網(wǎng)球發(fā)球機的設計【卷筒拋射機器人含4張CAD圖紙和說明書】

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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 第一章 概論 1.1畢業(yè)設計的目的意義 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)設計，可以綜合性地運用幾年內所學的機械專業(yè)知識去分析、解決問題，在作畢業(yè)設計的過程中，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)球機技術的發(fā)展 現(xiàn)代社會，隨著物質生活水平的提高，人們越來越重視生命質量和生活質量。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，要想在短時間內很快地提高技術，沒有先進的網(wǎng)球訓練設施是很難實現(xiàn)的。而目前國內網(wǎng)球球館的設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。 由相關文獻和網(wǎng)上資料調查得知：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、英國和日本占主導地位，技術成熟，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。我國的網(wǎng)球發(fā)射技術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合的技術，對現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機的結構、控制電路加以改進升級，設計出一種低成本、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)范全面技術的時間大為縮短。 1.3國內外網(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的輪子(旋轉方向相反)，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)球機構上有獨到之處而且在控制方面也處于領先地位。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國內網(wǎng)球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 相對國外而言，國內網(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上旋或下旋球，右側上旋或下旋球，更可以仿真發(fā)出落點在發(fā)球區(qū)內任意點球的全新功能，提供了網(wǎng)球運動中重要的接發(fā)球技術高難度訓練。在設計理念上采用了電動控制與液壓技術相結合，這樣不僅解決了上下旋轉不好控制等問題，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。我國的網(wǎng)球發(fā)射技術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)球機器人設計要求 設計一款自動網(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。結構設計合理，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研究設計方法及技術路線 本網(wǎng)球發(fā)球機是有機結合了單片機技術、自動控制技術、機械運動等現(xiàn)代技術，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，用兩個高速旋轉的輪子，它們的旋轉方向相反（所以后面用對轉雙輪來描述）。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，在殼體頂口內裝供球盤，靠近伸縮把手的供球盤內加工有容納分球輪的孔，分球輪置入該孔內可作相對運動，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，在供球盤的內側上布有兩個擋球柱，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的球，按設定的時間，有間隔的準時供給2#電機驅動輪上，并設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；（3）由于兩個電動驅動輪的轉向相反，網(wǎng)球受兩個高速驅動輪的驅動，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)球學習者掌握網(wǎng)球技術的速度。 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 本章主要介紹了本次畢業(yè)設計的目的，以及國內外網(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計論文，同時介紹了本人設計的網(wǎng)球發(fā)球機的設計要求，研究設計方法及技術路線，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。因此本設計也就采用此基本工作原理，即通常是用兩個高速旋轉的輪子，他們的旋轉方向是相反的，因而又被稱為對轉雙輪。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，對轉雙輪發(fā)球機的雙輪相對轉速的變化可以改變球的選轉。當上面的轉輪轉得比下面得轉輪快時，發(fā)出來的是上旋球。當下面的轉輪轉得快時，發(fā)出來的是下旋球。當然，當雙輪轉速相同時，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，調節(jié)好水平角度，和俯、仰角度，在盛球箱內可盛500個以內的網(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#電機驅動輪、2#電機驅動輪、分球輪，就開始轉動。 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，且分球輪繼續(xù)轉動，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#電機驅動輪和2#電機驅動輪之間的間距中。由于1#電機驅動輪為沿順時針方向轉動，而2#電機驅動輪沿逆時針方向轉動，網(wǎng)球受兩高速驅動輪的驅動，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)球教學與訓練。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技術措施，實現(xiàn)本設計的目的。 第三章 網(wǎng)球發(fā)球機的機械結構設計 在各種機械中，結構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、質量穩(wěn)定的特性，因此，現(xiàn)在絕大部分的機械結構都使用金屬材料制成的。在這個意義上，機械結構又可稱為金屬機構。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)律連接制成基本構件后，再用焊接、鉚釘或螺栓等將基本構件聯(lián)結成能夠承受外在載荷的結構物。 