摘要：如今，运动消费在我国人民日常消费中所占的比重持续增长，人们对于运动器材的需求随之不断扩大。网球深受广大青年人的喜爱，对于初学者来说，需要良好的训练器材来满足训练需要。目前，国内网球发球机仍然存在着价格昂贵，可靠性差的问题，极大地影响了使用效果。为此，我们对现有的网球发球机加以改进，设计出一種低成本、耐用、美观且可控的网球发球机。它采用了新的循环式发球模式，可以通过改变参数调节发球机的单次发球间隔，从而改变网球的发球距离和发球方式，便于调整发射角度。它采用了新型复合材料，部分零部件使用了3D打印技术，体现了低易损性和高可靠性，减轻了重量，降低了成本。

关键词：网球发球机，工艺改进，功能关系

一.国外网球发球机的发展状况

国外网球发球机的起步较早，目前最具有代表意义的产品是美国TUTOR公司和LOSBSTER公司生产的网球发球机。前者是以两个旋转方向相反的高速轮子来驱动，当球从滑轮滚入两轮之间的时候，轮子将球喷出。后者是利用空气压缩原理进行工作。球被装入长筒的底部由一个宅口固定住，通过压缩空气推挤将球发射。这两种产品可以模拟上旋球、下旋球、侧旋球、直球、高吊球等各种发球类型，能较好地满足人们的需求。它们采用计算机远程控制，并通过遥感装置进行测速，代表了国际先进水平。

二.国内网球发球机的研究现状

国内网球发球机成品较少，典型的有北京太阳计算机技术公司生产研制的举升式网球发球机。该机可以为使用者提供包含不同技术层次的“多球训练”等内容的强化训练，使人们掌握技术的时间缩短了三分之二。它可以发出上旋、下旋、平击球，模拟球员真实击出的左右侧上下旋球，更可以控制球的落点。这个产品将电动控制与液压技术相结合，解决了发球旋转难以控制的问题，提高了发球的准确性。但是，它也存在重量较重，移动能力差，价格偏高的缺陷。

整体上看，我国的网球发球机市场需求较大，还有很大的空白需要填补。因此，我们急需一款新型的网球发球机。新的发球机必须满足以下几点要求：

1、尽量做到全寿命低成本，可以满足各个阶层的需要;

2、做到高可靠性，低易损性，延长维修间期，便于维护;

3、可以精确控制发球距离、发球强度、发球类型，达到训练目标;

4、减轻结构重量，可以进行全场移动;

5、产品外型尽可能美观。

三.系统方案

（1）系统完备性法则

我们可以看到，这是一个完整的系统。我们计划从动力装置、传动装置、执行装置以及控制装置这四个方面对系统进行优化。

（2）九屏幕图

目前来看，机器的控制系统是在向智能化发展。我们希望通过人工智能技术，提高发球机的智能化程度。

（3）生命曲线

从网球发球机的技术系统进化S曲线正处于成长期向成熟期的过渡时期，产品的性能提升迅速，经济效益也逐渐变好，具有广阔的市场前景。由于种种原因，我们需要一种新型的发球机产品来打破欧美产品一家独大的局面。我们的新型发球机采用了新型的发球系统，可靠性高，成本低，具有很强的竞争力。随着网球运动的不断普及，市场需求会越来越大，将在很长时间内带来良好的经济效益。

（4）资源分析

发球机需要电线、开关、电源、数字芯片、单片机、蜂鸣器、压力感应器。我们的选择顺序为：

我们优先使用空气、电能、弹簧、滑轨、支撑杆、传感器、麦克纳姆轮和气缸，并对其中部分资源进行改进。

（5）矛盾

① 市面上最主流的对转双轮机构需要复杂的电控系统，导致发球质量差。如果发生故障，对它进行维修及其困难。我们希望提高产品的可维护性，而机械系统的复杂与维护的简便形成了矛盾。

我们采用分割原理，设计了循环式发球机构，采用电机驱动，锥齿轮传动，共有六个独立工作的发球管道。我们在转盘尾部设计了压紧机构，弹簧向下运动时产生弹力。当转动到最高点时，弹簧受到的约束消失，恢复初始状态，弹力将球击出。六个发球通道独立工作，采用自动检测系统，简化了结构，提高了可维护性。

②发球机的盛球机构类似于锥形漏斗。网球在下落过程中可能会落在漏斗口处导致其无法工作，因此盛球机形状与系统的稳定性构成了一对矛盾。我们希望改善的是系统的稳定性，而盛球机的形状会使其恶化。

根据机械振动原理，我们使用曲柄滑块装置，通过在载台上布置了光线传感器来检测载台上是否有球存在。当一定时间内检测不到球时，传感器通过控制信号带动曲轴转动，让滑块上下往复运动从而使漏斗口处的网球分开，保证机器良好运行。

③整机系统中包含俯仰机构，当机构与水平面成一定角度时，载台上的网球无法顺利滚入分球台。机构的形状与系统工作的可靠性构成了一对技术矛盾。我们希望改善系统的可靠性，而机构的形状容易导致情况恶化。

我们采用预操作原理，安装了一个由气缸驱动的推头，推动网球直接进入分球台，以保证在任何情况下，机器都能够顺利运转，保证了可靠性。

四.技术方案

（1） 循环发射机构

我们选择循环式发射机构，电机驱动，锥齿轮传动，一共有六个独立工作的发球管道。我们在转盘尾部设计了压紧机构，弹簧被压缩时产生弹簧力。当转动到最高点时，弹簧所受约束消失，恢复到初始状态，通过弹力将网球弹出。

（2） 防堵球机构

我们选择光线传感器，让发球机可以识别是否有堵塞，从而通过活塞将球推进分球机构，降低了故障率。

（3）顺序分球机构

我们在载台和循环发射机构之间设置了分球台，主要由行星轮系组成，可以设置不同的转速来改变单次发球间隔从而保证网球顺利落入管道内。分球台周围设置了透明屏障，并设有开口。它有6个隔槽，每个隔槽内储备一个网球，可以防止堵球产生的发球不连续。工作时，离心力使网球从分球器上离开。

应力并且安全系数最小值为15ul，证明材料选择和结构设计合理。

（4）推杆推球机构

我们选择了最简单可靠的活塞推球机构。

我们经过测算，支架最大Mises等效应力小于材料屈服应力并且安全系数最小值为15ul，证明材料选择和结构设计合理。

所有部件采用LCP塑料，采用3D打印技术进行生产以降低结构重量和成本。

五.最终方案

六.总结

新型网球发球机采用新的结构设计和新的控制理念，使用了新的材料和生产工艺，代表了体育运动器材的一大突破，在未来拥有很好的发展前景。

个人简介：关浩然，1997年10月生，男，汉族，江苏苏州人，大连理工大学大三学生。