網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)【卷筒拋射機(jī)器人】

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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 目錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 4 1.1需求分析結(jié)果。 4 1.2功能要求（設(shè)計(jì)目的）。 5 1.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)技術(shù)的發(fā)展 5 1.4國(guó)內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 6 1.4.1國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 6 1.4.2國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 7 1.5拋射機(jī)器人要求 8 1.5.1拋射發(fā)球機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 8 1.5.2研究設(shè)計(jì)方法及技術(shù)路線 8 1.6小結(jié) 8 第二章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理及工作過(guò)程 9 2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理 9 2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作過(guò)程 10 第三章 網(wǎng)球發(fā)球中球的旋轉(zhuǎn)和速度的分析 10 3.1網(wǎng)球發(fā)球中的旋轉(zhuǎn)球的幾種現(xiàn)象 10 3.1.1 上旋球 11 3.1.2 下旋球 12 3.1.3 不旋球 12 3.1.4 右旋球 13 3.1.5 右旋球 13 3.1.6 總結(jié) 14 3.2拋射機(jī)器人工作原理 14 3.3擋板工作原理 15 第四章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 4.1一代發(fā)球器的速度分析 20 4.2帶傳動(dòng)分析 21 4.3兩個(gè)主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同時(shí)網(wǎng)球的速度分析 21 4.3.1 網(wǎng)球剛進(jìn)擠壓區(qū)的速度計(jì)算 21 4.3.2 網(wǎng)球半進(jìn)擠壓區(qū)的速度計(jì)算 23 4.3.3 網(wǎng)球球心超過(guò)兩摩擦輪球心連線時(shí)速度 25 4.3.4 網(wǎng)球完全進(jìn)入帶傳動(dòng)時(shí)速度 25 4.3.5網(wǎng)球在帶中的運(yùn)動(dòng)情況 26 4.4兩個(gè)主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同時(shí)網(wǎng)球的速度分析 26 4.5兩帶傳動(dòng)傳動(dòng)比不為1的時(shí)候網(wǎng)球的速度分析 28 4.6為發(fā)球器選擇帶型號(hào)及參數(shù) 28 4.7設(shè)計(jì)帶發(fā)球器裝置的參數(shù)，計(jì)算網(wǎng)球的速度 30 4.8小結(jié) 30 總 結(jié) 31 致謝 32 參考文獻(xiàn) 33 第一章 緒論 1.1需求分析結(jié)果。 網(wǎng)球起源于法國(guó)，現(xiàn)在已經(jīng)成為全世界最流行的球類運(yùn)動(dòng)之一，深受廣大運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者的喜愛(ài)。但是作為一個(gè)對(duì)抗性的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)你只有一個(gè)人的時(shí)候或者是需要一個(gè)穩(wěn)定的對(duì)手來(lái)練習(xí)的時(shí)候，就會(huì)顯得十分尷尬，而網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的出現(xiàn)，極大程度上解決了類似的問(wèn)題。盡管可能無(wú)法獲得如同與人對(duì)抗時(shí)的樂(lè)趣，但對(duì)于技術(shù)的提高與自身的鍛煉還是有很大的幫助的。 當(dāng)前最主流的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是靠?jī)蓚€(gè)輪子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)擠壓網(wǎng)球?qū)⒕W(wǎng)球打出。它們?cè)谇安慷加袀€(gè)出球口，通過(guò)出球口可以看見(jiàn)兩個(gè)輪子，就是這兩個(gè)由電機(jī)帶動(dòng)的輪子通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)將球擠壓射出。通過(guò)上下兩個(gè)輪子的不同的旋轉(zhuǎn)速度可以把球擠出時(shí)產(chǎn)生可以調(diào)整的上旋或下旋。 1.2功能要求（設(shè)計(jì)目的）。 鑒于目前的市場(chǎng)上的現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)功能不太全面并且用到了復(fù)雜的電子控制電路，本小組決定設(shè)計(jì)一個(gè)控制簡(jiǎn)單并且功能全面的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，其基本功能包括以下幾點(diǎn)： ①可以發(fā)出一定速度的球： 在所有球類中，網(wǎng)球的球速差不多算是最高的，業(yè)余個(gè)人打球的話可能不會(huì)特別高，一般在100KM/H-150KM/H,但專業(yè)人員會(huì)高一些。男子方面：在2011年克羅地亞與德國(guó)隊(duì)的戴維斯杯一場(chǎng)雙打比賽中，卡洛維奇在第四盤的一記發(fā)球達(dá)到251公里／小時(shí)，打破了美國(guó)人安迪·羅迪克249公里／小時(shí)的前紀(jì)錄。后者的紀(jì)錄是在2004年戴維斯杯美國(guó)隊(duì)與白俄羅斯隊(duì)的比賽中創(chuàng)造的。女子方面的紀(jì)錄是大威保持的207km/h。所以考慮到發(fā)球機(jī)的面向人群應(yīng)該更廣，本設(shè)計(jì)要求網(wǎng)球出膛速度達(dá)到120km/h（即33.3m/s） ②可以發(fā)出各種方向的轉(zhuǎn)球。 網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)雖然不像乒乓球一樣致命，但是在比賽中也很具有威脅。本設(shè)計(jì)要求發(fā)球機(jī)可以發(fā)出任意方向的轉(zhuǎn)球，并且可以手動(dòng)調(diào)整發(fā)出轉(zhuǎn)球的種類，例如側(cè)旋、上旋、下旋等等。 能夠?qū)崿F(xiàn)兩點(diǎn)的定點(diǎn)給球。 網(wǎng)球比賽中回球的質(zhì)量很大程度上在于運(yùn)動(dòng)員的移動(dòng)擊球能力，步法更不上對(duì)手的進(jìn)攻球，防守必然處于被動(dòng)的地位，因此平時(shí)多加訓(xùn)練奔跑擊球尤為重要。 1.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代社會(huì)，隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視生命質(zhì)量和生活質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)動(dòng)消費(fèi)作為一種綠色消費(fèi)，近幾年來(lái)在我國(guó)人民日常消費(fèi)中所占的比例呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。可以預(yù)見(jiàn)，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，全民性的健身運(yùn)動(dòng)熱潮不僅不會(huì)減弱，而且將愈演愈烈，健身器材的市場(chǎng)需求也必將隨之不斷擴(kuò)大。 網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)近年來(lái)傳入我國(guó)后，普及迅速，尤其深受廣大青年人的喜愛(ài)。