羽毛球自動發球機及其控制系統的設計與實現設計說明書

羽毛球自動發球機及其控制系統的設計與實現設計說明書,羽毛球,自動,發球,及其,控制系統,設計,實現,說明書 XXX設計（論文）任務書畢業論文（設計）題目 羽毛球自動發球機及其控制系統的設計與實現 學 院：XXX 專業： XXXXXXX 班級： XXXXXXXX 學 號： 姓 名： 一、畢業論文（設計）應完成的主要內容所選課題根據羽毛球的特殊性對現有的羽毛球自動發球機性能進行改良和提升，減少出球口對羽毛的損傷。通過連桿機構專有的特點，實現發球的多樣性。提高發球質量，減輕人體勞動。 設計這種全自動的發球機供人們日常健身和體育訓練使用。主要內容包括：在分析和比較羽毛球發球機發球原理的基礎上對羽毛球發球機的發球方向和發球速度等運動規律進行分析，設計出一臺羽毛球發球機，主要功能和特點：連續發球、發球方式多、發球變化大、操作簡便、發致性好等特點。要求完成發球機的總體結構設計，選擇發球機的發球方向和發球速度的檢測和控制系統。 具體內容： 1 發球機總體的構造與布局；2 發球機的工作原理；3 發射電機中的齒輪設計。二、畢業論文（設計）的基本要求及應完成的成果形式1完成方案的總體設計，并進行優化方案；2對機械結構進行設計，并繪制圖紙；3.對控制部分進行設計，滿足運動要求；4按要求撰寫畢業設計論文；三、畢業論文（設計）的進度安排課題研究進度安排表階段（時間）任 務第一階段（2017年10月20日11月15日）畢業設計動員及畢業設計選題。第二階段（2017年11月16日11月30日）指導教師下達畢業設計任務書。第三階段（2017年12月1日12月15日）撰寫畢業設計開題報告。第四階段（2017年12月16日12月30日）畢業設計開題答辯。第五階段（2018年1月1日3月1日）上交畢業設計作品，指導教師審閱。 第六階段（2018年3月2日3月15日）上交畢業論文初稿，指導教師審閱并指出修改意見。 第七階段（2018年3月16日3月31日）畢業設計中期檢查。第八階段（2018年4月1日4月15日）畢業論文二審并查重。第九階段（2018年4月16日4月30日）上交畢業論文（設計）相關材料，提交答辯申請表。第十階段（2018年5月4日5月10日）畢業答辯四、 畢業論文（設計）應收集的資料及主要參考文獻1 張友德,涂時亮. 單片微型機原理、應用與實驗M.上海:復旦大學出版社,2000。 2 W Lucas:Computers in arc welding-the next industrial revolution. Partla:Anintrodution to computer technology. Metal Construction. 2011(10)P633-P666 3 張毅剛.MCS-51 單片機應用系統設計M. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2015。 4 鄭堤,唐可洪. 機電一體化設計基礎M.北京：機械工業出版，2014。 5 趙松年. 機電一體化控制系統設計M.北京：機械工業出版社，2009。 6 陳伯時. 電力拖動自動控制系統M. 北京：機械工業出版社，2016。 7 陳寶江. MCS單片機應用系統實用指南M. 北京：機械工業出版社，2013。 五、 其他要求撰寫規范按照學院統一安排的格式進行。指導教師簽名： 劉霞 2017 年 11 月 22 日3XXXXX（設計）開題報告題目： 羽毛球自動發球機及其控制系統的設計與實現作者單位作者姓名專業班級作者學號指導教師（職稱） 20XX 年 01 月（設計）開題報告一、選題背景與意義在我國羽毛球運動是一項很普及的運動，深受廣大健身愛好者的喜愛。目前羽毛球發球機的種類較少，有很大的發展空間。體育產業化的每年產值已達到2000億美元。發球機投放市場和使用將填補國內空白，隨著國家對羽毛球運動的重視，各類專業隊的訓練型發球機總需求量至少1500套，選拔測試用發球機由于他的特殊作用，需求量較少。另外，隨著全民健身運動的發展，各類健身場館的發展也很快，應用于城市健身場館的發球機需求量至少為3000套，由于羽毛球運動不受場地的限制，各類公共場所也可設置羽毛球發球機供人娛樂，全民健身發球機的需求量若干套。