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中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計英文參考資料
The world's Latest Mechanical Design Concepts
學(xué)生姓名： 邸洋 學(xué)號： 12020144X53
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 馬維金 職稱： 教授
2016年 6 月 2 日
世界最新機械設(shè)計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢
設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計方法
系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。
由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。
4. 設(shè)計元素法
用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設(shè)計”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。
機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。
機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
摘要
為了使練習(xí)者能更好地自學(xué)習(xí)網(wǎng)球技術(shù)以達(dá)到健身的目的，從而提高全民參與網(wǎng)球運動的積極性，針對網(wǎng)球發(fā)球的特點，從總體上設(shè)計了一臺新型的網(wǎng)球發(fā)球機。
本文論述了智能網(wǎng)球發(fā)球機的設(shè)計思想、工作原理、結(jié)構(gòu)特點及控制系統(tǒng)，并探討了網(wǎng)球發(fā)球及控制系統(tǒng)的設(shè)計原理，從摩擦輪發(fā)球原理談起，介紹了網(wǎng)球發(fā)球機的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，設(shè)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(xí)者需要的球，同時利用計算機對各種球的速度、角度、旋轉(zhuǎn)進行遠(yuǎn)程控制，以滿足練習(xí)者的各種技術(shù)需要。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)球發(fā)球機；工作原理；系統(tǒng)設(shè)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(jié)果。 4
1.2功能要求（設(shè)計目的）。 5
1.3網(wǎng)球發(fā)球機技術(shù)的發(fā)展 5
1.4國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 6
1.4.1國外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 6
1.4.2國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 7
1.5拋射機器人要求 8
1.5.1拋射發(fā)球機器人設(shè)計要求 8
1.5.2研究設(shè)計方法及技術(shù)路線 8
1.6小結(jié) 8
第二章 網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理及工作過程 9
2.1網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理 9
2.2網(wǎng)球發(fā)球機的工作過程 10
第三章 網(wǎng)球發(fā)球中球的旋轉(zhuǎn)和速度的分析 10
3.1網(wǎng)球發(fā)球中的旋轉(zhuǎn)球的幾種現(xiàn)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(jié) 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(wǎng)球發(fā)球機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)速相同時網(wǎng)球的速度分析 21
4.3.1 網(wǎng)球剛進擠壓區(qū)的速度計算 21
4.3.2 網(wǎng)球半進擠壓區(qū)的速度計算 23
4.3.3 網(wǎng)球球心超過兩摩擦輪球心連線時速度 25
4.3.4 網(wǎng)球完全進入帶傳動時速度 25
4.3.5網(wǎng)球在帶中的運動情況 26
4.4兩個主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同時網(wǎng)球的速度分析 26
4.5兩帶傳動傳動比不為1的時候網(wǎng)球的速度分析 28
4.6為發(fā)球器選擇帶型號及參數(shù) 28
4.7設(shè)計帶發(fā)球器裝置的參數(shù)，計算網(wǎng)球的速度 30
4.8小結(jié) 30
總 結(jié) 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
第一章 緒論
1.1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(dāng)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(xí)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(dāng)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。
1.2功能要求（設(shè)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(fù)雜的電子控制電路，本小組決定設(shè)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(dá)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(jì)錄。后者的紀(jì)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(jì)錄是大威保持的207km/h。所以考慮到發(fā)球機的面向人群應(yīng)該更廣，本設(shè)計要求網(wǎng)球出膛速度達(dá)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(shè)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、下旋等等。
