摘要：如今，運(yùn)動(dòng)消費(fèi)在我國(guó)人民日常消費(fèi)中所占的比重持續(xù)增長(zhǎng)，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)器材的需求隨之不斷擴(kuò)大。網(wǎng)球深受廣大青年人的喜愛(ài)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，需要良好的訓(xùn)練器材來(lái)滿足訓(xùn)練需要。目前，國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)仍然存在著價(jià)格昂貴，可靠性差的問(wèn)題，極大地影響了使用效果。為此，我們對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種低成本、耐用、美觀且可控的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。它采用了新的循環(huán)式發(fā)球模式，可以通過(guò)改變參數(shù)調(diào)節(jié)發(fā)球機(jī)的單次發(fā)球間隔，從而改變網(wǎng)球的發(fā)球距離和發(fā)球方式，便于調(diào)整發(fā)射角度。它采用了新型復(fù)合材料，部分零部件使用了3D打印技術(shù)，體現(xiàn)了低易損性和高可靠性，減輕了重量，降低了成本。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球發(fā)球機(jī)，工藝改進(jìn)，功能關(guān)系

一.國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的起步較早，目前最具有代表意義的產(chǎn)品是美國(guó)TUTOR公司和LOSBSTER公司生產(chǎn)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。前者是以兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的高速輪子來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)球從滑輪滾入兩輪之間的時(shí)候，輪子將球噴出。后者是利用空氣壓縮原理進(jìn)行工作。球被裝入長(zhǎng)筒的底部由一個(gè)宅口固定住，通過(guò)壓縮空氣推擠將球發(fā)射。這兩種產(chǎn)品可以模擬上旋球、下旋球、側(cè)旋球、直球、高吊球等各種發(fā)球類型，能較好地滿足人們的需求。它們采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)遙感裝置進(jìn)行測(cè)速，代表了國(guó)際先進(jìn)水平。

二.國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球機(jī)成品較少，典型的有北京太陽(yáng)計(jì)算機(jī)技術(shù)公司生產(chǎn)研制的舉升式網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。該機(jī)可以為使用者提供包含不同技術(shù)層次的“多球訓(xùn)練”等內(nèi)容的強(qiáng)化訓(xùn)練，使人們掌握技術(shù)的時(shí)間縮短了三分之二。它可以發(fā)出上旋、下旋、平擊球，模擬球員真實(shí)擊出的左右側(cè)上下旋球，更可以控制球的落點(diǎn)。這個(gè)產(chǎn)品將電動(dòng)控制與液壓技術(shù)相結(jié)合，解決了發(fā)球旋轉(zhuǎn)難以控制的問(wèn)題，提高了發(fā)球的準(zhǔn)確性。但是，它也存在重量較重，移動(dòng)能力差，價(jià)格偏高的缺陷。

整體上看，我國(guó)的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)市場(chǎng)需求較大，還有很大的空白需要填補(bǔ)。因此，我們急需一款新型的網(wǎng)球發(fā)球機(jī)。新的發(fā)球機(jī)必須滿足以下幾點(diǎn)要求：

1、盡量做到全壽命低成本，可以滿足各個(gè)階層的需要;

2、做到高可靠性，低易損性，延長(zhǎng)維修間期，便于維護(hù);

3、可以精確控制發(fā)球距離、發(fā)球強(qiáng)度、發(fā)球類型，達(dá)到訓(xùn)練目標(biāo);

4、減輕結(jié)構(gòu)重量，可以進(jìn)行全場(chǎng)移動(dòng);

5、產(chǎn)品外型盡可能美觀。

三.系統(tǒng)方案

（1）系統(tǒng)完備性法則

我們可以看到，這是一個(gè)完整的系統(tǒng)。我們計(jì)劃從動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置以及控制裝置這四個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）九屏幕圖

目前來(lái)看，機(jī)器的控制系統(tǒng)是在向智能化發(fā)展。我們希望通過(guò)人工智能技術(shù)，提高發(fā)球機(jī)的智能化程度。

（3）生命曲線

從網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化S曲線正處于成長(zhǎng)期向成熟期的過(guò)渡時(shí)期，產(chǎn)品的性能提升迅速，經(jīng)濟(jì)效益也逐漸變好，具有廣闊的市場(chǎng)前景。由于種種原因，我們需要一種新型的發(fā)球機(jī)產(chǎn)品來(lái)打破歐美產(chǎn)品一家獨(dú)大的局面。我們的新型發(fā)球機(jī)采用了新型的發(fā)球系統(tǒng)，可靠性高，成本低，具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的不斷普及，市場(chǎng)需求會(huì)越來(lái)越大，將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）資源分析

發(fā)球機(jī)需要電線、開(kāi)關(guān)、電源、數(shù)字芯片、單片機(jī)、蜂鳴器、壓力感應(yīng)器。我們的選擇順序?yàn)椋?/p>

我們優(yōu)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(duì)其中部分資源進(jìn)行改進(jìn)。