二、國內外研究現狀及發展趨勢目前國外的羽毛球發球機發展比較晚，其功能比較單一，自動性能也比較不高，國外生產羽毛球發球機的廠家比較少，具有代表意義的廠家是北美最大的羽毛球公司BlackKnight的發球機:黑騎士8BlackKnight公司之黑騎士發球機 黑騎士發球機是由長方形箱體，抓球桿，推球桿，減壓氣閥，空氣電磁閥，發射氣嘴，單片機等主要部件組成。其中，長方形的箱體中分為上下兩部分，上半部分是一個底部傾斜的球筒箱，球筒箱中裝有推球桿，推球孔，出球孔，棄球孔，棄球孔擋板，棄球孔電機，分球圈，球筒箱可連續提供單個羽毛球；下半部分包括減壓閥，儲氣室，空氣電磁閥，氣嘴，炮管，發射孔，單片機控制單元；抓球桿從球筒箱的出球孔抓取羽毛球放入炮管內，讓羽毛球球托內側貼在氣嘴上，然后空氣電磁閥打開，氣嘴噴氣射出羽毛球。這種發球機發球頻率很快，不過發球方向需靠手動調節才能改變且噪聲大。國內的羽毛球發球機起步比較早，早在1997年臺灣有位專業人士通過創造發明申請了第一個有關羽毛球發球機的專利。羽毛球發球機從半自動發球機發展到現在的全自動發球機，結構分布和設計原理日趨成熟，種類多樣，主要有以下幾個典型款式:1.斯波阿斯公司之ss-y1-6型羽毛球發球機9這種發球機有1-20個落點可通過自己編程序選擇不同落點發球，有12種運行模式，每30秒自動改變發射，擁有遙控和面板雙重操作系統和110V/220VAC交流電源。 遙控自動升降系統，發球高度最高可達2.3米，裝球容量150支，可發射網前小球，底線吊球，殺球，削球。球速控制在30-150公里/小時，可調頻率范圍2-12秒2.悍克體育用品有限公司之2-101型電動羽毛球發球機可以說這款發球機與1-101型發球機截然不同，從工作原理上說前者的動力源是機械傳動，后者則是氣壓。這款發球機體積更小，質量更輕，更易于攜帶以及組裝。更加人性化的設計滿足廣大羽毛球愛好者的需求。國內外羽毛球發球機的研究現狀三、研究的主要目標和內容在分析和比較羽毛球發球機發球原理的基礎上對羽毛球發球機的發球方向和發球速度等運動規律進行分析，設計出一臺羽毛球發球機，主要功能和特點：連續發球、發球方式多、發球變化大、操作簡便、發致性好等特點。要求完成發球機的總體結構設計，選擇發球機的發球方向和發球速度的檢測和控制系統。 具體內容：1 發球機總體的構造與布局； 2 發球機的工作原理；3 發射電機中的齒輪設計。四、擬采用的研究方法、步驟研究方法：研究的方法采用文獻檢索法、比較分析法、經驗總結法。1.文獻研究法，通過學校的圖書館、圖書館網站和一些機械論壇網站和中國期刊網站進行查詢，同時查閱有關于課題書籍、期刊和學位論文。2.了解羽毛球自動發球機的發展狀況及發展趨勢。3.羽毛球自動發球機總體方案設計。4.實驗法，通過仿真模擬實驗，盡可能的使設計更加優化。5.整合所有文件資料，撰寫說明書完成論文。五、 課題研究進度安排表4-1課題研究進度安排表階段（時間）任 務第一階段（2017年10月20日11月15日）畢業設計動員及畢業設計選題。第二階段（2017年11月16日11月30日）指導教師下達畢業設計任務書。第三階段（2017年12月1日12月15日）撰寫畢業設計開題報告。第四階段（2017年12月16日12月30日）畢業設計開題答辯。第五階段（2018年1月1日3月1日）上交畢業設計作品，指導教師審閱。 第六階段（2018年3月2日3月15日）上交畢業論文初稿，指導教師審閱并指出修改意見。 第七階段（2018年3月16日3月31日）畢業設計中期檢查。第八階段（2018年4月1日4月15日）畢業論文二審并查重。第九階段（2018年4月16日4月30日）上交畢業論文（設計）相關材料，提交答辯申請表。第十階段（2018年5月4日5月10日）畢業答辯六、 主要參考文獻1 張友德,涂時亮. 單片微型機原理、應用與實驗M.上海:復旦大學出版社,2000。 2 W Lucas:Computers in arc welding-the next industrial revolution. Partla:Anintrodution to computer technology. Metal Construction. 2011(10)P633-P666。 