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(xùn)練奔跑擊球尤為重要。
1.3網(wǎng)球發(fā)球機技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代社會，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們越來越重視生命質(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)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(yù)見，隨著人們生活質(zhì)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(wǎng)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(xué)者來說，要想在短時間內(nèi)很快地提高技術(shù)，沒有先進的網(wǎng)球訓(xùn)練設(shè)施是很難實現(xiàn)的。而目前國內(nèi)網(wǎng)球球館的設(shè)備仍存在著較大的缺陷，特別是用于發(fā)球的網(wǎng)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(wǎng)球發(fā)球機具有廣闊的社會效益和經(jīng)濟效益。
由相關(guān)文獻(xiàn)和網(wǎng)上資料調(diào)查得知：國外對網(wǎng)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(dǎo)地位，技術(shù)成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場使用。此外，國外對網(wǎng)球接發(fā)球的研究要細(xì)膩得多，除了通過對蹬地轉(zhuǎn)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(xiàn)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(wǎng)球發(fā)射器生產(chǎn)廠家還是應(yīng)用國外的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)。我國的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)既不先進也不十分成熟。
本課題研究的題目為網(wǎng)球發(fā)球機，主要是利用機械電子相結(jié)合的技術(shù)，對現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機的結(jié)構(gòu)、控制電路加以改進升級，設(shè)計出一種低成本、耐用、美觀且可控的多功能智能網(wǎng)球發(fā)球機。可發(fā)出上旋球、下旋球、中場、后場等，為使用者提供底線、中場、網(wǎng)前等各種訓(xùn)練，并可自動發(fā)球，便于單人正、反手跑動訓(xùn)練或雙人同時訓(xùn)練，所具備的遙控可為教學(xué)、訓(xùn)練或單人使用帶來極大的方便。并且在設(shè)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(shù)階段的“多種訓(xùn)練”和“肌肉一記憶運動”的強化訓(xùn)練，使學(xué)者掌握規(guī)范全面技術(shù)的時間大為縮短。
1.4國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀
1.4.1國外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀
國外網(wǎng)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(cè)旋球、直球、高吊球、網(wǎng)前球、后場球、底線球、短截?fù)羟蚣斑吘€球等。它既適合普通練習(xí)者的需求又能滿足運動員的日常訓(xùn)練要求。
目前世界生產(chǎn)網(wǎng)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(chǎn)的網(wǎng)球發(fā)球機。二者所采用網(wǎng)球發(fā)球原理不同，前者是高性能網(wǎng)球發(fā)球機，它通常是利用兩個高速旋轉(zhuǎn)的輪子(旋轉(zhuǎn)方向相反)，由于輪子的空間小于球的直徑，當(dāng)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(chǎn)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(dāng)壓縮空氣推擠網(wǎng)球穿過窄口的時候，球就被發(fā)射出去了?，F(xiàn)在市面上銷售的網(wǎng)球發(fā)球機多以對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)網(wǎng)球公司不僅在發(fā)球機構(gòu)上有獨到之處而且在控制方面也處于領(lǐng)先地位。他們能夠采用計算機遠(yuǎn)程控制，并備有遙控裝置可以同時測速。
1.4.2國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀
相對國外而言，國內(nèi)網(wǎng)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(wǎng)球發(fā)球機:
該機型由臺灣豐潤集團生產(chǎn)研制，它利用對轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)濟實惠。缺點是故障率高、質(zhì)量差。
2.力王牌舉升式網(wǎng)球發(fā)球機
