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中北大學信息商務學院
畢業(yè)設計英文參考資料
The world's Latest Mechanical Design Concepts
學生姓名： 邸洋 學號： 12020144X53
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
指導教師： 馬維金 職稱： 教授
2016年 6 月 2 日
摘要
為了使練習者能更好地自學習網球技術以達到健身的目的，從而提高全民參與網球運動的積極性，針對網球發(fā)球的特點，從總體上設計了一臺新型的網球發(fā)球機。
本文論述了智能網球發(fā)球機的設計思想、工作原理、結構特點及控制系統，并探討了網球發(fā)球及控制系統的設計原理，從摩擦輪發(fā)球原理談起，介紹了網球發(fā)球機的結構和系統設計。在此基礎上，設計了一種新型的、性價比高的發(fā)球裝置。該裝置利用雙輪摩擦原理，發(fā)出各種適合練習者需要的球，同時利用計算機對各種球的速度、角度、旋轉進行遠程控制，以滿足練習者的各種技術需要。
關鍵詞：網球發(fā)球機；工作原理；系統設計
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
目錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
第一章 緒論 4
1.1需求分析結果。 4
1.2功能要求（設計目的）。 5
1.3網球發(fā)球機技術的發(fā)展 5
1.4國內外網球發(fā)球機的研究現狀 6
1.4.1國外網球發(fā)球機的研究現狀 6
1.4.2國內網球發(fā)球機的研究現狀 7
1.5拋射機器人要求 8
1.5.1拋射發(fā)球機器人設計要求 8
1.5.2研究設計方法及技術路線 8
1.6小結 8
第二章 網球發(fā)球機的工作原理及工作過程 9
2.1網球發(fā)球機的工作原理 9
2.2網球發(fā)球機的工作過程 10
第三章 網球發(fā)球中球的旋轉和速度的分析 10
3.1網球發(fā)球中的旋轉球的幾種現象 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 總結 14
3.2拋射機器人工作原理 14
3.3擋板工作原理 15
第四章 網球發(fā)球機的機械結構設計 18
4.1一代發(fā)球器的速度分析 20
4.2帶傳動分析 21
4.3兩個主動摩擦輪的轉速相同時網球的速度分析 21
4.3.1 網球剛進擠壓區(qū)的速度計算 21
4.3.2 網球半進擠壓區(qū)的速度計算 23
4.3.3 網球球心超過兩摩擦輪球心連線時速度 25
4.3.4 網球完全進入帶傳動時速度 25
4.3.5網球在帶中的運動情況 26
4.4兩個主動摩擦輪的轉速不同時網球的速度分析 26
4.5兩帶傳動傳動比不為1的時候網球的速度分析 28
4.6為發(fā)球器選擇帶型號及參數 28
4.7設計帶發(fā)球器裝置的參數，計算網球的速度 30
4.8小結 30
總 結 31
致謝 32
參考文獻 33
第一章 緒論
1.1需求分析結果。
網球起源于法國，現在已經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，而網球發(fā)球機的出現，極大程度上解決了類似的問題。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。
當前最主流的網球發(fā)球機是靠兩個輪子的相對旋轉時擠壓網球將網球打出。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將球擠壓射出。通過上下兩個輪子的不同的旋轉速度可以把球擠出時產生可以調整的上旋或下旋。
1.2功能要求（設計目的）。
鑒于目前的市場上的現有網球發(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)出各種方向的轉球。
網球的旋轉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)出任意方向的轉球，并且可以手動調整發(fā)出轉球的種類，例如側旋、上旋、下旋等等。
能夠實現兩點的定點給球。
網球比賽中回球的質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。
1.3網球發(fā)球機技術的發(fā)展
現代社會，隨著物質生活水平的提高，人們越來越重視生命質量和生活質量。據統計，運動消費作為一種綠色消費，近幾年來在我國人民日常消費中所占的比例呈持續(xù)增長趨勢?？梢灶A見，隨著人們生活質量的不斷提高，全民性的健身運動熱潮不僅不會減弱，而且將愈演愈烈，健身器材的市場需求也必將隨之不斷擴大。