金屬結構和其他材料制成的結構相比，具有下列一些特點： 1）強度高、重量輕 金屬結構大都采用鋼材。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，用鋼材制成的結構自重較輕，所需截面較小，運輸和架設易較方便。 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，使得結構對經(jīng)常作用在機械上的動載荷的適應性強，為金屬機構的安全使用提供了可靠保證。 3）材質均勻 鋼材的內部組織均勻，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，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，故計算結果準確可靠。 4）制造方便，具有良好的裝配性 金屬結構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 金屬結構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構在濕度大或有侵蝕性的介質情況下容易銹蝕，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，因此對重要的結構必須注意采取防火措施。 下圖為我設計的網(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，用兩個高速旋轉的輪子，它們的旋轉方向相反（所以后面用對轉雙輪來描述）。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。 通過改變對轉雙輪的轉速來發(fā)出上旋球，下旋球，平擊球等。 3.1.2發(fā)球裝置的驅動系統(tǒng) 電氣驅動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉距，直接或經(jīng)過減速機構去驅動負載，減少了由電能轉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，驅動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅動已經(jīng)成為最普遍、應用最多的驅動方式，90年代后生產(chǎn)的機器人大多數(shù)采用這種驅動方式。由于本課題所研究的乒乓球發(fā)球機器人的驅動負載小，要求結構簡單，控制靈活，所以我選用了電氣驅動方式。 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。本設計的主軸傳動由于要帶動整個發(fā)球機構，因此選用三相功率步進電動機，其輸出轉矩一般為5N·m～7 N·m。本設計的發(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β β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 β<=iθmin 式中，i——傳動比； θmin ——負載軸要求的最小位移量（或稱脈沖當量，即每一個脈沖所對應的負載軸的位移增量）。 （2）最大靜轉矩Ts max 負載轉矩與最大靜轉矩的關系為 TL=(0.3～0.5) Ts max 為保證步進電動機在系統(tǒng)中正常工作，還必須滿足 Tst>TLmax 式中，Tst——步進電動機起動轉矩； TLmax ——最大靜負載轉矩。 通常取 Tst= TLmax/（0.3～0.5） 以便有相當?shù)牧貎洹? （3）精度 精度是用一周內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這三項技術指標，反映了步進電動機對驅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，要求能夠靈活控制角度、方向，因此選擇步進電動機。由于本設計側重于結構方面，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速適中即可,初選電機的額定功率為0.75KW，經(jīng)調角輪與連臂桿傳遞效率是90%，則軸傳動的功率是：。 計算軸的最小直徑： ； 由轉矩確定軸的最小尺寸 取d=30mm。 校核軸的強度 1、各軸轉速 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為電動機滿載轉速，n1 、n2分別為減速器軸、主軸的轉速 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、各軸所傳遞的轉矩 電動機軸：Td=9550×=9550×N·m =7.46N·m Ⅰ軸： T1=Td i1η1 =7.46×0.92=6.8632 N·m Ⅱ軸： T2=T1i3η2 =6.8632×0.96=6.59N·m 其中Td為電動機軸所受轉矩，T1、T2分別為Ⅰ、Ⅱ軸上所受轉矩。 轉速(r/min) 傳遞功率(kw) 傳遞轉矩(Nm) 電動機軸 150 0.75 7.46 Ⅰ 軸 29.73 0.69 6.8632 Ⅱ 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， ； 則 45鋼的許用應力為=60Mpa 52MPa； 式中：——軸的計算應力，單位為Mpa； M ——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 結構代號 基本額定動載荷比 極限轉速比 軸向承載能力 軸向限位能力 性能和特點 6 深溝球軸承 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。工作中允許內外圈軸向偏斜量<=8′～16′，大量生產(chǎn)，價格最低。 本設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： ;基本額定靜載荷為:極限轉速,脂潤滑10000r/min,油潤滑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：108,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 式中：T ——傳遞的轉距（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Mpa，見表6-2。 T=Fr=73322.5=16.5m k=0.5h=4.5mm l=L-b=16-10=6mm 由設計手冊和在輕微沖擊下， []=100~130Mpa遠大于，故鍵滿足使用條件。 3.1.6聯(lián)軸器的選擇 此設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速不得大于規(guī)定值。這種聯(lián)軸器一半用于轉速n<250r/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調節(jié)俯、仰角度裝置 調節(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； 3.2.1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現(xiàn)象，轉速隨著轉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）力矩和轉子轉動慣量之比。 