但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要想在短時(shí)間內(nèi)很快地提高技術(shù)，沒(méi)有先進(jìn)的網(wǎng)球訓(xùn)練設(shè)施是很難實(shí)現(xiàn)的。而目前國(guó)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(jī)，科技含量較低，價(jià)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(jià)格低、美觀耐用、大容量的智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)具有廣闊的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 由相關(guān)文獻(xiàn)和網(wǎng)上資料調(diào)查得知：國(guó)外對(duì)網(wǎng)球發(fā)射器的研究開始得相對(duì)較早，最早的專利是1998年美國(guó)的Rose發(fā)明的。此后，各國(guó)紛紛開始投入此項(xiàng)研究，其中美國(guó)、英國(guó)和日本占主導(dǎo)地位，技術(shù)成熟，且有一些產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)使用。此外，國(guó)外對(duì)網(wǎng)球接發(fā)球的研究要細(xì)膩得多，除了通過(guò)對(duì)蹬地轉(zhuǎn)體到鞭打等增加發(fā)球時(shí)速的一系列動(dòng)作的研究外，更是要求如何在發(fā)球的過(guò)程中，是核心力量更集中，逐漸由上步的動(dòng)作改為不上步。我國(guó)對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近些年來(lái)也涌現(xiàn)出了很多這方面的想法和創(chuàng)意，但是并沒(méi)有申請(qǐng)國(guó)家專利。目前我國(guó)的大部分網(wǎng)球發(fā)射器生產(chǎn)廠家還是應(yīng)用國(guó)外的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)。我國(guó)的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)既不先進(jìn)也不十分成熟。 本課題研究的題目為網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，主要是利用機(jī)械電子相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制電路加以改進(jìn)升級(jí)，設(shè)計(jì)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(jī)?？砂l(fā)出上旋球、下旋球、中場(chǎng)、后場(chǎng)等，為使用者提供底線、中場(chǎng)、網(wǎng)前等各種訓(xùn)練，并可自動(dòng)發(fā)球，便于單人正、反手跑動(dòng)訓(xùn)練或雙人同時(shí)訓(xùn)練，所具備的遙控可為教學(xué)、訓(xùn)練或單人使用帶來(lái)極大的方便。并且在設(shè)計(jì)中兼顧考慮了業(yè)余愛(ài)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(xùn)練”和“肌肉一記憶運(yùn)動(dòng)”的強(qiáng)化訓(xùn)練，使學(xué)者掌握規(guī)范全面技術(shù)的時(shí)間大為縮短。 1.4國(guó)內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 1.4.1國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)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(chǎng)球、底線球、短截?fù)羟蚣斑吘€球等。它既適合普通練習(xí)者的需求又能滿足運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練要求。 目前世界生產(chǎn)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的廠家比較多，最具有代表意義的是美國(guó)TUTOR公司和LOBSTER公司生產(chǎn)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。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(jī)，它通常是利用兩個(gè)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(dāng)球從滑輪滾入兩輪之間的時(shí)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(gè)道理，只不過(guò)車輪滾石只用到一個(gè)輪子。而后者是利用空氣壓縮原理來(lái)工作。壓縮空氣使用一個(gè)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生。球被裝入長(zhǎng)桶的底部由一個(gè)窄口固定住，這個(gè)窄口的直徑略小一些，當(dāng)壓縮空氣推擠網(wǎng)球穿過(guò)窄口的時(shí)候，球就被發(fā)射出去了。現(xiàn)在市面上銷售的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)多以對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理為主，這是因?yàn)榭諝鈮嚎s發(fā)球機(jī)的噪音極大而且不能提供高的性能，而對(duì)轉(zhuǎn)雙輪發(fā)球機(jī)能提供高的性能。同時(shí)，空氣壓縮發(fā)球機(jī)消耗的功率很大，無(wú)法使用電池來(lái)供電，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格比較便宜。 美國(guó)和德國(guó)生產(chǎn)網(wǎng)球公司不僅在發(fā)球機(jī)構(gòu)上有獨(dú)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(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，并備有遙控裝置可以同時(shí)測(cè)速。 1.4.2國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀 相對(duì)國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究才剛剛處于一個(gè)起步階段，用于成品的很少。主要有以下幾個(gè)典型方面。 1.豐潤(rùn)牌網(wǎng)球發(fā)球機(jī): 該機(jī)型由臺(tái)灣豐潤(rùn)集團(tuán)生產(chǎn)研制，它利用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪原理的特性，借助于輪子和球之間的摩擦力來(lái)獲取能量，使球獲得一定的初速度將球發(fā)射出去。這個(gè)原理和雙輪旋轉(zhuǎn)發(fā)球原理同出一則。它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，即:速度高、易控制、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。缺點(diǎn)是故障率高、質(zhì)量差。 2.力王牌舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī) 該機(jī)是由北京太陽(yáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)公司生產(chǎn)研制的舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，升華了科學(xué)訓(xùn)練過(guò)程。對(duì)初學(xué)者和專業(yè)選手均提供了不同技術(shù)階層的”多球訓(xùn)練“和網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)是“肌肉記憶運(yùn)動(dòng)“的強(qiáng)化訓(xùn)練，使掌握規(guī)范網(wǎng)球技術(shù)的時(shí)間大大縮短為“一年賽三年”。舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)是一種比較先進(jìn)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。