很小或者忽略空气阻力，那么不转球在空中的运行轨迹就是平抛运动。 3.1.4右旋球 网球在空中右旋飞行时，球体左侧空气的环流速度与来流速度方向相同，球体左侧空气的速度为；其大小为；球体右侧环流速度与来流速度方向相反，球体右侧的空气速度为；大小为；根据马格努斯效应原理网球右侧所受空气的压强大于网球左侧所受的空气的压强，网球将出现右旋飞行过程中向左偏拐的现象。 3.1.5右旋球 网球空气中左旋飞行时，球体右侧空气的环流速度与来流速度方向相同，球体右侧空气的速度为，其大小为；球体左侧环流速度与来流速度方向相反，球体左侧空气的速度为；其大小为；根据马格努斯效应原理网球左侧所受空气的压强大于网球右侧所受的空气的压强，网球将出现左旋飞行过程中向右偏拐的现象。 3.1.6总结 对于优秀的网球发球手来说，其能发出上述各种方式的旋转球，且球速基本能达到发球速度的极限值，而发球机器人的工作目的是模拟运动员的发球过程，因此对于球速和发球方向的控制精度直接决定系统的使用效果。在本研究中，发球机器人主要由发球器和发球挡板两部分组成，其中发球器控制球速和旋转，而发球挡板控制发球高度并影响网球最终的旋转及发射角度。 3.2抛射机器人工作原理 合肥工业大学课研组研究出来的第一代发球器的原理如图1-2所示；整个机构由两个飞轮和一个推动网球上下运动的托盘组成，采用变频器控制电机驱动飞轮转动的方式，托盘升降采用电磁铁直接驱动的方式。发球过程中，计算机指令控制电磁铁驱动托盘推动网球向上运动与高速旋转的飞轮接触。由于速度差和正压力的存在，飞轮与网球之间存在滑动摩擦力，并在该摩擦力作用下，网球向上加速，直到网球脱离飞轮边缘高速飞向发球挡板。 发球过程做如下分析： 我们的关键是研究和探讨网球球速与飞轮转速之间关系，其中球速的测量采用的是基于单片机的红外对管测量方法。通过调节变频器的输入电压控制驱动飞轮转动电机的转速，转速与电压之间是线性关系，所以利用输入电压和网球球速的关系可以间接表示出转速与球速之间的关系。对于标准的网球其材料、直径大小以及球内气压是恒定的常数，所以它与飞轮表面间的相互压力可以近似看成一个只与网球和飞轮相对位置有关的函数，并假设网球与飞轮刚开始接触时的位置为0。网球加速过程中与接触起始位置的垂直距离为S。则网球与飞轮表面间的压力函数可以表示成为F(S)，由动能定理就可以推导出网球在S处的球速： （3-3） 其中：是网球的质量；是滑动摩擦系数。 如果飞轮的转速过高，使得网球与飞轮的整个接触过程中始终处于滑动摩擦力的作用下，则球速计算公式中的积分上限（滑动摩擦力作用距离）是一个定值，从而球速也是一个定值，这种情况称为速度饱和，即此时再继续提高飞轮转速对网球的最终速度没有任何影响。 实验的结果是：随着变频器的输入电压的增加，驱动电机速度加大，飞轮转速也随之加快，网球的出球速度也越来越大。实测网球的最大速度可达28m/s。欧美优秀的男排运动员发出的球速可高达33m/s，这一比较发球机发出的网球速度还不甚理想，因此本文选择用带轮传动来代替飞轮模型，意在延长网球的加速时间，使得网球的最终的动能增加，即加大网球的发球速度。 发球器可以发出左旋、右旋以及不转球。在电机功率的作用下，当左边的摩擦轮的转速小于右边摩擦轮的转速时，发出的球是右旋的，反之为左旋球。当两摩擦轮的转速相等时，发出的网球是不转的。 3.3挡板工作原理 发球挡板位于发球器出球口的垂直上方，与发球器之间的竖直距离可调。除了上下运动的自由度外，发球挡板还可以分别围绕两个在水平面内垂直相交的轴线进行转动，用于控制挡板的位置姿态。