3 張毅剛.MCS-51 單片機應用系統設計M. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2015。 4 鄭堤,唐可洪. 機電一體化設計基礎M.北京：機械工業出版，2014。 5 趙松年. 機電一體化控制系統設計M.北京：機械工業出版社，2009。 6 陳伯時. 電力拖動自動控制系統M. 北京：機械工業出版社，2016。 7 陳寶江. MCS單片機應用系統實用指南M. 北京：機械工業出版社，2013。 陜西服裝工程學院?？粕厴I論文（設計）開題報告評審表 姓名劉文勃學號41402072指導教師劉霞學院、專業信息工程學院機械設計制造及其自動化指導教師評語1. 學生前期表現情況。2. 是否具備開始設計（論文）條件？是否同意開始設計（論文）？3. 不足及建議。該學生開題前準備工作充分，謙虛謹慎。技術路線可行，研究內容充實，研究方法切實有效，學生能夠在預定時間內完成該課題的設計。并撰寫出達到學士學位要求的畢業論文，同意開題！指導教師（簽名）： 劉霞 2017 年 12 月 24 日學院答辯委員會意見負責人（簽名）： 年 月 日5分類號: XXXXXXX(設計)題目：羽毛球自動發球機及其控制系統的設計與實現 作者單位作者姓名專業班級作者學號指導教師（職稱）年 月 日摘 要羽毛球運動是一項動作精細，技術復雜多變，對抗激烈的競技項目。頗受專業和非專業運動愛好者們歡迎。當今世界羽毛球運動水準已發展到一個新的高度，它不僅要求運動員具有成熟的技術，靈活多變的戰術，而且更需要良好的身體素質?？梢娺\動員的心、身、體的統一，是取得優異成績的重要保證。 基于羽毛球運動的新水準、新要求，本文設計了一種可供羽毛球運動員訓練的羽毛球發球機。它主要由三部分組成，即可移動三腳架組件、球桶組件、自動發射組件。預先將羽毛球放入球桶內，抓球機構將羽毛球夾住并放入發射座，發射組件迅速將羽毛球按設定的角度發射出去。整個動作循環由運動控制程序自動實現。結果表明本文設計的羽毛球發球機非常適合運動員及初學者使用，且整套設備的造價十分低廉，便于維護保養，可以根據實際情況進行普及推廣。關鍵詞：羽毛球發球機，自動發射，自動進料，齒輪AbstractThe badminton sport is a competitive project which is a fine movement and full of fight fierce. The technology is complex and changeful. It is popular with professional and non-professional sports fans in modern society. Nowadays, the level of badminton in the world has developed to a new level. It demands the athletes not only have mature technology, flexible tactics, but also requires good physical quality. It can be seen that the unity of the athletes heart and body is an important guarantee to achieve excellent results.Based on the new level and the new requirements, I designed a badminton ball machine available for badminton athletes training. It mainly consists of three parts, removable tripod components, ball barrels components and auto transmission components. The badminton is put into the bucket in advance. The catching mechanism clamps the