机械毕业设计（论文）-排球发球机设计（全套图纸三维）_.doc

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摘要

本文在第一代排球扣、发球装置机器的基础上，对发球器改进设计并在提高排球的出球速度上进行分析。

首先对国内外排球发球机的现状进行了简单的分析和研究，在此基础上明确发球器的发球原理。

接着以摩擦轮式发球器为例，针对提高其出球速度、旋转方面的特性，提出了用带传动式机构来替代摩擦轮式装置，使得排球在发出球前受力时间加长，运动更加平稳。

最后对带传动结构进行力学分析，重点是排球发球的过程，即进入传送带到出球这个过程的运动速度和受力分析。

本文最后总结了带传动发球器和原有的摩擦轮发球器的差异，对进一步完善发球器装置提出了改进方案。

关键词：

发球装置带传动出球速度摩擦轮力学分析

全套图纸三维，加153893706

Abstract

Onthebasisofthefirstgenerationofsmashingteedevicemachineserveistoimprovethedesignandanalysisimprovevolleyballballspeed.

First,asimpleanalysisandresearchonthecurrentsituationofthedomesticandinternationalvolleyballballmachine,basedonaclearprincipleofserveserve.Followedbyafrictionwheeltee,forexample,targetedtoimprovethespeedoftheball,therotationcharacteristics,thebeltdrivemechanismtoreplacethefrictionwheeldevice,makingvolleyballinforceissuedbeforetheballlonger,exercisemorestable.Finally,themechanicalstructureofthebeltdrive,thefocusistothevolleyballservetheprocess,thatis,intotheconveyorbelttothespeedandforceanalysisofthemovementoftheballthisprocess.

Finally,summedupthedifferencewiththeTransmissionteeandtheoriginalfrictionwheelservetofurtherperfectteedeviceimprovementprogram.

Keywords:

Servedevice；Beltdrive；Theballspeed；Frictionwheel；Mechanicalanalysis

目录

摘要.......................................................................................................................................................I

Abstract....................................................................................................................................................II

目录.......................................................................................................................................................III