該機是由北京太陽計算機技術(shù)公司生產(chǎn)研制的舉升式網(wǎng)球發(fā)球機，升華了科學(xué)訓(xùn)練過程。對初學(xué)者和專業(yè)選手均提供了不同技術(shù)階層的”多球訓(xùn)練“和網(wǎng)球運動是“肌肉記憶運動“的強化訓(xùn)練，使掌握規(guī)范網(wǎng)球技術(shù)的時間大大縮短為“一年賽三年”。舉升式網(wǎng)球發(fā)球機是一種比較先進的網(wǎng)球發(fā)球機。此機可發(fā)出上旋、下旋、平擊球，可仿真模擬網(wǎng)球運動時真實擊出的左側(cè)上旋或下旋球，右側(cè)上旋或下旋球，更可以仿真發(fā)出落點在發(fā)球區(qū)內(nèi)任意點球的全新功能，提供了網(wǎng)球運動中重要的接發(fā)球技術(shù)高難度訓(xùn)練。在設(shè)計理念上采用了電動控制與液壓技術(shù)相結(jié)合，這樣不僅解決了上下旋轉(zhuǎn)不好控制等問題，而且增加了發(fā)射的準(zhǔn)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(xiàn)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(wǎng)球發(fā)射器生產(chǎn)廠家還是應(yīng)用國外的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)。我國的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)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(shè)計要求
設(shè)計一款自動拋射發(fā)球機，此便攜式網(wǎng)球發(fā)球機既可用于訓(xùn)練專業(yè)網(wǎng)球運動員的特定動作與快速反應(yīng)能力，又可以作為個人體育鍛煉及高校網(wǎng)球教學(xué)訓(xùn)練器材使用。結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，實現(xiàn)在無交流電源下使用，可以發(fā)出各種適合練習(xí)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(shè)計方法及技術(shù)路線
本網(wǎng)球拋射發(fā)球機與傳統(tǒng)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(wǎng)球，用兩個高速旋轉(zhuǎn)的輪子，它們的旋轉(zhuǎn)方向相反（所以后面用對轉(zhuǎn)雙輪來描述）。輪子間的空間很小。當(dāng)球從滑軌滾入兩輪之間的時候，輪子就將球噴出。使網(wǎng)球快速飛向指定區(qū)域。本網(wǎng)球發(fā)球機由動力裝置，調(diào)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(diào)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(nèi)裝供球盤，靠近伸縮把手的供球盤內(nèi)加工有容納分球輪的孔，分球輪置入該孔內(nèi)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(yīng)，靠近伸縮把手一側(cè)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(nèi)側(cè)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(nèi)的球，按設(shè)定的時間，有間隔的準(zhǔn)時供給2#電機驅(qū)動輪上，并設(shè)有按時間順序供球和實現(xiàn)1—20秒間隔出球的自動控制。
1.6小結(jié)
本章主要介紹了本次畢業(yè)設(shè)計的目的，以及國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀，讓大家對網(wǎng)球發(fā)球機有一個初步的了解，從而能夠更好的閱讀本設(shè)計論文，同時介紹了本人設(shè)計的網(wǎng)球發(fā)球機的設(shè)計要求，研究設(shè)計方法及技術(shù)路線，為第二章的工作原理與工作過程的論述做好準(zhǔn)備。
第二章 網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理及工作過程
2.1網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理
目前在市場上銷售的高性能網(wǎng)球發(fā)球機都是用輪子來發(fā)球的。因此本設(shè)計也就采用此基本工作原理，即通常是用兩個高速旋轉(zhuǎn)的輪子，他們的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因而又被稱為對轉(zhuǎn)雙輪。兩個輪子間的空間很小。當(dāng)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(zhuǎn)雙輪發(fā)球機的雙輪相對轉(zhuǎn)速的變化可以改變球的選轉(zhuǎn)。當(dāng)上面的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)得比下面得轉(zhuǎn)輪快時，發(fā)出來的是上旋球。當(dāng)下面的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)得快時，發(fā)出來的是下旋球。當(dāng)然，當(dāng)雙輪轉(zhuǎn)速相同時，機器人發(fā)出平擊球。
2.2網(wǎng)球發(fā)球機的工作過程
首先，根據(jù)訓(xùn)練要求，調(diào)節(jié)好水平角度，和俯、仰角度，在盛球箱內(nèi)可盛500個以內(nèi)的網(wǎng)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(qū)動輪、2#電機驅(qū)動輪、分球輪，就開始轉(zhuǎn)動。
此時，網(wǎng)球受到撥球彈簧的攔截，就會將一個一個網(wǎng)球分別送入沒有擋球住的兩個供求孔內(nèi)，且分球輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)裝有網(wǎng)球的供求孔與供球盤上的供求孔對準(zhǔn)后，其網(wǎng)球就會落下，并沿上、下導(dǎo)球槽送到1#電機驅(qū)動輪和2#電機驅(qū)動輪之間的間距中。由于1#電機驅(qū)動輪為沿順時針方向轉(zhuǎn)動，而2#電機驅(qū)動輪沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，網(wǎng)球受兩高速驅(qū)動輪的驅(qū)動，就將網(wǎng)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(xiàn)網(wǎng)球教學(xué)與訓(xùn)練。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技術(shù)措施，實現(xiàn)本設(shè)計的目的。
