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網(wǎng)球發(fā)球機作 者 姓 名 專 業(yè) 指導教師姓名 專業(yè)技術(shù)職務 教授 1目 錄摘要.3第一章 緒論41.1 畢業(yè)設(shè)計的目的及意義.41.2 網(wǎng)球發(fā)球機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀41.3 國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀51.3.1國外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀.51.3.2國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀.61.4 網(wǎng)球發(fā)球機.7 1.4.1網(wǎng)球發(fā)球機設(shè)計要求71.4.2研究設(shè)計方法及技術(shù)路線71.5 本章小結(jié).8第二章 網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理及工作過程92.1網(wǎng)球發(fā)球機的工作原理.92.2網(wǎng)球發(fā)球機的工作過程.9第三章 網(wǎng)球發(fā)球機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.103.1發(fā)球裝置.113.1.1發(fā)球動力.113.1.2發(fā)球裝置的驅(qū)動系統(tǒng)123.1.3發(fā)球裝置中軸的設(shè)計143.1.4軸承的選擇.153.1.5鍵的選擇.163.1.6聯(lián)軸器的選擇.173.2 調(diào)節(jié)俯、仰角度裝置.183.2.1電機的選擇.183.2.2鍵的選擇183.2.3聯(lián)軸器的選擇193.2.4齒桿的選擇203.2.5軸承的選擇203.3供球裝置.213.4底板與殼體223.5本章小結(jié).222第四章 網(wǎng)球發(fā)球機的控制系統(tǒng)設(shè)計.22第五章 總結(jié)23參考文獻25致謝263 3摘 要為了使練習者能更好地自學習網(wǎng)球技術(shù)以達到健身的目的，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)進行遠程控制，以滿足練習者的各種技術(shù)需要。關(guān)鍵詞：網(wǎng)球發(fā)球機 工作原理 系統(tǒng)設(shè)計ABSTRACTIn 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 Design4第一章 概論1.1 畢業(yè)設(shè)計的目的意義作為新世紀的大學生，作為祖國現(xiàn)代化建設(shè)的主力軍，我們肩負著歷史賦予的神圣使命。我們在大學校園里度過了四年美好的時光，學到了很多專業(yè)知識。通過畢業(yè)設(shè)計，可以綜合性地運用幾年內(nèi)所學的機械專業(yè)知識去分析、解決問題，在作畢業(yè)設(shè)計的過程中，所學知識會得到疏理和運用，它既是一次檢閱，又是一次鍛煉，可以不斷提高學生的創(chuàng)新能力，增強學生即將跨入社會去競爭，去創(chuàng)造的自信心。1.2 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5研究，其中美國、英國和日本占主導地位，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“智能網(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?？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(wǎng)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(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(shù)的時間大為縮短。1.3 國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀1.3.1 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(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，當球從滑輪滾入兩輪之間的時候，輪子將球噴6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程控制，并備有遙控裝置可以同時測速。1.3.2 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，升華了科學訓練過程。對初學者和專業(yè)選手均提供了不同技術(shù)階層的”多球訓練“和網(wǎng)球運動是“肌肉記憶運動“的強化訓練，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7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。