发球过程中，发球器中射出的网球高速撞击在挡板上，并在挡板上进行反弹形成最终的发球。通过调整发球挡板的高度和位置姿态可以控制最终的发球过网的高度和方向。网球撞击挡板并反弹的过程比较复杂，这里做如下的简化分析处理。 发球器发出的网球撞击挡板的瞬间如图2-1所示。 图3.1网球撞击挡板示意图 此时网球的运动可以分解为（平行于挡板）和（垂直于挡板）两个方向，因为方向网球只是受到挡板对其的支持力作用，处理起来相对容易。这里先讨论方向上的情况，假设发球器中发出的网球是不转球，则当网球刚好撞击挡板时，网球绕球心旋转的角速度为0。此时（R为网球的半径），所以网球与挡板之间必然存在着滑动摩擦力，图中以一个关于时间的函数表示。将向球心处简化，得到经过球心的力和力矩。在摩擦力和力矩的作用下，一方面网球球心处的速度逐渐降低，另一方面将产生绕球心的转动，并且这一过程一直持续到球心在方向的速度（滑动摩擦过程结束）。令这一过程持续的时间为，网球的质量和转动惯量分别为和，则根据动量定理（在某一段时间间隔内，质点或刚体动量的变化等于作用于质点或刚体的力在此段时间内的冲量）和角动量定理（刚体所受合外力矩的冲量矩，等于刚体角动量的增量）分别得到： （3-4） 我们认为网球模型是薄壁空心球。其转动惯量 （3-5） 由2-4式可以得到： （3-6） 将2-5式代入得出： （3-7） 如果根据滑动摩擦结束的条件，最终可以得到。 在方向这里也作简化处理，见图2-2，假定反弹前后网球在方向上的速度不变，并令挡板的法线方向与网球的入射方向的夹角为，则网球反弹后的运动方向与挡板法线间的夹角与之间的关系可以表示为： （3-8） 这是因为 （3-9） 图3-2 网球反弹后的运动方向与挡板法线间的夹角示意图 从上面的推理分析计算我们可以得出，通常经发球器由下而上发出的不转球，经过挡板的撞击反弹，所发出的球是下旋球，且能量损失基本发生在沿挡板的方向上；发球器发出的右旋网球，通过发球器时经过挡板的撞击反弹，最终发出的球基本是上旋球或者是不转球，中间可能还会夹杂着右旋因素；发球器发出的左旋网球，即左边摩擦轮的转速较右边高，经过挡板的撞击反弹，所发出的球基本是是下旋球或者是不转球，中间可能夹杂着左旋因素。所以可以看到，最终发出的网球基本能满足所需要的各种旋转的要求。 第四章 网球发球机的机械结构设计 在各种机械中，结构主要起支撑或者传递载荷的作用。由于金属材料具有强度高、重量轻、质量稳定的特性，因此，现在绝大部分的机械结构都使用金属材料制成的。在这个意义上，机械结构又可称为金属机构。它是以金属材料轧制的型钢（角钢、工字钢、槽钢、钢管等）和钢板等作为基本元件，通过焊接、铆钉或螺栓等方式，按一定的规律连接制成基本构件后，再用焊接、铆钉或螺栓等将基本构件联结成能够承受外在载荷的结构物。 金属结构和其他材料制成的结构相比，具有下列一些特点： 1）强度高、重量轻 金属结构大都采用钢材。钢材比木材、装饰、混凝土等材料的强度要高出很多倍，因此，当承受的载荷和条件向同时，用钢材制成的结构自重较轻，所需截面较小，运输和架设易较方便。 2）塑性和韧性好 钢材具有较好的塑性。在一般情况下，不会因偶然超载或局部超载造成突然断裂或破坏，而是事先出现较大的变形前兆，以便人们采取补救措施。钢材还具有良好的韧性，使得结构对经常作用在机械上的动载荷的适应性强，为金属机构的安全使用提供了可靠保证。 