此機(jī)可發(fā)出上旋、下旋、平擊球，可仿真模擬網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)時(shí)真實(shí)擊出的左側(cè)上旋或下旋球，右側(cè)上旋或下旋球，更可以仿真發(fā)出落點(diǎn)在發(fā)球區(qū)內(nèi)任意點(diǎn)球的全新功能，提供了網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中重要的接發(fā)球技術(shù)高難度訓(xùn)練。在設(shè)計(jì)理念上采用了電動(dòng)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(wèn)題，而且增加了發(fā)射的準(zhǔn)確性。 我國(guó)對(duì)此類裝置的研究雖然起步較晚，但近些年來(lái)也涌現(xiàn)出了很多這方面的想法和創(chuàng)意，但是并沒(méi)有申請(qǐng)國(guó)家專利。目前我國(guó)的大部分網(wǎng)球發(fā)射器生產(chǎn)廠家還是應(yīng)用國(guó)外的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)。我國(guó)的網(wǎng)球發(fā)射技術(shù)既不先進(jìn)也不十分成熟。 1.5拋射機(jī)器人要求 1.5.1拋射發(fā)球機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一款自動(dòng)拋射發(fā)球機(jī)，此便攜式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)既可用于訓(xùn)練專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的特定動(dòng)作與快速反應(yīng)能力，又可以作為個(gè)人體育鍛煉及高校網(wǎng)球教學(xué)訓(xùn)練器材使用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)在無(wú)交流電源下使用，可以發(fā)出各種適合練習(xí)者需求的球，具有攜帶方便，操作簡(jiǎn)易，收納不占空間，成本低廉，功能齊全，控制靈活的特點(diǎn)。 1.5.2研究設(shè)計(jì)方法及技術(shù)路線 本網(wǎng)球拋射發(fā)球機(jī)與傳統(tǒng)的空氣壓縮發(fā)球機(jī)不一樣，采用了摩擦作為動(dòng)力源以擊打網(wǎng)球，用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的輪子，它們的旋轉(zhuǎn)方向相反（所以后面用對(duì)轉(zhuǎn)雙輪來(lái)描述）。輪子間的空間很小。當(dāng)球從滑軌滾入兩輪之間的時(shí)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(jī)由動(dòng)力裝置，調(diào)節(jié)俯、仰角度裝置，儲(chǔ)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(jìn)電機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，分球輪上均分有三個(gè)供求孔，與三個(gè)供球空的位置相對(duì)應(yīng)，靠近伸縮把手一側(cè)的分球輪的孔地面上，加工一個(gè)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(gè)擋球柱，于分球輪的頂柱上均置三個(gè)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(shí)間，有間隔的準(zhǔn)時(shí)供給2#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上，并設(shè)有按時(shí)間順序供球和實(shí)現(xiàn)1—20秒間隔出球的自動(dòng)控制。 1.6小結(jié) 本章主要介紹了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，以及國(guó)內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀，讓大家對(duì)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)有一個(gè)初步的了解，從而能夠更好的閱讀本設(shè)計(jì)論文，同時(shí)介紹了本人設(shè)計(jì)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)計(jì)要求，研究設(shè)計(jì)方法及技術(shù)路線，為第二章的工作原理與工作過(guò)程的論述做好準(zhǔn)備。 第二章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理及工作過(guò)程 2.1網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作原理 目前在市場(chǎng)上銷售的高性能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)都是用輪子來(lái)發(fā)球的。因此本設(shè)計(jì)也就采用此基本工作原理，即通常是用兩個(gè)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(duì)轉(zhuǎn)雙輪。兩個(gè)輪子間的空間很小。當(dāng)球從滑軌滾入兩輪之間的時(shí)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(guò)車輪滾石只用到一個(gè)輪子。 此外，對(duì)轉(zhuǎn)雙輪發(fā)球機(jī)的雙輪相對(duì)轉(zhuǎn)速的變化可以改變球的選轉(zhuǎn)。當(dāng)上面的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)得比下面得轉(zhuǎn)輪快時(shí)，發(fā)出來(lái)的是上旋球。當(dāng)下面的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)得快時(shí)，發(fā)出來(lái)的是下旋球。當(dāng)然，當(dāng)雙輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，機(jī)器人發(fā)出平擊球。 2.2網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的工作過(guò)程 首先，根據(jù)訓(xùn)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(gè)以內(nèi)的網(wǎng)球，接通電源，用遙控器或者手動(dòng)依次開啟供求裝置中的步進(jìn)電機(jī)。1#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪、2#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪、分球輪，就開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 此時(shí)，網(wǎng)球受到撥球彈簧的攔截，就會(huì)將一個(gè)一個(gè)網(wǎng)球分別送入沒(méi)有擋球住的兩個(gè)供求孔內(nèi)，且分球輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)裝有網(wǎng)球的供求孔與供球盤上的供求孔對(duì)準(zhǔn)后，其網(wǎng)球就會(huì)落下，并沿上、下導(dǎo)球槽送到1#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪和2#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪之間的間距中。由于1#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪為沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，而2#電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，網(wǎng)球受兩高速驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)，就將網(wǎng)球通過(guò)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)球教學(xué)與訓(xùn)練。