badminton and puts it into the launcher. The launch assembly quickly launches the badminton at a set angle. The entire action loop is automatically implemented by the motion control program.This badminton service machine is very suitable for athletes and beginners, and the whole equipment is very cheap and easy to maintain. It can be popularized according to the actual situation.Keywords: Badminton server，Auto transmission，Automatic loading，GearII目 錄摘要Abstract1 緒論11.1引言11.2 國內外羽毛球機發展現狀11.3 研究的主要目標和內容22 羽毛球發球機的工作原理42.1 羽毛球發球機的原理42.2 羽毛球發球機的組成52.2.1 可移動三腳架組件結構組成52.2.2 球桶組件結構組成62.2.3 羽毛球自動發射組件結構組成62.3 羽毛球發球機的原理72.4 各部件主要作用82.4.1三腳架組件82.4.2球桶組件82.4.3羽毛球自動發射組件83 羽毛球發球機的結構設計計算133.1球桶組件回轉設計計算133.1.1球桶組件旋轉用電磁鐵選型設計計算133.1.2定位鋼珠彈簧力設計計算143.2回轉機構設計計算153.2.1回轉機構轉動慣量設計計算153.2.2齒輪強度設計計算163.3運動循環時間計算174 發球機動作控制流程設計195 總結21參考文獻22致 謝24II陜西服裝工程學院本科畢業論文（設計）1 緒論1.1引言隨著物質生活水平的不斷提高，人們越來越重視身體健康。全民健身運動早已融入大多數人民群眾的基本生活。在我國羽毛球運動是一項很普及的運動，深受廣大健身愛好者尤其是中青年的喜愛。早在兩千年前的古代中國和印度，一種類似羽毛球運動的游戲就已出現。在中國我們叫打手毽，在印度人們叫浦那，而在西歐等國則叫做毽子板球?，F代羽毛球運動誕生于英國。在1873年，英國格拉斯哥郡伯明頓鎮一位名叫鮑弗特的伯爵在自己的領地開游園會，幾個從印度回來的退役軍官就向大家介紹了一種隔網用拍子來回擊打毽球的游戲，當時人們對此產生了極大的興趣。伯明頓(Badminton)隨即成為了羽毛球的英文名字。羽毛球運動傳入我國的時間大約是1920年，解放后發展更為迅速。三個世紀70年代，在國際羽毛球壇上只有是印度尼西亞可與我國平分秋色。進入80年代之后，優勢已明顯轉向中國1 2 3。進入新世紀以來，中國羽毛球運動員在國際運動賽場上更是捷報頻傳。隨著羽毛球運動的普及，羽毛球發球機也隨即應運而生。1.2 國內外羽毛球機發展現狀目前羽毛球發球機的種類較少，有很大的發展空間。體育產業化的每年產值都在大幅度上漲。羽毛球發球機的推廣和普及使用將在一定程度上提升廣大普通運動愛好者的球技，甚至能夠提高專業運動員的整體綜合素質。隨著國家對羽毛球運動的重視以及全民健身運動的不斷發展，各類健身場館的發展將更加迅速，應用于城市健身場館的發球機需求量相應地將大幅上漲。由于羽毛球運動不受場地的限制，各類公共場所也可設置羽毛球發球機供人娛樂，全民健身發球機的需求不可限量4 5 。國內羽毛球發球機研發和應用起點較早，早在1997年臺灣有位專業人士通過創造發明申請了第一個有關羽毛球發球機的專利。但功能和性能均有待完善，自動化程度也不高。反觀國外，專業生產羽毛球發球機的廠家同樣較少，最具有代表意義的是北美最大的羽毛球公司Black Knight。黑騎士發球機是由長方形箱體，抓球桿，推球桿，減壓氣閥，空氣電磁閥，發射氣嘴，單片機等主要部件組成6 7 8。這種發球機發球頻率很快，不過發球方向需靠手動調節才能改變且噪聲大。