网球发球机毕业设计论文

网球发球机作 者 姓 名 专 业 指导教师姓名 专业技术职务 教授 1目 录摘要.3第一章 绪论41.1 毕业设计的目的及意义.41.2 网球发球机技术的发展现状41.3 国内外网球发球机的研究现状51.3.1国外网球发球机的研究现状.51.3.2国内网球发球机的研究现状.61.4 网球发球机.7 1.4.1网球发球机设计要求71.4.2研究设计方法及技术路线71.5 本章小结.8第二章 网球发球机的工作原理及工作过程92.1网球发球机的工作原理.92.2网球发球机的工作过程.9第三章 网球发球机的机械结构设计.103.1发球装置.113.1.1发球动力.113.1.2发球装置的驱动系统123.1.3发球装置中轴的设计143.1.4轴承的选择.153.1.5键的选择.163.1.6联轴器的选择.173.2 调节俯、仰角度装置.183.2.1电机的选择.183.2.2键的选择183.2.3联轴器的选择193.2.4齿杆的选择203.2.5轴承的选择203.3供球装置.213.4底板与壳体223.5本章小结.222第四章 网球发球机的控制系统设计.22第五章 总结23参考文献25致谢263 3摘 要为了使练习者能更好地自学习网球技术以达到健身的目的，从而提高全民参与网球运动的积极性，针对网球发球的特点，从总体上设计了一台新型的网球发球机。本文论述了智能网球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统，并探讨了网球发球及控制系统的设计原理，从摩擦轮发球原理谈起，介绍了网球发球机的结构和系统设计。在此基础上，设计了一种新型的、性价比高的发球装置。该装置利用双轮摩擦原理，发出各种适合练习者需要的球，同时利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行远程控制，以满足练习者的各种技术需要。关键词：网球发球机 工作原理 系统设计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 概论1.1 毕业设计的目的意义作为新世纪的大学生，作为祖国现代化建设的主力军，我们肩负着历史赋予的神圣使命。我们在大学校园里度过了四年美好的时光，学到了很多专业知识。通过毕业设计，可以综合性地运用几年内所学的机械专业知识去分析、解决问题，在作毕业设计的过程中，所学知识会得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼，可以不断提高学生的创新能力，增强学生即将跨入社会去竞争，去创造的自信心。1.2 网球发球机技术的发展现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占的比例呈持续增长趋势。可以预见，随着人们生活质量的不断提高，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也必将随之不断扩大。网球运动近年来传入我国后，普及迅速，尤其深受广大青年人的喜爱。但对于初学者来说，要想在短时间内很快地提高技术，没有先进的网球训练设施是很难实现的。而目前国内网球球馆的设备仍存在着较大的缺陷，特别是用于发球的网球发球机，科技含量较低，价格较高，容易损坏，在一定程度上影响了人们的使用。鉴于此，开发一种科技含量高、价格低、美观耐用、大容量的智能网球发球机具有广阔的社会效益和经济效益。由相关文献和网上资料调查得知：国外对网球发射器的研究开始得相对较早，最早的专利是 1998 年美国的 Rose 发明的。此后，各国纷纷开始投入此项5研究，其中美国、英国和日本占主导地位，技术成熟，且有一些产品已经投入市场使用。此外，国外对网球接发球的研究要细腻得多，除了通过对蹬地转体到鞭打等增加发球时速的一系列动作的研究外，更是要求如何在发球的过程中，是核心力量更集中，逐渐由上步的动作改为不上步。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近些年来也涌现出了很多这方面的想法和创意，但是并没有申请国家专利。目前我国的大部分网球发射器生产厂家还是应用国外的网球发射技术。我国的网球发射技术既不先进也不十分成熟。本课题研究的题目为“智能网球发球机” ，主要是利用机械电子相结合的技术，对现有网球发球机的结构、控制电路加以改进升级，设计出一种低成本、耐用、美观且可控的多功能智能网球发球机。