網球運動近年來傳入我國后，普及迅速，尤其深受廣大青年人的喜愛。但對于初學者來說，要想在短時間內很快地提高技術，沒有先進的網球訓練設施是很難實現的。而目前國內網球球館的設備仍存在著較大的缺陷，特別是用于發(fā)球的網球發(fā)球機，科技含量較低，價格較高，容易損壞，在一定程度上影響了人們的使用。鑒于此，開發(fā)一種科技含量高、價格低、美觀耐用、大容量的智能網球發(fā)球機具有廣闊的社會效益和經濟效益。
由相關文獻和網上資料調查得知：國外對網球發(fā)射器的研究開始得相對較早，最早的專利是1998年美國的Rose發(fā)明的。此后，各國紛紛開始投入此項研究，其中美國、英國和日本占主導地位，技術成熟，且有一些產品已經投入市場使用。此外，國外對網球接發(fā)球的研究要細膩得多，除了通過對蹬地轉體到鞭打等增加發(fā)球時速的一系列動作的研究外，更是要求如何在發(fā)球的過程中，是核心力量更集中，逐漸由上步的動作改為不上步。我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近些年來也涌現出了很多這方面的想法和創(chuàng)意，但是并沒有申請國家專利。目前我國的大部分網球發(fā)射器生產廠家還是應用國外的網球發(fā)射技術。我國的網球發(fā)射技術既不先進也不十分成熟。
本課題研究的題目為網球發(fā)球機，主要是利用機械電子相結合的技術，對現有網球發(fā)球機的結構、控制電路加以改進升級，設計出一種低成本、耐用、美觀且可控的多功能智能網球發(fā)球機?？砂l(fā)出上旋球、下旋球、中場、后場等，為使用者提供底線、中場、網前等各種訓練，并可自動發(fā)球，便于單人正、反手跑動訓練或雙人同時訓練，所具備的遙控可為教學、訓練或單人使用帶來極大的方便。并且在設計中兼顧考慮了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求，提供了不同技術階段的“多種訓練”和“肌肉一記憶運動”的強化訓練，使學者掌握規(guī)范全面技術的時間大為縮短。
1.4國內外網球發(fā)球機的研究現狀
1.4.1國外網球發(fā)球機的研究現狀
國外網球發(fā)球機的起步較早。它們的主要功能有可發(fā)出上旋球、下旋球、側旋球、直球、高吊球、網前球、后場球、底線球、短截擊球及邊線球等。它既適合普通練習者的需求又能滿足運動員的日常訓練要求。
目前世界生產網球發(fā)球機的廠家比較多，最具有代表意義的是美國TUTOR公司和LOBSTER公司生產的網球發(fā)球機。二者所采用網球發(fā)球原理不同，前者是高性能網球發(fā)球機，它通常是利用兩個高速旋轉的輪子(旋轉方向相反)，由于輪子的空間小于球的直徑，當球從滑輪滾入兩輪之間的時候，輪子將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一個道理，只不過車輪滾石只用到一個輪子。而后者是利用空氣壓縮原理來工作。壓縮空氣使用一個空氣壓縮機產生。球被裝入長桶的底部由一個窄口固定住，這個窄口的直徑略小一些，當壓縮空氣推擠網球穿過窄口的時候，球就被發(fā)射出去了?，F在市面上銷售的網球發(fā)球機多以對轉雙輪原理為主，這是因為空氣壓縮發(fā)球機的噪音極大而且不能提供高的性能，而對轉雙輪發(fā)球機能提供高的性能。同時，空氣壓縮發(fā)球機消耗的功率很大，無法使用電池來供電，其優(yōu)點是價格比較便宜。
美國和德國生產網球公司不僅在發(fā)球機構上有獨到之處而且在控制方面也處于領先地位。他們能夠采用計算機遠程控制，并備有遙控裝置可以同時測速。
1.4.2國內網球發(fā)球機的研究現狀
相對國外而言，國內網球發(fā)球機的研究才剛剛處于一個起步階段，用于成品的很少。主要有以下幾個典型方面。
1.豐潤牌網球發(fā)球機:
該機型由臺灣豐潤集團生產研制，它利用對轉雙輪原理的特性，借助于輪子和球之間的摩擦力來獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。這個原理和雙輪旋轉發(fā)球原理同出一則。它的優(yōu)點很明顯，即:速度高、易控制、經濟實惠。缺點是故障率高、質量差。
2.力王牌舉升式網球發(fā)球機
該機是由北京太陽計算機技術公司生產研制的舉升式網球發(fā)球機，升華了科學訓練過程。對初學者和專業(yè)選手均提供了不同技術階層的”多球訓練“和網球運動是“肌肉記憶運動“的強化訓練，使掌握規(guī)范網球技術的時間大大縮短為“一年賽三年”。舉升式網球發(fā)球機是一種比較先進的網球發(fā)球機。此機可發(fā)出上旋、下旋、平擊球，可仿真模擬網球運動時真實擊出的左側上旋或下旋球，右側上旋或下旋球，更可以仿真發(fā)出落點在發(fā)球區(qū)內任意點球的全新功能，提供了網球運動中重要的接發(fā)球技術高難度訓練。在設計理念上采用了電動控制與液壓技術相結合，這樣不僅解決了上下旋轉不好控制等問題，而且增加了發(fā)射的準確性。
我國對此類裝置的研究雖然起步較晚，但近些年來也涌現出了很多這方面的想法和創(chuàng)意，但是并沒有申請國家專利。目前我國的大部分網球發(fā)射器生產廠家還是應用國外的網球發(fā)射技術。我國的網球發(fā)射技術既不先進也不十分成熟。
1.5拋射機器人要求