羽毛球發球機自從問世以來，發展到現在的全自動發球機，結構分布和設計原理日趨成熟，主要有以下幾個典型款式9 10 11 12：(1) 斯波阿斯公司之ss-y1-6型羽毛球發球機；(2) 斯波阿斯公司之ss-y1-8型羽毛球發球機；(3) 斯波阿斯公司之ss-y1-8000型羽毛球發球機(4) 悍克體育用品有限公司之1-101型電動羽毛球發球機(5) 悍克體育用品有限公司之2-101型電動羽毛球發球機。1.3 研究的主要目標和內容目前我國已存在的發球機種類主要有四種：第一種應用馬達甩動制拍擊球發出；第二種擊打球頭發出；第三種使用機械臂夾球頭高速甩出去；第四種是用高壓氣噴羽毛球發射，它的出現填補了羽毛球自動發球機的空白，是一種新型的發球機13 14 15。當前，雖然可以在市場上輕易購買到各種品牌和檔次的羽毛球發球機產品，但是存在著性能良莠不齊、價格相對昂貴等問題。因此，研制一種適合大眾消費水平并且綜合性能良好的羽毛球發球機十分有必要。課題根據羽毛球的特殊性對現有的羽毛球自動發球機性能進行改良和提升，減少出球口對羽毛的損傷，提高發球質量，減輕人體勞動強度，供人們日常健身和體育訓練使用。課題主要研究內容是：首先分析和比較羽毛球發球機的發球原理，然后再此基礎上，設計出一臺全新發射原理的羽毛球發球機，在實現連續發球、發球方式多、發球變化大、操作簡便、發致性好等特點外，確保整體成本造價較低。便于后期完善推廣應用。具體內容包括以下三部分：(1) 羽毛球發球機的總體結構設計；(2) 羽毛球發球機的工作原理；(3) 羽毛球發球機發射結構和齒輪設計。232 羽毛球發球機的工作原理2.1 羽毛球發球機的原理參考目前國內外主流羽毛球發球機結構，設計了如下羽毛球發球機。發球機主要包括三大部分：(1) 可移動三腳架組件；(2) 球桶組件；(3) 自動發射組件。圖2-1發球機整體模型示意三腳架組件底部安裝有帶剎車萬向腳輪，便于整個設備在訓練場地移動調整位置，節省人力。自動發射組件安裝在三腳架組件上，球桶組件固定在發射組件上，通過簡易結構一一相連，牢固可靠。羽毛球發射角度的調節主要通過發射組件自身的水平回轉和上下俯仰角擺動兩個運動復合實現。通過兩個運動的復合，并詳細設計具體的發射機構，實現面向球場的全方位角度發射，最終達到對運動員訓練的基本要求。2.2 羽毛球發球機的組成2.2.1 可移動三腳架組件結構組成主要包括三角型腳架、腳架固定旋鈕、帶剎車萬向腳輪、高強度伸縮升降柱、升降柱固定旋鈕以及發射組件定位銷軸。圖2-2可移動三腳架組件示意2.2.2 球桶組件結構組成球桶組件包括球桶底盤、球限位阻擋圈、球桶和蓋板等組成。球桶組件的回轉動作完全依靠自動發射組件內機構實現。單個球桶可以根據實際需要，裝滿羽毛球，方便快捷，并且不會損傷羽毛球。圖2-3球桶組件模型示意2.2.3 羽毛球自動發射組件結構組成發射組件主要由發射箱體、抓球機構、水平回轉機構、發射組件（含俯仰調節）、球桶回轉機構、鋰電池、控制模塊等主要部件組成。其中球桶回轉機構包含用于固定和旋轉球桶組件的定位銷軸。圖2-4羽毛球自動發射組件模型示意2.3 羽毛球發球機的原理每次使用前，需首先將三腳架組件平放在地面上設置好高度，然后依次安裝自動發射組件和球桶組件。調整好發球機在場地的初始位置和方向。將羽毛球預先放入球桶內，并檢查羽毛球無損傷，避免發球機在工作過程中，抓取機構因羽毛球本身有損傷而無法正常工作。然后初始復位。發射組件抓球機構會自動將羽毛球夾住并使之脫離球桶組件，然后釋放羽毛球，自由落體進入發射座，等待被擊發。然后繼續抓取下一個羽毛球，并等待命令完成下一次抓取裝載任務。羽毛球裝載完成后，觸發指令，發射組件迅速完成儲能動作，準備發射。根據程序設定好的模式，自動調整回轉角度和擺動角度將羽毛球按照一定的角度發射出去。整個動作循環由運動控制程序自動實現，并能按實際需求特制的程序完成不同的訓練要求，無需人工單獨操作。2.4 各部件主要作用2.4.1 三腳架組件保證整個設備放置和運動過程中的穩定，三腳架組件頂部定位銷用于連接發射組件，在發射組件需要水平方向回轉的時候，三腳架組件起到機架和回轉支撐的作用。2.4.2球桶組件球桶組件用于存儲羽毛球，準備被發射組件中抓取機構夾取。在單個球桶內羽毛球被抓空之后，系統會自動判別狀態，然后球桶組件會自動轉向下一個位置，由抓取機構繼續完成抓球任務。2.4.3羽毛球自動發射組件自動發射組件作為發球機最關鍵的核心部件，要完成最復雜的動作復合。