可发出上旋球、下旋球、中场、后场等，为使用者提供底线、中场、网前等各种训练，并可自动发球，便于单人正、反手跑动训练或双人同时训练，所具备的遥控可为教学、训练或单人使用带来极大的方便。并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了不同技术阶段的“多种训练”和“肌肉一记忆运动”的强化训练，使学者掌握规范全面技术的时间大为缩短。1.3 国内外网球发球机的研究现状1.3.1 国外网球发球机的研究现状国外网球发球机的起步较早。它们的主要功能有可发出上旋球、下旋球、侧旋球、直球、高吊球、网前球、后场球、底线球、短截击球及边线球等。它既适合普通练习者的需求又能满足运动员的日常训练要求。目前世界生产网球发球机的厂家比较多，最具有代表意义的是美国 TUTOR公司和 LOBSTER 公司生产的网球发球机。二者所采用网球发球原理不同，前者是高性能网球发球机，它通常是利用两个高速旋转的轮子(旋转方向相反)，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滑轮滚入两轮之间的时候，轮子将球喷6出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一个道理，只不过车轮滚石只用到一个轮子。而后者是利用空气压缩原理来工作。压缩空气使用一个空气压缩机产生。球被装入长桶的底部由一个窄口固定住，这个窄口的直径略小一些，当压缩空气推挤网球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。现在市面上销售的网球发球机多以对转双轮原理为主，这是因为空气压缩发球机的噪音极大而且不能提供高的性能，而对转双轮发球机能提供高的性能。同时，空气压缩发球机消耗的功率很大，无法使用电池来供电，其优点是价格比较便宜。美国和德国生产网球公司不仅在发球机构上有独到之处而且在控制方面也处于领先地位。他们能够采用计算机远程控制，并备有遥控装置可以同时测速。1.3.2 国内网球发球机的研究现状相对国外而言，国内网球发球机的研究才刚刚处于一个起步阶段，用于成品的很少。主要有以下几个典型方面。1.丰润牌网球发球机:该机型由台湾丰润集团生产研制，它利用对转双轮原理的特性，借助于轮子和球之间的摩擦力来获取能量，使球获得一定的初速度将球发射出去。这个原理和双轮旋转发球原理同出一则。它的优点很明显，即:速度高、易控制、经济实惠。缺点是故障率高、质量差。2.力王牌举升式网球发球机该机是由北京太阳计算机技术公司生产研制的举升式网球发球机，升华了科学训练过程。对初学者和专业选手均提供了不同技术阶层的”多球训练“和网球运动是“肌肉记忆运动“的强化训练，使掌握规范网球技术的时间大大缩短为“一年赛三年” 。举升式网球发球机是一种比较先进的网球发球机。此机可发出上旋、下旋、平击球，可仿真模拟网球运动时真实击出的左侧上旋或下旋7球，右侧上旋或下旋球，更可以仿真发出落点在发球区内任意点球的全新功能，提供了网球运动中重要的接发球技术高难度训练。在设计理念上采用了电动控制与液压技术相结合，这样不仅解决了上下旋转不好控制等问题，而且增加了发射的准确性。我国对此类装置的研究虽然起步较晚，但近些年来也涌现出了很多这方面的想法和创意，但是并没有申请国家专利。目前我国的大部分网球发射器生产厂家还是应用国外的网球发射技术。我国的网球发射技术既不先进也不十分成熟。1.4 网球发球机器人1.4.1 网球发球机器人设计要求设计一款自动网球发球机，此便携式网球发球机既可用于训练专业网球运动员的特定动作与快速反应能力，又可以作为个人体育锻炼及高校网球教学训练器材使用。结构设计合理，实现在无交流电源下使用，可以发出各种适合练习者需求的球，具有携带方便，操作简易，收纳不占空间，成本低廉，功能齐全，控制灵活的特点。1.4.2 研究设计方法及技术路线本网球发球机是有机结合了单片机技术、自动控制技术、机械运动等现代技术，根据网球运动的特点和竞技训练理论，实现智能化给球的自动化设备。本网球发球机与传统的空气压缩发球机不一样，采用了摩擦作为动力源以击打网球，用两个高速旋转的轮子，它们的旋转方向相反（所以后面用对转双轮来描述） 。轮子间的空间很小。当球从滑轨滚入两轮之间的时候，轮子就将球喷出。使网球快速飞向指定区域。本网球发球机由动力装置，调节俯、仰角度8装置，储球装置，供球装置，电控等几大部分组成。 调节俯、仰角度装置由支轴架、轴、双支承板架、齿杆、齿轮、丝母、步进电机组成；供球装置由供球盘、分球轮、拨球弹簧、挡球柱、供球孔组成。