（5）矛盾

① 市面上最主流的對(duì)轉(zhuǎn)雙輪機(jī)構(gòu)需要復(fù)雜的電控系統(tǒng)，導(dǎo)致發(fā)球質(zhì)量差。如果發(fā)生故障，對(duì)它進(jìn)行維修及其困難。我們希望提高產(chǎn)品的可維護(hù)性，而機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜與維護(hù)的簡(jiǎn)便形成了矛盾。

我們采用分割原理，設(shè)計(jì)了循環(huán)式發(fā)球機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，錐齒輪傳動(dòng)，共有六個(gè)獨(dú)立工作的發(fā)球管道。我們?cè)谵D(zhuǎn)盤尾部設(shè)計(jì)了壓緊機(jī)構(gòu)，彈簧向下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生彈力。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，彈簧受到的約束消失，恢復(fù)初始狀態(tài)，彈力將球擊出。六個(gè)發(fā)球通道獨(dú)立工作，采用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可維護(hù)性。

②發(fā)球機(jī)的盛球機(jī)構(gòu)類似于錐形漏斗。網(wǎng)球在下落過(guò)程中可能會(huì)落在漏斗口處導(dǎo)致其無(wú)法工作，因此盛球機(jī)形狀與系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成了一對(duì)矛盾。我們希望改善的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而盛球機(jī)的形狀會(huì)使其惡化。

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)原理，我們使用曲柄滑塊裝置，通過(guò)在載臺(tái)上布置了光線傳感器來(lái)檢測(cè)載臺(tái)上是否有球存在。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到球時(shí)，傳感器通過(guò)控制信號(hào)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，讓滑塊上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而使漏斗口處的網(wǎng)球分開(kāi)，保證機(jī)器良好運(yùn)行。

③整機(jī)系統(tǒng)中包含俯仰機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)構(gòu)與水平面成一定角度時(shí)，載臺(tái)上的網(wǎng)球無(wú)法順利滾入分球臺(tái)。機(jī)構(gòu)的形狀與系統(tǒng)工作的可靠性構(gòu)成了一對(duì)技術(shù)矛盾。我們希望改善系統(tǒng)的可靠性，而機(jī)構(gòu)的形狀容易導(dǎo)致情況惡化。

我們采用預(yù)操作原理，安裝了一個(gè)由氣缸驅(qū)動(dòng)的推頭，推動(dòng)網(wǎng)球直接進(jìn)入分球臺(tái)，以保證在任何情況下，機(jī)器都能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)，保證了可靠性。

四.技術(shù)方案

（1） 循環(huán)發(fā)射機(jī)構(gòu)

我們選擇循環(huán)式發(fā)射機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，錐齒輪傳動(dòng)，一共有六個(gè)獨(dú)立工作的發(fā)球管道。我們?cè)谵D(zhuǎn)盤尾部設(shè)計(jì)了壓緊機(jī)構(gòu)，彈簧被壓縮時(shí)產(chǎn)生彈簧力。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，彈簧所受約束消失，恢復(fù)到初始狀態(tài)，通過(guò)彈力將網(wǎng)球彈出。

（2） 防堵球機(jī)構(gòu)

我們選擇光線傳感器，讓發(fā)球機(jī)可以識(shí)別是否有堵塞，從而通過(guò)活塞將球推進(jìn)分球機(jī)構(gòu)，降低了故障率。

（3）順序分球機(jī)構(gòu)

我們?cè)谳d臺(tái)和循環(huán)發(fā)射機(jī)構(gòu)之間設(shè)置了分球臺(tái)，主要由行星輪系組成，可以設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速來(lái)改變單次發(fā)球間隔從而保證網(wǎng)球順利落入管道內(nèi)。分球臺(tái)周圍設(shè)置了透明屏障，并設(shè)有開(kāi)口。它有6個(gè)隔槽，每個(gè)隔槽內(nèi)儲(chǔ)備一個(gè)網(wǎng)球，可以防止堵球產(chǎn)生的發(fā)球不連續(xù)。工作時(shí)，離心力使網(wǎng)球從分球器上離開(kāi)。

應(yīng)力并且安全系數(shù)最小值為15ul，證明材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（4）推桿推球機(jī)構(gòu)

我們選擇了最簡(jiǎn)單可靠的活塞推球機(jī)構(gòu)。

我們經(jīng)過(guò)測(cè)算，支架最大Mises等效應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力并且安全系數(shù)最小值為15ul，證明材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

所有部件采用LCP塑料，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)以降低結(jié)構(gòu)重量和成本。

五.最終方案

六.總結(jié)

新型網(wǎng)球發(fā)球機(jī)采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新的控制理念，使用了新的材料和生產(chǎn)工藝，代表了體育運(yùn)動(dòng)器材的一大突破，在未來(lái)?yè)碛泻芎玫陌l(fā)展前景。

個(gè)人簡(jiǎn)介：關(guān)浩然，1997年10月生，男，漢族，江蘇蘇州人，大連理工大學(xué)大三學(xué)生。