第一章.概述 1

1.1本课题的来源与现实意义 1

1.2国内外排球发球器的现状 2

1.3本文主要研究内容 5

第二章.排球发球中球的旋转和速度分析 6

2.1排球发球中旋转球的几种现象 6

2.2排球发球器工作原理 9

2.3发球挡板工作原理 10

第三章.自动排球发球机的设计 14

3.1一代发球机的速度分析 14

3.2带传动分析 15

3.3两个主动摩擦轮的转速相同时排球的速度分析 21

3.4两个主动摩擦轮的转速不同时排球的速度分析 26

3.5两带传动传动比不为1的时候排球的速度分析 28

3.6为发球器选择带型号及参数 29

3.7设计带发球器装置的参数，计算排球的速度 30

3.8小结 31

第四章.总结 32

参考文献 33

第一章概述

1.1本课题的来源与现实意义

当今体育的竞赛，不仅仅是体能上的竞争、战术上的竞争，也是科技上的较量。

科技含量高、高效率的体育训练设备在运动员的日常训练及水平提高方面起得至关重要的作用。

排球是一项攻防两重性的体育运动，由于其运动特点与比赛规律，要求运员能掌握全方面的技术。

而目前通过人工发球来完成的日常训练已经不能满足运动员的训练需求。

人工发球达不到国际水平，而且会随着人体力与情绪的下降，发球质量也会下降，训练效果得不到保证，因此研究能够代替人工发球，提供高质量发球的排球发球机是非常有必要的。

国内对排球发球机的研究已有一段时间，也有多项研究成果，但是总体来看国内的研究仍然处于样机的状态，并没有向产品转变。

目前国内市场上也没有找到相关的产品。

排球是一项具有较高技巧性的运动。

在大多数比赛中，比赛规则要求运动员轮换位置，因此任何位置的队员都会参与防守与进攻，这就要求排球运动员对全面地掌握各项基本技术。

排球技术包含两类：

一、有球技术，有发球、传球、垫球、扣球和拦网等；二、无球技术，包括准备姿势、移动、起跳和掩护等。

排球技术由步法和手法结合，并与躯干、视野、和球场意识相互配合，融为一体。

训练方法是否正确，在很大程度上影响着排球队的训练效果，排球日常训练中运用的训练方法主要有几种：

1）、重复训练法，即单一在同一个阶段训练中多次重复采用，并不断提高。

多次重复有利于形成条件反射。

2）、变换训练法，即变换不同的训练方法与手段来解决一项技术，可以使队员更全面地解决同一问题。

3）、串联训练法，训练中将各项技术有机地结合起来，使运动有效地适应比赛。

4）、综合训练法，把两项及两项以上的技术与战术系统结合起来训练，在各种对抗条件下进行训练。

5）、多球训练法，用多球进行某一项技术训练可以增加训练的密度、难度与节奏，能有效提高效果。

6）、对抗训练法，有一定基础后可以采用对立面的训练形式。

7）、竞赛训练法，采用双方有胜负的模拟比赛，对运动员在比赛场的正常发挥有及不良情绪的克服有特殊意义。

8）、模拟训练法，模拟比赛可能出现的各种环境，对运动员适应能力的训练方法。

为全面提高排球运动员的训练水平和比赛成绩，促进体育事业的发展，提出了设计制造排球训练装置的构想。

1.2国内外排球发球器的现状

合肥工业大学研制成排球发球机如图1-1所示，包含十二个结构，构成四大机构：

1）、发球机构：

提供动力，使球产生运动；2）、挡球机构：

可调角度，实现不出的扣球动作；3）、导向机构：

调节发球机构与挡球机构的相对位置；4）、移动机构：

实现发球机的整体移动与固定。

该发球机的扣球球速可达30米/秒，球速和旋转可控。

击球高度2米至3．7米，可控制送球。

其中所用的发球器是图1-2所示的摩擦式发球器。

图1-1排球运动员简易训练器图1-2摩擦式发球器原理

此发球机的具体实施方式是：

参见图1-1，设置低位发球平台l和可调式发球架。

发球平台1的底部设有万向脚轮2，并有高度可调的定位架3，发球器4设置在发球平台1上。

可调式发球架为固定设置在发球平台l上的一对平行的立柱5，以立柱5为导杆，其上设置可通过纵向丝杆6调整高度的移动架7，在移动架7的外侧，呈悬臂式设置倾角可调的发球挡板8，发球挡板8位于发球器4的球道上。

具体实施中，可以在发球器4与发球平台1之间，设置由水平丝杆9调节滑移位置的水平移动副，水平移动副由固定设置在发球平台1上的滑动导轨10及配合设置的滑块11构成，发球器4支撑在滑块11上，滑动导轨10及水平丝杆9沿着与发球挡板8的悬臂方向平行的方向设置。

定位架3的高度调整机构为纵向丝杆12，配合设置的螺母固定设置在发球平台l上。

此发球器的原理为：

参见图1-2，整个结构由两个飞轮和一个推动排球上下运动的托盘组成。

飞轮驱动采用变频电机直联的方式，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排球向上运动与高速旋转的飞轮接触。