在壳体与盛球箱之间，在壳体顶口内装供球盘，靠近伸缩把手的供球盘内加工有容纳分球轮的孔，分球轮置入该孔内可作相对运动，分球轮上均分有三个供求孔，与三个供球空的位置相对应，靠近伸缩把手一侧的分球轮的孔地面上，加工一个与供球孔直径相同的孔，于该孔上方，在供球盘的内侧上布有两个挡球柱，于分球轮的顶柱上均置三个外套塑料的拨球弹簧；该供球装置主要将集中在盛球箱内的球，按设定的时间，有间隔的准时供给 2#电机驱动轮上，并设有按时间顺序供球和实现 120 秒间隔出球的自动控制。 主要创新点 （1）该网球陪练机采用摩擦作为动力源，具有变角度、变速度、多功能的半自动（全自动）网球陪练发球机器人；（2）送球系统通过分球轮的转动，及拨球弹簧的拦截，使网球一个一个的送入没有挡球柱的两个供求孔内；（3）由于两个电动驱动轮的转向相反，网球受两个高速驱动轮的驱动，通过出球孔抛掷指定区域。推广应用价值： 该网球陪练机的开发符合网球训练的要求，主要适用于运动员、业余网球爱好者及高校网球教学中的基本训练，包括各种击球技术的训练，步法训练等等，将有利于提高网球训练的效率，有利于训练网球爱好者的实战性，竞技水平，还可以大大地降低教练员的工作强度，加快网球学习者掌握网球技术的速度。同时，此网球发球机各部件需要用计算机制图软件如 Auto CAD 画出详细的零件图和整体装配图。1.5 本章小结本章主要介绍了本次毕业设计的目的，以及国内外网球发球机的研究现状，让大家对网球发球机有一个初步的了解，从而能够更好的阅读本设计论文，同9时介绍了本人设计的网球发球机的设计要求，研究设计方法及技术路线，为第二章的工作原理与工作过程的论述做好准备。第二章 网球发球机的工作原理及工作过程2.1 网球发球机的工作原理目前在市场上销售的高性能网球发球机都是用轮子来发球的。因此本设计也就采用此基本工作原理，即通常是用两个高速旋转的轮子，他们的旋转方向是相反的，因而又被称为对转双轮。两个轮子间的空间很小。当球从滑轨滚入两轮之间的时候，轮子就将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一样的。只不过车轮滚石只用到一个轮子。此外，对转双轮发球机的双轮相对转速的变化可以改变球的选转。当上面的转轮转得比下面得转轮快时，发出来的是上旋球。当下面的转轮转得快时，发出来的是下旋球。当然，当双轮转速相同时，机器人发出平击球。 2.2 网球发球机的工作过程首先，根据训练要求，调节好水平角度，和俯、仰角度，在盛球箱内可盛500 个以内的网球，接通电源，用遥控器或者手动依次开启供求装置中的步进电机。1#电机驱动轮、2#电机驱动轮、分球轮，就开始转动。此时，网球受到拨球弹簧的拦截，就会将一个一个网球分别送入没有挡球住的两个供求孔内，且分球轮继续转动，当装有网球的供求孔与供球盘上的供求孔对准后，其网球就会落下，并沿上、下导球槽送到 1#电机驱动轮和 2#电机驱动轮之间的间距中。由于 1#电机驱动轮为沿顺时针方向转动，而 2#电机驱动轮沿逆时针方向转动，网球受两高速驱动轮的驱动，就将网球通过出球孔抛射至指定位置。10如此循环操作，就可以很轻松的实现网球教学与训练。其操作、使用都是十分方便。宗以上采用的技术措施，实现本设计的目的。第三章 网球发球机的机械结构设计在各种机械中，结构主要起支撑或者传递载荷的作用。由于金属材料具有强度高、重量轻、质量稳定的特性，因此，现在绝大部分的机械结构都使用金属材料制成的。在这个意义上，机械结构又可称为金属机构。它是以金属材料轧制的型钢（角钢、工字钢、槽钢、钢管等）和钢板等作为基本元件，通过焊接、铆钉或螺栓等方式，按一定的规律连接制成基本构件后，再用焊接、铆钉或螺栓等将基本构件联结成能够承受外在载荷的结构物。金属结构和其他材料制成的结构相比，具有下列一些特点：1）强度高、重量轻 金属结构大都采用钢材。钢材比木材、装饰、混凝土等材料的强度要高出很多倍，因此，当承受的载荷和条件向同时，用钢材制成的结构自重较轻，所需截面较小，运输和架设易较方便。2）塑性和韧性好 钢材具有较好的塑性。在一般情况下，不会因偶然超载或局部超载造成突然断裂或破坏，而是事先出现较大的变形前兆，以便人们采取补救措施。钢材还具有良好的韧性，使得结构对经常作用在机械上的动载荷的适应性强，为金属机构的安全使用提供了可靠保证。3）材质均匀 钢材的内部组织均匀，各个方向的物理力学性能基本相同，很接近各向同性体，在一定的应力范围内，刚才处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较符合，故计算结果准确可靠。