機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書-網(wǎng)球發(fā)球機(jī)

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書

-—網(wǎng)球發(fā)球機(jī)

專業(yè)__________________________

班號__________________________

設(shè)計(jì)者_(dá)_________________________

指導(dǎo)教師__________________________

完成時間

目錄

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書..........................................................1

1.1設(shè)計(jì)題目.................................................................3

1.1.1選題背景及意義.........................................................3

1.1.2設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)....................................................3

1.2機(jī)械系統(tǒng)方案的擬定......................................................4

1.2.1設(shè)計(jì)方案】.............................................................4

1.1方案1基本原理闡釋.................................................4

1.2方案1優(yōu)缺點(diǎn).........................................................5

1.2.2設(shè)計(jì)方案2...........................................................................................................................5

2.1方案2基本原理闡釋..................................................5

2.2方案2優(yōu)缺點(diǎn)........................................................6

1.2.3設(shè)計(jì)方案3...........................................................................................................................7

3.1方案3基本原理闡釋...................................................7

3.1方案3優(yōu)缺點(diǎn).........................................................8

124最終方案簡介............................................................8

4.1最終方案基本原理闡釋................................................8

4.2最終方案優(yōu)缺點(diǎn).....................................................10

1.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)相關(guān)性能參數(shù)計(jì)算.............................................10

1.3.1電機(jī)的選擇............................................................10

1.3.2發(fā)球機(jī)相關(guān)參數(shù)的確定.................................................10

1.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)...................................................12

1.3.4傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)..........................................................16

1.4課程設(shè)計(jì)體會及建議.....................................................17

1.1設(shè)計(jì)題目

1.1.1選題背景及意義

誕生于英國的網(wǎng)球現(xiàn)在成為了全球最流行的球類運(yùn)動之一，深受人們的喜愛。

但事實(shí)上，作為一個對抗性的運(yùn)動，當(dāng)你只有一個人的時候，或許也只能望球場

而興嘆，而我們這個網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的設(shè)想，便是為了應(yīng)對這種情況而產(chǎn)生的。盡管

可能無法獲得如同與真人對抗時的樂趣，但這對于技術(shù)的提高與自身的鍛煉還是

有很大的幫助的。

1.1.2設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)

該裝置必須能將標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)球一個一個地從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場的一邊拋射過球網(wǎng)，使

它們落在由球場白線所確定的三塊場地之一內(nèi)，如圖1所示的A、B場地，且三

塊球場的每一塊上落球的順序和頻率必須是隨機(jī)的。該裝置除裝球外應(yīng)無需要人

照管而能自動工作，每次裝球可持續(xù)拋射50個球,所發(fā)出球的速度是可變化的，

并希望用一個電動機(jī)驅(qū)動自動完成。此外，為了滿足室內(nèi)外訓(xùn)練均可使用，該裝

置還應(yīng)方便于攜帶或移動和安裝使用。

圖1網(wǎng)球場地示范

設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球的直徑在65.41~68.58mm的范圍內(nèi)，其質(zhì)量在0.0567~0.0585kg

的范圍內(nèi)，網(wǎng)球?qū)τ驳孛妫ㄈ缢嗟孛妫┑姆磸椔试?.53-0.58之間。

（2）標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場地形狀如圖所示，其尺寸:雙打?yàn)?3.7m（長）X10.97m（寬）,

單打?yàn)?2.77m（長）X8.23m（寬），而在每個端線內(nèi)應(yīng)留有空余地不小于6.40m:球

網(wǎng)的長度（即兩網(wǎng)柱中心的距離）為12.80m,網(wǎng)柱頂端距地平面為1.07m,而球網(wǎng)

中心上沿距地平面為0.914m。

（3）要求網(wǎng)球發(fā)球裝置的放置高度約為1.25m,位置上下可調(diào)，且必須保持

穩(wěn)定，不允許發(fā)生傾翻。

（4）該裝置設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)上述基本功能和技術(shù)要求的前提下，應(yīng)考慮盡可能地

滿足好的發(fā)球要求，即發(fā)出的球具有較大的攻擊力，使球在速度、力量、旋轉(zhuǎn)和

落點(diǎn)方面是可以變化.