3）材质均匀 钢材的内部组织均匀，各个方向的物理力学性能基本相同，很接近各向同性体，在一定的应力范围内，刚才处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较符合，故计算结果准确可靠。 4）制造方便，具有良好的装配性 金属结构是通过机械加工制成的型钢和钢板等组成，采用焊接、铆接或螺栓等手段制造成基本构件，运至现场装配拼接。故制造简便、施工周期短、效率高，且修配、更换也方便。 5）密封性好 金属结构如采用焊接连接方式易做到紧密不渗漏，密封性好，是用于制作容器、油罐、油箱等。 6）耐腐蚀性差 有些机械特别是工程机械，经常处在潮湿环境中作业，用钢材制作的金属结构在湿度大或有侵蚀性的介质情况下容易锈蚀，因而需要经常维修和保养，如除锈、油漆等维护费用较高。 7）耐高温性差 钢材具有一定的耐热性，但不耐高温，随着温度的升高，钢材强度会下降，因此对重要的结构必须注意采取防火措施。 第三章主要描述分析了网球发球旋转的问题，发球器发出的球经过发球挡板的撞击之后基本上能够满足多种旋转。本章将对一代发球机底部的发球器的发球速度不够的原因做出简单的分析，并提出对发球机构系统的设计改进，采用带轮代替摩擦轮形式来提高发球器的出球速度。 4.1一代发球器的速度分析 图4.1发球机构原理图 发球机构的原理如图4.1所示，由送球机构送上来的网球经过一对旋转方向相反的摩擦轮的作用，高速射出。从网球进入开始与摩擦轮接触（图中的网球位置1）到与摩擦轮分开（图中的网球位置2），在此期间，网球将受到摩擦轮的摩擦力和压力的作用，以此来完成加速过程，最终射出，从上一章的实验结果看发球的速度还不甚理想。 由动量定理的计算公式： （4-1） 为网球的初速度，即进入摩擦轮时的速度；为网球从摩擦轮中射出的速度。 由式3-1得到： 设，则，与和有关，是网球质量是常数。实际测量中，增大摩擦轮转速和摩擦力，到了一定程度时，网球的最终出球速度将不再变大，即达到了最大值，但是小于摩擦轮边缘的线速度，而理论上应能达到的最大出球速度应与摩擦轮边缘的线速度相等。所以要想增大出球速度，就得设法提高网球的初速度，使得，则最终网球的速度为，即变大。 要增加网球的初速度比较困难，现在我们设想延长对网球的作用时间。设想发球器中的摩擦轮部件由带传动机构来替代，这样一来，网球的加速距离显然增多，外力对网球的作用时间也太幅度增加，速度的增量应该也增加，最终网球的出球速度达到与摩擦轮边缘的线速度相同。 4.2带传动分析 我们改进后的发球器的结构简图如图4.2所示，两个带传动机构竖直的放置着，下面两个主动轮由电机带动转动起来，网球由最低位置进入传动带，受到两侧皮带对它的作用而加速，最终发出球。下面分别对带传动和同步带传动进行一些简单的力学以及结构参数设计上的分析。 图4.2 改进后的发球机构 4.3两个主动摩擦轮的转速相同时网球的速度分析 4.3.1网球刚进挤压区的速度计算 如图4.3所示，网球从初始位置印与两主动摩擦轮刚好都相切的位置由于摩擦轮的转动使皮带受力，从而传递到网球上，开始进入挤压区。在这个过程中，以网球为研究对象，认为网球受到的挤压力与其体积变形量成正比。为了简化计算，先分析单个摩擦轮对网球的作用，皮带是摩擦轮和网球之间的传递作用力的部件，皮带厚度与网球的直径和摩擦轮的直径相比而言就非常小，在计算中可以忽略不计。并且假设带传动的传动比为1:1，且两主动摩擦轮的直径相同。 网球球心从运动到的过程中，球心与左边摩擦轮的中心的连线与两摩擦轮中心连线的夹角由变为，网球被挤压，我们假设把球看成变形为球冠，被挤压掉的部分是球缺。在以下的计算过程中，不计摩擦轮和皮带的变形。 