专利名称：测量高尔夫球杆头部柔韧性的便携式设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量一个高尔夫球杆头部的柔韧性的便携式设备。特别是，本发明涉及一种确定一个高尔夫球杆头部柔韧性的相对度量的便携式设备和方法。
背景技术：
高尔夫球规则的附件II的第5a条规定，一个高尔夫球杆的头部表面的材料和结构不应存在碰撞时的弹簧作用，或着与一个标准钢表面相比的赋予球的更明显的旋转作用，或着任何其它过分影响球的运动的作用。
因此，人们已经使用了各种技术来确定一个高尔夫球杆的头部撞击一个球时的作用。美国高尔夫球协会公布了一种这样的方法，即符合1999年2月8日第二版的附件II的规则5a的高尔夫球杆头部速比的测量方法。但是这种方法需要多个步骤，并且比较耗时间。
美国专利6505498描述了一种确定一个高尔夫球杆头部的代表性弹性常数的比较简单有效的设备和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量高尔夫球杆头部的柔韧性的便携式设备，特别是确定一个高尔夫球杆头部的柔韧性的相对度量。
本发明的另一个目的是提供美国专利6505498中描述的设备的便携式版本。
总之，本发明提供一种测量高尔夫球杆头部的柔韧性的便携式设备，以及一种确定一个高尔夫球杆头部的柔韧性的相对度量的方法，一个高尔夫球杆的头部固定位于该设备中，并且用一个材料块撞击该头部的表面。
该设备包括使一个高尔夫球杆(带有一个固定的或可拆卸的杆或类似的东西)固定就位的装置，高尔夫球杆头部的头部表面在一个预定平面内，以及使一个材料块在一个固定点就位的装置，使该材料块能够在一个与预定平面垂直的平面内绕一个支点转动，以便使该材料块撞击高尔夫球杆的表面。
使高尔夫球杆定位的装置包括一个把高尔夫球杆的杆部牢牢固定的夹具。夹具包括准确调整高尔夫球杆水平位置的装置。
使材料块就位的装置包括一个支架，材料块转动安装在支架上。支架还包括两个轨道，可以在轨道上调节转动安装的垂直位置。高尔夫球杆夹具的水平调节和垂直调节的结合可以完全调节材料块的撞击点。
该装置还具有材料块在它的运动方向上的加速度记录装置。
加速度记录装置一般包括一个通过电线与记录装置连接的加速度仪，用于根据材料块在它的运动方向上的加速度产生一个电压信号，并且记录装置包括一个与加速度仪连接的示波器，用于接收并记录电压信号并计算速度随时间的变化。
在一个实施例中，该设备有一个底座，一个垫块安装在该底座的一端，一个用于使高尔夫球杆的杆部固定就位的夹具安装在该垫块上。
另外，一个顶块安装在支架上，顶块可以垂直调节，并且携带一个杆，该杆转动安装在支架上，并且悬挂在顶块下面，用于在一个与该杆所处的固定平面垂直的平面内绕一个支点转动。
材料块安装在杆的端部，以便撞击球杆的头部表面。在该实施例中，一个轴悬挂安装在顶块下，并且杆固定并悬挂在该轴的上。
还设有一个把材料块可释放地保持在离开高尔夫球杆头部的几个位置的装置。例如，该装置包括一个棘轮和棘爪组件，用于可释放地把轴保持在几个选择的克服材料块的重量的位置之一，这样在释放棘轮和棘爪组件时，材料块可以在重力作用下自由地向固定平面摆动。
根据本发明测量一个高尔夫球杆头部的相对柔韧性的方法要求安装球杆的头部，使头部表面在一个预定平面内，并且用材料块撞击高尔夫球杆头部的表面。根据本发明，在与所述头部的所述表面撞击后，所述材料块在它的运动方向上的加速度被确定和记录，以便得到一个加速度信号。然后对加速度信号进行积分，以便确定速度随时间的变化。
然后从信号积分确定一个最大速度(Vm)，并通过下面的公式从信号积分计算特征时间tctc＝te-ts其中，te是当速度达到最大速度的一个预定百分比时的结束时间，ts是当速度达到最大速度的一个较小百分比时的开始时间。
然后由下面的表达式确定一个B值B=tc-A1Vmk]]>其中，B是高尔夫球杆相对柔韧性的一个度量，A表示所述特征时间对撞击速度的敏感性，取决于高尔夫球杆头部表面的弹性模量。
在一个实施例中，一个高尔夫球杆的安装使它的表面在一个预定平面内，并且一个悬挂的材料块在重力的作用下在一个与高尔夫球杆头部表面所在的预定平面垂直的平面内绕一个支点自由摆动，以便撞击高尔夫杆的头部表面。