1.5.1拋射發(fā)球機器人設計要求
設計一款自動拋射發(fā)球機，此便攜式網球發(fā)球機既可用于訓練專業(yè)網球運動員的特定動作與快速反應能力，又可以作為個人體育鍛煉及高校網球教學訓練器材使用。結構設計合理，實現在無交流電源下使用，可以發(fā)出各種適合練習者需求的球，具有攜帶方便，操作簡易，收納不占空間，成本低廉，功能齊全，控制靈活的特點。
1.5.2研究設計方法及技術路線
本網球拋射發(fā)球機與傳統的空氣壓縮發(fā)球機不一樣，采用了摩擦作為動力源以擊打網球，用兩個高速旋轉的輪子，它們的旋轉方向相反（所以后面用對轉雙輪來描述）。輪子間的空間很小。當球從滑軌滾入兩輪之間的時候，輪子就將球噴出。使網球快速飛向指定區(qū)域。本網球發(fā)球機由動力裝置，調節(jié)俯、仰角度裝置，儲球裝置，供球裝置，電控等幾大部分組成。
調節(jié)俯、仰角度裝置由支軸架、軸、雙支承板架、齒桿、齒輪、絲母、步進電機組成；供球裝置由供球盤、分球輪、撥球彈簧、擋球柱、供球孔組成。在殼體與盛球箱之間，在殼體頂口內裝供球盤，靠近伸縮把手的供球盤內加工有容納分球輪的孔，分球輪置入該孔內可作相對運動，分球輪上均分有三個供求孔，與三個供球空的位置相對應，靠近伸縮把手一側的分球輪的孔地面上，加工一個與供球孔直徑相同的孔，于該孔上方，在供球盤的內側上布有兩個擋球柱，于分球輪的頂柱上均置三個外套塑料的撥球彈簧；該供球裝置主要將集中在盛球箱內的球，按設定的時間，有間隔的準時供給2#電機驅動輪上，并設有按時間順序供球和實現1—20秒間隔出球的自動控制。
1.6小結
本章主要介紹了本次畢業(yè)設計的目的，以及國內外網球發(fā)球機的研究現狀，讓大家對網球發(fā)球機有一個初步的了解，從而能夠更好的閱讀本設計論文，同時介紹了本人設計的網球發(fā)球機的設計要求，研究設計方法及技術路線，為第二章的工作原理與工作過程的論述做好準備。
第二章 網球發(fā)球機的工作原理及工作過程
2.1網球發(fā)球機的工作原理
目前在市場上銷售的高性能網球發(fā)球機都是用輪子來發(fā)球的。因此本設計也就采用此基本工作原理，即通常是用兩個高速旋轉的輪子，他們的旋轉方向是相反的，因而又被稱為對轉雙輪。兩個輪子間的空間很小。當球從滑軌滾入兩輪之間的時候，輪子就將球噴出。這種情況和小石頭被打滑的車輪噴出是一樣的。只不過車輪滾石只用到一個輪子。
此外，對轉雙輪發(fā)球機的雙輪相對轉速的變化可以改變球的選轉。當上面的轉輪轉得比下面得轉輪快時，發(fā)出來的是上旋球。當下面的轉輪轉得快時，發(fā)出來的是下旋球。當然，當雙輪轉速相同時，機器人發(fā)出平擊球。
2.2網球發(fā)球機的工作過程
首先，根據訓練要求，調節(jié)好水平角度，和俯、仰角度，在盛球箱內可盛500個以內的網球，接通電源，用遙控器或者手動依次開啟供求裝置中的步進電機。1#電機驅動輪、2#電機驅動輪、分球輪，就開始轉動。
此時，網球受到撥球彈簧的攔截，就會將一個一個網球分別送入沒有擋球住的兩個供求孔內，且分球輪繼續(xù)轉動，當裝有網球的供求孔與供球盤上的供求孔對準后，其網球就會落下，并沿上、下導球槽送到1#電機驅動輪和2#電機驅動輪之間的間距中。由于1#電機驅動輪為沿順時針方向轉動，而2#電機驅動輪沿逆時針方向轉動，網球受兩高速驅動輪的驅動，就將網球通過出球孔拋射至指定位置。
如此循環(huán)操作，就可以很輕松的實現網球教學與訓練。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技術措施，實現本設計的目的。
第三章 網球發(fā)球中球的旋轉和速度的分析
3.1網球發(fā)球中的旋轉球的幾種現象
網球發(fā)球器若要能真正提高運動員訓練效果，就得能模擬國際上優(yōu)秀網球運動員所發(fā)出的球，也就必須能夠使發(fā)出的球達到一定的速度、旋轉、落點及其變化等的性能要求。由此可見，發(fā)球器所具有的功能是非常復雜的。但在設計改進發(fā)球器之前，我們必須得清楚發(fā)出球后，不同旋轉的網球的運動情況。
假設空氣是粘彈性體。由于粘彈性的作用，旋轉的網球帶動球體周圍的空氣一起旋轉，使得球體周圍的空氣相對于球體的速度大小不等。根據流體力學的伯努利定律
（3-1）
式中為空氣的壓強，為空氣相對球體的速度,為空氣的密度，為球體周圍空氣的相對高度，因非常小，且空氣的密度也較小，伯努利定律可以表示為
（3-2）
由此可見一個重要的現象,即馬格努斯效應：球周圍空氣速度大的地方壓強小，速度小的地方壓強較大，由于網球球體周圍的壓強不等，即球體表面不同位置所受的空氣壓力不同，網球將改變出球時原定的軌跡。
3.1.1上旋球
分析：曲線為網球的旋轉方向；為網球不旋轉時，空氣相對網球質心的速度，也稱來流速度；表示由于網球的旋轉引起的，網球表面不同位置的空氣相對網球質心的速度，也稱環(huán)流速度。（假設網球由右向左發(fā)）