1.4 網(wǎng)球發(fā)球機器人1.4.1 網(wǎng)球發(fā)球機器人設(shè)計要求設(shè)計一款自動網(wǎng)球發(fā)球機，此便攜式網(wǎng)球發(fā)球機既可用于訓練專業(yè)網(wǎng)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(wǎng)球教學訓練器材使用。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。1.4.2 研究設(shè)計方法及技術(shù)路線本網(wǎng)球發(fā)球機是有機結(jié)合了單片機技術(shù)、自動控制技術(shù)、機械運動等現(xiàn)代技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)球運動的特點和競技訓練理論，實現(xiàn)智能化給球的自動化設(shè)備。本網(wǎng)球發(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8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，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。 主要創(chuàng)新點 （1）該網(wǎng)球陪練機采用摩擦作為動力源，具有變角度、變速度、多功能的半自動（全自動）網(wǎng)球陪練發(fā)球機器人；（2）送球系統(tǒng)通過分球輪的轉(zhuǎn)動，及撥球彈簧的攔截，使網(wǎng)球一個一個的送入沒有擋球柱的兩個供求孔內(nèi)；（3）由于兩個電動驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)向相反，網(wǎng)球受兩個高速驅(qū)動輪的驅(qū)動，通過出球孔拋擲指定區(qū)域。推廣應用價值： 該網(wǎng)球陪練機的開發(fā)符合網(wǎng)球訓練的要求，主要適用于運動員、業(yè)余網(wǎng)球愛好者及高校網(wǎng)球教學中的基本訓練，包括各種擊球技術(shù)的訓練，步法訓練等等，將有利于提高網(wǎng)球訓練的效率，有利于訓練網(wǎng)球愛好者的實戰(zhàn)性，競技水平，還可以大大地降低教練員的工作強度，加快網(wǎng)球?qū)W習者掌握網(wǎng)球技術(shù)的速度。同時，此網(wǎng)球發(fā)球機各部件需要用計算機制圖軟件如 Auto CAD 畫出詳細的零件圖和整體裝配圖。1.5 本章小結(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9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。當下面的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)得快時，發(fā)出來的是下旋球。當然，當雙輪轉(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，當裝有網(wǎng)球的供求孔與供球盤上的供求孔對準后，其網(wǎng)球就會落下，并沿上、下導球槽送到 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。10如此循環(huán)操作，就可以很輕松的實現(xiàn)網(wǎng)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(shù)措施，實現(xiàn)本設(shè)計的目的。第三章 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性能基本相同，很接近各向同性體，在一定的應力范圍內(nèi)，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(jié)果準確可靠。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11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。下圖為我設(shè)計的網(wǎng)球發(fā)球機器人的原理圖：3.1 發(fā)球裝置3.1.1 發(fā)球動力本網(wǎng)球發(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。通過改變對轉(zhuǎn)雙輪的轉(zhuǎn)速來發(fā)出上旋球，下旋球，平擊球等。123.1.2 發(fā)球裝置的驅(qū)動系統(tǒng)電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)距，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，減少了由電能轉(zhuǎn)化為壓力能的中間環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動，由于電氣驅(qū)動具有益于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動已經(jīng)成為最普遍、應用最多的驅(qū)動方式，90 年代后生產(chǎn)的機器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動方式。由于本課題所研究的乒乓球發(fā)球機器人的驅(qū)動負載小，要求結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，所以我選用了電氣驅(qū)動方式。