第三章 網(wǎng)球發(fā)球中球的旋轉(zhuǎn)和速度的分析
3.1網(wǎng)球發(fā)球中的旋轉(zhuǎn)球的幾種現(xiàn)象
網(wǎng)球發(fā)球器若要能真正提高運動員訓(xùn)練效果，就得能模擬國際上優(yōu)秀網(wǎng)球運動員所發(fā)出的球，也就必須能夠使發(fā)出的球達(dá)到一定的速度、旋轉(zhuǎn)、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(fù)雜的。但在設(shè)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(zhuǎn)的網(wǎng)球的運動情況。
假設(shè)空氣是粘彈性體。由于粘彈性的作用，旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)球帶動球體周圍的空氣一起旋轉(zhuǎn)，使得球體周圍的空氣相對于球體的速度大小不等。根據(jù)流體力學(xué)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(xiàn)象,即馬格努斯效應(yīng)：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(wǎng)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(wǎng)球?qū)⒏淖兂銮驎r原定的軌跡。
3.1.1上旋球
分析：曲線為網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)方向；為網(wǎng)球不旋轉(zhuǎn)時，空氣相對網(wǎng)球質(zhì)心的速度，也稱來流速度；表示由于網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)引起的，網(wǎng)球表面不同位置的空氣相對網(wǎng)球質(zhì)心的速度，也稱環(huán)流速度。（假設(shè)網(wǎng)球由右向左發(fā)）
網(wǎng)球在空氣中（上）前旋轉(zhuǎn)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(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球上部所受空氣的壓強大于網(wǎng)球下部所受的空氣的壓強，網(wǎng)球?qū)⒖焖偬崆跋聣?，球出現(xiàn)比判斷落點近的現(xiàn)象（飛行軌跡向下彎曲）。
3.1.2下旋球
網(wǎng)球在空中下（后）旋轉(zhuǎn)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(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球下部所受空氣的壓強大于網(wǎng)球上部所受的空氣的壓強，壓力差克服重力，延長了網(wǎng)球飛行時間，使球出現(xiàn)比判斷落點遠(yuǎn)的現(xiàn)象。
3.1.3不旋球
不轉(zhuǎn)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(chǎn)生壓強差。如果空氣阻力很小或者忽略空氣阻力，那么不轉(zhuǎn)球在空中的運行軌跡就是平拋運動。
3.1.4右旋球
網(wǎng)球在空中右旋飛行時，球體左側(cè)空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體左側(cè)空氣的速度為；其大小為；球體右側(cè)環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體右側(cè)的空氣速度為；大小為；根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球右側(cè)所受空氣的壓強大于網(wǎng)球左側(cè)所受的空氣的壓強，網(wǎng)球?qū)⒊霈F(xiàn)右旋飛行過程中向左偏拐的現(xiàn)象。
3.1.5右旋球
網(wǎng)球空氣中左旋飛行時，球體右側(cè)空氣的環(huán)流速度與來流速度方向相同，球體右側(cè)空氣的速度為，其大小為；球體左側(cè)環(huán)流速度與來流速度方向相反，球體左側(cè)空氣的速度為；其大小為；根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球左側(cè)所受空氣的壓強大于網(wǎng)球右側(cè)所受的空氣的壓強，網(wǎng)球?qū)⒊霈F(xiàn)左旋飛行過程中向右偏拐的現(xiàn)象。
3.1.6總結(jié)
對于優(yōu)秀的網(wǎng)球發(fā)球手來說，其能發(fā)出上述各種方式的旋轉(zhuǎn)球，且球速基本能達(dá)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(tǒng)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(zhuǎn)，而發(fā)球擋板控制發(fā)球高度并影響網(wǎng)球最終的旋轉(zhuǎn)及發(fā)射角度。
3.2拋射機器人工作原理
合肥工業(yè)大學(xué)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(gòu)由兩個飛輪和一個推動網(wǎng)球上下運動的托盤組成，采用變頻器控制電機驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動的方式，托盤升降采用電磁鐵直接驅(qū)動的方式。發(fā)球過程中，計算機指令控制電磁鐵驅(qū)動托盤推動網(wǎng)球向上運動與高速旋轉(zhuǎn)的飛輪接觸。由于速度差和正壓力的存在，飛輪與網(wǎng)球之間存在滑動摩擦力，并在該摩擦力作用下，網(wǎng)球向上加速，直到網(wǎng)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(guān)鍵是研究和探討網(wǎng)球球速與飛輪轉(zhuǎn)速之間關(guān)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(diào)節(jié)變頻器的輸入電壓控制驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與電壓之間是線性關(guān)系，所以利用輸入電壓和網(wǎng)球球速的關(guān)系可以間接表示出轉(zhuǎn)速與球速之間的關(guān)系。對于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)球其材料、直徑大小以及球內(nèi)氣壓是恒定的常數(shù)，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(wǎng)球和飛輪相對位置有關(guān)的函數(shù)，并假設(shè)網(wǎng)球與飛輪剛開始接觸時的位置為0。網(wǎng)球加速過程中與接觸起始位置的垂直距離為S。則網(wǎng)球與飛輪表面間的壓力函數(shù)可以表示成為F(S)，由動能定理就可以推導(dǎo)出網(wǎng)球在S處的球速：