（5）若有可能的活，為了滿足網(wǎng)球高水平訓(xùn)練的需要，還可以考慮對該裝置

作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，即擴(kuò)展能發(fā)出不同類型球的功能。如平擊球（即速度快、力量

大，平線飛行軌跡的過網(wǎng)球），切削球（即以右側(cè)并略帶下旋轉(zhuǎn)，弧線飛行軌跡的

過網(wǎng)球）和上旋球（即以上旋為主，側(cè)旋為輔，弧形飛行軌跡的過網(wǎng)球），等等。

1.2機(jī)械系統(tǒng)方案的擬定

1.2.1設(shè)計(jì)方案1

1.1方案1基本原理闡釋

設(shè)計(jì)方案1的主要工作原理：通過擠壓輪的擠壓和摩擦使網(wǎng)球獲得初速度,

通過兩擠壓輪速度的不同可以實(shí)現(xiàn)平擊球或上下旋球。

如圖2所示，送球部分（包括上下兩個選盤和導(dǎo)軌）通過上下兩層選盤的篩

取，沿著導(dǎo)軌（固連在主板上）送入射球機(jī)構(gòu)兩擠壓輪中。上選盤特殊的形狀設(shè)

計(jì)和上下選盤的配合，可以起到自動防卡球的作用。

射球部分（包括兩個擠壓輪）通過不同轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)上下旋球和平擊球。

轉(zhuǎn)向部分（包括偏心輪、連桿和主板、軸承），利用曲柄搖桿原理，將轉(zhuǎn)動

轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動，實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)。

支撐部分（包括可調(diào)支架，承臺），利用螺紋自鎖原理實(shí)現(xiàn)發(fā)球高度可調(diào)。

圖2設(shè)計(jì)方案1機(jī)構(gòu)簡圖

1.2方案1優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1.通過上下選盤送球，上選盤特殊的形狀設(shè)計(jì)和上下選盤的配合，可以起

到自動防止卡球的作用。

2.利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動，實(shí)現(xiàn)炮口角度的變化。通過設(shè)

計(jì)合適的桿長關(guān)系，就能控制主板擺動角度的大小和急回特性。

3.所用的都是較為常用的機(jī)構(gòu)，實(shí)用性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：

采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，主板擺動角度具有急回特性，這就會在一定程度上使得

主板的運(yùn)動不是很穩(wěn)定。

1.2.2設(shè)計(jì)方案2

2.1方案2基本原理闡釋

網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的主要工作原理是通過擠壓輪的擠壓和摩擦使網(wǎng)球獲得初速

度，如圖3所示，通過兩擠壓輪速度的不同可以實(shí)現(xiàn)平擊球、上旋球以及下旋

球。

工作原理圖的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，采用帶有凹槽的圓柱凸輪，該圓柱凸輪帶動連

桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動。

送球部分：由裝球處及帶有四個凹槽的槽輪構(gòu)成，球放置于裝球處，槽輪

凹槽的空間可以容納一個網(wǎng)球，槽輪進(jìn)行低速轉(zhuǎn)動，并連接一個導(dǎo)軌，這樣可

以實(shí)現(xiàn)出球。

發(fā)射部分：包含兩個擠壓輪，通過不同轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)上下旋球和平擊球。

轉(zhuǎn)向部分：包括主板、帶凹槽的圓柱凸輪、連桿，通過圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)把

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為擺動運(yùn)動，并通過連桿帶動主板，實(shí)現(xiàn)發(fā)射的轉(zhuǎn)向。

支撐部分：包括可調(diào)支架、支撐平臺，用來實(shí)現(xiàn)發(fā)球機(jī)高度的調(diào)節(jié)。

圖3設(shè)計(jì)方案2機(jī)構(gòu)簡圖

2.2方案2優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1.采用槽輪機(jī)構(gòu)，通過槽輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)送球，由于槽輪本身的特性，這

樣就可以實(shí)現(xiàn)間歇送球運(yùn)動。

2.轉(zhuǎn)向部分使用帶凹槽的圓柱凸輪，把凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼宓臄[動，

通過設(shè)計(jì)合理的圓柱凸輪的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)主板擺動角度的變化。

3.所用的都是較為常用的機(jī)構(gòu)，實(shí)用性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：

1.送球部分的槽輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速不能設(shè)計(jì)太快，否則網(wǎng)球就會做離心運(yùn)動，從

而直接被甩出，不能被傳送到導(dǎo)軌上。

2.槽輪處出口不能太大，否則就會限制出球，但是出口也不能太小，否則

就會出現(xiàn)卡球，這對出口大小提出了較高的要求。

1.2.3設(shè)計(jì)方案3

3.1方案3基本原理闡釋

如圖4所示，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)滑塊A滑動，推程時滑塊A壓縮彈簧

儲存能量，當(dāng)A運(yùn)動到特定位置時閉合速度控制開關(guān)（左下圖），繼電器生效,

B與球之間的擋板打開，網(wǎng)球飛出。由于網(wǎng)球飛行時受到可更換阻塊阻擋，可形

成任意方向旋球。

B滑塊與彈簧之間有一口徑大于彈簧直徑小于滑塊直徑的擋圈，可以在B回

位的同時阻擋B沿管道下滑。在回程時，滑塊A將開關(guān)打開，擋板復(fù)位，重復(fù)