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的目的。 第三章 網(wǎng)球發(fā)球中球的旋轉(zhuǎn)和速度的分析 3.1網(wǎng)球發(fā)球中的旋轉(zhuǎn)球的幾種現(xiàn)象 網(wǎng)球發(fā)球器若要能真正提高運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果，就得能模擬國(guó)際上優(yōu)秀網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員所發(fā)出的球，也就必須能夠使發(fā)出的球達(dá)到一定的速度、旋轉(zhuǎn)、落點(diǎn)及其變化等的性能要求。由此可見(jiàn)，發(fā)球器所具有的功能是非常復(fù)雜的。但在設(shè)計(jì)改進(jìn)發(fā)球器之前，我們必須得清楚發(fā)出球后，不同旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)情況。 假設(shè)空氣是粘彈性體。由于粘彈性的作用，旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)球帶動(dòng)球體周圍的空氣一起旋轉(zhuǎn)，使得球體周圍的空氣相對(duì)于球體的速度大小不等。根據(jù)流體力學(xué)的伯努利定律 （3-1） 式中為空氣的壓強(qiáng)，為空氣相對(duì)球體的速度,為空氣的密度，為球體周圍空氣的相對(duì)高度，因非常小，且空氣的密度也較小，伯努利定律可以表示為 （3-2） 由此可見(jiàn)一個(gè)重要的現(xiàn)象,即馬格努斯效應(yīng)：球周圍空氣速度大的地方壓強(qiáng)小，速度小的地方壓強(qiáng)較大，由于網(wǎng)球球體周圍的壓強(qiáng)不等，即球體表面不同位置所受的空氣壓力不同，網(wǎng)球?qū)⒏淖兂銮驎r(shí)原定的軌跡。 3.1.1上旋球 分析：曲線為網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)方向；為網(wǎng)球不旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣相對(duì)網(wǎng)球質(zhì)心的速度，也稱來(lái)流速度；表示由于網(wǎng)球的旋轉(zhuǎn)引起的，網(wǎng)球表面不同位置的空氣相對(duì)網(wǎng)球質(zhì)心的速度，也稱環(huán)流速度。（假設(shè)網(wǎng)球由右向左發(fā)） 網(wǎng)球在空氣中（上）前旋轉(zhuǎn)飛行時(shí)，球體上部空氣的環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相反，球體上部空氣的速度為，其大小為；球體下部環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相同，球體下部空氣的速度為，其大小為，根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球上部所受空氣的壓強(qiáng)大于網(wǎng)球下部所受的空氣的壓強(qiáng)，網(wǎng)球?qū)⒖焖偬崆跋聣?，球出現(xiàn)比判斷落點(diǎn)近的現(xiàn)象（飛行軌跡向下彎曲）。 3.1.2下旋球 網(wǎng)球在空中下（后）旋轉(zhuǎn)飛行時(shí)，球體上部空氣的環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相同，球體上部空氣的速度為；其大小為；球體下部環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相反，球體下部的空氣速度為，大小為；根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球下部所受空氣的壓強(qiáng)大于網(wǎng)球上部所受的空氣的壓強(qiáng)，壓力差克服重力，延長(zhǎng)了網(wǎng)球飛行時(shí)間，使球出現(xiàn)比判斷落點(diǎn)遠(yuǎn)的現(xiàn)象。 3.1.3不旋球 不轉(zhuǎn)球在空中飛行時(shí)，球體上部和下部的速度大小相等均與來(lái)流速度相反，使得球體上下部空氣的總速度相同，即上下不產(chǎn)生壓強(qiáng)差。如果空氣阻力很小或者忽略空氣阻力，那么不轉(zhuǎn)球在空中的運(yùn)行軌跡就是平拋運(yùn)動(dòng)。 3.1.4右旋球 網(wǎng)球在空中右旋飛行時(shí)，球體左側(cè)空氣的環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相同，球體左側(cè)空氣的速度為；其大小為；球體右側(cè)環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相反，球體右側(cè)的空氣速度為；大小為；根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球右側(cè)所受空氣的壓強(qiáng)大于網(wǎng)球左側(cè)所受的空氣的壓強(qiáng)，網(wǎng)球?qū)⒊霈F(xiàn)右旋飛行過(guò)程中向左偏拐的現(xiàn)象。 3.1.5右旋球 網(wǎng)球空氣中左旋飛行時(shí)，球體右側(cè)空氣的環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相同，球體右側(cè)空氣的速度為，其大小為；球體左側(cè)環(huán)流速度與來(lái)流速度方向相反，球體左側(cè)空氣的速度為；其大小為；根據(jù)馬格努斯效應(yīng)原理網(wǎng)球左側(cè)所受空氣的壓強(qiáng)大于網(wǎng)球右側(cè)所受的空氣的壓強(qiáng)，網(wǎng)球?qū)⒊霈F(xiàn)左旋飛行過(guò)程中向右偏拐的現(xiàn)象。 3.1.6總結(jié) 對(duì)于優(yōu)秀的網(wǎng)球發(fā)球手來(lái)說(shuō)，其能發(fā)出上述各種方式的旋轉(zhuǎn)球，且球速基本能達(dá)到發(fā)球速度的極限值，而發(fā)球機(jī)器人的工作目的是模擬運(yùn)動(dòng)員的發(fā)球過(guò)程，因此對(duì)于球速和發(fā)球方向的控制精度直接決定系統(tǒng)的使用效果。在本研究中，發(fā)球機(jī)器人主要由發(fā)球器和發(fā)球擋板兩部分組成，其中發(fā)球器控制球速和旋轉(zhuǎn)，而發(fā)球擋板控制發(fā)球高度并影響網(wǎng)球最終的旋轉(zhuǎn)及發(fā)射角度。 3.2拋射機(jī)器人工作原理 合肥工業(yè)大學(xué)課研組研究出來(lái)的第一代發(fā)球器的原理如圖1-2所示；整個(gè)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)飛輪和一個(gè)推動(dòng)網(wǎng)球上下運(yùn)動(dòng)的托盤組成，采用變頻器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，托盤升降采用電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)的方式。發(fā)球過(guò)程中，計(jì)算機(jī)指令控制電磁鐵驅(qū)動(dòng)托盤推動(dòng)網(wǎng)球向上運(yùn)動(dòng)與高速旋轉(zhuǎn)的飛輪接觸。由于速度差和正壓力的存在，飛輪與網(wǎng)球之間存在滑動(dòng)摩擦力，并在該摩擦力作用下，網(wǎng)球向上加速，直到網(wǎng)球脫離飛輪邊緣高速飛向發(fā)球擋板。 發(fā)球過(guò)程做如下分析： 我們的關(guān)鍵是研究和探討網(wǎng)球球速與飛輪轉(zhuǎn)速之間關(guān)系，其中球速的測(cè)量采用的是基于單片機(jī)的紅外對(duì)管測(cè)量方法。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸入電壓控制驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速與電壓之間是線性關(guān)系，所以利用輸入電壓和網(wǎng)球球速的關(guān)系可以間接表示出轉(zhuǎn)速與球速之間的關(guān)系。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)球其材料、直徑大小以及球內(nèi)氣壓是恒定的常數(shù)，所以它與飛輪表面間的相互壓力可以近似看成一個(gè)只與網(wǎng)球和飛輪相對(duì)位置有關(guān)的函數(shù)，并假設(shè)網(wǎng)球與飛輪剛開始接觸時(shí)的位置為0。