步進電動機是一種將電脈沖信號變換成相應的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件，每當輸入一個電脈沖時，它便轉(zhuǎn)過一個固定的角度，這個角度稱為步距角 β，簡稱為步距。脈沖一個一個的輸入，電動機便一步一步的轉(zhuǎn)動?？刂戚斎朊}沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的接通次序，可以得到各種需要的運行特性。本設(shè)計的主軸傳動由于要帶動整個發(fā)球機構(gòu)，因此選用三相功率步進電動機，其輸出轉(zhuǎn)矩一般為 5N·m～7 N·m。本設(shè)計的發(fā)球裝置中的電動機選用輸出功率為 0.75kw。步進電動機的主要性能指標 (1) 步距角 ββ 是步進電動機的主要性能指標之一。不同的應用場合，對步距角大小的要求不同。它的大小直接影響步進電動機的啟動和運行頻率，因此，在選擇步進電動機的步進角 β 時，若通電方式和系統(tǒng)的傳動比已初步確定，則步距角應滿足βTLmax式中，Tst——步進電動機起動轉(zhuǎn)矩；TLmax ——最大靜負載轉(zhuǎn)矩。通常取Tst= TLmax/（0.3～0.5）以便有相當?shù)牧貎?。?）精度精度是用一周內(nèi)最大的步距角誤差值表示的。對于所選用的步進電動機，其步距精度 Δβ 應滿足Δβ=i(ΔβL)式中，ΔβL——負載軸上所允許的角度誤差。至于輸入電壓 U、輸入電流 I、相數(shù) m 這三項技術(shù)指標，反映了步進電動機對驅(qū)動電源所提出的要求。由于網(wǎng)球發(fā)球機器人的發(fā)球機構(gòu)，要求能夠靈活控制角度、方向，因此選擇步進電動機。由于本設(shè)計側(cè)重于結(jié)構(gòu)方面，因此上述參數(shù)就不予計算了。3.1.3 發(fā)球裝置中軸的設(shè)計考慮發(fā)球速度，網(wǎng)球發(fā)球機器人供球裝置的水平方向轉(zhuǎn)速適中即可,初選電機的額定功率為 0.75KW，經(jīng)調(diào)角輪與連臂桿傳遞效率是 90%，則軸傳動的功率是：14。80%.7580.6PeKW???計算軸的最小直徑：；/63/min2vnrR??由轉(zhuǎn)矩確定軸的最小尺寸 ??233950795067TWd? ??????062A?取 d=30mm。校核軸的強度1、各軸轉(zhuǎn)速電動機軸： nm= 150r/min 減速器軸： n1=nm/i1=150/5.12=29.73 r/min主軸： n2=n1/i3=29.73/2.973=30 r/min其中nm為電動機滿載轉(zhuǎn)速，n1 、n2分別為減速器軸、主軸的轉(zhuǎn)速2、各軸所傳遞的功率電動機軸： Pd=0.75kw減速器軸： P1=Pdη1 =0.75×0.92=0.69 kw主軸： P2=P1η2 =0.69×0.96=0.66 kw其中 Pd 為電動機輸出功率，P1、P2 分別為Ⅰ、Ⅱ軸上所傳遞的功率。3、各軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩電動機軸：Td=9550× =9550× N·m =7.46N·mmdnP96075.Ⅰ軸： T1=Td i1η1 =7.46×0.92=6.8632 N·mⅡ軸： T2=T1i3η2 =6.8632×0.96=6.59N·m其中 Td 為電動機軸所受轉(zhuǎn)矩，T1、T2 分別為Ⅰ、Ⅱ軸上所受轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速(r/min) 傳遞功率(kw) 傳遞轉(zhuǎn)矩(Nm)電動機軸 150 0.75 7.46Ⅰ 軸 29.73 0.69 6.863215Ⅱ 軸 10 0.66 6.59因為扭矩切應力為脈動循環(huán)變應力，則 α=0.6，MPadWTMca 67.13.094)(22?????；tbd2)(3??則 Paca5??45 鋼的許用應力為 =60Mpa 52MPa；ca??式中： ——軸的計算應力，單位為 Mpa；caM ——軸所受的彎矩，單位為 N·mm；T ——軸所受的扭矩，單位為 N·mm；W ——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3，計算公式見表 15-4；因此得出直徑為 30 的軸強度滿足要求。 3.1.4 軸承的選擇滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。本設(shè)計所選用的常用滾動軸承的類型、主要性能和特點如下表：類型代號類型名稱結(jié)構(gòu)代號基本額定動載荷比極限轉(zhuǎn)速比軸向承載能力軸向限位能力性能和特點6深溝球60000 1 高 少量 Ⅰ主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。工作中允許內(nèi)外圈軸向偏16軸承斜量=8′～ 16′，大量生產(chǎn)，價格最低。本設(shè)計的供球裝置中的軸主要承受徑向載荷和少量軸向載荷，軸徑為30mm，因此選用深溝球軸承，軸承代號為 6006，原軸承代號106.d=30mm,D=55mm,B=13mm；基本額定動載荷為： ;基本額定13.2rNCKF??靜載荷為: 極限轉(zhuǎn)速,脂潤滑 10000r/min,油潤滑;8.30NCorKF??13000r/min，滿足所要求運動.3.1.5 鍵的選擇此鍵選擇最常用的平間連接，由軸確定平鍵的尺寸并進行強度核算：鍵連接處軸的直徑為 36mm，則選擇鍵的公稱尺寸為鍵寬 b×鍵高 h 為：10 8,鍵的長度 L=18。