网球发球机机械系统方案设计

2015-1-29机械原理课程设计多功能网球发球机原理设计组长：组员：1/261/26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—————————————————————————————262/262/26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x51CM宽x30CM高重量：19公斤斯波阿斯SS-3033微电脑智能网球发球机训练机3/263/26可调发球速度30—150公里/小时，可调出球频率2—12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/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.能够实现两点的定点给球。4/264/26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。网球发球机上层发球功能模块给球功能击球功能定位加转功能定位机构加转机构传动功能模块下层摇转功能模块发球机底座5/265/26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。6/266/26击球功能：击球功能可以由两个转动的轮子实现，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。7/267/26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。8/268/26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：网球发球机上层发球功能模块防堵球功能连杆机构给球功能连杆机构击球功能凸轮机构定位加转功能连杆机构传动功能模块齿轮系下层摇转功能模块导杆机构发球机底座9/269/262.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、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0°~180°180°~360°360°~540°540°~720°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机构定型：为了实现这样的功能并且使得机构尽量简单，可以参照参考资料一47页的自动送料机构：10/2610/26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：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：θ=60°150mm120mmL+r=1202+1502−2∗120∗150cos60°L-r=1202+1502−2∗120∗150cos30°L+r=138mmL-r=75mmL=107mmr=32mm11/2611/26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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。12/2612/26尺寸确定：推程要慢，这使得挡块可以防止加速旋转的球滚出膛；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。假设取e=10mmθ=30°解图中三角形：2∙(𝑅+𝑒)∙(𝑅−𝑒)∙cos30°=(𝑅+𝑒)2+(𝑅−𝑒)2−352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：35mmR+eR-eθ13/2613/26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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：14/2614/26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：在网球场地尺寸简图中可计算得：θ=tan−11097023770=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θ=24.77°10970mm23770mmθ15/2615/26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。一般位置示意图：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=√2×𝑅𝐴2−2𝑅𝐴2cos𝜃cos𝐵1𝐷𝐵2=(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matlab进行优化设计，求得r的表达式由下图中的fans变量接收。ABCD16/2616/26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=200:1:300;f=0.5*(0.1843687*a.^2+0.008016*200^2).^0.5;g=0.5*(0.1843687*b.^2+0.008016*300^2).^0.5;h=0.5*(0.1843687*c.^2+0.008016*400^2).^0.5;figureplot(a,f,b,g,c,h);生成图像：17/2617/26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=250mm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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。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θ=60°Ɵd=100mmed+e18/2618/26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