4）制造方便，具有良好的装配性 金属结构是通过机械加工制成的型钢和钢板等组成，采用焊接、铆接或螺栓等手段制造成基本构件，运至现场装配拼接。故制造简便、施工周期短、效率高，且修配、更换也方便。5）密封性好 金属结构如采用焊接连接方式易做到紧密不渗漏，密封性11好，是用于制作容器、油罐、油箱等。6）耐腐蚀性差 有些机械特别是工程机械，经常处在潮湿环境中作业，用钢材制作的金属结构在湿度大或有侵蚀性的介质情况下容易锈蚀，因而需要经常维修和保养，如除锈、油漆等维护费用较高。7）耐高温性差 钢材具有一定的耐热性，但不耐高温，随着温度的升高，钢材强度会下降，因此对重要的结构必须注意采取防火措施。下图为我设计的网球发球机器人的原理图：3.1 发球装置3.1.1 发球动力本网球发球机与传统的空气压缩发球机不一样，采用了摩擦作为动力源以击打网球，用两个高速旋转的轮子，它们的旋转方向相反（所以后面用对转双轮来描述） 。轮子间的空间很小。当球从滑轨滚入两轮之间的时候，轮子就将球喷出。使网球快速飞向指定区域。通过改变对转双轮的转速来发出上旋球，下旋球，平击球等。123.1.2 发球装置的驱动系统电气驱动是利用各种电机产生的力或转距，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能转化为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动，由于电气驱动具有益于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最普遍、应用最多的驱动方式，90 年代后生产的机器人大多数采用这种驱动方式。由于本课题所研究的乒乓球发球机器人的驱动负载小，要求结构简单，控制灵活，所以我选用了电气驱动方式。步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度称为步距角 ，简称为步距。脉冲一个一个的输入，电动机便一步一步的转动。控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种需要的运行特性。本设计的主轴传动由于要带动整个发球机构，因此选用三相功率步进电动机，其输出转矩一般为 5Nm7 Nm。本设计的发球装置中的电动机选用输出功率为 0.75kw。步进电动机的主要性能指标 (1) 步距角 是步进电动机的主要性能指标之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步进角 时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足TLmax式中，Tst步进电动机起动转矩；TLmax 最大静负载转矩。通常取Tst= TLmax/（0.30.5）以便有相当的力矩储备。（3）精度精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。对于所选用的步进电动机，其步距精度 应满足=i(L)式中，L负载轴上所允许的角度误差。至于输入电压 U、输入电流 I、相数 m 这三项技术指标，反映了步进电动机对驱动电源所提出的要求。由于网球发球机器人的发球机构，要求能够灵活控制角度、方向，因此选择步进电动机。由于本设计侧重于结构方面，因此上述参数就不予计算了。3.1.3 发球装置中轴的设计考虑发球速度，网球发球机器人供球装置的水平方向转速适中即可,初选电机的额定功率为 0.75KW，经调角轮与连臂杆传递效率是 90%，则轴传动的功率是：14。80%.7580.6PeKW计算轴的最小直径：；/63/min2vnrR由转矩确定轴的最小尺寸 233950795067TWd 062A取 d=30mm。校核轴的强度1、各轴转速电动机轴： nm= 150r/min 减速器轴： n1=nm/i1=150/5.12=29.73 r/min主轴： n2=n1/i3=29.73/2.973=30 r/min其中nm为电动机满载转速，n1 、n2分别为减速器轴、主轴的转速2、各轴所传递的功率电动机轴： Pd=0.75kw减速器轴： P1=Pd1 =0.750.92=0.69 kw主轴： P2=P12 =0.690.96=0.66 kw其中 Pd 为电动机输出功率，P1、P2 分别为、轴上所传递的功率。