網球在空氣中（上）前旋轉飛行時，球體上部空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體上部空氣的速度為，其大小為；球體下部環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體下部空氣的速度為，其大小為，根據馬格努斯效應原理網球上部所受空氣的壓強大于網球下部所受的空氣的壓強，網球將快速提前下墜，球出現比判斷落點近的現象（飛行軌跡向下彎曲）。
3.1.2下旋球
網球在空中下（后）旋轉飛行時，球體上部空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體上部空氣的速度為；其大小為；球體下部環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體下部的空氣速度為，大小為；根據馬格努斯效應原理網球下部所受空氣的壓強大于網球上部所受的空氣的壓強，壓力差克服重力，延長了網球飛行時間，使球出現比判斷落點遠的現象。
3.1.3不旋球
不轉球在空中飛行時，球體上部和下部的速度大小相等均與來流速度相反，使得球體上下部空氣的總速度相同，即上下不產生壓強差。如果空氣阻力很小或者忽略空氣阻力，那么不轉球在空中的運行軌跡就是平拋運動。
3.1.4右旋球
網球在空中右旋飛行時，球體左側空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體左側空氣的速度為；其大小為；球體右側環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體右側的空氣速度為；大小為；根據馬格努斯效應原理網球右側所受空氣的壓強大于網球左側所受的空氣的壓強，網球將出現右旋飛行過程中向左偏拐的現象。
3.1.5右旋球
網球空氣中左旋飛行時，球體右側空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體右側空氣的速度為，其大小為；球體左側環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體左側空氣的速度為；其大小為；根據馬格努斯效應原理網球左側所受空氣的壓強大于網球右側所受的空氣的壓強，網球將出現左旋飛行過程中向右偏拐的現象。
3.1.6總結
對于優(yōu)秀的網球發(fā)球手來說，其能發(fā)出上述各種方式的旋轉球，且球速基本能達到發(fā)球速度的極限值，而發(fā)球機器人的工作目的是模擬運動員的發(fā)球過程，因此對于球速和發(fā)球方向的控制精度直接決定系統的使用效果。在本研究中，發(fā)球機器人主要由發(fā)球器和發(fā)球擋板兩部分組成，其中發(fā)球器控制球速和旋轉，而發(fā)球擋板控制發(fā)球高度并影響網球最終的旋轉及發(fā)射角度。
3.2拋射機器人工作原理
合肥工業(yè)大學課研組研究出來的第一代發(fā)球器的原理如圖1-2所示；整個機構由兩個飛輪和一個推動網球上下運動的托盤組成，采用變頻器控制電機驅動飛輪轉動的方式，托盤升降采用電磁鐵直接驅動的方式。發(fā)球過程中，計算機指令控制電磁鐵驅動托盤推動網球向上運動與高速旋轉的飛輪接觸。由于速度差和正壓力的存在，飛輪與網球之間存在滑動摩擦力，并在該摩擦力作用下，網球向上加速，直到網球脫離飛輪邊緣高速飛向發(fā)球擋板。
發(fā)球過程做如下分析：
我們的關鍵是研究和探討網球球速與飛輪轉速之間關系，其中球速的測量采用的是基于單片機的紅外對管測量方法。通過調節(jié)變頻器的輸入電壓控制驅動飛輪轉動電機的轉速，轉速與電壓之間是線性關系，所以利用輸入電壓和網球球速的關系可以間接表示出轉速與球速之間的關系。對于標準的網球其材料、直徑大小以及球內氣壓是恒定的常數，所以它與飛輪表面間的相互壓力可以近似看成一個只與網球和飛輪相對位置有關的函數，并假設網球與飛輪剛開始接觸時的位置為0。網球加速過程中與接觸起始位置的垂直距離為S。則網球與飛輪表面間的壓力函數可以表示成為F(S)，由動能定理就可以推導出網球在S處的球速：
（3-3）
其中：是網球的質量；是滑動摩擦系數。
如果飛輪的轉速過高，使得網球與飛輪的整個接觸過程中始終處于滑動摩擦力的作用下，則球速計算公式中的積分上限（滑動摩擦力作用距離）是一個定值，從而球速也是一個定值，這種情況稱為速度飽和，即此時再繼續(xù)提高飛輪轉速對網球的最終速度沒有任何影響。
實驗的結果是：隨著變頻器的輸入電壓的增加，驅動電機速度加大，飛輪轉速也隨之加快，網球的出球速度也越來越大。實測網球的最大速度可達28m/s。歐美優(yōu)秀的男排運動員發(fā)出的球速可高達33m/s，這一比較發(fā)球機發(fā)出的網球速度還不甚理想，因此本文選擇用帶輪傳動來代替飛輪模型，意在延長網球的加速時間，使得網球的最終的動能增加，即加大網球的發(fā)球速度。
發(fā)球器可以發(fā)出左旋、右旋以及不轉球。在電機功率的作用下，當左邊的摩擦輪的轉速小于右邊摩擦輪的轉速時，發(fā)出的球是右旋的，反之為左旋球。當兩摩擦輪的轉速相等時，發(fā)出的網球是不轉的。
3.3擋板工作原理