考慮到改角度調節(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：44,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 式中：T ——傳遞的轉距（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Mpa。 T=Fr=1776=1.06m k=0.5h=1mm l=L-b=10-4=6mm 由設計手冊和在輕微沖擊下， []=100~130Mpa遠大于，故鍵滿足使用條件。 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：但由于結構簡單、成本低、可傳遞較大轉矩，故當轉速低、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。它主要用于將回轉運動轉變?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運動轉變?yōu)橹本€運動。 根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關系，螺旋傳動的常用運動形式，主要有以下兩種：一是螺桿轉動，螺母移動，多用于機床的進給機構中；另一種是螺母固定，螺桿轉動并移動，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、仰角度調節(jié)的功能。 選擇梯形螺紋，因此由，其中Pp=15，=3 =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。 本設計的調節(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:極限轉速,脂潤滑4500r/min,油潤滑6300r/min，滿足所要求運動. 3.3供球裝置 供球裝置由Ｉ＃、２＃電動驅動輪、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，在殼體頂口內裝供球盤，靠近伸縮把手的供球盤內加工有容納分球輪的孔，分球輪置入該孔內可作相對運動，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，在供球盤的內側上布有兩個擋球柱，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#電機驅動輪、2#電機驅動輪、分球輪，就開始轉動。 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，且分球輪繼續(xù)轉動，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#電機驅動輪和2#電機驅動輪之間的間距中。由于1#電機驅動輪為沿順時針方向轉動，而2#電機驅動輪沿逆時針方向轉動，網(wǎng)球受兩高速驅動輪的驅動，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的球，按設定的時間，有間隔的準時供給2#電機驅動輪上，并設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，在一臺機器的總質量中占有很大的比例（例如在機床中約占總質量的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計其結構形式及尺寸，是減小機器質量、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。 底板和殼體的結構形狀和尺寸大小，決定于安裝在它的內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。設計時，應使所裝的零件或部件便于裝拆與操作。 設計底板和殼體時，為了機器裝配、調整、操縱、檢修及維護等的方便，應在適當?shù)奈恢迷O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 本章是此設計論文的重點所在，詳細介紹了我設計的網(wǎng)球發(fā)球機的組成部分，與各組成部分的零件選擇、設計，由于知識水平和經(jīng)驗的有限，考慮不夠周全，設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、并行兩種結構類型。其 中，串行控制器從計算機結構和控制方式可分為三種: (l)單CPU結構，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，這種控制結構速度最慢，而且，控制系統(tǒng)不易 維護。 (2)二級CPU結構，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完成全部關節(jié)數(shù)字控制。這類系統(tǒng)的兩級CPU之間沒有聯(lián)系，僅通過公用內存交換數(shù)據(jù)，是一個松禍合關系。 (3)多CPU結構，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構。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 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。這種結構控制器 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結構，僅采用二級CPU結構(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。 第五章 總結 大學四年的學習結束了，通過這次畢業(yè)設計，我能夠熟練運用機械設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，掌握了機械設計的一般規(guī)律，樹立了正確的設計思想。 學會了從機器功能的要求出發(fā)，合理選擇執(zhí)行機構和傳動機構的類型，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、結構及材料，并考慮制造工藝、使用、維護、經(jīng)濟和安全等問題，培養(yǎng)了機械設計能力。 通過這次畢業(yè)設計，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)了機械設計的基本技能和獲取有關信息的能力。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)代化建設正在蓬勃發(fā)展，面對國內生產(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計的基本理論、基本知識和基本技能，并在此基礎上，刻苦鉆研，努力奮斗，樹雄心，立壯志，攻難關，攀高峰，不斷用先進的設計理論和生產(chǎn)技術來武裝與發(fā)展我國的機械工業(yè)，密切結合用戶需求和國內外市場動向，創(chuàng)新開發(fā)出高質量、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文明和精神文明建設做出應有的貢獻。 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)球機關鍵技術研究[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)術實時自動分析系統(tǒng)的運用研究 [Bulletin of Sport Science & 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