3、各轴所传递的转矩电动机轴：Td=9550 =9550 Nm =7.46NmmdnP96075.轴： T1=Td i11 =7.460.92=6.8632 Nm轴： T2=T1i32 =6.86320.96=6.59Nm其中 Td 为电动机轴所受转矩，T1、T2 分别为、轴上所受转矩。转速(r/min) 传递功率(kw) 传递转矩(Nm)电动机轴 150 0.75 7.46 轴 29.73 0.69 6.863215 轴 10 0.66 6.59因为扭矩切应力为脉动循环变应力，则 =0.6，MPadWTMca 67.13.094)(22；tbd2)(3则 Paca545 钢的许用应力为 =60Mpa 52MPa；ca式中： 轴的计算应力，单位为 Mpa；caM 轴所受的弯矩，单位为 Nmm；T 轴所受的扭矩，单位为 Nmm；W 轴的抗弯截面系数，单位为 mm3，计算公式见表 15-4；因此得出直径为 30 的轴强度满足要求。 3.1.4 轴承的选择滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。本设计所选用的常用滚动轴承的类型、主要性能和特点如下表：类型代号类型名称结构代号基本额定动载荷比极限转速比轴向承载能力轴向限位能力性能和特点6深沟球60000 1 高 少量 主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。工作中允许内外圈轴向偏16轴承斜量=8 16，大量生产，价格最低。本设计的供球装置中的轴主要承受径向载荷和少量轴向载荷，轴径为30mm，因此选用深沟球轴承，轴承代号为 6006，原轴承代号106.d=30mm,D=55mm,B=13mm；基本额定动载荷为： ;基本额定13.2rNCKF静载荷为: 极限转速,脂润滑 10000r/min,油润滑;8.30NCorKF13000r/min，满足所要求运动.3.1.5 键的选择此键选择最常用的平间连接，由轴确定平键的尺寸并进行强度核算：键连接处轴的直径为 36mm，则选择键的公称尺寸为键宽 b键高 h 为：10 8,键的长度 L=18。需要较紧键连接，则轴和毂为过盈配合，圆角半径 r 最小为 0.16，最大为 0.25。键连接的强度计算：对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平间连接（静连接） ，键失效的主要形式为工作面被压溃，除非有严重过载，一般不会出现键的剪断，因而通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为1023pPdlkT式中：T 传递的转距（T=FyFd/2） ，单位为 Nm；k 键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处 h 为键的高度，单位为 mm；l 键的工作长度，单位为 mm，圆头平键 l=Lb，平头平键l=L，这里 L 为键的公称长度，单位为 mm，b 为键的宽度，单位为 mm；d 轴的直径，单位为 mm；键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力，单位为pMpa，见表 6-2。T=F r=733 22.5 =16.5 m310N17k=0.5h=4.5mml=L-b=16-10=6mm3216.502.1454ca MPa由设计手册和在轻微冲击下， =100130Mpa 远大于 ，故键满足使用条件。p r3.1.6 联轴器的选择此设计中选用没有弹性远见的挠性联轴器，这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减震。采用十字滑块联轴器，十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用 45 钢，工作表面需进行热处理，以提高其硬度，要求较低时也可用 Q275 钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应该从中间盘的油孔里注油进行润滑。因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。这种联轴器一半用于转速 n250r/min,轴的刚度较大，且无剧烈冲击处。