發(fā)球擋板位于發(fā)球器出球口的垂直上方，與發(fā)球器之間的豎直距離可調。除了上下運動的自由度外，發(fā)球擋板還可以分別圍繞兩個在水平面內垂直相交的軸線進行轉動，用于控制擋板的位置姿態(tài)。發(fā)球過程中，發(fā)球器中射出的網球高速撞擊在擋板上，并在擋板上進行反彈形成最終的發(fā)球。通過調整發(fā)球擋板的高度和位置姿態(tài)可以控制最終的發(fā)球過網的高度和方向。網球撞擊擋板并反彈的過程比較復雜，這里做如下的簡化分析處理。
發(fā)球器發(fā)出的網球撞擊擋板的瞬間如圖2-1所示。
圖3.1網球撞擊擋板示意圖
此時網球的運動可以分解為（平行于擋板）和（垂直于擋板）兩個方向，因為方向網球只是受到擋板對其的支持力作用，處理起來相對容易。這里先討論方向上的情況，假設發(fā)球器中發(fā)出的網球是不轉球，則當網球剛好撞擊擋板時，網球繞球心旋轉的角速度為0。此時（R為網球的半徑），所以網球與擋板之間必然存在著滑動摩擦力，圖中以一個關于時間的函數表示。將向球心處簡化，得到經過球心的力和力矩。在摩擦力和力矩的作用下，一方面網球球心處的速度逐漸降低，另一方面將產生繞球心的轉動，并且這一過程一直持續(xù)到球心在方向的速度（滑動摩擦過程結束）。令這一過程持續(xù)的時間為，網球的質量和轉動慣量分別為和，則根據動量定理（在某一段時間間隔內，質點或剛體動量的變化等于作用于質點或剛體的力在此段時間內的沖量）和角動量定理（剛體所受合外力矩的沖量矩，等于剛體角動量的增量）分別得到：
（3-4）
我們認為網球模型是薄壁空心球。其轉動慣量 （3-5）
由2-4式可以得到： （3-6）
將2-5式代入得出： （3-7）
如果根據滑動摩擦結束的條件，最終可以得到。
在方向這里也作簡化處理，見圖2-2，假定反彈前后網球在方向上的速度不變，并令擋板的法線方向與網球的入射方向的夾角為，則網球反彈后的運動方向與擋板法線間的夾角與之間的關系可以表示為：
（3-8）
這是因為
（3-9）
圖3-2 網球反彈后的運動方向與擋板法線間的夾角示意圖
從上面的推理分析計算我們可以得出，通常經發(fā)球器由下而上發(fā)出的不轉球，經過擋板的撞擊反彈，所發(fā)出的球是下旋球，且能量損失基本發(fā)生在沿擋板的方向上；發(fā)球器發(fā)出的右旋網球，通過發(fā)球器時經過擋板的撞擊反彈，最終發(fā)出的球基本是上旋球或者是不轉球，中間可能還會夾雜著右旋因素；發(fā)球器發(fā)出的左旋網球，即左邊摩擦輪的轉速較右邊高，經過擋板的撞擊反彈，所發(fā)出的球基本是是下旋球或者是不轉球，中間可能夾雜著左旋因素。所以可以看到，最終發(fā)出的網球基本能滿足所需要的各種旋轉的要求。
第四章 網球發(fā)球機的機械結構設計
在各種機械中，結構主要起支撐或者傳遞載荷的作用。由于金屬材料具有強度高、重量輕、質量穩(wěn)定的特性，因此，現在絕大部分的機械結構都使用金屬材料制成的。在這個意義上，機械結構又可稱為金屬機構。它是以金屬材料軋制的型鋼（角鋼、工字鋼、槽鋼、鋼管等）和鋼板等作為基本元件，通過焊接、鉚釘或螺栓等方式，按一定的規(guī)律連接制成基本構件后，再用焊接、鉚釘或螺栓等將基本構件聯結成能夠承受外在載荷的結構物。
金屬結構和其他材料制成的結構相比，具有下列一些特點：
1）強度高、重量輕
金屬結構大都采用鋼材。鋼材比木材、裝飾、混凝土等材料的強度要高出很多倍，因此，當承受的載荷和條件向同時，用鋼材制成的結構自重較輕，所需截面較小，運輸和架設易較方便。
2）塑性和韌性好
鋼材具有較好的塑性。在一般情況下，不會因偶然超載或局部超載造成突然斷裂或破壞，而是事先出現較大的變形前兆，以便人們采取補救措施。鋼材還具有良好的韌性，使得結構對經常作用在機械上的動載荷的適應性強，為金屬機構的安全使用提供了可靠保證。
3）材質均勻
鋼材的內部組織均勻，各個方向的物理力學性能基本相同，很接近各向同性體，在一定的應力范圍內，剛才處于理想彈性狀態(tài)，與工程力學所采用的基本假定較符合，故計算結果準確可靠。
4）制造方便，具有良好的裝配性
金屬結構是通過機械加工制成的型鋼和鋼板等組成，采用焊接、鉚接或螺栓等手段制造成基本構件，運至現場裝配拼接。故制造簡便、施工周期短、效率高，且修配、更換也方便。
5）密封性好
金屬結構如采用焊接連接方式易做到緊密不滲漏，密封性好，是用于制作容器、油罐、油箱等。
6）耐腐蝕性差
有些機械特別是工程機械，經常處在潮濕環(huán)境中作業(yè)，用鋼材制作的金屬結構在濕度大或有侵蝕性的介質情況下容易銹蝕，因而需要經常維修和保養(yǎng)，如除銹、油漆等維護費用較高。
7）耐高溫性差
鋼材具有一定的耐熱性，但不耐高溫，隨著溫度的升高，鋼材強度會下降，因此對重要的結構必須注意采取防火措施。
第三章主要描述分析了網球發(fā)球旋轉的問題，發(fā)球器發(fā)出的球經過發(fā)球擋板的撞擊之后基本上能夠滿足多種旋轉。本章將對一代發(fā)球機底部的發(fā)球器的發(fā)球速度不夠的原因做出簡單的分析，并提出對發(fā)球機構系統的設計改進，采用帶輪代替摩擦輪形式來提高發(fā)球器的出球速度。
4.1一代發(fā)球器的速度分析
圖4.1發(fā)球機構原理圖