包括從球桶組件抓取并釋放羽毛球，調整發射角度（水平角度和俯仰角度），擊發羽毛球，轉動球桶組件等動作。 圖2-5抓取機構 圖2-6球桶回轉機構 圖2-7發射箱體 圖2-8發射組件（1）發射箱體發射箱體是自動發射組件的主要結構構件，整個組件的其余零部件均要與其安裝固定。所以，箱體的結構穩定是整個組件和整個設備平穩運行的關鍵。（2）抓球機構設計了利用電磁鐵通電斷電產生的位移和作用力驅動整個組件的運動。并利用直線導軌保證運動的平穩。抓球機構共包括以下幾個主要部分，豎直方向上運動驅動電磁鐵和直線導軌、水平方向上夾爪的打開和閉合驅動用電磁鐵和直線導軌。圖2-9水平直線導軌 圖2-10豎直直線導軌抓球機構如此設計有以下幾個優點：直線導軌導向，嚴格保證運動的平穩性；電磁鐵驅動，響應快，輸出力大。整體尺寸較小，重量輕，功率低，但是效率高。彈簧自動復位，完成工作后自動回到原始位置。成本低，維修方便，控制方便。（3）發射組件發射組件主要包括發射固定架、發射座、發射用大行程電磁鐵、俯仰角導向柱、導向套以及一對分別用于調整俯、仰角度的短行程電磁鐵。發射座固定在固定架上，便于羽毛球由抓取組件落下后固定，并為下一步被擊發提供導向作用。 圖2-11發射座模型示意 圖2-12發射固定架模型示意發射固定架與導向柱、導向套裝配在一起后，通過俯仰電磁鐵的通電斷電，可以獲得俯仰兩種姿態。在兩個電磁鐵均斷電情況下，依靠額外增設的一對復位彈簧恢復水平姿態。上下兩個復位彈簧因為受力方向相反，所以初始壓縮量不同，并且導向柱上下限位均要根據實際情況進行調節，才能最終使發射固定架在復位狀態下處于水平。（4）水平回轉機構發球組件的水平回轉動作依靠伺服電機驅動一對外嚙合齒輪實現，主動齒輪通過聯軸器直接與伺服電機連接，從動齒輪通過機械方式與發射箱體連接緊固，當伺服電機低速旋轉時，在一對齒輪的嚙合運動下，整個發射組件會繞三腳架組件按照設計方向旋轉。伺服電機作為動力元件驅動齒輪回轉運動。兩個齒輪的相互嚙合作用將電機的能量傳遞驅動整個組件做回轉運動。（5）球桶回轉機構主要功能就是在抓球組件正上方球桶內羽毛球被抓空之后，自動旋轉球桶組件一個角度，保證抓球組件能夠繼續進行抓球動作。 圖2-13回轉機構截面示意圖 圖2-14回轉套 圖2-15蓋板 圖2-16定位銷定位銷與蓋板之間通過軸承連接，保證兩者可以相互轉動。定位銷底部與回轉套配合，并應用軸用彈簧擋圈進行定位，同時還有內六角圓柱頭緊固螺釘夾緊。為了保證每次球桶組件只能旋轉60，在回轉套上加工有6各凹坑，鋼球陷進凹坑并在彈簧力的作用下，起到定位作用。每次旋轉的驅動力同樣依靠電磁鐵得電后推桿伸出提供。推桿推動回轉套底部的柱體產生推力，推力轉化成扭矩，使回轉套、定位銷和球桶組件繞回轉中心旋轉，當恰好旋轉60后，給電磁鐵斷電，電磁鐵推桿復位。準備下一次得到信號之后繼續推動球桶組件旋轉。壓縮彈簧頂部有小壓塊，小壓塊在內六角螺釘的壓力下，迫使彈簧與回轉套緊密接觸?；剞D套上家共有淺淺的凹槽，鋼柱會在電磁鐵產生的作用力下一直向前滾動，直到鋼柱進入預定位置結束。圖2-17頂塊初始位置時，電磁鐵斷電，軸未伸出，頂塊與回轉套上柱體未接觸。當得到指令后，電磁鐵通電，軸迅速伸出。頂塊在帶動下向前運動，先與柱體接觸，然后繼續向前動作，直至將回轉套旋轉60，同時電磁鐵到達極限位置。在檢測原件檢測到信號后，確定當前位置有羽毛球后，判定此動作結束，然后電磁鐵斷電迅速復位。復位過程中，頂塊設計的特殊結構，能夠保證不與柱體發生干涉，待徹底到達初始位置后，在彈簧作用力下，頂塊再次恢復到初始位置。為下一次動作做好準備。鋰電池、控制模塊是設備的最主要部件。安裝在發射箱體后部。在電池電量足夠前提下，優先使用電池，當電池電量不足系統報警時，插入電源繼續使用。本文設計的發球機主要有兩個創新點：（1）主要動作均用電磁鐵驅動實現。如用電磁鐵驅動機構抓取羽毛球，并調節發射俯仰角度和擊打羽毛球以及調整球桶組件的旋轉。（2）用步進電機驅動齒輪機構調整發射組件的水平擺動角度。利用電磁鐵得電后迅速響應的特點，用于羽毛球的抓取和發射俯仰叫角的迅速調節。每個位置動作后均用彈簧進行復位。應用電磁鐵可以大幅降低設備的成本，并且便于維修更換配件。