網(wǎng)球加速過(guò)程中與接觸起始位置的垂直距離為S。則網(wǎng)球與飛輪表面間的壓力函數(shù)可以表示成為F(S)，由動(dòng)能定理就可以推導(dǎo)出網(wǎng)球在S處的球速： （3-3） 其中：是網(wǎng)球的質(zhì)量；是滑動(dòng)摩擦系數(shù)。 如果飛輪的轉(zhuǎn)速過(guò)高，使得網(wǎng)球與飛輪的整個(gè)接觸過(guò)程中始終處于滑動(dòng)摩擦力的作用下，則球速計(jì)算公式中的積分上限（滑動(dòng)摩擦力作用距離）是一個(gè)定值，從而球速也是一個(gè)定值，這種情況稱為速度飽和，即此時(shí)再繼續(xù)提高飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)網(wǎng)球的最終速度沒(méi)有任何影響。 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是：隨著變頻器的輸入電壓的增加，驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度加大，飛輪轉(zhuǎn)速也隨之加快，網(wǎng)球的出球速度也越來(lái)越大。實(shí)測(cè)網(wǎng)球的最大速度可達(dá)28m/s。歐美優(yōu)秀的男排運(yùn)動(dòng)員發(fā)出的球速可高達(dá)33m/s，這一比較發(fā)球機(jī)發(fā)出的網(wǎng)球速度還不甚理想，因此本文選擇用帶輪傳動(dòng)來(lái)代替飛輪模型，意在延長(zhǎng)網(wǎng)球的加速時(shí)間，使得網(wǎng)球的最終的動(dòng)能增加，即加大網(wǎng)球的發(fā)球速度。 發(fā)球器可以發(fā)出左旋、右旋以及不轉(zhuǎn)球。在電機(jī)功率的作用下，當(dāng)左邊的摩擦輪的轉(zhuǎn)速小于右邊摩擦輪的轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)出的球是右旋的，反之為左旋球。當(dāng)兩摩擦輪的轉(zhuǎn)速相等時(shí)，發(fā)出的網(wǎng)球是不轉(zhuǎn)的。 3.3擋板工作原理 發(fā)球擋板位于發(fā)球器出球口的垂直上方，與發(fā)球器之間的豎直距離可調(diào)。除了上下運(yùn)動(dòng)的自由度外，發(fā)球擋板還可以分別圍繞兩個(gè)在水平面內(nèi)垂直相交的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，用于控制擋板的位置姿態(tài)。發(fā)球過(guò)程中，發(fā)球器中射出的網(wǎng)球高速撞擊在擋板上，并在擋板上進(jìn)行反彈形成最終的發(fā)球。通過(guò)調(diào)整發(fā)球擋板的高度和位置姿態(tài)可以控制最終的發(fā)球過(guò)網(wǎng)的高度和方向。網(wǎng)球撞擊擋板并反彈的過(guò)程比較復(fù)雜，這里做如下的簡(jiǎn)化分析處理。 發(fā)球器發(fā)出的網(wǎng)球撞擊擋板的瞬間如圖2-1所示。 圖3.1網(wǎng)球撞擊擋板示意圖 此時(shí)網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)可以分解為（平行于擋板）和（垂直于擋板）兩個(gè)方向，因?yàn)榉较蚓W(wǎng)球只是受到擋板對(duì)其的支持力作用，處理起來(lái)相對(duì)容易。這里先討論方向上的情況，假設(shè)發(fā)球器中發(fā)出的網(wǎng)球是不轉(zhuǎn)球，則當(dāng)網(wǎng)球剛好撞擊擋板時(shí)，網(wǎng)球繞球心旋轉(zhuǎn)的角速度為0。此時(shí)（R為網(wǎng)球的半徑），所以網(wǎng)球與擋板之間必然存在著滑動(dòng)摩擦力，圖中以一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)表示。將向球心處簡(jiǎn)化，得到經(jīng)過(guò)球心的力和力矩。在摩擦力和力矩的作用下，一方面網(wǎng)球球心處的速度逐漸降低，另一方面將產(chǎn)生繞球心的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且這一過(guò)程一直持續(xù)到球心在方向的速度（滑動(dòng)摩擦過(guò)程結(jié)束）。令這一過(guò)程持續(xù)的時(shí)間為，網(wǎng)球的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為和，則根據(jù)動(dòng)量定理（在某一段時(shí)間間隔內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)或剛體動(dòng)量的變化等于作用于質(zhì)點(diǎn)或剛體的力在此段時(shí)間內(nèi)的沖量）和角動(dòng)量定理（剛體所受合外力矩的沖量矩，等于剛體角動(dòng)量的增量）分別得到： （3-4） 我們認(rèn)為網(wǎng)球模型是薄壁空心球。其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3-5） 由2-4式可以得到： （3-6） 將2-5式代入得出： （3-7） 如果根據(jù)滑動(dòng)摩擦結(jié)束的條件，最終可以得到。 在方向這里也作簡(jiǎn)化處理，見(jiàn)圖2-2，假定反彈前后網(wǎng)球在方向上的速度不變，并令擋板的法線方向與網(wǎng)球的入射方向的夾角為，則網(wǎng)球反彈后的運(yùn)動(dòng)方向與擋板法線間的夾角與之間的關(guān)系可以表示為： （3-8） 這是因?yàn)? （3-9） 圖3-2 網(wǎng)球反彈后的運(yùn)動(dòng)方向與擋板法線間的夾角示意圖 從上面的推理分析計(jì)算我們可以得出，通常經(jīng)發(fā)球器由下而上發(fā)出的不轉(zhuǎn)球，經(jīng)過(guò)擋板的撞擊反彈，所發(fā)出的球是下旋球，且能量損失基本發(fā)生在沿?fù)醢宓姆较蛏?；發(fā)球器發(fā)出的右旋網(wǎng)球，通過(guò)發(fā)球器時(shí)經(jīng)過(guò)擋板的撞擊反彈，最終發(fā)出的球基本是上旋球或者是不轉(zhuǎn)球，中間可能還會(huì)夾雜著右旋因素；發(fā)球器發(fā)出的左旋網(wǎng)球，即左邊摩擦輪的轉(zhuǎn)速較右邊高，經(jīng)過(guò)擋板的撞擊反彈，所發(fā)出的球基本是是下旋球或者是不轉(zhuǎn)球，中間可能夾雜著左旋因素。所以可以看到，最終發(fā)出的網(wǎng)球基本能滿足所需要的各種旋轉(zhuǎn)的要求。 第四章 網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在各種機(jī)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(qiáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)都使用金屬材料制成的。在這個(gè)意義上，機(jī)械結(jié)構(gòu)又可稱為金屬機(jī)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(guò)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(diǎn)： 1）強(qiáng)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(qiáng)度要高出很多倍，因此，當(dāng)承受的載荷和條件向同時(shí)，用鋼材制成的結(jié)構(gòu)自重較輕，所需截面較小，運(yùn)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(huì)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(bǔ)救措施。鋼材還具有良好的韌性，使得結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)常作用在機(jī)械上的動(dòng)載荷的適應(yīng)性強(qiáng)，為金屬機(jī)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(gè)方向的物理力學(xué)性能基本相同，很接近各向同性體，在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，剛才處于理想彈性狀態(tài)，與工程力學(xué)所采用的基本假定較符合，故計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)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(guò)機(jī)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(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)裝配拼接。