發(fā)球。

在管軸向不同位置設(shè)置速度控制開關(guān)，由于彈簧壓縮程度不同，控制球打出

的力量和速度。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)落點(diǎn)隨機(jī)。

圖4設(shè)計(jì)方案3機(jī)構(gòu)簡圖

3.1方案3優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

送球機(jī)構(gòu)利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了送球的間歇性，滑塊A、B之間連有彈

簧，可以進(jìn)行儲能。同時，采用行程開關(guān)和電路控制網(wǎng)球的發(fā)送，使得控制更加

精準(zhǔn)和可靠。

缺點(diǎn)：

功能太單一，不能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)球和平擊球；對機(jī)械原理知識的應(yīng)用太少，工作

的重心在電控上。

1.2.4最終方案簡介

4.1最終方案基本原理闡釋

最終所采用的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)方案，結(jié)合了幾個方案的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行綜合比較之后

而確定。

圖5為最終方案機(jī)構(gòu)簡圖，如圖5所示，網(wǎng)球發(fā)球機(jī)包括四個部分，即送球

機(jī)構(gòu)、射球機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)。同時，在這四部分的基礎(chǔ)之上，還進(jìn)行

了傳動部分的設(shè)計(jì)。

其主要工作原理是通過擠壓輪的擠壓和摩擦使網(wǎng)球獲得初速度，通過兩擠壓

輪速度的不同可以實(shí)現(xiàn)平擊球或上下旋球，其轉(zhuǎn)向功能則是通過圓柱凸輪來實(shí)現(xiàn)

的，連桿連接在圓柱凸輪上，把凸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹靼鍞[動。

送球機(jī)構(gòu)（包括上下兩個選盤和導(dǎo)軌）通過上下兩層選盤的篩取，沿著導(dǎo)軌

將球送進(jìn)射球機(jī)構(gòu)兩擠壓輪中。上選盤特殊的形狀設(shè)計(jì)和上下選盤的配合，可以

起到自動防止卡球的作用。

射球機(jī)構(gòu)（包括兩個轉(zhuǎn)向相反擠壓輪、皮帶和原動機(jī)輪）通過不同轉(zhuǎn)速可以

實(shí)現(xiàn)上下旋球和平擊球。將擠壓輪的傳動輪做成圓錐體形，這樣在傳動過程中，

皮帶的位置會上下變化，使得上下擠壓輪轉(zhuǎn)速不一致，達(dá)到上下旋的效果。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（包括主板、帶凹槽的圓柱凸輪、連桿）通過圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)把旋

轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為擺動運(yùn)動，并通過連桿帶動主板，實(shí)現(xiàn)發(fā)射的轉(zhuǎn)向。

支撐部分（包括可調(diào)支架，承臺），扭動螺紋扳手就能調(diào)節(jié)發(fā)球高度，并利

用螺紋自鎖的特性保證松手后不會滑下來。

最終方案的運(yùn)動循環(huán)配合關(guān)系如圖6所示:

_______球______球一

儲球箱f選盤＞導(dǎo)軌場地

圖6運(yùn)動循環(huán)配合圖

4.2最終方案優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

(1)通過上下選盤送球，上選盤特殊的形狀設(shè)計(jì)和上下選盤的配合，可以起

到自動防止卡球的作用。

(2)轉(zhuǎn)向部分采用圓柱凸輪，通過設(shè)計(jì)合理的圓柱凸輪的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)主

板擺動角度的變化，主板的擺動穩(wěn)定。

(3)擠壓輪的傳動輪做成圓錐體形，這樣在傳動過程中，皮帶的位置會上下

變化，使得上下擠壓輪轉(zhuǎn)速不一致，達(dá)到上下旋的效果。

(4)支撐部分采用可調(diào)支架，可以輕松進(jìn)行高度的調(diào)節(jié)，同時自鎖特性還可

以保證整個發(fā)球機(jī)的穩(wěn)定性。

(5)場地覆蓋率高，可以保證網(wǎng)球訓(xùn)練的需要。

(6)所采用的機(jī)構(gòu)都較為成熟，實(shí)用性和可靠性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：

(1)由于速度和擺角控制在一定范圍內(nèi)，不能保證落點(diǎn)覆蓋整塊場地。

(2)由于一個電機(jī)驅(qū)動三個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以落球周期和轉(zhuǎn)向周期是相關(guān)的,