球缺的高度为： （4-2） （即为网球与摩擦轮中心距的变化量） 图4.3网球刚进挤压区 网球的体力变形量为 （4-3） 网球受到的挤压力为 （4-4） （的方向可以认为是摩擦轮中心与网球中心的连线并且指向网球中心） 网球受到的摩擦力与挤压力有关，将挤压力做两个垂直方向的分解可以得到网球所受的摩擦力为： （4-5） 单个摩擦轮作用下动量定理为： 由于网球的重力与比较小，这里暂且忽略。 前面有了假设两个主动摩擦轮的转速相同，故可认为网球受到的两轮的摩擦力也相同。 则最终的动量定理表达式为： （4-6） 在上面的式子中： 为网球的质量； 为网球在挤压区的瞬时速度； 为网球刚进去挤压区的速度，初始速度，这里设为0； 为网球所受到的单个摩擦轮给予的摩擦力； 为皮带与网球之间的摩擦因数； 为网球所受到的挤压力； 为网球弹性体的的弹性系数； 为摩擦轮的半径； 为网球的半径； 为两摩擦轮轮廓之间的最短距离的一半； 为网球刚进入挤压区的临界位置时球心与左边摩擦轮中心线的连线与两摩擦轮中心连线的夹角，可以预先测得或计算出来的； 为网球在挤压区内球心与左边摩擦轮中心线的连线与两摩擦轮中心连线的夹角； 将4-2、4-3、4-4、4-5式代入4-6式得到： 4.3.2网球半进挤压区的速度计算 计算一下网球在特殊位置时的速度，即当网球运动到球心与两摩擦轮的中心连线上时，如图4.4所示，阴影部分表示网球的变形形状。此时。这个时候摩擦轮对网球的摩擦力为： （4-7） 图4.4网球半进挤压区 可以得出的结论是，随着网球的受挤压程度增加，增大，摩擦力增大，网球的瞬时加速度也应增大，则网球的球速也越来越大。 其实，随着网球的运动直到球心与两摩擦轮中心连线重合，一直在变大，夹角由逐渐减小，最后为0的过程中逐渐增大，而一直在减小，所以网球受到的摩擦力一直在增加，即球速一直在增大。并且由于初始时网球的球心处于两摩擦轮的中间平面上，两摩擦轮对其的摩擦力相等，故网球只是沿着带运动的方向滑动而不发生滚动。 此时网球的速度与、、、、、、、均有密切的关系。 其中，（4-7），、、为常数。 （1）设起始时时，其他参数均为定值的情况下考虑摩擦因数对球速的影响，计算可得：，越大，网球在进入传动带中的速度也相对越大。 （2）设带轮半径不变时，比较起始和时，和对球速的影响，由4-7可知，减小，增大。比较速度计算结果可得：当不变时，减小，速度也相对增加。但是不能过小，网球过大的变形会影响寿命。 （3）变化带轮半径 改写式4-7得到： （4-8） 当减小时，减小，增大。而和在式中的地位基本相等，进过计算得出，当其他参数不变时，适当减小，网球的速度增加。 4.3.3网球球心超过两摩擦轮球心连线时速度 当网球运动到球心超过两摩擦轮球心的连线时，如图4.5所示，阴影部分表示网球的变形形状。此时网球受到的单个摩擦轮的摩擦力变为，可以看出挤压力在竖直方向上的分力与网球的速度方向相同，使得网球受到的摩擦力继续加大，即网球的加速度越来越大，网球仍然处于加速的过程之中。 可以从图中观察到，如果两摩擦轮的轮廓之间的最短距离远小于网球的直径，那么这个时候网球会被压缩的很厉害，即网球的变形量会很大。 图4.5网球球心超过两摩擦轮球心连线 4.3.4网球完全进入带传动时速度 当网球运动到完全进入传动带的挤压时，阴影部分表示此时的网球的变形形状。如图4.6所示。 图4.6网球完全进入传动带 在忽略皮带的影响下，我们可以根据对称性做出网球刚好完全进入挤压区的网球的球心位置。此时的，。