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网球发球机毕业设计论文

网球发球机

作者姓名刘赛

专业机械设计制造及其自动化

指导教师姓名魏高峰

专业技术职务教授

摘要...............................................3

第一章绪论........................................4

1.1毕业设计的目的及意义...............................4

1.2网球发球机技术的发展现状..........................4

1.3国内外网球发球机的研究现状........................5

1.3.1国外网球发球机的研究现状.........................5

1.3.2国内网球发球机的研究现状.........................6

1.4网球发球机.........................................7

1.4.1网球发球机设计要求................................7

1.4.2研究设计方法及技术路线............................7

1.5本章小结...........................................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...............................9

第三章网球发球机的机械结构设计...................10

3.1发球装置.........................................11

3.1.1发球动力.......................................11

3.1.2发球装置的驱动系统..............................12

3.1.3发球装置中轴的设计..............................14

3.1.4轴承的选择.....................................15

3.1.5键的选择.......................................16

3.1.6联轴器的选择...................................17

3.2调节俯、仰角度装置...............................18

3.2.1电机的选择.....................................18

3.2.2键的选择........................................18

3.2.3联轴器的选择....................................19

3.2.4齿杆的选择........................................20

3.2.5轴承的选择......................................20

3.3供球装置.........................................21

3.4底板与壳体........................................22

3.5本章小结.........................................22

第四章网球发球机的控制系统设计.....................22

第五章总结......................................23

参考文献..........................................25

致谢..............................................26

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

Inordertoenablethelearnerstostudythetennistechnologywellandachievethegoalofbuildingtheirbodyaswellasthusenhancesallthepeoplesenthusiasmtoparticipateinthetennismovement,ihasdesignedanewtennisservingmachineconsideringthecharacteristicsofthetennisserving.Thatistheintelligenttennisservingmachine.

Thisarticleelaboratedthedesignthought,theprinciplesofwork,theuniquefeatureaswellasthecontrolsystemoftheintelligenttennisservin.Fromtheprincipleoffrictionwheeldrivingaboutonthetennisserveandthestructureofthemachinesystemdesign.Onthisbasis,thedesignofanew,cost-effectiveinstallationservice.Thedeviceusingtheprincipleofdoublefriction,theissueofavarietyofneedsforpractitionersoftheball,whiletheuseofcomputersforavarietyofballspeed,angleofrotationforremotecontrol,inordertomeettheneedsofpractitionersofthevarioustechnologies.

Keywords：

TennisServeMachine；WorkingPrinciple；SystemDesign

第一章概论

1.1毕业设计的目的意义

作为新世纪的大学生，作为祖国现代化建设的主力军，我们肩负着历史赋予的神圣使命。

我们在大学校园里度过了四年美好的时光，学到了很多专业知识。

通过毕业设计，可以综合性地运用几年内所学的机械专业知识去分析、解决问题，在作毕业设计的过程中，所学知识会得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼，可以不断提高学生的创新能力，增强学生即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。

1.2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“智能网球发球机”，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。

1.3国内外网球发球机的研究现状

1.3.1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。

1.3.2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。

1.4网球发球机器人

1.4.1网球发球机器人设计要求

设计一款自动网球发球机，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。

1.4.2研究设计方法及技术路线

本网球发球机是有机结合了单片机技术、自动控制技术、机械运动等现代技术，根据网球运动的特点和竞技训练理论，实现智能化给球的自动化设备。

本网球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。

主要创新点 

（1）该网球陪练机采用摩擦作为动力源，具有变角度、变速度、多功能的半自动（全自动）网球陪练发球机器人；

（2）送球系统通过分球轮的转动，及拨球弹簧的拦截，使网球一个一个的送入没有挡球柱的两个供求孔内；（3）由于两个电动驱动轮的转向相反，网球受两个高速驱动轮的驱动，通过出球孔抛掷指定区域。