需要較緊鍵連接，則軸和轂為過盈配合，圓角半徑 r 最?小為 0.16，最大為 0.25。鍵連接的強度計算：對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平間連接（靜連接） ，鍵失效的主要形式為工作面被壓潰，除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷，因而通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為][1023pPdlkT?????式中：T ——傳遞的轉(zhuǎn)距（T=F×y≈F×d/2） ，單位為 N·m；k ——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處 h 為鍵的高度，單位為 mm；l ——鍵的工作長度，單位為 mm，圓頭平鍵 l=L—b，平頭平鍵l=L，這里 L 為鍵的公稱長度，單位為 mm，b 為鍵的寬度，單位為 mm；d ——軸的直徑，單位為 mm；——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的需用擠壓應力，單位為][p?Mpa，見表 6-2。T=F r=733 22.5 =16.5 m?310???N17k=0.5h=4.5mml=L-b=16-10=6mm3216.502.1454ca MPa????由設(shè)計手冊和在輕微沖擊下，[ ]=100~130Mpa 遠大于 ，故鍵滿足使用條件。p r?3.1.6 聯(lián)軸器的選擇此設(shè)計中選用沒有彈性遠見的撓性聯(lián)軸器，這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可補償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減震。采用十字滑塊聯(lián)軸器，十字滑塊聯(lián)軸器由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉(zhuǎn)時兩軸間的相對位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需進行熱處理，以提高其硬度，要求較低時也可用 Q275 鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應該從中間盤的油孔里注油進行潤滑。因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，故主動軸與從動軸的角速度應相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。因此選用時應注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。這種聯(lián)軸器一半用于轉(zhuǎn)速 n250r/min,軸的剛度較大，且無劇烈沖擊處。效率 η=1-(3～5)fy/d，這里 f 為摩擦系數(shù)，一般取為 0.12～0.25；y為兩軸間徑向位移量，單位為 mm，d 為軸徑，單位為 mm.3.2 調(diào)節(jié)俯、仰角度裝置調(diào)節(jié)俯、仰角度裝置由伺服電機、齒桿、支軸架、鉸軸、雙支承板架、絲母組成；183.2.1 電機的選擇伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。對比直流伺服電機，交流伺服電機要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜?，F(xiàn)在常采用（Powerrate）這一綜合指標作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比?？紤]到改角度調(diào)節(jié)裝置對速度要求不高，但需要外型盡量小巧型的電機，因此，在此調(diào)節(jié)俯，仰角裝置中采用 SL 系列交流伺服電動機 45SL001。頻率400Hz?？蛰d轉(zhuǎn)速 9000r/min。3.2.2 鍵的選擇此鍵選擇最常用的平間連接，由軸確定平鍵的尺寸并進行強度核算：鍵連接處軸的直徑為 12mm，則選擇鍵的公稱尺寸為鍵寬 b×鍵高 h 為：4 4,鍵?的長度 L=10。鍵連接的強度計算：對于采用常見的材料組合和按標準選取尺寸的普通平間連接（靜連接） ，鍵失效的主要形式為工作面被壓潰，除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷，因而通常按工作面上的壓力進行條件性的強度校核計算假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強度條件為][1023pPdlkT?????19式中：T ——傳遞的轉(zhuǎn)距（T=F×y≈F×d/2） ，單位為 N·m；k ——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，此處 h 為鍵的高度，單位為 mm；l ——鍵的工作長度，單位為 mm，圓頭平鍵 l=L—b，平頭平鍵l=L，這里 L 為鍵的公稱長度，單位為 mm，b 為鍵的寬度，單位為 mm；d ——軸的直徑，單位為 mm；——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的需用擠壓應力，單位為][p?Mpa。