和网球刚进入挤压区的计算方法类似，我们计算此时的网球的球速： （4-9） 其中 ， （4-10） 这样可以计算出，由于式子过于冗长，暂不写结果。 4.3.5网球在带中的运动情况 如果网球进入完全挤压区时的速度小于皮带的传动速度，那么这时候皮带还会给网球在运动方向上的摩擦力，即此时网球在与皮带传动一起运动的同时，相对皮带还有稍许滑动。直到网球加速到球速与皮带的速度相同为止，从这以后皮带就夹着球传动，连为一体，直至输送网球到末端的从动轮的边缘，将网球以皮带的速度发射出去。 4.4两个主动摩擦轮的转速不同时网球的速度分析 当两主动摩擦轮的转速不同的时候，网球的运动过程相对复杂，先做如下的简单推理说明。 先假设＞，即右边的主动摩擦轮的转速比左边的主动摩擦轮的转速要快，如图4.7所示。 图4.7主动摩擦轮的转速不同 网球也是从初始位置即与两主动摩擦轮相切的地方进入挤压区，因为＞所以网球刚进入挤压区时受到右边摩擦轮的冲击大于左边摩擦轮，将使网球在前进的同时有向左运动的趋势，故经过短暂的时间后，网球的球心会随着网球运动向左偏一定的距离。从网球开始进入挤压区到整体全部进入挤压区这个过程中，网球受到的挤压力是右边的摩擦轮大，可以推出网球受到的摩擦力也是右半部分的比较大。这里做下简化处理，由定轴转动的微分方程可得： （4-11） 其中为网球的转动惯量，得出网球有逆时针方向的角加速度。 所以刚开始的时候，网球在大小不等的摩擦力、的作用下是既有沿着皮带传动方向上的滑动，又有绕球心的逆时针的转动。 随着时间的推移，抛球完全进入皮带挤压区后，速度达到一定值时，网球将可以看成与皮带是一个整体一起运动，即不出现网球在皮带上的滑动，但由于网球两侧与皮带相接触的部位受到的瞬时速度＞，所以网球还是得绕球心转动。 最终从从动轮上发射出球时的网球的状态分析如图4.8所示。 图4.8网球最终出球时状态 根据理论力学中的求物体速度的基点法的计算方法得到： 其中线速度，，相对速度。 所以 那么球心的速度 网球射出的速度为两从动轮线速度之和的一半，且有一定的角速度旋转，网球为右旋网球，在撞向挡板的飞行过程中，球有向左偏转的情况，经过挡板的撞击反弹后最终网球是以上旋形式发出。 4.5两带传动传动比不为1的时候网球的速度分析 如图4.9所示，假设此时带传动比不为1，而带传动的传动比为，他若两传送带均竖直放置，则由下往上看，两个带传动之间的皮带的距离会越来越窄，网球在两皮带中被压缩的程度也越来越大。所以，为了防止网球的损坏或疲劳，两带轮之间距离不能远小于网球的直径，即带传动的传动比不能很大，粗略估计＜1.5。 假设两主动摩擦轮的转速相同，网球在运动中的速度变化与网球在传动比为1的带传动中的情况大致一样，只不过在起始条件相同的情况下，网球受到摩擦轮和皮带的挤压力比后者更大些。 图4.9传动比不为1时的情况 4.6为发球器选择带型号及参数 翻阅机械零件手册，了解到普通带；而对于窄带，。所以这里选择窄带来作为传送网球的载体。 1.选择电机：Y90L-2，额定功率为，转速：，电压为380V，频率为。 2.确定计算功率 查得工作情况系数，故。 3.选取窄带带型 根据、确定选用SPC型。 4.确定带轮的基准直径 取主从动轮的直径：。 5.验算带的速度： 6.确定窄带的基准长度和传动中心距 根据＜＜，初步确定中心距 根据公式计算带所需要的基准长度： 。 根据查表所得带的基准长度； 现计算实际中心距：； 7.主动轮的包角为180°＞120°，合适。 8.计算窄带的根数：，查表计算取根。 9.