故制造簡(jiǎn)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，密封性好，是用于制作容器、油罐、油箱等。 6）耐腐蝕性差 有些機(jī)械特別是工程機(jī)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(hù)費(fèi)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(qiáng)度會(huì)下降，因此對(duì)重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。 第三章主要描述分析了網(wǎng)球發(fā)球旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，發(fā)球器發(fā)出的球經(jīng)過(guò)發(fā)球擋板的撞擊之后基本上能夠滿足多種旋轉(zhuǎn)。本章將對(duì)一代發(fā)球機(jī)底部的發(fā)球器的發(fā)球速度不夠的原因做出簡(jiǎn)單的分析，并提出對(duì)發(fā)球機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，采用帶輪代替摩擦輪形式來(lái)提高發(fā)球器的出球速度。 4.1一代發(fā)球器的速度分析 圖4.1發(fā)球機(jī)構(gòu)原理圖 發(fā)球機(jī)構(gòu)的原理如圖4.1所示，由送球機(jī)構(gòu)送上來(lái)的網(wǎng)球經(jīng)過(guò)一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦輪的作用，高速射出。從網(wǎng)球進(jìn)入開始與摩擦輪接觸（圖中的網(wǎng)球位置1）到與摩擦輪分開（圖中的網(wǎng)球位置2），在此期間，網(wǎng)球?qū)⑹艿侥Σ凛喌哪Σ亮蛪毫Φ淖饔?，以此?lái)完成加速過(guò)程，最終射出，從上一章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看發(fā)球的速度還不甚理想。 由動(dòng)量定理的計(jì)算公式： （4-1） 為網(wǎng)球的初速度，即進(jìn)入摩擦輪時(shí)的速度；為網(wǎng)球從摩擦輪中射出的速度。 由式3-1得到： 設(shè)，則，與和有關(guān)，是網(wǎng)球質(zhì)量是常數(shù)。實(shí)際測(cè)量中，增大摩擦輪轉(zhuǎn)速和摩擦力，到了一定程度時(shí)，網(wǎng)球的最終出球速度將不再變大，即達(dá)到了最大值，但是小于摩擦輪邊緣的線速度，而理論上應(yīng)能達(dá)到的最大出球速度應(yīng)與摩擦輪邊緣的線速度相等。所以要想增大出球速度，就得設(shè)法提高網(wǎng)球的初速度，使得，則最終網(wǎng)球的速度為，即變大。 要增加網(wǎng)球的初速度比較困難，現(xiàn)在我們?cè)O(shè)想延長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)球的作用時(shí)間。設(shè)想發(fā)球器中的摩擦輪部件由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)替代，這樣一來(lái)，網(wǎng)球的加速距離顯然增多，外力對(duì)網(wǎng)球的作用時(shí)間也太幅度增加，速度的增量應(yīng)該也增加，最終網(wǎng)球的出球速度達(dá)到與摩擦輪邊緣的線速度相同。 4.2帶傳動(dòng)分析 我們改進(jìn)后的發(fā)球器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.2所示，兩個(gè)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)豎直的放置著，下面兩個(gè)主動(dòng)輪由電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，網(wǎng)球由最低位置進(jìn)入傳動(dòng)帶，受到兩側(cè)皮帶對(duì)它的作用而加速，最終發(fā)出球。下面分別對(duì)帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的力學(xué)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上的分析。 圖4.2 改進(jìn)后的發(fā)球機(jī)構(gòu) 4.3兩個(gè)主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同時(shí)網(wǎng)球的速度分析 4.3.1網(wǎng)球剛進(jìn)擠壓區(qū)的速度計(jì)算 如圖4.3所示，網(wǎng)球從初始位置印與兩主動(dòng)摩擦輪剛好都相切的位置由于摩擦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使皮帶受力，從而傳遞到網(wǎng)球上，開始進(jìn)入擠壓區(qū)。在這個(gè)過(guò)程中，以網(wǎng)球?yàn)檠芯繉?duì)象，認(rèn)為網(wǎng)球受到的擠壓力與其體積變形量成正比。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，先分析單個(gè)摩擦輪對(duì)網(wǎng)球的作用，皮帶是摩擦輪和網(wǎng)球之間的傳遞作用力的部件，皮帶厚度與網(wǎng)球的直徑和摩擦輪的直徑相比而言就非常小，在計(jì)算中可以忽略不計(jì)。并且假設(shè)帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為1:1，且兩主動(dòng)摩擦輪的直徑相同。 網(wǎng)球球心從運(yùn)動(dòng)到的過(guò)程中，球心與左邊摩擦輪的中心的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角由變?yōu)?，網(wǎng)球被擠壓，我們假設(shè)把球看成變形為球冠，被擠壓掉的部分是球缺。在以下的計(jì)算過(guò)程中，不計(jì)摩擦輪和皮帶的變形。 球缺的高度為： （4-2） （即為網(wǎng)球與摩擦輪中心距的變化量） 圖4.3網(wǎng)球剛進(jìn)擠壓區(qū) 網(wǎng)球的體力變形量為 （4-3） 網(wǎng)球受到的擠壓力為 （4-4） （的方向可以認(rèn)為是摩擦輪中心與網(wǎng)球中心的連線并且指向網(wǎng)球中心） 網(wǎng)球受到的摩擦力與擠壓力有關(guān)，將擠壓力做兩個(gè)垂直方向的分解可以得到網(wǎng)球所受的摩擦力為： （4-5） 單個(gè)摩擦輪作用下動(dòng)量定理為： 由于網(wǎng)球的重力與比較小，這里暫且忽略。 前面有了假設(shè)兩個(gè)主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同，故可認(rèn)為網(wǎng)球受到的兩輪的摩擦力也相同。 則最終的動(dòng)量定理表達(dá)式為： （4-6） 在上面的式子中： 為網(wǎng)球的質(zhì)量； 為網(wǎng)球在擠壓區(qū)的瞬時(shí)速度； 為網(wǎng)球剛進(jìn)去擠壓區(qū)的速度，初始速度，這里設(shè)為0； 為網(wǎng)球所受到的單個(gè)摩擦輪給予的摩擦力； 為皮帶與網(wǎng)球之間的摩擦因數(shù)； 為網(wǎng)球所受到的擠壓力； 為網(wǎng)球彈性體的的彈性系數(shù)； 為摩擦輪的半徑； 為網(wǎng)球的半徑； 為兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半； 為網(wǎng)球剛進(jìn)入擠壓區(qū)的臨界位置時(shí)球心與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角，可以預(yù)先測(cè)得或計(jì)算出來(lái)的； 為網(wǎng)球在擠壓區(qū)內(nèi)球心與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角； 將4-2、4-3、4-4、4-5式代入4-6式得到： 4.3.2網(wǎng)球半進(jìn)擠壓區(qū)的速度計(jì)算 計(jì)算一下網(wǎng)球在特殊位置時(shí)的速度，即當(dāng)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)到球心與兩摩擦輪的中心連線上時(shí)，如圖4.4所示，陰影部分表示網(wǎng)球的變形形狀。此時(shí)。