T=F r=177 6 =1.06 m?310??Nk=0.5h=1mml=L-b=10-4=6mm Mpa4.29160.23???P?由設(shè)計手冊和在輕微沖擊下，[ ]=100~130Mpa 遠大于 ，故鍵滿足使用條件。p r?3.2.3 聯(lián)軸器的選擇此處選擇剛性凸緣聯(lián)軸器，剛性聯(lián)軸器分為凸緣聯(lián)軸器、徑向鍵凸緣聯(lián)軸器、套筒聯(lián)軸器、夾殼聯(lián)軸器和平行軸聯(lián)軸器,凸緣聯(lián)軸器對兩軸對中性的要求很高，當兩軸有相對位移存在時，就會在機件內(nèi)引起附加載荷，使工作情況惡化，這是它的主要缺點。優(yōu)點：但由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，故當轉(zhuǎn)速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時常采用。根據(jù)軸孔直徑12mm，此處選擇 GY1型凸緣聯(lián)軸器3.2.4 齒桿的選擇與絲母嚙合部分此部分設(shè)計為螺桿，使用螺旋傳動，螺旋傳動是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。本裝置中的螺桿部分主要是將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。20根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關(guān)系，螺旋傳動的常用運動形式，主要有以下兩種：一是螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，多用于機床的進給機構(gòu)中；另一種是螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動并移動，多用于螺旋起重器或螺旋壓力機中。本裝置中采用了第一種，即螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，從而帶動雙支撐板架運動，來實現(xiàn)網(wǎng)球發(fā)球機器人的俯、仰角度調(diào)節(jié)的功能。選擇梯形螺紋，因此由 ，其中 Pp=15， =320.65FdPp???340.15??=17.9mm由此計算并選出小徑，大徑及螺距：螺距 p=2.5mm大徑 d=20mm中徑 d2=18mm小徑 d1=17mm并由此選出螺母。3.2.5 軸承的選擇推力軸承是用來專門承受軸向力的專用軸承,就是軸垂直的方向的力的軸承. 推力軸承也稱作止推軸承.由于在此裝置中，為了實現(xiàn)齒桿在豎直位置的固定，因此選擇立式推力軸承。 本設(shè)計的調(diào)節(jié)俯，仰角裝置中的齒桿主要承受軸向載荷和少量徑向載荷，軸徑為 19mm，因此選用推力球軸承，軸承代號為 51203，原軸承代號為 8203， d1=19mm,D=35mm；基本額定動載荷為： ;基本額定靜載荷為:17.0rNCKF??極限轉(zhuǎn)速,脂潤滑 4500r/min,油潤滑 6300r/min，滿足所要;27.NCorKF??求運動.213.3 供球裝置供球裝置由Ｉ＃、２＃電動驅(qū)動輪、出球孔、盛球箱、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，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；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，當裝有網(wǎng)球的供求孔與供球盤上的供求孔對準后，其網(wǎng)球就會落下，并沿上、下導球槽送到 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。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。3.4 底板與殼體底板和殼體等零件，在一臺機器的總質(zhì)量中占有很大的比例（例如在機床中約占總質(zhì)量的 70%～90%） ，同時在很大程度上影響著機器的工作精度和抗震性能，若兼作運動部件的滑道（導軌）時，還影響著機器的耐磨性等。所以正確的選擇底板和殼體等零件的材料和正確設(shè)計其結(jié)構(gòu)形式及尺寸，是減小機器22質(zhì)量、節(jié)約金屬材料、提高工作精度、增強機器剛度及耐磨性等的重要途徑。底板和殼體的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小，決定于安裝在它的內(nèi)部或外部的零件和部件的形狀和尺寸及其相互配置、受力與運動情況等。設(shè)計時，應使所裝的零件或部件便于裝拆與操作。設(shè)計底板和殼體時，為了機器裝配、調(diào)整、操縱、檢修及維護等的方便，應在適當?shù)奈恢迷O(shè)有大小適宜的孔洞。箱體零件上必須鏜磨的孔數(shù)及各孔位置的相關(guān)影響應盡量減少。位于同一軸線上的各孔直徑最好相同或順序遞減。3.5 本章小結(jié)本章是此設(shè)計論文的重點所在，詳細介紹了我設(shè)計的網(wǎng)球發(fā)球機的組成部分，與各組成部分的零件選擇、設(shè)計，由于知識水平和經(jīng)驗的有限，考慮不夠周全，設(shè)計中難免有些錯誤和不完善的地方，在此表示歉意。第 4 章 網(wǎng)球發(fā)球機器人控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)的控制方式及工作原理機器人控制器從算法的處理方式看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。