推广应用价值：

 该网球陪练机的开发符合网球训练的要求，主要适用于运动员、业余网球爱好者及高校网球教学中的基本训练，包括各种击球技术的训练，步法训练等等，将有利于提高网球训练的效率，有利于训练网球爱好者的实战性，竞技水平，还可以大大地降低教练员的工作强度，加快网球学习者掌握网球技术的速度。

同时，此网球发球机各部件需要用计算机制图软件如AutoCAD画出详细的零件图和整体装配图。

1.5本章小结

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。

下图为我设计的网球发球机器人的原理图：

3.1发球装置

3.1.1发球动力

本网球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。

通过改变对转双轮的转速来发出上旋球，下旋球，平击球等。

3.1.2发球装置的驱动系统

电气驱动是利用各种电机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能转化为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动，由于电气驱动具有益于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最普遍、应用最多的驱动方式，90年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。

由于本课题所研究的乒乓球发球机器人的驱动负载小，要求结构简单，控制灵活，所以我选用了电气驱动方式。

步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角β，简称为步距。

脉冲一个一个的输入，电动机便一步一步的转动。

控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种需要的运行特性。

本设计的主轴传动由于要带动整个发球机构，因此选用三相功率步进电动机，其输出转矩一般为5N·m～7N·m。

本设计的发球装置中的电动机选用输出功率为0.75kw。

步进电动机的主要性能指标

（1）步距角β

β是步进电动机的主要性能指标之一。

不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。

它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步进角β时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足

β<=iθmin

式中，i——传动比；

θmin——负载轴要求的最小位移量（或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。

（2）最大静转矩Tsmax

负载转矩与最大静转矩的关系为

TL=（0.3～0.5）Tsmax

为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足

Tst>TLmax

式中，Tst——步进电动机起动转矩；

TLmax——最大静负载转矩。

通常取

Tst=TLmax/（0.3～0.5）

以便有相当的力矩储备。

（3）精度

精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。

对于所选用的步进电动机，其步距精度Δβ应满足

Δβ=i（ΔβL）

式中，ΔβL——负载轴上所允许的角度误差。

至于输入电压U、输入电流I、相数m这三项技术指标，反映了步进电动机对驱动电源所提出的要求。

由于网球发球机器人的发球机构，要求能够灵活控制角度、方向，因此选择步进电动机。

由于本设计侧重于结构方面，因此上述参数就不予计算了。

3.1.3发球装置中轴的设计

考虑发球速度，网球发球机器人供球装置的水平方向转速适中即可,初选电机的额定功率为0.75KW，经调角轮与连臂杆传递效率是90%，则轴传动的功率是：

。

计算轴的最小直径：

；

由转矩确定轴的最小尺寸

取d=30mm。

校核轴的强度

1、各轴转速

电动机轴：

nm=150r/min

减速器轴：

n1=nm/i1=150/5.12=29.73r/min

主轴：

n2=n1/i3=29.73/2.973=30r/min

其中nm为电动机满载转速，n1、n2分别为减速器轴、主轴的转速

2、各轴所传递的功率

电动机轴：

Pd=0.75kw

减速器轴：

P1=Pdη1=0.75×0.92=0.69kw

主轴：

P2=P1η2=0.69×0.96=0.66kw

其中Pd为电动机输出功率，P1、P2分别为Ⅰ、Ⅱ轴上所传递的功率。

3、各轴所传递的转矩

电动机轴：

Td=9550×

=9550×

N·m=7.46N·m

Ⅰ轴：

T1=Tdi1η1=7.46×0.92=6.8632N·m

Ⅱ轴：

T2=T1i3η2=6.8632×0.96=6.59N·m

其中Td为电动机轴所受转矩，T1、T2分别为Ⅰ、Ⅱ轴上所受转矩。

转速（r/min）

传递功率（kw）

传递转矩（Nm）

电动机轴

150

0.75

7.46

Ⅰ轴

29.73

0.69

6.8632