开始时，首先在高尔夫球杆表面的一个一致的位置上做标记，该位置最好是该表面的几何中心。这位置将作为希望的撞击位置。为了对准转动的材料块，一个可以在支架轨道上垂直调节的底块设有一个孔。一个可以拆卸的空心柱体的前部设有两个销钉。空心柱体位于底块的孔中，底块中有一个槽，使两个销钉处于垂直位置。这两个销钉用于保证球杆的表面是垂直的。然后一个激光瞄准器(或其它任何适当的瞄准装置)装在空心柱体中，使激光光线照射在球杆表面上。然后用夹具的水平调节和底块的垂直调节使激光光线照射在球杆头表面标记出的撞击点上。用一个位于底块左面的指旋螺钉将底块锁定。
底块定位后，一个在其中一个轨道上的垫块滑到可垂直调节的顶块所在的位置中。垫块的长度使得底块在撞击点上就位后，转动安装的材料块将碰撞撞击点。垫块位于带有指旋螺钉(它也使顶块定位)的位置内，然后底块下降离开。
棘轮设有多个释放位置，最好是三个，但也可以更多或只有一个。该方法是操作者把材料块提高到最高释放位置，释放材料块，并且示波器记录加速度。该过程可以重复或不重复多次。然后可以把材料块提高到下一个最低的位置(如果需要多个释放高度)，并重复该过程，直到所有位置都被使用。
测量高尔夫球杆的柔韧性的电子装置包括加速度仪、示波器和进行计算的计算机。
通过下面参照附图进行的详细描述，本发明的其它目的和优点将更加清楚。
图1示出本发明的便携式设备的立体图；图2示出图1设备的立体图，该设备带有一个安装其上的高尔夫球杆，处于测试过程的开始阶段；图3与图2类似，设备处于测试过程中；图4A示出一个使材料块在固定点定位的装置中使用的棘轮；图4B为棘轮的侧视图；图5示出球杆与材料块之间的一个撞击模型；图6示出一个未滤波和一个滤波的信号样品；图7示出一个典型的速度分布和相关的特征时间。
具体实施例方式
参照图1，测量一个高尔夫球杆头部、如一个发球杆头部的柔韧性的设备的结构是可以人工携带的。为此，设备10的结构使一个或两个人可以抬起并移到一个桌子或类似物体上。另外，设备10的结构使其可以很容易拆开运输，并且用简单的方法再组装到一起，而不需使用工具。
如图所示，设备10包括一个矩形板构成的底座11，底座11的四个角的每个角有一个支撑底座的校平脚12。例如每个脚12有一个可以拧到底座11下面的一个孔(未示出)中的螺纹杆。每个脚12还有一个平底，用于支在一个平坦的表面(未示出)上。相对底座转动脚12可以把底座11校平到一个真正的水平面中。
底座10还有一个安装装置13，用于使一个高尔夫球杆14固定就位(见图2)，高尔夫球杆有一个头部15，头部15的表面16位于一个与底座11的平面垂直的固定垂直平面中。
安装装置13包括一个垫块17，垫块17固定在一个滑板18中，滑板18通过一个燕尾榫安装在一个引导装置19中。引导装置19固定安装在一个板20上，板20通过螺钉21固定在底座11上。一个指旋螺钉22拧到引导装置19中，以便贴靠滑板18，并且把引导板锁定在位置中。指旋螺钉22用于调整滑板18的水平位置。
垫块17带有一个横截面为U形的夹持架23。夹持架23的一条腿有一个固定在夹持架上的球杆夹板24。相对的一条腿支撑一个第二球杆夹板25，通过一个由杠杆27带动的夹紧机构26夹紧球杆。夹紧机构也可以由一个螺旋系统、凸轮或其它适当的装置带动。向一个方向转动杠杆27使球杆夹板25向相对的夹板24移动或离开相对的夹板。如图所示，每个夹板24、25都具有V形横截面，用于把高尔夫球杆14的手柄夹在它们之间(见图2)。另外，夹持机构的细节是公知的，因此不需要进一步描述。
为了拆卸所述安装装置，可以把垫块17和滑板18作为一个整体从引导装置19滑出。
设备10还包括使一个材料块在一个固定点就位的装置，使材料块在一个与球杆头部15的表面16的平面垂直的平面内绕一个支点自由摆动，以便撞击球杆头部15的表面16。为此，设备10有一个可方便地竖直固定地安装在底座11上的支架28。
支架28包括一对垂直设置的轨道29，轨道的底部固定在一个支架下支座30上，轨道的顶部通过螺钉32固定在一个支架上支座31上。每个支架轨道29都设有一个狭长的槽缝33。
支架的下支座30有一个中心孔34，一个指旋螺钉35垂直穿过中心孔34深入到与底座11连接的螺纹孔中。拧紧指旋螺钉35，使支架28相对底座11围绕指旋螺钉35通过的垂直轴进行固定。