效率 =1-(35)fy/d，这里 f 为摩擦系数，一般取为 0.120.25；y为两轴间径向位移量，单位为 mm，d 为轴径，单位为 mm.3.2 调节俯、仰角度装置调节俯、仰角度装置由伺服电机、齿杆、支轴架、铰轴、双支承板架、丝母组成；183.2.1 电机的选择伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。对比直流伺服电机，交流伺服电机要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。考虑到改角度调节装置对速度要求不高，但需要外型尽量小巧型的电机，因此，在此调节俯，仰角装置中采用 SL 系列交流伺服电动机 45SL001。频率400Hz。空载转速 9000r/min。3.2.2 键的选择此键选择最常用的平间连接，由轴确定平键的尺寸并进行强度核算：键连接处轴的直径为 12mm，则选择键的公称尺寸为键宽 b键高 h 为：4 4,键的长度 L=10。键连接的强度计算：对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平间连接（静连接） ，键失效的主要形式为工作面被压溃，除非有严重过载，一般不会出现键的剪断，因而通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为1023pPdlkT19式中：T 传递的转距（T=FyFd/2） ，单位为 Nm；k 键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处 h 为键的高度，单位为 mm；l 键的工作长度，单位为 mm，圆头平键 l=Lb，平头平键l=L，这里 L 为键的公称长度，单位为 mm，b 为键的宽度，单位为 mm；d 轴的直径，单位为 mm；键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力，单位为pMpa。T=F r=177 6 =1.06 m310Nk=0.5h=1mml=L-b=10-4=6mm Mpa4.29160.23P由设计手册和在轻微冲击下， =100130Mpa 远大于 ，故键满足使用条件。p r3.2.3 联轴器的选择此处选择刚性凸缘联轴器，刚性联轴器分为凸缘联轴器、径向键凸缘联轴器、套筒联轴器、夹壳联轴器和平行轴联轴器,凸缘联轴器对两轴对中性的要求很高，当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。优点：但由于结构简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常采用。根据轴孔直径12mm，此处选择 GY1型凸缘联轴器3.2.4 齿杆的选择与丝母啮合部分此部分设计为螺杆，使用螺旋传动，螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。本装置中的螺杆部分主要是将电机的回转运动转变为直线运动。20根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有以下两种：一是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；另一种是螺母固定，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器或螺旋压力机中。本装置中采用了第一种，即螺杆转动，螺母移动，从而带动双支撑板架运动，来实现网球发球机器人的俯、仰角度调节的功能。选择梯形螺纹，因此由 ，其中 Pp=15， =320.65FdPp340.15=17.9mm由此计算并选出小径，大径及螺距：螺距 p=2.5mm大径 d=20mm中径 d2=18mm小径 d1=17mm并由此选出螺母。3.2.5 轴承的选择推力轴承是用来专门承受轴向力的专用轴承,就是轴垂直的方向的力的轴承. 推力轴承也称作止推轴承.由于在此装置中，为了实现齿杆在竖直位置的固定，因此选择立式推力轴承。 本设计的调节俯，仰角装置中的齿杆主要承受轴向载荷和少量径向载荷，轴径为 19mm，因此选用推力球轴承，轴承代号为 51203，原轴承代号为 8203， d1=19mm,D=35mm；基本额定动载荷为： ;基本额定静载荷为:17.0rNCKF极限转速,脂润滑 4500r/min,油润滑 6300r/min，满足所要;27.NCorKF求运动.213.3 供球装置供球装置由、电动驱动轮、出球孔、盛球箱、由供球盘、分球轮、拨球弹簧、挡球柱、供球孔组成。