由于速度差，飞轮与排球之间存在滑动摩擦力，并在该摩擦力作用下，排球向上加速，直到排球脱离飞轮边缘。

湖南农业大学谢方平等人也在2006年进行排球发球机的研究，并于当年底成功申请国家实用新型专利。

该发球机的发球机构是曲柄滑块机构，如图1-3所示。

图1-3谢方平等人发明的发球器

这种发球机构主要结构特点是：

（1）套筒4是用来安装弹簧及击球杆2的装置，其两端分别有端盖和法兰盘，击球弹簧6安装在击球杆2中部的挡块5与法兰盘之间，缓冲弹簧3安装在端盖与挡块5之间。

（2）击球杆2由三部分组成，前端是击球头1，其材料用橡胶制成且形状、大小可变换，其目的是用来改变击球的方向和速度。

中部有挡块5，固联在击球杆2上，其作用是用来压缩弹簧。

尾部是钩盘7，当控制钩9运动到一定位置时，控制钩9就把钩盘7钩住，来传递压缩弹簧的力。

考虑到装配的关系，前端的击球头1和击球杆2用螺纹连接，尾部的钩盘7和击球杆2用螺钉连接。

（3）弹簧分为击球弹簧6和缓冲弹簧3，缓冲弹簧3安装在挡块5的前端，击球弹簧6安装在挡块5的后端，这样当击球杆2击完球后，挡块5对端盖不会有太大的冲击。

（4）挡块5是用来压缩弹簧的，挡块5并不与套筒4的内壁相接触，以免增大摩擦甚至在套筒4内卡死。

（5）端盖用螺钉与套筒4连接，这样方便于装配；在其中心轴线位置钻孔，与击球杆2是孔与轴的配合，采用间隙配合，以便使击球杆2在套筒4内能前后自由滑动。

（6）法兰盘也是用螺钉与导套13以及套筒4进行连接，在其中心轴线位置钻孔，与击球杆2是孔与轴的配合，采用间隙配合，以便使击球杆2在套筒4内自由移动。

（7）导套12是用来使导向轴10在导套12内进行直线运动，从而使夹板8和控制钩9能按预定的轨道进行运动。

导套12通过法兰盘与套筒4连接。

导套12中有夹板8、控制钩9、导向轴l0、限位块29、导向盘11、端盖；导向盘11与端盖的共同作用使导向轴10在导套12内作往复直线运动，夹板8与导向轴10的前端用螺栓进行连接，控制钩9通过销轴安装在夹板8上，控制钩9的前端有弹簧销，用来钩挂拉伸弹簧，控制钩9不工作时拉伸弹簧处于自由状态。

当导向轴10向前运动时，控制钩9将要碰到击球杆2尾部的钩盘7时，通过前端限位块的作用，控制钩9将打开，随即当导向轴10向后运动时，控制钩9在拉伸弹簧的作用下将钩住击球杆2尾部的钩盘7，击球杆2与导向轴10一起向后运动，从而使套筒4内的击球弹簧6被压缩，导向轴10继续向后运动时，通过安装在预定位置的后端限位块29时，控制钩9就将击球杆2松开，从而随即完成击球动作。

（8）导向轴10与连杆13通过螺栓相连，并与导向盘11和端盖之间采用间隙配合。

导向轴10的前端与夹板8用螺钉连接，从而带动夹板8一起运动。

（9）夹板8是用来安装控制钩9，可以实现力的转化。

（10）控制钩9放置在夹板8上，通过圆柱销将控制钩9安装在夹板8上。

（11）限位块29是用来使控制钩9脱离击球杆2尾部，从而使击球杆2击球。

（12）导向盘11与端盖共同限制导向轴10的作直线运动，它们与导向轴10之间采用间隙配合。

（13）击球曲柄14用圆盘将其两边铣平，从而来减轻自身的重量。

（14）击球连杆13为用圆杆将其铣成扁方，目的是增加强度和减轻重量。

（15）转动手柄30用来调节整个击球机构的角度，来实现击球方向和落地点的调整。

（16）分度盘31是用来调节击球机构的击球角度。

1.3本文主要研究内容

排球运动技术的全面性及高度技巧性的特点要求排球发球机具有发球、抛球、扣球等多种送球功能，并且速度、旋转、方向，高度等方面可控，以配合排球日常训练中的各种训练方法，并且能满足多种强度、密度、节奏的训练方法。

因此对排球发球机提出了设计要求：

新排球发球机一种模拟人实现发球、抛球和扣球功能，相关参数可控的，集接发球、按扣球、扣球及拦网技术练习于一体并能满足多种训练方法的排球训练设备，以此来有针对性的对运动员的接发球和扣球技能进行训练，从而达到提高运动员水平的目的。

本文分析了排球发球中的球的旋转问题，在此基础上主要是研究合肥工业大学课题组所研制出的第一代排球发球机器人，对其发球器部分的机械系统进行改进设计与分析，提出用带传动式发球来代替原先的摩擦轮式，并对该系统进行运动学和一些简单的受力分析，使其在原有发球精确的基础上提高发球的速度和旋转。