發(fā)球機構的原理如圖4.1所示，由送球機構送上來的網球經過一對旋轉方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從網球進入開始與摩擦輪接觸（圖中的網球位置1）到與摩擦輪分開（圖中的網球位置2），在此期間，網球將受到摩擦輪的摩擦力和壓力的作用，以此來完成加速過程，最終射出，從上一章的實驗結果看發(fā)球的速度還不甚理想。
由動量定理的計算公式： （4-1）
為網球的初速度，即進入摩擦輪時的速度；為網球從摩擦輪中射出的速度。
由式3-1得到：
設，則，與和有關，是網球質量是常數。實際測量中，增大摩擦輪轉速和摩擦力，到了一定程度時，網球的最終出球速度將不再變大，即達到了最大值，但是小于摩擦輪邊緣的線速度，而理論上應能達到的最大出球速度應與摩擦輪邊緣的線速度相等。所以要想增大出球速度，就得設法提高網球的初速度，使得，則最終網球的速度為，即變大。
要增加網球的初速度比較困難，現在我們設想延長對網球的作用時間。設想發(fā)球器中的摩擦輪部件由帶傳動機構來替代，這樣一來，網球的加速距離顯然增多，外力對網球的作用時間也太幅度增加，速度的增量應該也增加，最終網球的出球速度達到與摩擦輪邊緣的線速度相同。
4.2帶傳動分析
我們改進后的發(fā)球器的結構簡圖如圖4.2所示，兩個帶傳動機構豎直的放置著，下面兩個主動輪由電機帶動轉動起來，網球由最低位置進入傳動帶，受到兩側皮帶對它的作用而加速，最終發(fā)出球。下面分別對帶傳動和同步帶傳動進行一些簡單的力學以及結構參數設計上的分析。
圖4.2 改進后的發(fā)球機構
4.3兩個主動摩擦輪的轉速相同時網球的速度分析
4.3.1網球剛進擠壓區(qū)的速度計算
如圖4.3所示，網球從初始位置印與兩主動摩擦輪剛好都相切的位置由于摩擦輪的轉動使皮帶受力，從而傳遞到網球上，開始進入擠壓區(qū)。在這個過程中，以網球為研究對象，認為網球受到的擠壓力與其體積變形量成正比。為了簡化計算，先分析單個摩擦輪對網球的作用，皮帶是摩擦輪和網球之間的傳遞作用力的部件，皮帶厚度與網球的直徑和摩擦輪的直徑相比而言就非常小，在計算中可以忽略不計。并且假設帶傳動的傳動比為1:1，且兩主動摩擦輪的直徑相同。
網球球心從運動到的過程中，球心與左邊摩擦輪的中心的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角由變?yōu)?，網球被擠壓，我們假設把球看成變形為球冠，被擠壓掉的部分是球缺。在以下的計算過程中，不計摩擦輪和皮帶的變形。
球缺的高度為：
（4-2）
（即為網球與摩擦輪中心距的變化量）
圖4.3網球剛進擠壓區(qū)
網球的體力變形量為
（4-3）
網球受到的擠壓力為
（4-4）
（的方向可以認為是摩擦輪中心與網球中心的連線并且指向網球中心）
網球受到的摩擦力與擠壓力有關，將擠壓力做兩個垂直方向的分解可以得到網球所受的摩擦力為：
（4-5）
單個摩擦輪作用下動量定理為：
由于網球的重力與比較小，這里暫且忽略。
前面有了假設兩個主動摩擦輪的轉速相同，故可認為網球受到的兩輪的摩擦力也相同。
則最終的動量定理表達式為：
（4-6）
在上面的式子中：
為網球的質量；
為網球在擠壓區(qū)的瞬時速度；
為網球剛進去擠壓區(qū)的速度，初始速度，這里設為0；
為網球所受到的單個摩擦輪給予的摩擦力；
為皮帶與網球之間的摩擦因數；
為網球所受到的擠壓力；
為網球彈性體的的彈性系數；
為摩擦輪的半徑；
為網球的半徑；
為兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半；
為網球剛進入擠壓區(qū)的臨界位置時球心與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角，可以預先測得或計算出來的；
為網球在擠壓區(qū)內球心與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角；
將4-2、4-3、4-4、4-5式代入4-6式得到：
4.3.2網球半進擠壓區(qū)的速度計算
計算一下網球在特殊位置時的速度，即當網球運動到球心與兩摩擦輪的中心連線上時，如圖4.4所示，陰影部分表示網球的變形形狀。此時。這個時候摩擦輪對網球的摩擦力為：
（4-7）
圖4.4網球半進擠壓區(qū)
可以得出的結論是，隨著網球的受擠壓程度增加，增大，摩擦力增大，網球的瞬時加速度也應增大，則網球的球速也越來越大。
其實，隨著網球的運動直到球心與兩摩擦輪中心連線重合，一直在變大，夾角由逐漸減小，最后為0的過程中逐漸增大，而一直在減小，所以網球受到的摩擦力一直在增加，即球速一直在增大。并且由于初始時網球的球心處于兩摩擦輪的中間平面上，兩摩擦輪對其的摩擦力相等，故網球只是沿著帶運動的方向滑動而不發(fā)生滾動。
此時網球的速度與、、、、、、、均有密切的關系。
其中，（4-7），、、為常數。
（1）設起始時時，其他參數均為定值的情況下考慮摩擦因數對球速的影響，計算可得：，越大，網球在進入傳動帶中的速度也相對越大。
（2）設帶輪半徑不變時，比較起始和時，和對球速的影響，由4-7可知，減小，增大。比較速度計算結果可得：當不變時，減小，速度也相對增加。但是不能過小，網球過大的變形會影響壽命。
（3）變化帶輪半徑
改寫式4-7得到： （4-8）