（3-3）
其中：是網(wǎng)球的質(zhì)量；是滑動摩擦系數(shù)。
如果飛輪的轉(zhuǎn)速過高，使得網(wǎng)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(zhuǎn)速對網(wǎng)球的最終速度沒有任何影響。
實驗的結(jié)果是：隨著變頻器的輸入電壓的增加，驅(qū)動電機速度加大，飛輪轉(zhuǎn)速也隨之加快，網(wǎng)球的出球速度也越來越大。實測網(wǎng)球的最大速度可達(dá)28m/s。歐美優(yōu)秀的男排運動員發(fā)出的球速可高達(dá)33m/s，這一比較發(fā)球機發(fā)出的網(wǎng)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(wǎng)球的加速時間，使得網(wǎng)球的最終的動能增加，即加大網(wǎng)球的發(fā)球速度。
發(fā)球器可以發(fā)出左旋、右旋以及不轉(zhuǎn)球。在電機功率的作用下，當(dāng)左邊的摩擦輪的轉(zhuǎn)速小于右邊摩擦輪的轉(zhuǎn)速時，發(fā)出的球是右旋的，反之為左旋球。當(dāng)兩摩擦輪的轉(zhuǎn)速相等時，發(fā)出的網(wǎng)球是不轉(zhuǎn)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(diào)。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(nèi)垂直相交的軸線進行轉(zhuǎn)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(wǎng)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(diào)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(wǎng)的高度和方向。網(wǎng)球撞擊擋板并反彈的過程比較復(fù)雜，這里做如下的簡化分析處理。
發(fā)球器發(fā)出的網(wǎng)球撞擊擋板的瞬間如圖2-1所示。
圖3.1網(wǎng)球撞擊擋板示意圖
此時網(wǎng)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(wǎng)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(shè)發(fā)球器中發(fā)出的網(wǎng)球是不轉(zhuǎn)球，則當(dāng)網(wǎng)球剛好撞擊擋板時，網(wǎng)球繞球心旋轉(zhuǎn)的角速度為0。此時（R為網(wǎng)球的半徑），所以網(wǎng)球與擋板之間必然存在著滑動摩擦力，圖中以一個關(guān)于時間的函數(shù)表示。將向球心處簡化，得到經(jīng)過球心的力和力矩。在摩擦力和力矩的作用下，一方面網(wǎng)球球心處的速度逐漸降低，另一方面將產(chǎn)生繞球心的轉(zhuǎn)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(jié)束）。令這一過程持續(xù)的時間為，網(wǎng)球的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量分別為和，則根據(jù)動量定理（在某一段時間間隔內(nèi)，質(zhì)點或剛體動量的變化等于作用于質(zhì)點或剛體的力在此段時間內(nèi)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(rèn)為網(wǎng)球模型是薄壁空心球。其轉(zhuǎn)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(jù)滑動摩擦結(jié)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(wǎng)球在方向上的速度不變，并令擋板的法線方向與網(wǎng)球的入射方向的夾角為，則網(wǎng)球反彈后的運動方向與擋板法線間的夾角與之間的關(guān)系可以表示為：
（3-8）
這是因為
（3-9）
圖3-2 網(wǎng)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(jīng)發(fā)球器由下而上發(fā)出的不轉(zhuǎn)球，經(jīng)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?fù)醢宓姆较蛏希话l(fā)球器發(fā)出的右旋網(wǎng)球，通過發(fā)球器時經(jīng)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(zhuǎn)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(wǎng)球，即左邊摩擦輪的轉(zhuǎn)速較右邊高，經(jīng)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(zhuǎn)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(wǎng)球基本能滿足所需要的各種旋轉(zhuǎn)的要求。
第四章 網(wǎng)球發(fā)球機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
在各種機械中，結(jié)構(gòu)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(zhì)量穩(wěn)定的特性，因此，現(xiàn)在絕大部分的機械結(jié)構(gòu)都使用金屬材料制成的。在這個意義上，機械結(jié)構(gòu)又可稱為金屬機構(gòu)。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(gòu)件后，再用焊接、鉚釘或螺栓等將基本構(gòu)件聯(lián)結(jié)成能夠承受外在載荷的結(jié)構(gòu)物。
金屬結(jié)構(gòu)和其他材料制成的結(jié)構(gòu)相比，具有下列一些特點：