這個(gè)時(shí)候摩擦輪對(duì)網(wǎng)球的摩擦力為： （4-7） 圖4.4網(wǎng)球半進(jìn)擠壓區(qū) 可以得出的結(jié)論是，隨著網(wǎng)球的受擠壓程度增加，增大，摩擦力增大，網(wǎng)球的瞬時(shí)加速度也應(yīng)增大，則網(wǎng)球的球速也越來(lái)越大。 其實(shí)，隨著網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)直到球心與兩摩擦輪中心連線重合，一直在變大，夾角由逐漸減小，最后為0的過(guò)程中逐漸增大，而一直在減小，所以網(wǎng)球受到的摩擦力一直在增加，即球速一直在增大。并且由于初始時(shí)網(wǎng)球的球心處于兩摩擦輪的中間平面上，兩摩擦輪對(duì)其的摩擦力相等，故網(wǎng)球只是沿著帶運(yùn)動(dòng)的方向滑動(dòng)而不發(fā)生滾動(dòng)。 此時(shí)網(wǎng)球的速度與、、、、、、、均有密切的關(guān)系。 其中，（4-7），、、為常數(shù)。 （1）設(shè)起始時(shí)時(shí)，其他參數(shù)均為定值的情況下考慮摩擦因數(shù)對(duì)球速的影響，計(jì)算可得：，越大，網(wǎng)球在進(jìn)入傳動(dòng)帶中的速度也相對(duì)越大。 （2）設(shè)帶輪半徑不變時(shí)，比較起始和時(shí)，和對(duì)球速的影響，由4-7可知，減小，增大。比較速度計(jì)算結(jié)果可得：當(dāng)不變時(shí)，減小，速度也相對(duì)增加。但是不能過(guò)小，網(wǎng)球過(guò)大的變形會(huì)影響壽命。 （3）變化帶輪半徑 改寫式4-7得到： （4-8） 當(dāng)減小時(shí)，減小，增大。而和在式中的地位基本相等，進(jìn)過(guò)計(jì)算得出，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，適當(dāng)減小，網(wǎng)球的速度增加。 4.3.3網(wǎng)球球心超過(guò)兩摩擦輪球心連線時(shí)速度 當(dāng)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)到球心超過(guò)兩摩擦輪球心的連線時(shí)，如圖4.5所示，陰影部分表示網(wǎng)球的變形形狀。此時(shí)網(wǎng)球受到的單個(gè)摩擦輪的摩擦力變?yōu)椋梢钥闯鰯D壓力在豎直方向上的分力與網(wǎng)球的速度方向相同，使得網(wǎng)球受到的摩擦力繼續(xù)加大，即網(wǎng)球的加速度越來(lái)越大，網(wǎng)球仍然處于加速的過(guò)程之中。 可以從圖中觀察到，如果兩摩擦輪的輪廓之間的最短距離遠(yuǎn)小于網(wǎng)球的直徑，那么這個(gè)時(shí)候網(wǎng)球會(huì)被壓縮的很厲害，即網(wǎng)球的變形量會(huì)很大。 圖4.5網(wǎng)球球心超過(guò)兩摩擦輪球心連線 4.3.4網(wǎng)球完全進(jìn)入帶傳動(dòng)時(shí)速度 當(dāng)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)到完全進(jìn)入傳動(dòng)帶的擠壓時(shí)，陰影部分表示此時(shí)的網(wǎng)球的變形形狀。如圖4.6所示。 圖4.6網(wǎng)球完全進(jìn)入傳動(dòng)帶 在忽略皮帶的影響下，我們可以根據(jù)對(duì)稱性做出網(wǎng)球剛好完全進(jìn)入擠壓區(qū)的網(wǎng)球的球心位置。此時(shí)的，。和網(wǎng)球剛進(jìn)入擠壓區(qū)的計(jì)算方法類似，我們計(jì)算此時(shí)的網(wǎng)球的球速： （4-9） 其中 ， （4-10） 這樣可以計(jì)算出，由于式子過(guò)于冗長(zhǎng)，暫不寫結(jié)果。 4.3.5網(wǎng)球在帶中的運(yùn)動(dòng)情況 如果網(wǎng)球進(jìn)入完全擠壓區(qū)時(shí)的速度小于皮帶的傳動(dòng)速度，那么這時(shí)候皮帶還會(huì)給網(wǎng)球在運(yùn)動(dòng)方向上的摩擦力，即此時(shí)網(wǎng)球在與皮帶傳動(dòng)一起運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，相對(duì)皮帶還有稍許滑動(dòng)。直到網(wǎng)球加速到球速與皮帶的速度相同為止，從這以后皮帶就夾著球傳動(dòng)，連為一體，直至輸送網(wǎng)球到末端的從動(dòng)輪的邊緣，將網(wǎng)球以皮帶的速度發(fā)射出去。 4.4兩個(gè)主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同時(shí)網(wǎng)球的速度分析 當(dāng)兩主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同的時(shí)候，網(wǎng)球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，先做如下的簡(jiǎn)單推理說(shuō)明。 先假設(shè)＞，即右邊的主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速比左邊的主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速要快，如圖4.7所示。 圖4.7主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同 網(wǎng)球也是從初始位置即與兩主動(dòng)摩擦輪相切的地方進(jìn)入擠壓區(qū)，因?yàn)椋舅跃W(wǎng)球剛進(jìn)入擠壓區(qū)時(shí)受到右邊摩擦輪的沖擊大于左邊摩擦輪，將使網(wǎng)球在前進(jìn)的同時(shí)有向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，故經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后，網(wǎng)球的球心會(huì)隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)向左偏一定的距離。從網(wǎng)球開始進(jìn)入擠壓區(qū)到整體全部進(jìn)入擠壓區(qū)這個(gè)過(guò)程中，網(wǎng)球受到的擠壓力是右邊的摩擦輪大，可以推出網(wǎng)球受到的摩擦力也是右半部分的比較大。這里做下簡(jiǎn)化處理，由定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微分方程可得： （4-11） 其中為網(wǎng)球的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得出網(wǎng)球有逆時(shí)針?lè)较虻慕羌铀俣取? 所以剛開始的時(shí)候，網(wǎng)球在大小不等的摩擦力、的作用下是既有沿著皮帶傳動(dòng)方向上的滑動(dòng)，又有繞球心的逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)。 隨著時(shí)間的推移，拋球完全進(jìn)入皮帶擠壓區(qū)后，速度達(dá)到一定值時(shí)，網(wǎng)球?qū)⒖梢钥闯膳c皮帶是一個(gè)整體一起運(yùn)動(dòng)，即不出現(xiàn)網(wǎng)球在皮帶上的滑動(dòng)，但由于網(wǎng)球兩側(cè)與皮帶相接觸的部位受到的瞬時(shí)速度＞，所以網(wǎng)球還是得繞球心轉(zhuǎn)動(dòng)。 最終從從動(dòng)輪上發(fā)射出球時(shí)的網(wǎng)球的狀態(tài)分析如圖4.8所示。 圖4.8網(wǎng)球最終出球時(shí)狀態(tài) 根據(jù)理論力學(xué)中的求物體速度的基點(diǎn)法的計(jì)算方法得到： 其中線速度，，相對(duì)速度。 所以 那么球心的速度 網(wǎng)球射出的速度為兩從動(dòng)輪線速度之和的一半，且有一定的角速度旋轉(zhuǎn)，網(wǎng)球?yàn)橛倚W(wǎng)球，在撞向擋板的飛行過(guò)程中，球有向左偏轉(zhuǎn)的情況，經(jīng)過(guò)擋板的撞擊反彈后最終網(wǎng)球是以上旋形式發(fā)出。 4.5兩帶傳動(dòng)傳動(dòng)比不為1的時(shí)候網(wǎng)球的速度分析 如圖4.9所示，假設(shè)此時(shí)帶傳動(dòng)比不為1，而帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為，他若兩傳送帶均豎直放置，則由下往上看，兩個(gè)帶傳動(dòng)之間的皮帶的距離會(huì)越來(lái)越窄，網(wǎng)球在兩皮帶中被壓縮的程度也越來(lái)越大。所以，為了防止網(wǎng)球的損壞或疲勞，兩帶輪之間距離不能遠(yuǎn)小于網(wǎng)球的直徑，即帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比不能很大，粗略估計(jì)＜1.5。 