不能完全保證出球方向的隨機(jī)性。

(3)只能實(shí)現(xiàn)上下旋球和平擊球，不能實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)。

1.3網(wǎng)球發(fā)球機(jī)相關(guān)性能參數(shù)計(jì)算

1.3.1電機(jī)的選擇

電動機(jī)轉(zhuǎn)速的確定與擠壓輪轉(zhuǎn)速、圓柱凸輪轉(zhuǎn)速、上選盤轉(zhuǎn)速相關(guān)。

擬定球的射出初速度為v=17~23m/s,擠壓輪直徑d=30cm,所以轉(zhuǎn)速n=(60v)

/(n*d)=1082r/min~1464r/min0

擬定每3s射出一球，則上選盤轉(zhuǎn)速n=5r/min。

為了實(shí)現(xiàn)更多落點(diǎn)的可能，圓柱凸輪轉(zhuǎn)速n=4.5r/mino

綜合上述轉(zhuǎn)速要求，選取電機(jī)的參數(shù)：n=600r/min,P=1.5kW。

1.3.2發(fā)球機(jī)相關(guān)參數(shù)的確定

圖7表示場地坐標(biāo)的建立，查詢資料獲得，網(wǎng)球在網(wǎng)球場地的落點(diǎn)距離與發(fā)

射速度、發(fā)射高度、傾角角度的關(guān)系：

%cosY+J%2cos2y+2gZo

r-X=AQ+v0cosa-----------------------

g

v0cosy+cos"2gZo

L產(chǎn)治+丫…。---------------------

g

/

圖7網(wǎng)球場地坐標(biāo)建立示意圖

其中，X。、打、Zo為發(fā)球機(jī)在坐標(biāo)系中所處的位置，cosa.cos，、cos7為出

球方向與三個坐標(biāo)軸方向的夾角，x、y為最終的落點(diǎn)位置。

根據(jù)網(wǎng)球訓(xùn)練的需要，球速v取15~25m/s。

表1反映了選取不同傾角和不同速度情況下球的落點(diǎn)距離。

表1速度-傾角-距離關(guān)系表

角角度5°10°15°

速度廣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

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)球場地的尺寸大小，取球速標(biāo)準(zhǔn)值為20m/s,發(fā)射傾

角角度為10°。

球速v（標(biāo)準(zhǔn)值取20m/s）的變化范圍與縱向距離y。的關(guān)系如表2所示。

表2速度變化范圍-距離變（。范圍

^化范圍

最小值最大值

V變化范圍

v±5%16.8415119.79943

v±10%15.4565621.37363

v±15%14.1333523.01205

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合網(wǎng)球場地的尺寸大小，確定v的變化范圍在±15%之間,

即v的值在17~23m/s之間。

QOQ/9

根據(jù)6=arcsin()=10.301°,則擺角為20.602。。

23.01206

綜上所述，發(fā)球機(jī)的放置高度為1.25m,球速設(shè)定在17~23m/s,發(fā)射傾角選

為10°,擺角為20.602°。

圖8落點(diǎn)覆蓋示意圖

經(jīng)過計(jì)算，發(fā)球機(jī)落點(diǎn)覆蓋面積超過65%,可以滿足訓(xùn)練的需求。

1.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)

圖9表示，根據(jù)機(jī)構(gòu)簡圖設(shè)計(jì)與計(jì)算繪制的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)總裝配圖。

圖9發(fā)球機(jī)總裝配圖

(1)送球機(jī)構(gòu):

①導(dǎo)軌：

0

0

.

270.00-0

0

-

「

0

0

019

8

圖10導(dǎo)軌零件參數(shù)圖

②選盤(上下選盤)：

圖11上下選盤零件參數(shù)圖

(2)射球機(jī)構(gòu)：

①擠壓輪：

圖12擠壓輪零件參數(shù)圖

②皮帶輪:

皮帶輪1：小端直徑42.5mm,大立而直徑49.5mm,長度160mm。

皮帶輪2：小端直徑43.0mm,大端直徑50.0mm,長度160mm。

（3）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu):

①主板：

o

o

d

o

z

圖14主板參數(shù)圖

②圓柱凸輪:

圖15圓柱凸輪參數(shù)圖

（4）支撐機(jī)構(gòu):

圖16支撐機(jī)構(gòu)立體模型圖

①承板:

圖17承板參數(shù)圖

②連桿:

1.3.4傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表3軸的轉(zhuǎn)速

軸序號各軸的轉(zhuǎn)速(r/min)

1600

21273

31273

44.5

55

表4齒輪直徑

齒輪序號齒輪分度圓直徑（mm）

6250.00

750.00

846.878

958