在壳体与盛球箱之间，在壳体顶口内装供球盘，靠近伸缩把手的供球盘内加工有容纳分球轮的孔，分球轮置入该孔内可作相对运动，分球轮上均分有三个供求孔，与三个供球空的位置相对应，靠近伸缩把手一侧的分球轮的孔地面上，加工一个与供球孔直径相同的孔，于该孔上方，在供球盘的内侧上布有两个挡球柱，于分球轮的顶柱上均置三个外套塑料的拨球弹簧；接通电源，用遥控器或者手动依次开启供求装置中的步进电机。1#电机驱动轮、2#电机驱动轮、分球轮，就开始转动。此时，网球受到拨球弹簧的拦截，就会将一个一个网球分别送入没有挡球住的两个供求孔内，且分球轮继续转动，当装有网球的供求孔与供球盘上的供求孔对准后，其网球就会落下，并沿上、下导球槽送到 1#电机驱动轮和 2#电机驱动轮之间的间距中。由于 1#电机驱动轮为沿顺时针方向转动，而 2#电机驱动轮沿逆时针方向转动，网球受两高速驱动轮的驱动，就将网球通过出球孔抛射至指定位置。该供球装置主要将集中在盛球箱内的球，按设定的时间，有间隔的准时供给 2#电机驱动轮上，并设有按时间顺序供球和实现 120 秒间隔出球的自动控制。3.4 底板与壳体底板和壳体等零件，在一台机器的总质量中占有很大的比例（例如在机床中约占总质量的 70%90%） ，同时在很大程度上影响着机器的工作精度和抗震性能，若兼作运动部件的滑道（导轨）时，还影响着机器的耐磨性等。所以正确的选择底板和壳体等零件的材料和正确设计其结构形式及尺寸，是减小机器22质量、节约金属材料、提高工作精度、增强机器刚度及耐磨性等的重要途径。底板和壳体的结构形状和尺寸大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置、受力与运动情况等。设计时，应使所装的零件或部件便于装拆与操作。设计底板和壳体时，为了机器装配、调整、操纵、检修及维护等的方便，应在适当的位置设有大小适宜的孔洞。箱体零件上必须镗磨的孔数及各孔位置的相关影响应尽量减少。位于同一轴线上的各孔直径最好相同或顺序递减。3.5 本章小结本章是此设计论文的重点所在，详细介绍了我设计的网球发球机的组成部分，与各组成部分的零件选择、设计，由于知识水平和经验的有限，考虑不够周全，设计中难免有些错误和不完善的地方，在此表示歉意。第 4 章 网球发球机器人控制系统设计控制系统的控制方式及工作原理机器人控制器从算法的处理方式看，可分为串行、并行两种结构类型。其中，串行控制器从计算机结构和控制方式可分为三种:(l)单 CPU 结构，集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部的控制功能，但是控制过程需要许多计算，如坐标变换等，因此，这种控制结构速度最慢，而且，控制系统不易维护。(2)二级 CPU 结构，集中控制方式一级 CPU 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能等。二级 CPU 完成全部关节数字控制。这类系统的两级 CPU 之间没有联系，仅23通过公用内存交换数据，是一个松祸合关系。(3)多 CPU 结构，分布式控制方式目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理及运动学计算，轨迹规划等;下位机由多 CPU 组成，每个 CPU 控制一个关节运动。这些 CPU 和主控机联系是通过总线形式的紧藕合。这种结构控制器的工作速度和控制性能明显提高。本网球发球机器人在选择控制方案时，不需要采用多 CPU 结构，仅采用二级 CPU 结构(如图 2.2 所示)。PC 机作为上位机通过串行通信接口与下位的单片机 MCU 进行通信，可以实现网球发球机器人的单片机自主控制和 PC 机控制两种方式。单片机控制接受上位机的控制指令或自主控制电机驱动电路以实现所要求的功能，上位机可以实现网球发球机器人的远程在线控制，进行训练效果监测。24第五章 总结大学四年的学习结束了，通过这次毕业设计，我能够熟练运用机械设计课程和其它先修课程的理论和实际知识，培养了分析和解决实际问题的能力，掌握了机械设计的一般规律，树立了正确的设计思想。学会了从机器功能的要求出发，合理选择执行机构和传动机构的类型，制定传动方案，合理选择标准部件的类型和型号，正确计算工件的工作能力，确定其尺寸、形状、结构及材料，并考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题，培养了机械设计能力。