假設(shè)兩主動(dòng)摩擦輪的轉(zhuǎn)速相同，網(wǎng)球在運(yùn)動(dòng)中的速度變化與網(wǎng)球在傳動(dòng)比為1的帶傳動(dòng)中的情況大致一樣，只不過(guò)在起始條件相同的情況下，網(wǎng)球受到摩擦輪和皮帶的擠壓力比后者更大些。 圖4.9傳動(dòng)比不為1時(shí)的情況 4.6為發(fā)球器選擇帶型號(hào)及參數(shù) 翻閱機(jī)械零件手冊(cè)，了解到普通帶；而對(duì)于窄帶，。所以這里選擇窄帶來(lái)作為傳送網(wǎng)球的載體。 1.選擇電機(jī)：Y90L-2，額定功率為，轉(zhuǎn)速：，電壓為380V，頻率為。 2.確定計(jì)算功率 查得工作情況系數(shù)，故。 3.選取窄帶帶型 根據(jù)、確定選用SPC型。 4.確定帶輪的基準(zhǔn)直徑 取主從動(dòng)輪的直徑：。 5.驗(yàn)算帶的速度： 6.確定窄帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距 根據(jù)＜＜，初步確定中心距 根據(jù)公式計(jì)算帶所需要的基準(zhǔn)長(zhǎng)度： 。 根據(jù)查表所得帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度； 現(xiàn)計(jì)算實(shí)際中心距：； 7.主動(dòng)輪的包角為180°＞120°，合適。 8.計(jì)算窄帶的根數(shù)：，查表計(jì)算取根。 9.計(jì)算預(yù)緊力：，查表計(jì)算得 帶輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以選用腹板式或者輪輻式。 4.7設(shè)計(jì)帶發(fā)球器裝置的參數(shù)，計(jì)算網(wǎng)球的速度 圖4.10帶發(fā)球器簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)的帶輪發(fā)球器的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4.10所示，具體用到的參數(shù)數(shù)值有： 網(wǎng)球的質(zhì)量 網(wǎng)球的半徑 網(wǎng)球的彈性系數(shù) 皮帶與網(wǎng)球之間的摩擦因數(shù) 摩擦輪的半徑 兩摩擦輪輪廓之間的最短距離的一半 網(wǎng)球剛進(jìn)入擠壓區(qū)的臨界位置，網(wǎng)球與左邊摩擦輪中心線的連線與兩摩擦輪中心連線的夾角。 摩擦輪的轉(zhuǎn)速 皮帶的傳送速度。 網(wǎng)球?qū)δΣ凛喌淖饔檬馆喐郊赢a(chǎn)生的角速度 計(jì)算得出：，，。 4.8小結(jié) 本章主要分析了帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)及受力特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了使用帶傳動(dòng)裝置用來(lái)做網(wǎng)球發(fā)球器的原理，以此方法可延長(zhǎng)網(wǎng)球通過(guò)摩擦輪時(shí)的作用時(shí)間，得出網(wǎng)球能充分加速，最終與皮帶的速度一致，達(dá)到了速度增大的目的。最后為帶和機(jī)構(gòu)用作發(fā)球器選擇了一組參數(shù)，得出發(fā)球的速度。 總結(jié) 本課題在已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的第一代網(wǎng)球扣、發(fā)球裝置的研究基礎(chǔ)之上，提出對(duì)發(fā)球器機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。為網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的進(jìn)一步研究提供了一個(gè)很好的工作平臺(tái)和建議。 本文主要研究?jī)?nèi)容有: 1、針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外存在的網(wǎng)球發(fā)球器的工作原理，進(jìn)行相應(yīng)的了解，主要是針對(duì)合肥工業(yè)大學(xué)課題組研制出來(lái)的一種網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員簡(jiǎn)易訓(xùn)練器進(jìn)行分析。 2、研究網(wǎng)球在空中的旋轉(zhuǎn)和摩擦輪式發(fā)球器的理論分析，分析摩擦輪發(fā)球器發(fā)出的球所能達(dá)到的最大速度，所能發(fā)出的球的旋轉(zhuǎn)的類型及碰到頂部擋板機(jī)構(gòu)之后球的變化情況。 由于個(gè)人的時(shí)間和精力有限，雖然做出了一些成績(jī)，但是也不可能面面俱到，希望這些研究能夠起到拋磚引玉的作用，我們將沿著這條路走下去，爭(zhēng)取在將來(lái)的研究中能夠進(jìn)一步完善現(xiàn)在的不足。 致謝 在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束之際，本該是一件值得很慶幸的好事，但卻苦于不知道以怎樣的方式來(lái)表達(dá)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過(guò)我的老師、同學(xué)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，更不知道用什么樣的詞句來(lái)形容此時(shí)此刻的心情，我想沒(méi)有他們的幫助，畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)做得這么順利，我在這兒只有向所有幫助過(guò)我的同學(xué)、老師和領(lǐng)導(dǎo)說(shuō)一聲：你們辛苦了，謝謝！ 我的四年大學(xué)生活也將要圓滿結(jié)束了，回想四年來(lái)的大學(xué)生活，真是感慨萬(wàn)千！這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)注定也是一生難忘。 我之所以可以順利完成這次設(shè)計(jì)，離不開老師的幫助。我感謝學(xué)校能給我這次機(jī)會(huì)，也感謝老師為我提供的各種條件，使我可以順利的完成任務(wù)。在這里，我特別感謝我的指導(dǎo)老師。他是一個(gè)非常認(rèn)真的老師，無(wú)論是從資料的提供上，還是在設(shè)計(jì)過(guò)程中難題的解答上，老師對(duì)我的幫助是很大的。由于這是我第一次自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品，在沒(méi)有足夠的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下。如果沒(méi)有魏老師的幫助，我要完成任務(wù)將是非常困難的！感謝老師的指導(dǎo)和關(guān)心。 我雖然完成了我的設(shè)計(jì)任務(wù)，可是由于知識(shí)的短缺和經(jīng)驗(yàn)的不足，我的設(shè)計(jì)可能有很多的缺點(diǎn)和不足，在以后的學(xué)習(xí)和工作中我會(huì)更加努力的！ 感謝我的指導(dǎo)老師，感謝我的同學(xué)，感謝所有幫助過(guò)我的人！謝謝你們！ 參考文獻(xiàn) [1]裴若忠.智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)[D].長(zhǎng)春理工大學(xué),2006:117-119 [2]董曉奇,高明.多功能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)[P].中國(guó)專利:CN2234288,1996-09-04.4-7 [3]吳廣玉，姜復(fù)興.機(jī)器人工程導(dǎo)論[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988:9-17，266-278，196-241 [4]鄭香梅，簡(jiǎn)易智能網(wǎng)球發(fā)球機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]，東南大學(xué)，2010.1-5 [5]網(wǎng)球三維運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集及技戰(zhàn)術(shù)實(shí)時(shí)自動(dòng)分析系統(tǒng)的運(yùn)用研究[Bulletin of Sport Science & Technology]2011/01:3-5 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