支架28绕它的垂直轴相对底座11的纵轴转动一个8°的角度。该角度代表发球杆的平均杆面角度。
支架28还包括一对在支架的上、下支座30、31之间延伸的杆36。在这方面，每个杆36分别装在支架支座30、31中的适当尺寸的孔中。
一个顶块37滑动安装在一对杆36上，以便可以沿着杆36自由垂直移动。另外，一个套筒38滑动安装在其中一个杆36上，并且通过一个螺钉39保持就位，螺钉39拧到套筒38中，顶在杆36上，以便相对杆36锁定套筒38。
另一个块40在套筒38以下滑动安装在支架杆36上。该块40通过一个螺钉41固定在其中一个杆36上，螺钉41拧到块40中，顶在携带套筒38的杆36上。
块40的上表面包括一个用于接纳材料块52的凹槽42，目的是运输时锁定材料块，如图2所示。另外，块40有一个用于接纳激光瞄准器(未示出)的孔43。
顶块37带有一个悬挂的U形叉头44。在此，叉头44通过两个螺钉(未示出)固定在顶块37的下面。叉头44带有一个轴45，一个棘轮46固定在轴45上。如图4A和4B所示，棘轮46的一侧有带齿的部分47。
叉头44还带有一个棘爪48，棘爪48通过一个销钉49转动安装在叉头44上。棘爪48包括一个齿，用于啮合在棘轮46的有齿部分47的齿之间，以防止轴45转动。棘爪48可以位于棘轮46的有齿部分47的任何两个齿之间，以便把轴45固定在相对轴45穿过的水平轴的不同角度位置中。棘爪48被手动带动，这样，棘爪48在销钉49上的转动使棘爪48从棘轮46的有齿部分中脱出，因此使轴45能够在重力作用下自由转动。
如图所示，轴45上设有一个与轴45一起转动的轮毂50。为了该功能，可以使用任何适当的装置(未示出)把轮毂50固定在轴45上。
用环氧树脂将一个杆51粘在轮毂50上，并且杆51悬挂在轮毂50上。杆51的下端以类似钟摆的方式带有一个材料块52。材料块52包括一个以固定方式接纳杆51的插颈(hosel)53。另外，材料块52包括一个以固定方式固定在插颈53上的撞击球54。例如，插颈53由铝制成，撞击球54由淬硬的工具钢制成，并且用环氧树脂固定在插颈53上。撞击球的表面(未示出)为与高尔夫球的表面相应的球形。另外，撞击球54的背面有一个用于加速度仪56的螺纹孔55(见图2)。
参照图2，其中用相同的数字标号表示与上面相同的部件。为了测量高尔夫球杆头部的柔韧性，放置高尔夫球杆14，使球杆头部15位于支架28后，并且在撞击球55的路径上。
开始时，首先在高尔夫球杆的头部表面一个固定位置做标记，该位置最好位于表面的几何中心。该位置将作为希望的碰撞位置。为了对准撞击球55，一个可拆卸的空心柱体(未示出)滑到在支架杆36上的可垂直调节底块40中的孔43中。该可拆卸空心柱体的前面带有两个销钉(未示出)。柱体位于底块40中的孔43中，底块40带有一个凹槽，使两个销钉垂直。这两个销钉用于保证球杆14的表面16垂直。
一个激光瞄准器(未示出)装在空心柱体中，使来自瞄准器的激光光线垂直照射在球杆14的表面16上。然后通过垫块17的水平调节和底块14的垂直调节使激光光线照射在球杆14的表面16上标记的撞击点上。然后用位于底块40左面的指旋螺钉41锁定底块40。
然后松开螺钉39，使套筒38在杆36上向下滑到底块40上，然后拧紧螺钉39。在此期间，顶块也与套筒38一起向下滑，因此带动撞击球55对准球杆头部15的表面16，特别是对准球杆头部表面16的中心，即图3所示在球杆头部表面的标记点。
如果没有预先连接，则将加速度仪56与撞击球54的背面连接，即把加速度仪56拧到球54中的孔55中，以便确定球54在撞击球杆头部表面期间在它的运动方向上的加速度。用适当的连接线使加速度仪56与一个数字存储示波器(未示出)连接，以便把与确定的加速度对应的信号传给示波器，示波器记录确定的加速度，并且计算球54的速度随时间的变化。
一个计算机(未示出)也与示波器连接，以便进行数据的存储和处理。
然后把撞击球55从高尔夫球杆的头部15移开，例如移向一个图3所示的位置，然后通过棘轮46和棘爪48将撞击球锁定在该位置上。在这方面，可以用棘爪48将撞击球55锁定在相对高尔夫球杆的任何角度位置上。
然后用手工使棘爪48转动，以释放棘轮46。这使撞击球在重力下自由摆动，以撞击高尔夫球杆14的表面16(见图2)。
