新型網球發球機

摘要：如今，運動消費在我國人民日常消費中所占的比重持續增長，人們對于運動器材的需求隨之不斷擴大。網球深受廣大青年人的喜愛，對于初學者來說，需要良好的訓練器材來滿足訓練需要。目前，國內網球發球機仍然存在著價格昂貴，可靠性差的問題，極大地影響了使用效果。為此，我們對現有的網球發球機加以改進，設計出一種低成本、耐用、美觀且可控的網球發球機。它采用了新的循環式發球模式，可以通過改變參數調節發球機的單次發球間隔，從而改變網球的發球距離和發球方式，便于調整發射角度。它采用了新型復合材料，部分零部件使用了3D打印技術，體現了低易損性和高可靠性，減輕了重量，降低了成本。

關鍵詞：網球發球機，工藝改進，功能關系

一.國外網球發球機的發展狀況

國外網球發球機的起步較早，目前最具有代表意義的產品是美國TUTOR公司和LOSBSTER公司生產的網球發球機。前者是以兩個旋轉方向相反的高速輪子來驅動，當球從滑輪滾入兩輪之間的時候，輪子將球噴出。后者是利用空氣壓縮原理進行工作。球被裝入長筒的底部由一個宅口固定住，通過壓縮空氣推擠將球發射。這兩種產品可以模擬上旋球、下旋球、側旋球、直球、高吊球等各種發球類型，能較好地滿足人們的需求。它們采用計算機遠程控制，并通過遙感裝置進行測速，代表了國際先進水平。

二.國內網球發球機的研究現狀

國內網球發球機成品較少，典型的有北京太陽計算機技術公司生產研制的舉升式網球發球機。該機可以為使用者提供包含不同技術層次的“多球訓練”等內容的強化訓練，使人們掌握技術的時間縮短了三分之二。它可以發出上旋、下旋、平擊球，模擬球員真實擊出的左右側上下旋球，更可以控制球的落點。這個產品將電動控制與液壓技術相結合，解決了發球旋轉難以控制的問題，提高了發球的準確性。但是，它也存在重量較重，移動能力差，價格偏高的缺陷。

整體上看，我國的網球發球機市場需求較大，還有很大的空白需要填補。因此，我們急需一款新型的網球發球機。新的發球機必須滿足以下幾點要求：

1、盡量做到全壽命低成本，可以滿足各個階層的需要;

2、做到高可靠性，低易損性，延長維修間期，便于維護;

3、可以精確控制發球距離、發球強度、發球類型，達到訓練目標;

4、減輕結構重量，可以進行全場移動;

5、產品外型盡可能美觀。

三.系統方案

（1）系統完備性法則

我們可以看到，這是一個完整的系統。我們計劃從動力裝置、傳動裝置、執行裝置以及控制裝置這四個方面對系統進行優化。

（2）九屏幕圖

目前來看，機器的控制系統是在向智能化發展。我們希望通過人工智能技術，提高發球機的智能化程度。

（3）生命曲線

從網球發球機的技術系統進化S曲線正處于成長期向成熟期的過渡時期，產品的性能提升迅速，經濟效益也逐漸變好，具有廣闊的市場前景。由于種種原因，我們需要一種新型的發球機產品來打破歐美產品一家獨大的局面。我們的新型發球機采用了新型的發球系統，可靠性高，成本低，具有很強的競爭力。隨著網球運動的不斷普及，市場需求會越來越大，將在很長時間內帶來良好的經濟效益。

（4）資源分析

發球機需要電線、開關、電源、數字芯片、單片機、蜂鳴器、壓力感應器。我們的選擇順序為：

我們優先使用空氣、電能、彈簧、滑軌、支撐桿、傳感器、麥克納姆輪和氣缸，并對其中部分資源進行改進。

（5）矛盾

① 市面上最主流的對轉雙輪機構需要復雜的電控系統，導致發球質量差。如果發生故障，對它進行維修及其困難。我們希望提高產品的可維護性，而機械系統的復雜與維護的簡便形成了矛盾。

我們采用分割原理，設計了循環式發球機構，采用電機驅動，錐齒輪傳動，共有六個獨立工作的發球管道。我們在轉盤尾部設計了壓緊機構，彈簧向下運動時產生彈力。當轉動到最高點時，彈簧受到的約束消失，恢復初始狀態，彈力將球擊出。六個發球通道獨立工作，采用自動檢測系統，簡化了結構，提高了可維護性。

②發球機的盛球機構類似于錐形漏斗。網球在下落過程中可能會落在漏斗口處導致其無法工作，因此盛球機形狀與系統的穩定性構成了一對矛盾。我們希望改善的是系統的穩定性，而盛球機的形狀會使其惡化。

根據機械振動原理，我們使用曲柄滑塊裝置，通過在載臺上布置了光線傳感器來檢測載臺上是否有球存在。當一定時間內檢測不到球時，傳感器通過控制信號帶動曲軸轉動，讓滑塊上下往復運動從而使漏斗口處的網球分開，保證機器良好運行。

③整機系統中包含俯仰機構，當機構與水平面成一定角度時，載臺上的網球無法順利滾入分球臺。機構的形狀與系統工作的可靠性構成了一對技術矛盾。我們希望改善系統的可靠性，而機構的形狀容易導致情況惡化。

我們采用預操作原理，安裝了一個由氣缸驅動的推頭，推動網球直接進入分球臺，以保證在任何情況下，機器都能夠順利運轉，保證了可靠性。

四.技術方案

（1） 循環發射機構

我們選擇循環式發射機構，電機驅動，錐齒輪傳動，一共有六個獨立工作的發球管道。我們在轉盤尾部設計了壓緊機構，彈簧被壓縮時產生彈簧力。當轉動到最高點時，彈簧所受約束消失，恢復到初始狀態，通過彈力將網球彈出。

（2） 防堵球機構

我們選擇光線傳感器，讓發球機可以識別是否有堵塞，從而通過活塞將球推進分球機構，降低了故障率。

（3）順序分球機構

我們在載臺和循環發射機構之間設置了分球臺，主要由行星輪系組成，可以設置不同的轉速來改變單次發球間隔從而保證網球順利落入管道內。分球臺周圍設置了透明屏障，并設有開口。它有6個隔槽，每個隔槽內儲備一個網球，可以防止堵球產生的發球不連續。工作時，離心力使網球從分球器上離開。

應力并且安全系數最小值為15ul，證明材料選擇和結構設計合理。

（4）推桿推球機構

我們選擇了最簡單可靠的活塞推球機構。

我們經過測算，支架最大Mises等效應力小于材料屈服應力并且安全系數最小值為15ul，證明材料選擇和結構設計合理。

所有部件采用LCP塑料，采用3D打印技術進行生產以降低結構重量和成本。

五.最終方案

六.總結

新型網球發球機采用新的結構設計和新的控制理念，使用了新的材料和生產工藝，代表了體育運動器材的一大突破，在未來擁有很好的發展前景。

個人簡介：關浩然，1997年10月生，男，漢族，江蘇蘇州人，大連理工大學大三學生。