机械原理课程设计--网球训练发球机.doc

机械原理课程设计说明书

机械原理课程设计
说明书

设计题目 网球训练发球机

目 录
1. 设计题目 3
2. 机械系统的方案拟定 3
2.1 工作原理确定 3
2.2 执行构件及其运动设计 4
2.3 原动机的选择 4
2.4 执行构件的运动协调性设计 4
2.5 机构选型及组合 5
2.6 方案评价及优选 5
3. 相关机构的尺度综合 7
4. 机械系统的运动简图绘制及相关性能分析或说明 10
5. 课程设计体会及建议 11
6. 主要参考文献 11
7. 附录1 12
8. 附录2 12

1. 设计题目
为了减轻网球教练员陪练的工作强度，需设计一台网球训练较好用的发球装置。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。

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23.77m（长）×10.97m（宽），单打为22.77m（长）×8.23m（宽），而在每个端线内应留有空余地不小于6.40 m；球网的长度（即两网柱中心的距离）为12.80 m，网柱顶端距地平面为1.07 m，而球网中心上沿距地平面为0.914 m。
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的。
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。

2. 机械系统的方案拟定
2.1 工作原理确定

主要工作原理为通过挤压轮的摩擦使网球获得初速度，通过两轮速度的不同可以实现平直球和旋球。出球机构通过拨球杆防止网球卡在托盘，与偏心轮1连接曲柄滑块的往复运动来将球周期性送入发球机构。通过偏心轮2转动与连接的齿条带动球架上的齿轮转动，从而实现机构的左右旋转。
2.2 执行构件及其运动设计
1.出球机构
组成零件：拨球机构，偏心轮1及曲柄滑块。
2.发球机构
组成零件：输球通道，摩擦轮系含凸轮，动力源电机。
3.左右旋机构
组成零件：小型电机，偏心轮2，齿条。
4.支撑机构
组成零件：圆形支撑台，1个可调高度支撑架
2.3 原动机的选择
电动机转速：1459.46 r/min
电动机功率：200W
2.4 执行构件的运动协调性设计
全套机构通过一个电机驱动，通过复合轮1，2实现两轮的反向，再通过与挤压轮固连的凸轮皮带轮实现挤压轮速度的调节。电动机与其他运动构件为齿轮系连接，保证各执行构件的协调运动。
2.5 机构选型及组合
主要机构为出球机构、发球机构、左右旋机构、支撑机构
2.6 方案评价及优选

方案一

原理：采用抛石机原理，考杠杆把球抛掷出去。
优点：结构简单，便于设计。
缺点：因为是连杆机构，所以速度不能过高，如果速度过高，机构将产生强烈震动。无法实现旋球。

方案二
类牛头刨床机构：

原理：主要采用的是牛头刨床的急回原理，，因为急回现象存在着较大的瞬时速度，在击球的同时使球获得大的动能，从而实现抛球。
优点：该机构可以实现送球与抛球的协调统一，由于采用的是牛头刨床的急回原理，故结构可以稍微小一些。
缺点：由于是连杆机构，所以运动速度不可能过大，因此，球的抛射距离不会很远。无法实现旋球。

方案三

原理：通过两个挤压轮的摩擦使球飞出。
优点：
1.自动连续发球。
2.发球速度可调，且具有一定的速度。
3..落点的随机性。
4.可实现球的旋转。
比较：方案3在速度调节、工作范围、工作稳定性方面都相对较好，因此成为最终方案。

3. 相关机构的尺度综合
1．相关数据
标准网球场地尺寸：22.77m（长）×8.23m（宽），球网中心上沿距地面为0.914m。网柱顶端距地平面为1.07 m，而球网中心上沿距地平面为0.914 m。
网球发球装置的放置高度约1.25m。
2. 发球位置的确定
水平方向：L=V*t
竖直方向：H=1.25-0.5*g*t^2
球落地时间：H=0 则 t=0.505s
球落到网高的时间：H=0.914 则 t=0.262s

1)当网球发射机在底线处
则最小初速度V=L/(2*t)=22.77/(2*0.262)=43.321 m/s
则落球点位置P=v*t=43.321*0.505=21.877 m
由于网球场长为22.77 m 而落球点为21.877 m
落球点距离底线太近，且不满足题目要求，所以网球发射机不能放在底线处。因此发射机应该放在场地内。

2）当网球发射机在场地内
一般的网球球速为20~25m/s，现在取发球速度为20m/s
则发射机距离网的距离S=20*0.262=5.24 m
因此确定发球机到网的距离为 5.24 m