1）強度高、重量輕
金屬結(jié)構(gòu)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(dāng)承受的載荷和條件向同時，用鋼材制成的結(jié)構(gòu)自重較輕，所需截面較小，運輸和架設(shè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)對經(jīng)常作用在機械上的動載荷的適應(yīng)性強，為金屬機構(gòu)的安全使用提供了可靠保證。
3）材質(zhì)均勻
鋼材的內(nèi)部組織均勻，各個方向的物理力學(xué)性能基本相同，很接近各向同性體，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，剛才處于理想彈性狀態(tài)，與工程力學(xué)所采用的基本假定較符合，故計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
4）制造方便，具有良好的裝配性
金屬結(jié)構(gòu)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(gòu)件，運至現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jīng)常處在潮濕環(huán)境中作業(yè)，用鋼材制作的金屬結(jié)構(gòu)在濕度大或有侵蝕性的介質(zhì)情況下容易銹蝕，因而需要經(jīng)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(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。
第三章主要描述分析了網(wǎng)球發(fā)球旋轉(zhuǎn)的問題，發(fā)球器發(fā)出的球經(jīng)過發(fā)球擋板的撞擊之后基本上能夠滿足多種旋轉(zhuǎn)。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(gòu)系統(tǒng)的設(shè)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(gòu)原理圖
發(fā)球機構(gòu)的原理如圖4.1所示，由送球機構(gòu)送上來的網(wǎng)球經(jīng)過一對旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從網(wǎng)球進入開始與摩擦輪接觸（圖中的網(wǎng)球位置1）到與摩擦輪分開（圖中的網(wǎng)球位置2），在此期間，網(wǎng)球?qū)⑹艿侥Σ凛喌哪Σ亮蛪毫Φ淖饔茫源藖硗瓿杉铀龠^程，最終射出，從上一章的實驗結(jié)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(wǎng)球的初速度，即進入摩擦輪時的速度；為網(wǎng)球從摩擦輪中射出的速度。
由式3-1得到：
設(shè)，則，與和有關(guān)，是網(wǎng)球質(zhì)量是常數(shù)。實際測量中，增大摩擦輪轉(zhuǎn)速和摩擦力，到了一定程度時，網(wǎng)球的最終出球速度將不再變大，即達(dá)到了最大值，但是小于摩擦輪邊緣的線速度，而理論上應(yīng)能達(dá)到的最大出球速度應(yīng)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(shè)法提高網(wǎng)球的初速度，使得，則最終網(wǎng)球的速度為，即變大。
要增加網(wǎng)球的初速度比較困難，現(xiàn)在我們設(shè)想延長對網(wǎng)球的作用時間。設(shè)想發(fā)球器中的摩擦輪部件由帶傳動機構(gòu)來替代，這樣一來，網(wǎng)球的加速距離顯然增多，外力對網(wǎng)球的作用時間也太幅度增加，速度的增量應(yīng)該也增加，最終網(wǎng)球的出球速度達(dá)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(jié)構(gòu)簡圖如圖4.2所示，兩個帶傳動機構(gòu)豎直的放置著，下面兩個主動輪由電機帶動轉(zhuǎn)動起來，網(wǎng)球由最低位置進入傳動帶，受到兩側(cè)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(xué)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計上的分析。
圖4.2 改進后的發(fā)球機構(gòu)
4.3兩個主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同時網(wǎng)球的速度分析
4.3.1網(wǎng)球剛進擠壓區(qū)的速度計算
如圖4.3所示，網(wǎng)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(zhuǎn)動使皮帶受力，從而傳遞到網(wǎng)球上，開始進入擠壓區(qū)。在這個過程中，以網(wǎng)球為研究對象，認(rèn)為網(wǎng)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(wǎng)球的作用，皮帶是摩擦輪和網(wǎng)球之間的傳遞作用力的部件，皮帶厚度與網(wǎng)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(shè)帶傳動的傳動比為1:1，且兩主動摩擦輪的直徑相同。
網(wǎng)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)椋W(wǎng)球被擠壓，我們假設(shè)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(wǎng)球與摩擦輪中心距的變化量）
圖4.3網(wǎng)球剛進擠壓區(qū)
網(wǎng)球的體力變形量為
（4-3）
網(wǎng)球受到的擠壓力為
（4-4）
（的方向可以認(rèn)為是摩擦輪中心與網(wǎng)球中心的連線并且指向網(wǎng)球中心）
網(wǎng)球受到的摩擦力與擠壓力有關(guān)，將擠壓力做兩個垂直方向的分解可以得到網(wǎng)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(wǎng)球的重力與比較小，這里暫且忽略。
前面有了假設(shè)兩個主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同，故可認(rèn)為網(wǎng)球受到的兩輪的摩擦力也相同。
則最終的動量定理表達(dá)式為：
（4-6）
在上面的式子中：
為網(wǎng)球的質(zhì)量；