第二章排球发球中球的旋转和速度的分析

2.1排球发球中的旋转球的几种现象

排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排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，不同旋转的排球的运动情况。

假设空气是粘弹性体。

由于粘弹性的作用，旋转的排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

（2-1）

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

（2-2）

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，由于排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，排球将改变出球时原定的轨迹。

2.1.1上旋球

分析：

曲线为排球的旋转方向；为排球不旋转时，空气相对排球质心的速度，也称来流速度；表示由于排球的旋转引起的，排球表面不同位置的空气相对排球质心的速度，也称环流速度。

（假设排球由右向左发）

排球在空气中（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排球上部所受空气的压强大于排球下部所受的空气的压强，排球将快速提前下坠，球出现比判断落点近的现象（飞行轨迹向下弯曲）。

2.1.2下旋球

排球在空中下（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排球下部所受空气的压强大于排球上部所受的空气的压强，压力差克服重力，延长了排球飞行时间，使球出现比判断落点远的现象。

2.1.3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。

2.1.4右旋球

排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排球右侧所受空气的压强大于排球左侧所受的空气的压强，排球将出现右旋飞行过程中向左偏拐的现象。

2.1.5右旋球

排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排球左侧所受空气的压强大于排球右侧所受的空气的压强，排球将出现左旋飞行过程中向右偏拐的现象。

2.1.6总结

对于优秀的排球发球手来说，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排球最终的旋转及发射角度。

2.2排球发球器工作原理

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排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排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，飞轮与排球之间存在滑动摩擦力，并在该摩擦力作用下，排球向上加速，直到排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排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排球球速的关系可以间接表示出转速与球速之间的关系。

对于标准的排球�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排球和飞轮相对位置有关的函数，并假设排球与飞轮刚开始接触时的位置为0。

排球加速过程中与接触起始位置的垂直距离为S。

则排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排球在S处的球速：

（2-3）

其中：

是排球的质量；是滑动摩擦系数。

如果飞轮的转速过高，使得排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排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，排球的出球速度也越来越大。

实测排球的最大速度可达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排球速度还不甚理想，因此本文选择用带轮传动来代替飞轮模型，意在延长排球的加速时间，使得排球的最终的动能增加，即加大排球的发球速度。

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，发出的排球是不转的。

2.3发球挡板工作原理

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，发球器中射出的排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。

排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。

发球器发出的排球撞击挡板的瞬间如图2-1所示。

图2-1排球撞击挡板示意图

此时排球的运动可以分解为（平行于挡板）和（垂直于挡板）两个方向，因为方向排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排球是不转球，则当排球刚好撞击挡板时，排球绕球心旋转的角速度为0。

此时（R为排球的半径），所以排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，一方面排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，排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：

（2-4）

我们认为排球模型是薄壁空心球。

其转动惯量（2-5）

由2-4式可以得到：

（2-6）

将2-5式代入得出：

（2-7）

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，假定反弹前后排球在方向上的速度不变，并令挡板的法线方向与排球的入射方向的夹角为，则排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：

（2-8）

这是因为

（2-9）

图2-2排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；发球器发出的右旋排球，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；发球器发出的左旋排球，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，最终发出的排球基本能满足所需要的各种旋转的要求。

第三章自动排球发球机的设计

第二章主要描述分析了排球发球旋转的问题，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。

3.1一代发球器的速度分析

图3-1发球机构原理图

发球机构的原理如图3-1所示，由送球机构送上来的排球经过一对旋转方向相反的摩擦轮的作用，高速射出。

从排球进入开始与摩擦轮接触（图中的排球位置1）到与摩擦轮分开（图中的排球位置2），在此期间，排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：

（3-1）

为排球的初速度，即进入摩擦轮时的速度；为排球从摩擦轮中射出的速度。

由式3-1得到：

设，则，与和有关，是排球质量是常数。

实际测量中，增大摩擦轮转速和摩擦力，到了一定程度时，排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