當減小時，減小，增大。而和在式中的地位基本相等，進過計算得出，當其他參數不變時，適當減小，網球的速度增加。
4.3.3網球球心超過兩摩擦輪球心連線時速度
當網球運動到球心超過兩摩擦輪球心的連線時，如圖4.5所示，陰影部分表示網球的變形形狀。此時網球受到的單個摩擦輪的摩擦力變?yōu)?，可以看出擠壓力在豎直方向上的分力與網球的速度方向相同，使得網球受到的摩擦力繼續(xù)加大，即網球的加速度越來越大，網球仍然處于加速的過程之中。
可以從圖中觀察到，如果兩摩擦輪的輪廓之間的最短距離遠小于網球的直徑，那么這個時候網球會被壓縮的很厲害，即網球的變形量會很大。
圖4.5網球球心超過兩摩擦輪球心連線
4.3.4網球完全進入帶傳動時速度
當網球運動到完全進入傳動帶的擠壓時，陰影部分表示此時的網球的變形形狀。如圖4.6所示。
圖4.6網球完全進入傳動帶
在忽略皮帶的影響下，我們可以根據對稱性做出網球剛好完全進入擠壓區(qū)的網球的球心位置。此時的，。和網球剛進入擠壓區(qū)的計算方法類似，我們計算此時的網球的球速：
（4-9）
其中
， （4-10）
這樣可以計算出，由于式子過于冗長，暫不寫結果。
4.3.5網球在帶中的運動情況
如果網球進入完全擠壓區(qū)時的速度小于皮帶的傳動速度，那么這時候皮帶還會給網球在運動方向上的摩擦力，即此時網球在與皮帶傳動一起運動的同時，相對皮帶還有稍許滑動。直到網球加速到球速與皮帶的速度相同為止，從這以后皮帶就夾著球傳動，連為一體，直至輸送網球到末端的從動輪的邊緣，將網球以皮帶的速度發(fā)射出去。
4.4兩個主動摩擦輪的轉速不同時網球的速度分析
當兩主動摩擦輪的轉速不同的時候，網球的運動過程相對復雜，先做如下的簡單推理說明。
先假設＞，即右邊的主動摩擦輪的轉速比左邊的主動摩擦輪的轉速要快，如圖4.7所示。
圖4.7主動摩擦輪的轉速不同
網球也是從初始位置即與兩主動摩擦輪相切的地方進入擠壓區(qū)，因為＞所以網球剛進入擠壓區(qū)時受到右邊摩擦輪的沖擊大于左邊摩擦輪，將使網球在前進的同時有向左運動的趨勢，故經過短暫的時間后，網球的球心會隨著網球運動向左偏一定的距離。從網球開始進入擠壓區(qū)到整體全部進入擠壓區(qū)這個過程中，網球受到的擠壓力是右邊的摩擦輪大，可以推出網球受到的摩擦力也是右半部分的比較大。這里做下簡化處理，由定軸轉動的微分方程可得：
（4-11）
其中為網球的轉動慣量，得出網球有逆時針方向的角加速度。
所以剛開始的時候，網球在大小不等的摩擦力、的作用下是既有沿著皮帶傳動方向上的滑動，又有繞球心的逆時針的轉動。
隨著時間的推移，拋球完全進入皮帶擠壓區(qū)后，速度達到一定值時，網球將可以看成與皮帶是一個整體一起運動，即不出現網球在皮帶上的滑動，但由于網球兩側與皮帶相接觸的部位受到的瞬時速度＞，所以網球還是得繞球心轉動。
最終從從動輪上發(fā)射出球時的網球的狀態(tài)分析如圖4.8所示。
圖4.8網球最終出球時狀態(tài)
根據理論力學中的求物體速度的基點法的計算方法得到：
其中線速度，，相對速度。
所以
那么球心的速度
網球射出的速度為兩從動輪線速度之和的一半，且有一定的角速度旋轉，網球為右旋網球，在撞向擋板的飛行過程中，球有向左偏轉的情況，經過擋板的撞擊反彈后最終網球是以上旋形式發(fā)出。
4.5兩帶傳動傳動比不為1的時候網球的速度分析
如圖4.9所示，假設此時帶傳動比不為1，而帶傳動的傳動比為，他若兩傳送帶均豎直放置，則由下往上看，兩個帶傳動之間的皮帶的距離會越來越窄，網球在兩皮帶中被壓縮的程度也越來越大。所以，為了防止網球的損壞或疲勞，兩帶輪之間距離不能遠小于網球的直徑，即帶傳動的傳動比不能很大，粗略估計＜1.5。
假設兩主動摩擦輪的轉速相同，網球在運動中的速度變化與網球在傳動比為1的帶傳動中的情況大致一樣，只不過在起始條件相同的情況下，網球受到摩擦輪和皮帶的擠壓力比后者更大些。
圖4.9傳動比不為1時的情況
4.6為發(fā)球器選擇帶型號及參數
翻閱機械零件手冊，了解到普通帶；而對于窄帶，。所以這里選擇窄帶來作為傳送網球的載體。
1.選擇電機：Y90L-2，額定功率為，轉速：，電壓為380V，頻率為。
2.確定計算功率
查得工作情況系數，故。
3.選取窄帶帶型
根據、確定選用SPC型。
4.確定帶輪的基準直徑
取主從動輪的直徑：。
5.驗算帶的速度：
6.確定窄帶的基準長度和傳動中心距
根據＜＜，初步確定中心距
根據公式計算帶所需要的基準長度：
。
根據查表所得帶的基準長度；
現計算實際中心距：；
7.主動輪的包角為180°＞120°，合適。
8.計算窄帶的根數：，查表計算取根。
9.計算預緊力：，查表計算得
帶輪結構的設計可以選用腹板式或者輪輻式。
4.7設計帶發(fā)球器裝置的參數，計算網球的速度
圖4.10帶發(fā)球器簡圖
設計的帶輪發(fā)球器的機構簡圖如圖4.10所示，具體用到的參數數值有：
網球的質量
網球的半徑
網球的彈性系數
皮帶與網球之間的摩擦因數
摩擦輪的半徑
兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半
網球剛進入擠壓區(qū)的臨界位置，網球與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角。