為網(wǎng)球在擠壓區(qū)的瞬時速度；
為網(wǎng)球剛進去擠壓區(qū)的速度，初始速度，這里設(shè)為0；
為網(wǎng)球所受到的單個摩擦輪給予的摩擦力；
為皮帶與網(wǎng)球之間的摩擦因數(shù)；
為網(wǎng)球所受到的擠壓力；
為網(wǎng)球彈性體的的彈性系數(shù)；
為摩擦輪的半徑；
為網(wǎng)球的半徑；
為兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半；
為網(wǎng)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(yù)先測得或計算出來的；
為網(wǎng)球在擠壓區(qū)內(nèi)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(wǎng)球半進擠壓區(qū)的速度計算
計算一下網(wǎng)球在特殊位置時的速度，即當(dāng)網(wǎng)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(wǎng)球的變形形狀。此時。這個時候摩擦輪對網(wǎng)球的摩擦力為：
（4-7）
圖4.4網(wǎng)球半進擠壓區(qū)
可以得出的結(jié)論是，隨著網(wǎng)球的受擠壓程度增加，增大，摩擦力增大，網(wǎng)球的瞬時加速度也應(yīng)增大，則網(wǎng)球的球速也越來越大。
其實，隨著網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)球只是沿著帶運動的方向滑動而不發(fā)生滾動。
此時網(wǎng)球的速度與、、、、、、、均有密切的關(guān)系。
其中，（4-7），、、為常數(shù)。
（1）設(shè)起始時時，其他參數(shù)均為定值的情況下考慮摩擦因數(shù)對球速的影響，計算可得：，越大，網(wǎng)球在進入傳動帶中的速度也相對越大。
（2）設(shè)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(jié)果可得：當(dāng)不變時，減小，速度也相對增加。但是不能過小，網(wǎng)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(dāng)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(dāng)其他參數(shù)不變時，適當(dāng)減小，網(wǎng)球的速度增加。
4.3.3網(wǎng)球球心超過兩摩擦輪球心連線時速度
當(dāng)網(wǎng)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(wǎng)球的變形形狀。此時網(wǎng)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(wǎng)球的速度方向相同，使得網(wǎng)球受到的摩擦力繼續(xù)加大，即網(wǎng)球的加速度越來越大，網(wǎng)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(yuǎn)小于網(wǎng)球的直徑，那么這個時候網(wǎng)球會被壓縮的很厲害，即網(wǎng)球的變形量會很大。
圖4.5網(wǎng)球球心超過兩摩擦輪球心連線
4.3.4網(wǎng)球完全進入帶傳動時速度
當(dāng)網(wǎng)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(wǎng)球的變形形狀。如圖4.6所示。
圖4.6網(wǎng)球完全進入傳動帶
在忽略皮帶的影響下，我們可以根據(jù)對稱性做出網(wǎng)球剛好完全進入擠壓區(qū)的網(wǎng)球的球心位置。此時的，。和網(wǎng)球剛進入擠壓區(qū)的計算方法類似，我們計算此時的網(wǎng)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(jié)果。
4.3.5網(wǎng)球在帶中的運動情況
如果網(wǎng)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(wǎng)球在運動方向上的摩擦力，即此時網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)球到末端的從動輪的邊緣，將網(wǎng)球以皮帶的速度發(fā)射出去。
4.4兩個主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同時網(wǎng)球的速度分析
當(dāng)兩主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同的時候，網(wǎng)球的運動過程相對復(fù)雜，先做如下的簡單推理說明。
先假設(shè)＞，即右邊的主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速比左邊的主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速要快，如圖4.7所示。
圖4.7主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同
網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)球在前進的同時有向左運動的趨勢，故經(jīng)過短暫的時間后，網(wǎng)球的球心會隨著網(wǎng)球運動向左偏一定的距離。從網(wǎng)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(wǎng)球受到的擠壓力是右邊的摩擦輪大，可以推出網(wǎng)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(zhuǎn)動的微分方程可得：
（4-11）
其中為網(wǎng)球的轉(zhuǎn)動慣量，得出網(wǎng)球有逆時針方向的角加速度。
所以剛開始的時候，網(wǎng)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(zhuǎn)動。
隨著時間的推移，拋球完全進入皮帶擠壓區(qū)后，速度達(dá)到一定值時，網(wǎng)球?qū)⒖梢钥闯膳c皮帶是一個整體一起運動，即不出現(xiàn)網(wǎng)球在皮帶上的滑動，但由于網(wǎng)球兩側(cè)與皮帶相接觸的部位受到的瞬時速度＞，所以網(wǎng)球還是得繞球心轉(zhuǎn)動。
最終從從動輪上發(fā)射出球時的網(wǎng)球的狀態(tài)分析如圖4.8所示。
圖4.8網(wǎng)球最終出球時狀態(tài)