3.计算最大球速

网球最大初速度V=(S+22.77/2)/0.505=32.851 m/s

4.发射机摇摆角度和最小球速的确定

由图形可得

sinα=（8.23/2）/(22.7/2+5.24)=0.248
α=arcsin（0.248）=14.3°
所以摇摆角度为14.3°*2=28.6°
由此确定最小球速V=（5.24/cos(14.3°)）/0.262=20.641 m/s

5. 皮带轮转动速度的确定及凸轮大小半径的确定
网球水平方向速度 Vx取决于摩擦轮的速度，设上摩擦轮的速度为a,下摩擦轮的速度为b，出球速度示意图如下

Vx=（a+b）/2
网球直径为65.41~68.58mm，两轮中间的间隙也约为此数值，为了保证轮的稳定性，故选取轮的直径应大于球直径，也考虑到机构的体积不宜大，所以选取轮直径为网球直径的5倍，选35cm。

1)下皮带轮转速的确定
由Vx=20.641m/s和轮直径35cm可得出轮的转速大致为1126.326r/min
由Vx=32.851m/s和轮直径35cm可得出轮的转速大致为1792.594r/min
选取轮速（取中间值）：1459.46r/min
则下皮带轮朱转动速度为1459.46 r/min
2)上皮带轮最大半径和最小半径的确定
由于上轮是一凸轮，则设凸轮最大半径为c ,最小半径为d.
先给定下皮带轮半径和复合轮1的直径都为20cm
则其线速度为0.1*（1459.46*2*π/60）=15.283m/s
由于复合轮1和复合轮2半径一样，故复合轮2的线速度为15.283m/s

下挤压轮线速度为26.746m/s 要使网球有最小速度20.641m/s则上挤压轮线速度为14.536m/s 同理要使网球有最大速度32.851m/s则上挤压轮线速度为38.956m/s
则凸轮最大半径c=15.283/(14.536*2/0.35)=0.184 m
凸轮最小半径d=15.283/(38.956*2/0.35)=0.069 m

4. 机械系统的运动简图绘制及相关性能分析或说明

运动简图

说明：复合轮1,2为齿轮与皮带轮固连，挤压轮1,2分别与皮带轮1,2固连。其中皮带轮1,2为凸轮。

5. 课程设计体会及建议
通过这段时间的设计，我受益匪浅，我认为，这次的机械原理课程设计，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、团结意识、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
在学习知识方面有很大拓展，而且以往的一些课程内容得到了巩固。 当我们遇到一个问题时，能够很快的联想到曾经学习的专业知识，这使我们懂得平日里的知识掌握是十分重要的，我不再是只会做题而且更会运用，相信通过自己所掌握的专业能力一定能解决的平日里的一些问题。
组员在一起讨论问题让我们明白团结合作的重要性，就像人们常说的众人拾柴火焰高，每个人的不同思路能使问题简化，有助于问题的解决同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。设计改进中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道。团结协作是我们优化设计完成的一项非常重要的保证。
做事要有毅力要有恒心，通过慎重的考虑认真的分析，脚踏实地去完成它，克服重重困难，当你成功实现目标时，那种成就感一定会成为你成长的动力。
这次设计的题目是网球训练发球机。主要是确定机械传动的方案，通过出球机构、发球机构、左右旋机构及支撑机构使机构达到预计的运动。这次设计课程让我加深了对机械原理理论课程的理解和认识，培养了我用理论知识去解决实际问题的能力。也许我的这种方案不是最好的方案，但它还有很大的改进空间。我希望在以后的时间里可以更好地去完善自己的方案，让我的方案成为一个切实可行的服务于大众的好方案。
最后，感谢老师的悉心指导，感谢组员们的精诚合作。

6. 主要参考文献
1、孙恒、葛作模、葛文杰《机械原理》 七版 北京：高等教育出版社，2008。
2、梁崇高，陈海宗《平面连杆机构的计算设计》北京：高等教育出版社，1993。
3、尚久浩、张淳、李思益《自动机械设计》 北京：中国轻工业出半社，2003。
4、王三民 《机械原理与设计课程设计》    北京：机械工业出版社，2005。

7. 附录1：组内成员及完成的相关任务
景韬 参与方案的设计，报告说明书及ppt文件的制作。
王宁 方案原理的主要设计，语言描述。
徐浩然 参与方案的设计，绘图及相关计算。

8. 附录2：上交文件清单
1. 机械原理课程设计说明书（Word文档）
2. 机械原理课程设计（ppt文档）
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