摩擦輪的轉速
皮帶的傳送速度。
網球對摩擦輪的作用使輪附加產生的角速度
計算得出：，，。
4.8小結
本章主要分析了帶傳動的運動及受力特點，在此基礎上提出了使用帶傳動裝置用來做網球發(fā)球器的原理，以此方法可延長網球通過摩擦輪時的作用時間，得出網球能充分加速，最終與皮帶的速度一致，達到了速度增大的目的。最后為帶和機構用作發(fā)球器選擇了一組參數，得出發(fā)球的速度。
總結
本課題在已經設計完成的第一代網球扣、發(fā)球裝置的研究基礎之上，提出對發(fā)球器機構的改進。為網球發(fā)球機的進一步研究提供了一個很好的工作平臺和建議。
本文主要研究內容有:
1、針對目前國內外存在的網球發(fā)球器的工作原理，進行相應的了解，主要是針對合肥工業(yè)大學課題組研制出來的一種網球運動員簡易訓練器進行分析。
2、研究網球在空中的旋轉和摩擦輪式發(fā)球器的理論分析，分析摩擦輪發(fā)球器發(fā)出的球所能達到的最大速度，所能發(fā)出的球的旋轉的類型及碰到頂部擋板機構之后球的變化情況。
由于個人的時間和精力有限，雖然做出了一些成績，但是也不可能面面俱到，希望這些研究能夠起到拋磚引玉的作用，我們將沿著這條路走下去，爭取在將來的研究中能夠進一步完善現在的不足。
致謝
在畢業(yè)設計即將結束之際，本該是一件值得很慶幸的好事，但卻苦于不知道以怎樣的方式來表達在畢業(yè)設計中幫助過我的老師、同學及學院領導，更不知道用什么樣的詞句來形容此時此刻的心情，我想沒有他們的幫助，畢業(yè)設計就不會做得這么順利，我在這兒只有向所有幫助過我的同學、老師和領導說一聲：你們辛苦了，謝謝！
我的四年大學生活也將要圓滿結束了，回想四年來的大學生活，真是感慨萬千！這次的畢業(yè)設計注定也是一生難忘。
我之所以可以順利完成這次設計，離不開老師的幫助。我感謝學校能給我這次機會，也感謝老師為我提供的各種條件，使我可以順利的完成任務。在這里，我特別感謝我的指導老師。他是一個非常認真的老師，無論是從資料的提供上，還是在設計過程中難題的解答上，老師對我的幫助是很大的。由于這是我第一次自己設計產品，在沒有足夠的知識和實踐經驗的情況下。如果沒有魏老師的幫助，我要完成任務將是非常困難的！感謝老師的指導和關心。
我雖然完成了我的設計任務，可是由于知識的短缺和經驗的不足，我的設計可能有很多的缺點和不足，在以后的學習和工作中我會更加努力的！
感謝我的指導老師，感謝我的同學，感謝所有幫助過我的人！謝謝你們！
參考文獻
[1]裴若忠.智能網球發(fā)球機[D].長春理工大學,2006:117-119
[2]董曉奇,高明.多功能網球發(fā)球機[P].中國專利:CN2234288,1996-09-04.4-7
[3]吳廣玉，姜復興.機器人工程導論[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988:9-17，266-278，196-241
[4]鄭香梅，簡易智能網球發(fā)球機關鍵技術研究[D]，東南大學，2010.1-5
[5]網球三維運動參數采集及技戰(zhàn)術實時自動分析系統的運用研究[Bulletin of Sport Science & Technology]2011/01:3-5
[6]網球自動發(fā)射器的研制機械設計與制造，2007/03[中國期刊全文數據庫]
[7]劉文劍.工業(yè)機器人設計與應用.黑龍江科學技術出版社[M]，1990:115-117
[8]YojiUmetani.AReviewonAdvaneedRoboties.Proeeedings 91 International Symposiumon Advaneed Robot Teehno1ogy.1991:3-6
[9]We1sbinC.B.etal.HERMIES-111:ASt TowardAutonomous Mobility Manipulation and Pereeption. Roboties.1990(8)
[10]Hermano190 Kerbs.Robot-Aided Neuro rehabilitation. IEEE TRANSACTION SONRE HABILITATION ENGINEERING.1998(6):75-86
[11]李鐵才，杜坤梅.電機控制技術[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002(12):7一55
[12]張立勛，孟慶鑫，張今瑜.機電一體化系統設計[M].哈爾濱工程大學出版社，1997:23-6
[13]濮良貴.紀名剛,機械設計[M].第七版.高等教育出版社,1996
[14]周開勤.機械零件手冊[S].高等教育出版社,1994
[15]吳宗澤.機械設計實用手冊[S].化學工業(yè)出版社,1999
[16]機械工程手冊編委會.機械工程手冊[S].第二版：傳動設計卷.機械工業(yè)出版社,1997
[17]張福潤.機械制造基礎[M].華中理工大學出版社,1997
[18]王先逵.機械制造工藝學[M].機械工業(yè)出版,1995