根據(jù)理論力學(xué)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(wǎng)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(zhuǎn)，網(wǎng)球為右旋網(wǎng)球，在撞向擋板的飛行過程中，球有向左偏轉(zhuǎn)的情況，經(jīng)過擋板的撞擊反彈后最終網(wǎng)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(wǎng)球的速度分析
如圖4.9所示，假設(shè)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(wǎng)球在兩皮帶中被壓縮的程度也越來越大。所以，為了防止網(wǎng)球的損壞或疲勞，兩帶輪之間距離不能遠(yuǎn)小于網(wǎng)球的直徑，即帶傳動的傳動比不能很大，粗略估計＜1.5。
假設(shè)兩主動摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同，網(wǎng)球在運動中的速度變化與網(wǎng)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(wǎng)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(shù)
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(wǎng)球的載體。
1.選擇電機：Y90L-2，額定功率為，轉(zhuǎn)速：，電壓為380V，頻率為。
2.確定計算功率
查得工作情況系數(shù)，故。
3.選取窄帶帶型
根據(jù)、確定選用SPC型。
4.確定帶輪的基準(zhǔn)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(zhǔn)長度和傳動中心距
根據(jù)＜＜，初步確定中心距
根據(jù)公式計算帶所需要的基準(zhǔn)長度：
。
根據(jù)查表所得帶的基準(zhǔn)長度；
現(xiàn)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(shù)：，查表計算取根。
9.計算預(yù)緊力：，查表計算得
帶輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以選用腹板式或者輪輻式。
4.7設(shè)計帶發(fā)球器裝置的參數(shù)，計算網(wǎng)球的速度
圖4.10帶發(fā)球器簡圖
設(shè)計的帶輪發(fā)球器的機構(gòu)簡圖如圖4.10所示，具體用到的參數(shù)數(shù)值有：
網(wǎng)球的質(zhì)量
網(wǎng)球的半徑
網(wǎng)球的彈性系數(shù)
皮帶與網(wǎng)球之間的摩擦因數(shù)
摩擦輪的半徑
兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半
網(wǎng)球剛進入擠壓區(qū)的臨界位置，網(wǎng)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(zhuǎn)速
皮帶的傳送速度。
網(wǎng)球?qū)δΣ凛喌淖饔檬馆喐郊赢a(chǎn)生的角速度
計算得出：，，。
4.8小結(jié)
本章主要分析了帶傳動的運動及受力特點，在此基礎(chǔ)上提出了使用帶傳動裝置用來做網(wǎng)球發(fā)球器的原理，以此方法可延長網(wǎng)球通過摩擦輪時的作用時間，得出網(wǎng)球能充分加速，最終與皮帶的速度一致，達(dá)到了速度增大的目的。最后為帶和機構(gòu)用作發(fā)球器選擇了一組參數(shù)，得出發(fā)球的速度。
總結(jié)
本課題在已經(jīng)設(shè)計完成的第一代網(wǎng)球扣、發(fā)球裝置的研究基礎(chǔ)之上，提出對發(fā)球器機構(gòu)的改進。為網(wǎng)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(nèi)容有:
1、針對目前國內(nèi)外存在的網(wǎng)球發(fā)球器的工作原理，進行相應(yīng)的了解，主要是針對合肥工業(yè)大學(xué)課題組研制出來的一種網(wǎng)球運動員簡易訓(xùn)練器進行分析。
2、研究網(wǎng)球在空中的旋轉(zhuǎn)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(dá)到的最大速度，所能發(fā)出的球的旋轉(zhuǎn)的類型及碰到頂部擋板機構(gòu)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(xiàn)在的不足。
致謝
在畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)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(dá)在畢業(yè)設(shè)計中幫助過我的老師、同學(xué)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，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(shè)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(xué)、老師和領(lǐng)導(dǎo)說一聲：你們辛苦了，謝謝！
我的四年大學(xué)生活也將要圓滿結(jié)束了，回想四年來的大學(xué)生活，真是感慨萬千！這次的畢業(yè)設(shè)計注定也是一生難忘。
我之所以可以順利完成這次設(shè)計，離不開老師的幫助。我感謝學(xué)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(wù)。在這里，我特別感謝我的指導(dǎo)老師。他是一個非常認(rèn)真的老師，無論是從資料的提供上，還是在設(shè)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(shè)計產(chǎn)品，在沒有足夠的知識和實踐經(jīng)驗的情況下。如果沒有魏老師的幫助，我要完成任務(wù)將是非常困難的！感謝老師的指導(dǎo)和關(guān)心。
我雖然完成了我的設(shè)計任務(wù)，可是由于知識的短缺和經(jīng)驗的不足，我的設(shè)計可能有很多的缺點和不足，在以后的學(xué)習(xí)和工作中我會更加努力的！
感謝我的指導(dǎo)老師，感謝我的同學(xué)，感謝所有幫助過我的人！謝謝你們！
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