计算预紧力：，查表计算得 带轮结构的设计可以选用腹板式或者轮辐式。 4.7设计带发球器装置的参数，计算网球的速度 图4.10带发球器简图 设计的带轮发球器的机构简图如图4.10所示，具体用到的参数数值有： 网球的质量 网球的半径 网球的弹性系数 皮带与网球之间的摩擦因数 摩擦轮的半径 两摩擦轮轮廓之间的最短距离的一半 网球刚进入挤压区的临界位置，网球与左边摩擦轮中心线的连线与两摩擦轮中心连线的夹角。 摩擦轮的转速 皮带的传送速度。 网球对摩擦轮的作用使轮附加产生的角速度 计算得出：，，。 4.8小结 本章主要分析了带传动的运动及受力特点，在此基础上提出了使用带传动装置用来做网球发球器的原理，以此方法可延长网球通过摩擦轮时的作用时间，得出网球能充分加速，最终与皮带的速度一致，达到了速度增大的目的。最后为带和机构用作发球器选择了一组参数，得出发球的速度。 总结 本课题在已经设计完成的第一代网球扣、发球装置的研究基础之上，提出对发球器机构的改进。为网球发球机的进一步研究提供了一个很好的工作平台和建议。 本文主要研究内容有: 1、针对目前国内外存在的网球发球器的工作原理，进行相应的了解，主要是针对合肥工业大学课题组研制出来的一种网球运动员简易训练器进行分析。 2、研究网球在空中的旋转和摩擦轮式发球器的理论分析，分析摩擦轮发球器发出的球所能达到的最大速度，所能发出的球的旋转的类型及碰到顶部挡板机构之后球的变化情况。 由于个人的时间和精力有限，虽然做出了一些成绩，但是也不可能面面俱到，希望这些研究能够起到抛砖引玉的作用，我们将沿着这条路走下去，争取在将来的研究中能够进一步完善现在的不足。 致谢 在毕业设计即将结束之际，本该是一件值得很庆幸的好事，但却苦于不知道以怎样的方式来表达在毕业设计中帮助过我的老师、同学及学院领导，更不知道用什么样的词句来形容此时此刻的心情，我想没有他们的帮助，毕业设计就不会做得这么顺利，我在这儿只有向所有帮助过我的同学、老师和领导说一声：你们辛苦了，谢谢！ 我的四年大学生活也将要圆满结束了，回想四年来的大学生活，真是感慨万千！这次的毕业设计注定也是一生难忘。 我之所以可以顺利完成这次设计，离不开老师的帮助。我感谢学校能给我这次机会，也感谢老师为我提供的各种条件，使我可以顺利的完成任务。在这里，我特别感谢我的指导老师。他是一个非常认真的老师，无论是从资料的提供上，还是在设计过程中难题的解答上，老师对我的帮助是很大的。由于这是我第一次自己设计产品，在没有足够的知识和实践经验的情况下。如果没有魏老师的帮助，我要完成任务将是非常困难的！感谢老师的指导和关心。 我虽然完成了我的设计任务，可是由于知识的短缺和经验的不足，我的设计可能有很多的缺点和不足，在以后的学习和工作中我会更加努力的！ 感谢我的指导老师，感谢我的同学，感谢所有帮助过我的人！谢谢你们！ 参考文献 [1]裴若忠.智能网球发球机[D].长春理工大学,2006:117-119 [2]董晓奇,高明.多功能网球发球机[P].中国专利:CN2234288,1996-09-04.4-7 [3]吴广玉，姜复兴.机器人工程导论[M].哈尔滨工业大学出版社，1988:9-17，266-278，196-241 [4]郑香梅，简易智能网球发球机关键技术研究[D]，东南大学，2010.1-5 [5]网球三维运动参数采集及技战术实时自动分析系统的运用研究[Bulletin of Sport Science & 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