其中，串行控制器從計算機結(jié)構(gòu)和控制方式可分為三種:(l)單 CPU 結(jié)構(gòu)，集中控制方式用一臺功能較強的計算機實現(xiàn)全部的控制功能，但是控制過程需要許多計算，如坐標變換等，因此，這種控制結(jié)構(gòu)速度最慢，而且，控制系統(tǒng)不易維護。(2)二級 CPU 結(jié)構(gòu)，集中控制方式一級 CPU 為主機，擔當系統(tǒng)管理、機器人語言編譯和人機接口功能等。二級 CPU 完成全部關(guān)節(jié)數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩級 CPU 之間沒有聯(lián)系，僅23通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，是一個松禍合關(guān)系。(3)多 CPU 結(jié)構(gòu)，分布式控制方式目前普遍采用這種上、下位機二級分布式結(jié)構(gòu)。上位機負責整個系統(tǒng)管理及運動學計算，軌跡規(guī)劃等;下位機由多 CPU 組成，每個 CPU 控制一個關(guān)節(jié)運動。這些 CPU 和主控機聯(lián)系是通過總線形式的緊藕合。這種結(jié)構(gòu)控制器的工作速度和控制性能明顯提高。本網(wǎng)球發(fā)球機器人在選擇控制方案時，不需要采用多 CPU 結(jié)構(gòu)，僅采用二級 CPU 結(jié)構(gòu)(如圖 2.2 所示)。PC 機作為上位機通過串行通信接口與下位的單片機 MCU 進行通信，可以實現(xiàn)網(wǎng)球發(fā)球機器人的單片機自主控制和 PC 機控制兩種方式。單片機控制接受上位機的控制指令或自主控制電機驅(qū)動電路以實現(xiàn)所要求的功能，上位機可以實現(xiàn)網(wǎng)球發(fā)球機器人的遠程在線控制，進行訓練效果監(jiān)測。24第五章 總結(jié)大學四年的學習結(jié)束了，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我能夠熟練運用機械設(shè)計課程和其它先修課程的理論和實際知識，培養(yǎng)了分析和解決實際問題的能力，掌握了機械設(shè)計的一般規(guī)律，樹立了正確的設(shè)計思想。學會了從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇執(zhí)行機構(gòu)和傳動機構(gòu)的類型，制定傳動方案，合理選擇標準部件的類型和型號，正確計算工件的工作能力，確定其尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)了機械設(shè)計能力。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我還學習了運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱科技文獻資料以及計算機應用等，培養(yǎng)了機械設(shè)計的基本技能和獲取有關(guān)信息的能力。同時使我的 AUTO CAD、PRO/E 等制圖軟件的操作更加熟練。不可否認，設(shè)計的過程中還有很多不足的地方，我會加倍努力，繼續(xù)學習，爭取在以后的學習工作中做出好的成績，回報在大學期間幫助過我的老師，同學。經(jīng)過三十多年的改革開放，我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)正在蓬勃發(fā)展，面對國內(nèi)生產(chǎn)任務的增長，和國際競爭形勢的嚴峻，各個生產(chǎn)部門都對機械產(chǎn)品和技術(shù)裝備提出了日益增長的需求，已經(jīng)從事和正在培育成長的機械設(shè)計工作者都在面臨著光榮而艱巨的任務。我們一定要學好機械設(shè)計的基本理論、基本知識和基本技能，并在此基礎(chǔ)上，刻苦鉆研，努力奮斗，樹雄心，立壯志，攻難關(guān)，攀高峰，不斷用先進的設(shè)計理論和生產(chǎn)技術(shù)來武裝與發(fā)展我國的機械工業(yè)，密切結(jié)合用戶需求和國內(nèi)外市場動向，創(chuàng)新開發(fā)出高質(zhì)量、高性能、多品種、多功能的現(xiàn)代化機器人，為推進全人類的物質(zhì)文明和精神文明建設(shè)做出應有的貢獻。25參考文獻[1] 裴若忠.智能網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)球發(fā)球機關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，東南大學，2010.1-5[5] 網(wǎng)球三維運動參數(shù)采集及技戰(zhàn)術(shù)實時自動分析系統(tǒng)的運用研究 [Bulletin of Sport Science & Technology] 2011/01:3-5[6] 網(wǎng)球自動發(fā)射器的研制 機械設(shè)計與制造 2007/03 [中國期刊全文數(shù)據(jù)庫][7] 劉文劍.工業(yè)機器人設(shè)計與應用.黑龍江科學技術(shù)出版社[M]，1990:115-117[8] 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