3 羽毛球發球機的結構設計計算3.1球桶組件回轉設計計算3.1.1球桶組件旋轉用電磁鐵選型設計計算所設計的球桶組件回轉機構極限位置和相對尺寸關系如圖3-1所示。球桶組件回轉用電磁鐵與頂塊機械連接。在得電后，電磁鐵迅速伸出，推動回轉套上柱體，進而達到驅動球桶組件回轉的效果16 17 18 19 20。圖3-1球桶組件回轉機構尺寸示意回轉套上6個柱體分布在直徑40的圓上，柱體直徑4 mm。按照設計的尺寸顯示，當頂塊與柱體接觸后，仍將繼續向前推動17.3mm后，方能將回轉套轉動60，并且此時應該達到極限位置，不宜再繼續運動。故應該在此位置設置機械限位。因此可以得出結論，回轉用電磁鐵形成應該大于17.3mm。所以選擇形成為20的電磁鐵。按照設計的球桶組件結構尺寸，通過三維模型可以模擬得出整個旋轉部分的轉動慣量是0.05 kgm2。按照組件旋轉60所需時間為0.2s進行計算。轉動慣量 J=0.05 kgm2轉速n=600.2=3601.2=56r/s （3-1）角速度 w=2n=5.23 rad/s （3-2）加速時間按照0.2s計算，角加速度為=wt1=5.230.2=26.15 rad/s2 （3-3）得出啟動轉矩 T=J=0.0526.15=1.31 Nm （3-4）柱體所在圓直徑為d=40mm，作用在柱體上的推力F=Td2=1.310.02=65.4 N （3-5）理論計算，電磁鐵產生的推力至少應大于70N，才能滿足實際使用需求。另外，考慮到摩擦以及其他因素，設計選用推力200N，最大行程35mm的推拉式電磁鐵。圖3-2旋轉用電磁鐵示意3.1.2定位鋼珠彈簧力設計計算如圖3-3所示，在內六角螺釘擠壓下，通過小壓塊和彈簧的傳遞，定位鋼珠被壓緊在定位套的凹坑內。圖3-3 定位鋼柱和彈簧位置關系初步設計彈簧規格為材料直徑d=0.6mm，彈簧中經D=4mm，彈簧單圈剛度為20.0N/mm，有效圈數5圈，初始長度L0=10mm，端部磨平。設計壓縮量為2mm，單個彈簧所產生的壓縮力為F=kx=202=40N （3-6）兩個彈簧共產生80N力，后續將在實際安裝調試過程中進行驗證和調整。3.2回轉機構設計計算3.2.1回轉機構轉動慣量設計計算因發射組件工作過程中只需在初始位置水平方向擺動30左右。并且整個回轉組件重量較輕，初步設計齒輪模數為1，齒數為34。按照設計的結構尺寸，通過三維模型可以得出整個旋轉部分的轉動慣量是0.31 kgm2。按照組件旋轉30所需時間為0.2s進行計算。轉動慣量 J=0.31 kgm2轉速 n=300.2=3602.4=512r/s角速度 w=2n=2.62 rad/s加速時間按照0.3s計算，角加速度為=wt1=2.620.3=8.73rad/s2可計算出啟動轉矩為 T=J=0.318.73=2.7 Nm （3-7）因模型中計算的轉動慣量未考慮到各種附件的重量，所以在選擇電機時候，需在次計算基礎上保留足夠的余量。3.2.2齒輪強度設計計算(1)材料選擇及許用應力確定因為載荷較小，齒輪材料選45#鋼，齒面硬度250HB。分別查詢各設計手冊得21 22 23 24 25：Hlim3=380MPa；Hlim4=354MPa；SH=1.3；所以：H3=Hlim3SH=3801.3=292.3MPa （3-8）H4=Hlim4SH=3541.3=272.3MPa （3-9）查機械設計簡明手冊得：Flim3=92MPa; Flim4=78MPa; SF=1.6，所以F3=Flim3SF=921.6=57.5MP （3-10）F4=Flim4SF=781.6=48.8MPa （3-11）(2) 按輪齒彎曲強度設計取載荷系數K=1.25齒寬系數a=0.2取齒數Z=30壓力角a=20查圖14-1-38得：齒形系數YF1=2.55, YF2=2.5，所以 （3-12） （3-13）因為，取作為設計依據，所以計算模數為 （3-14）考慮到各種實際情況，在計算模數基礎上加大10%，m=1.241.1=1.364取模數m=1.5。齒輪簡圖如下：圖3-4齒輪示意3.3運動循環時間設計計算復位時間忽略不計，抓球，球落日發射座中，調整好角度后發射。整個動作循環最大細分可分為如下各步驟：（1）抓求機構動作時間t1（2）擺動時間t2（3）俯仰角調整時間及復位t3（4）擊球時間及復位t4在計算時，電磁鐵得電伸出時間均按照0.2s進行計算，并且斷電復位時間按照0.3s計算。