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文档简介
机械原理课程设计说明书
-—网球发球机
专业__________________________
班号__________________________
设计者__________________________
指导教师__________________________
完成时间
目录
机械原理课程设计说明书..........................................................1
1.1设计题目.................................................................3
1.1.1选题背景及意义.........................................................3
1.1.2设计要求及技术参数....................................................3
1.2机械系统方案的拟定......................................................4
1.2.1设计方案】.............................................................4
1.1方案1基本原理阐释.................................................4
1.2方案1优缺点.........................................................5
1.2.2设计方案2...........................................................................................................................5
2.1方案2基本原理阐释..................................................5
2.2方案2优缺点........................................................6
1.2.3设计方案3...........................................................................................................................7
3.1方案3基本原理阐释...................................................7
3.1方案3优缺点.........................................................8
124最终方案简介............................................................8
4.1最终方案基本原理阐释................................................8
4.2最终方案优缺点.....................................................10
1.3网球发球机相关性能参数计算.............................................10
1.3.1电机的选择............................................................10
1.3.2发球机相关参数的确定.................................................10
1.3.3执行机构的参数设计...................................................12
1.3.4传动系统设计..........................................................16
1.4课程设计体会及建议.....................................................17
1.1设计题目
1.1.1选题背景及意义
诞生于英国的网球现在成为了全球最流行的球类运动之一,深受人们的喜爱。
但事实上,作为一个对抗性的运动,当你只有一个人的时候,或许也只能望球场
而兴叹,而我们这个网球发球机的设想,便是为了应对这种情况而产生的。尽管
可能无法获得如同与真人对抗时的乐趣,但这对于技术的提高与自身的锻炼还是
有很大的帮助的。
1.1.2设计要求及技术参数
该装置必须能将标准的网球一个一个地从标准网球场的一边抛射过球网,使
它们落在由球场白线所确定的三块场地之一内,如图1所示的A、B场地,且三
块球场的每一块上落球的顺序和频率必须是随机的。该装置除装球外应无需要人
照管而能自动工作,每次装球可持续抛射50个球,所发出球的速度是可变化的,
并希望用一个电动机驱动自动完成。此外,为了满足室内外训练均可使用,该装
置还应方便于携带或移动和安装使用。
图1网球场地示范
设计技术要求如下:
(1)标准网球的直径在65.41~68.58mm的范围内,其质量在0.0567~0.0585kg
的范围内,网球对硬地面(如水泥地面)的反弹率在0.53-0.58之间。
(2)标准网球场地形状如图所示,其尺寸:双打为23.7m(长)X10.97m(宽),
单打为22.77m(长)X8.23m(宽),而在每个端线内应留有空余地不小于6.40m:球
网的长度(即两网柱中心的距离)为12.80m,网柱顶端距地平面为1.07m,而球网
中心上沿距地平面为0.914m。
(3)要求网球发球装置的放置高度约为1.25m,位置上下可调,且必须保持
稳定,不允许发生倾翻。
(4)该装置设计在实现上述基本功能和技术要求的前提下,应考虑尽可能地
满足好的发球要求,即发出的球具有较大的攻击力,使球在速度、力量、旋转和
落点方面是可以变化.
(5)若有可能的活,为了满足网球高水平训练的需要,还可以考虑对该装置
作进一步的设计,即扩展能发出不同类型球的功能。如平击球(即速度快、力量
大,平线飞行轨迹的过网球),切削球(即以右侧并略带下旋转,弧线飞行轨迹的
过网球)和上旋球(即以上旋为主,侧旋为辅,弧形飞行轨迹的过网球),等等。
1.2机械系统方案的拟定
1.2.1设计方案1
1.1方案1基本原理阐释
设计方案1的主要工作原理:通过挤压轮的挤压和摩擦使网球获得初速度,
通过两挤压轮速度的不同可以实现平击球或上下旋球。
如图2所示,送球部分(包括上下两个选盘和导轨)通过上下两层选盘的筛
取,沿着导轨(固连在主板上)送入射球机构两挤压轮中。上选盘特殊的形状设
计和上下选盘的配合,可以起到自动防卡球的作用。
射球部分(包括两个挤压轮)通过不同转速可以实现上下旋球和平击球。
转向部分(包括偏心轮、连杆和主板、轴承),利用曲柄摇杆原理,将转动
转变为摆动,实现左右旋转。
支撑部分(包括可调支架,承台),利用螺纹自锁原理实现发球高度可调。
图2设计方案1机构简图
1.2方案1优缺点
优点:
1.通过上下选盘送球,上选盘特殊的形状设计和上下选盘的配合,可以起
到自动防止卡球的作用。
2.利用曲柄摇杆机构,将转动转变为摆动,实现炮口角度的变化。通过设
计合适的杆长关系,就能控制主板摆动角度的大小和急回特性。
3.所用的都是较为常用的机构,实用性强。
缺点:
采用曲柄摇杆机构,主板摆动角度具有急回特性,这就会在一定程度上使得
主板的运动不是很稳定。
1.2.2设计方案2
2.1方案2基本原理阐释
网球发球机的主要工作原理是通过挤压轮的挤压和摩擦使网球获得初速
度,如图3所示,通过两挤压轮速度的不同可以实现平击球、上旋球以及下旋
球。
工作原理图的转向机构,采用带有凹槽的圆柱凸轮,该圆柱凸轮带动连
杆,将旋转运动转变为摆动。
送球部分:由装球处及带有四个凹槽的槽轮构成,球放置于装球处,槽轮
凹槽的空间可以容纳一个网球,槽轮进行低速转动,并连接一个导轨,这样可
以实现出球。
发射部分:包含两个挤压轮,通过不同转速可以实现上下旋球和平击球。
转向部分:包括主板、带凹槽的圆柱凸轮、连杆,通过圆柱凸轮的旋转把
旋转运动转化为摆动运动,并通过连杆带动主板,实现发射的转向。
支撑部分:包括可调支架、支撑平台,用来实现发球机高度的调节。
图3设计方案2机构简图
2.2方案2优缺点
优点:
1.采用槽轮机构,通过槽轮的旋转来实现送球,由于槽轮本身的特性,这
样就可以实现间歇送球运动。
2.转向部分使用带凹槽的圆柱凸轮,把凸轮旋转运动转变为主板的摆动,
通过设计合理的圆柱凸轮的转速,可以实现主板摆动角度的变化。
3.所用的都是较为常用的机构,实用性强。
缺点:
1.送球部分的槽轮机构转速不能设计太快,否则网球就会做离心运动,从
而直接被甩出,不能被传送到导轨上。
2.槽轮处出口不能太大,否则就会限制出球,但是出口也不能太小,否则
就会出现卡球,这对出口大小提出了较高的要求。
1.2.3设计方案3
3.1方案3基本原理阐释
如图4所示,利用曲柄滑块机构实现滑块A滑动,推程时滑块A压缩弹簧
储存能量,当A运动到特定位置时闭合速度控制开关(左下图),继电器生效,
B与球之间的挡板打开,网球飞出。由于网球飞行时受到可更换阻块阻挡,可形
成任意方向旋球。
B滑块与弹簧之间有一口径大于弹簧直径小于滑块直径的挡圈,可以在B回
位的同时阻挡B沿管道下滑。在回程时,滑块A将开关打开,挡板复位,重复
发球。
在管轴向不同位置设置速度控制开关,由于弹簧压缩程度不同,控制球打出
的力量和速度。
转向机构:利用曲柄摇杆机构实现落点随机。
图4设计方案3机构简图
3.1方案3优缺点
优点:
送球机构利用曲柄滑块机构,实现了送球的间歇性,滑块A、B之间连有弹
簧,可以进行储能。同时,采用行程开关和电路控制网球的发送,使得控制更加
精准和可靠。
缺点:
功能太单一,不能实现旋转球和平击球;对机械原理知识的应用太少,工作
的重心在电控上。
1.2.4最终方案简介
4.1最终方案基本原理阐释
最终所采用的网球发球机方案,结合了几个方案的优点,进行综合比较之后
而确定。
图5为最终方案机构简图,如图5所示,网球发球机包括四个部分,即送球
机构、射球机构、转向机构和支撑机构。同时,在这四部分的基础之上,还进行
了传动部分的设计。
其主要工作原理是通过挤压轮的挤压和摩擦使网球获得初速度,通过两挤压
轮速度的不同可以实现平击球或上下旋球,其转向功能则是通过圆柱凸轮来实现
的,连杆连接在圆柱凸轮上,把凸轮的转动转变为主板摆动。
送球机构(包括上下两个选盘和导轨)通过上下两层选盘的筛取,沿着导轨