通过这次毕业设计，我还学习了运用标准、规范、手册、图册和查阅科技文献资料以及计算机应用等，培养了机械设计的基本技能和获取有关信息的能力。同时使我的 AUTO CAD、PRO/E 等制图软件的操作更加熟练。不可否认，设计的过程中还有很多不足的地方，我会加倍努力，继续学习，争取在以后的学习工作中做出好的成绩，回报在大学期间帮助过我的老师，同学。经过三十多年的改革开放，我国的社会主义现代化建设正在蓬勃发展，面对国内生产任务的增长，和国际竞争形势的严峻，各个生产部门都对机械产品和技术装备提出了日益增长的需求，已经从事和正在培育成长的机械设计工作者都在面临着光荣而艰巨的任务。我们一定要学好机械设计的基本理论、基本知识和基本技能，并在此基础上，刻苦钻研，努力奋斗，树雄心，立壮志，攻难关，攀高峰，不断用先进的设计理论和生产技术来武装与发展我国的机械工业，密切结合用户需求和国内外市场动向，创新开发出高质量、高性能、多品种、多功能的现代化机器人，为推进全人类的物质文明和精神文明建设做出应有的贡献。25参考文献1 裴若忠.智能网球发球机D. 长春理工大学, 2006:117-1192 董晓奇,高明.多功能网球发球机P.中国专利:CN2234288, 1996-09-04. 4-73 吴广玉，姜复兴.机器人工程导论M.哈尔滨工业大学出版社，1988:9-17，266-278，196-2414 郑香梅，简易智能网球发球机关键技术研究D，东南大学，2010.1-55 网球三维运动参数采集及技战术实时自动分析系统的运用研究 Bulletin of Sport Science & Technology 2011/01:3-56 网球自动发射器的研制 机械设计与制造 2007/03 中国期刊全文数据库7 刘文剑.工业机器人设计与应用.黑龙江科学技术出版社M，1990:115-1178 YojiUmetani.AReviewonAdvaneedRoboties.Proeeedings 91 International Symposiumon Advaneed Robot Teehno1ogy.1991:3-69 We1sbinC.B.etal.HERMIES-111:ASt TowardAutonomous Mobility Manipulation and Pereeption. Roboties.1990(8)10 Hermano190 Kerbs.Robot-Aided Neuro rehabilitation. IEEE TRANSACTION SONRE HABILITATION ENGINEERING.1998(6):75-862611 李铁才，杜坤梅.电机控制技术M.哈尔滨工业大学出版社，2002(12):7 一 5512 张立勋，孟庆鑫，张今瑜.机电一体化系统设计M.哈尔滨工程大学出版社，1997:23-613 濮良贵. 纪名刚, 机械设计M. 第七版. 高等教育出版社, 199614 周开勤. 机械零件手册S. 高等教育出版社, 199415 吴宗泽. 机械设计实用手册S. 化学工业出版社, 199916 机械工程手册编委会. 机械工程手册S. 第二版：传动设计卷. 机械工业出版社, 199717张福润. 机械制造基础M. 华中理工大学出版社, 199718王先逵. 机械制造工艺学M. 机械工业出版, 1995致谢在毕业设计即将结束之际，本该是一件值得很庆幸的好事，但却苦于不知道以怎样的方式来表达在毕业设计中帮助过我的老师、同学及学院领导，更不知道用什么样的词句来形容此时此刻的心情，我想没有他们的帮助，毕业设计就不会做得这么顺利，我在这儿只有向所有帮助过我的同学、老师和领导说一声：你们辛苦了，谢谢！我的四年大学生活也将要圆满结束了，回想四年来的大学生活，真是感慨万千！这次的毕业设计注定也是一生难忘。我之所以可以顺利完成这次设计，离不开老师的帮助。我感谢学校能给我这次机会，也感谢老师为我提供的各种条件，使我可以顺利的完成任务。 在这里，我特别感谢我的指导老师。他是一个非常认真的老师，无论是从资料的提供上，还是在设计过程中难题的解答上，老师对我的帮助是很大的。由于这是我第一次自己设计产品，在没有足够的知识和实践经验的情况下。如果没有魏老师的帮助，我要完成任务将是非常困难的！感谢老师的指导和关心。27我虽然完成了我的设计任务，可是由于知识的短缺和经验的不足，我的设计可能有很多的缺点和不足，在以后的学习和工作中我会更加努力的！感谢我的指导老师，感谢我的同学，感谢所有帮助过我的人！ 谢谢你们！