所以，抓球機構完成一個循環時間約為0.8s。此時間會根據實際測試結果進行微調，保證發球的連續性。4 發球機動作控制流程設計本文設計的羽毛球發球機，在按照前文要求的順序完成組裝后，通電，系統開始自動進行初始復位，而后根據設定好的程序運行。以下是一個完整動作循環的各個步驟。（1）復位（2）開關檢測當前位置是否有羽毛球，如果沒有，轉向下一位置；（3）抓取機構先后動作，頂升電磁鐵通電后使機構升到指定位置后，啟動夾爪電磁鐵，夾緊羽毛球球頭，然后頂升電磁鐵斷電，在彈簧力作用下夾取羽毛球脫離球桶，然后夾爪電磁鐵斷電，羽毛球脫落，自由落體落入羽毛球球托內，準備被擊發出去；（4）俯仰電磁鐵1和2根據程序設定，其中一個得電后或者都不得電，調節羽毛球發射的俯仰角度；（5）羽毛球水平方向發射角度調節，根據程序自動選擇，與上述各動作不沖突可以同時動作；（6）擊打電磁鐵通電后動作，端部的彈性頭快速擊打羽毛球球頭，使羽毛球高速飛出，完成一個動作循環； （7）然后，重復3-6步驟，當一個球桶內羽毛球全部擊出之后，檢測開關發出信號，其余動作全部暫停，直至球桶組件自動轉到下一位置。檢測開關再次檢測到信號后，繼續下一循環。根據以上發球機完整的動作循環步驟，設計如圖4-1和圖4-2所示的球桶組件回轉流程圖和自動發球流程圖。檢測當前位置有無羽毛球準備抓球有啟動轉動球桶組件無圖4-1 球桶組件回轉流程圖啟動、復位抓球、放球水平角度回轉水平回轉俯仰角調整俯仰角度調整結束發球圖4-2 自動發球流程圖5 總結本課題在分析羽毛球發球機發球原理基礎上設計出一臺羽毛球發球機。主要完成的工作如下：(1) 發球機總體的構造與布局參考當前主流發球機的結構，設計了結構簡單，組裝方便的主體結構。它主要由三部分組成，可移動三腳架組件、球桶組件、自動發射組件。(2) 發球機的工作原理設計了全新的發球方式，并且重新設計了水平回轉和俯仰角調整機構以及球桶組件回轉機構。(3) 發射電機中的齒輪設計設計一對齒輪嚙合，通過步進電機轉動實現發球組件的回轉動作。本文設計的羽毛球發球機最大的優點是主要動作均用電磁鐵驅動實現，如用電磁鐵驅動機構抓取羽毛球，并調節發射俯仰角度和擊打羽毛球以及調整球桶組件的旋轉，電磁鐵得電后迅速響應的特點，用于羽毛球的抓取和發射俯仰叫角的迅速調節，每個位置動作后均用彈簧進行復位。非常適合運動員及初學者使用，并且整套設備的造價十分低廉，便于維護保養，可以進行普及推廣。當然，由于時間關系和個人知識所限，設計的結構難免存在缺點：(1) 如水平回轉機構轉動慣量計算，無法做到很精確，所以電機選型并不能做到成竹在胸。(2) 球桶回轉組件中用于推動回轉套動作的頂塊與電磁鐵伸出軸連接結構未能做到返程時無剮蹭，結構上需要進一步修改優化。參考文獻1 吳佩瑤.羽毛球發球技術在比賽中的應用研究J.西部皮革，2017。2 謝家民.羽毛球發球技術力學原理分析J.中學物理教學參考，2017。3 李沛澤,周志輝,劉洪波.羽毛球發球機對提高羽毛球教學訓練效率的實驗研究J.體育科技文獻通報，2017。4 楊呈杰.生物力學視角下腕關節肌力訓練對羽毛球發球技術影響研究J. 四川體育科學，2016。5 伊超,牛維娜.前臂小肌群力量訓練對羽毛球發球穩定性的實驗研究J.遼寧體育科技，2015。6 李濤.新型智能遙控羽毛球發球機研制J.中國新技術新產品，2014。7 魯亮.對小學生羽毛球發球訓練的探索J.中國科教創新導刊，2013。8 廖之健,程良倫.無拍式羽毛球自動發球機控制系統設計J.計算技術與自動化，2010。9 張曉昌.淺析羽毛球發球策略中的混合戰略納什均衡J.內江科技，2010。10 李偉才.雨毛球發球技術動作生物力學分析J .第十四屆全國運動生物力學學術交流大會論文集，2010。11 趙晶晶.逆進分解訓練法在羽毛球發球和高遠球教學中的實驗研究D.北京體育大學，2014年。12 王搏.淺析發球機在乒乓球訓練中的利與弊J.科教文匯(下旬刊)，2012。13 W Lucas: Computers in arc welding-the next industrial revolution. 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