将球送进射球机构两挤压轮中。上选盘特殊的形状设计和上下选盘的配合,可以
起到自动防止卡球的作用。
射球机构(包括两个转向相反挤压轮、皮带和原动机轮)通过不同转速可以
实现上下旋球和平击球。将挤压轮的传动轮做成圆锥体形,这样在传动过程中,
皮带的位置会上下变化,使得上下挤压轮转速不一致,达到上下旋的效果。
转向机构(包括主板、带凹槽的圆柱凸轮、连杆)通过圆柱凸轮的旋转把旋
转运动转化为摆动运动,并通过连杆带动主板,实现发射的转向。
支撑部分(包括可调支架,承台),扭动螺纹扳手就能调节发球高度,并利
用螺纹自锁的特性保证松手后不会滑下来。
最终方案的运动循环配合关系如图6所示:
_______球______球一
储球箱f选盘>导轨场地
图6运动循环配合图
4.2最终方案优缺点
优点:
(1)通过上下选盘送球,上选盘特殊的形状设计和上下选盘的配合,可以起
到自动防止卡球的作用。
(2)转向部分采用圆柱凸轮,通过设计合理的圆柱凸轮的转速,可以实现主
板摆动角度的变化,主板的摆动稳定。
(3)挤压轮的传动轮做成圆锥体形,这样在传动过程中,皮带的位置会上下
变化,使得上下挤压轮转速不一致,达到上下旋的效果。
(4)支撑部分采用可调支架,可以轻松进行高度的调节,同时自锁特性还可
以保证整个发球机的稳定性。
(5)场地覆盖率高,可以保证网球训练的需要。
(6)所采用的机构都较为成熟,实用性和可靠性强。
缺点:
(1)由于速度和摆角控制在一定范围内,不能保证落点覆盖整块场地。
(2)由于一个电机驱动三个执行机构,所以落球周期和转向周期是相关的,
不能完全保证出球方向的随机性。
(3)只能实现上下旋球和平击球,不能实现左右旋转。
1.3网球发球机相关性能参数计算
1.3.1电机的选择
电动机转速的确定与挤压轮转速、圆柱凸轮转速、上选盘转速相关。
拟定球的射出初速度为v=17~23m/s,挤压轮直径d=30cm,所以转速n=(60v)
/(n*d)=1082r/min~1464r/min0
拟定每3s射出一球,则上选盘转速n=5r/min。
为了实现更多落点的可能,圆柱凸轮转速n=4.5r/mino
综合上述转速要求,选取电机的参数:n=600r/min,P=1.5kW。
1.3.2发球机相关参数的确定
图7表示场地坐标的建立,查询资料获得,网球在网球场地的落点距离与发
射速度、发射高度、倾角角度的关系:
%cosY+J%2cos2y+2gZo
r-X=AQ+v0cosa-----------------------
g
v0cosy+cos"2gZo
L产治+丫…。---------------------
g
/
图7网球场地坐标建立示意图
其中,X。、打、Zo为发球机在坐标系中所处的位置,cosa.cos,、cos7为出
球方向与三个坐标轴方向的夹角,x、y为最终的落点位置。
根据网球训练的需要,球速v取15~25m/s。
表1反映了选取不同倾角和不同速度情况下球的落点距离。
表1速度-倾角-距离关系表
角角度5°10°15°
速度广7
15m/s10.0957711.6689412.92346
17.5m/s12.594514.7872916.57328
20m/s15.2549818.2889220.70769
22.5m/s18.2212922.1847825.33762
25m/s21.4560926.4835230.47117
根据计算结果,结合网球场地的尺寸大小,取球速标准值为20m/s,发射倾
角角度为10°。
球速v(标准值取20m/s)的变化范围与纵向距离y。的关系如表2所示。
表2速度变化范围-距离变(。范围
^化范围
最小值最大值
V变化范围
v±5%16.8415119.79943
v±10%15.4565621.37363
v±15%14.1333523.01205
根据计算结果,结合网球场地的尺寸大小,确定v的变化范围在±15%之间,
即v的值在17~23m/s之间。
QOQ/9
根据6=arcsin()=10.301°,则摆角为20.602。。
23.01206
综上所述,发球机的放置高度为1.25m,球速设定在17~23m/s,发射倾角选
为10°,摆角为20.602°。
图8落点覆盖示意图
经过计算,发球机落点覆盖面积超过65%,可以满足训练的需求。
1.3.3执行机构的参数设计
图9表示,根据机构简图设计与计算绘制的网球发球机总装配图。
图9发球机总装配图
(1)送球机构:
①导轨:
0
0
.
270.00-0
0
-
「
0
0
019
8
图10导轨零件参数图
②选盘(上下选盘):
图11上下选盘零件参数图
(2)射球机构:
①挤压轮:
图12挤压轮零件参数图
②皮带轮:
皮带轮1:小端直径42.5mm,大立而直径49.5mm,长度160mm。
皮带轮2:小端直径43.0mm,大端直径50.0mm,长度160mm。
(3)转向机构:
①主板:
o
o
d
o
z
图14主板参数图
②圆柱凸轮:
图15圆柱凸轮参数图
(4)支撑机构:
图16支撑机构立体模型图
①承板:
图17承板参数图
②连杆:
1.3.4传动系统设计
表3轴的转速
轴序号各轴的转速(r/min)
1600
21273
31273
44.5
55
表4齿轮直径
齿轮序号齿轮分度圆直径(mm)
6250.00
750.00
846.878
958
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