在撞击球54碰撞高尔夫球杆头部15的表面16后，球弹回，并且从高尔夫球杆表面16移开。连接就位的示波器56记录撞击球54的加速度。与此同时，示波器或任何适当的装置计算撞击球54的速度变化。
参照图5，该图示出球杆与球相互作用的动态分析模型，其中，撞击球54的质量用Mb表示，高尔夫球杆的质量用Mc表示。
由于有噪声，加速度信号首先被过滤，以便分离出真实信号。可以使用任何数量的模拟或数字滤波器，以减少或消除噪声。在当前的实施例中，使用了一种截断的富立叶级数信号表达式，30kHz以上的所有成分均被消除。一个未滤波的样品和已滤波的信号示于图6。
然后对滤波信号进行积分，以得到速度。速度可以用数字的方法得到，或者在富立叶级数的情况下用解析方法得到。从信号积分得到最大速度(Vm)。然后将开始时间(ts)定义为速度达到最大速度的X％时的时间。X为最大速度的0-99％。结束时间(te)定义为速度达到最大速度的Y％时的时间。Y为最大速度的1-100％。在该过程中，最好为最大速度的X＝5％和Y＝95％。图7示出一个典型的速度分布图和与其相关的特征时间。特征时间的计算为tc＝te-ts。对每次撞击重复该过程，以得到一系列具有水平坐标tc和垂直坐标Vm的数据点，即(tc1，Vm1)，(tc2，Vm2)，……，(tcN-VmN)一个高尔夫球杆与材料块之间的撞击模型示于图5。假设球杆具有质量(mc)、球杆的刚性(kc)和代表球杆表面与材料块之间的赫兹接触的非线性弹性(kH)。
该系统的运动方程为mbx··b=kH(xf-xb)]]>mcx··c=kc(xf-xc)]]>动力约束为kH(xb-xf)＝kc(xf-xc)kH的定义为kH=43R1/2E(xb-xf)1/2]]>其中R=11Rb+1Rc,E=11-vb2Eb-1-vc2Ec]]>其中，R是曲率半径，v是泊松比，E是弹性模量。
为了从实验数据评价球杆的柔韧性，需要分离出局部赫兹接触柔韧性的影响。对上面的模型进行了数字研究，模型表明，当Vm接近无穷大时，赫兹接触的作用可以忽略不计。模型还表明，特征时间与Vm之间的关系可以表达为tc=A1Vmk+B]]>其中，k可以在-10到10之间，最好为0.2到0.32。
可以把上面讨论的一组实验数据带入此方程，利用最小二乘法最小化误差得到A和B。需要指出的是，对于正的k值，B代表Vm＝∞时的特征时间。因此B用于作为球杆头部柔韧性的相对指标。值A表示特征时间对撞击速度的敏感性，并且它在很大程度上取决于表面材料的弹性模量。
值B可以表达为B=tc-A1Vmk]]>有关B、tc、Vmk的其它形式的方程也是适用的。
典型地，B的值为微秒，并且在0到1000之间。该值越低，高尔夫球杆越硬。因此，得到一个150微秒的B值意味着该球杆比一个测试出B值为200微秒的球杆更硬。
A值的范围典型地为-50到500，并且取决于球杆的材料。
在某些情况下，例如对于金属球杆，可以进行一个更有效的测试。先假设A为零，因此只需要在一个单一速度下使用一次撞击或在相同或基本相同的速度下的多次撞击的样品下进行试验。在这种情况下，柔韧性的相对指标B可以直接通过下式得到B＝tc
因此，本发明提供了一种由一或两个人可以很容易抬起并且从一个地方移到另一个地方的设备10。另外，设备10可以很容易地拆卸，可以通过拧开指旋螺钉34把支架28从底座11上取下。然后如果必要，可以使支架28与底座11分开运输。另外，垫块17可以滑出底座11，并分开运输。用于使示波器(未示出)与加速度仪56连接的电子线路也很容易拆卸。
另外，本发明提供了一种确定一个高尔夫球杆头部的柔韧性的相对度量的比较简便的技术。这种方法使用了一种可以撞击一个自由安装的球杆头部表面的材料块的简单布置、和确定撞击后撞击块的加速度的电子设备，并从速度的计算画出随时间的变化图，并由此得到球杆头部的柔韧性(和刚性)的度量。
权利要求
1.一种测量高尔夫球杆头部的柔韧性的设备，该设备包括使一个具有头部的高尔夫球杆固定就位的装置，并使所述头部的表面在一个预定平面内；使一个材料块在一个固定点就位的装置，使所述材料块在一个与所述预定平面垂直的平面内绕一个支点自由摆动，以使所述材料块撞击所述头部的所述表面；用于确定所述材料块在与所述头部的所述表面撞击后、在它的运动方向上的加速度的装置；用于记录确定的加速度并计算所述材料块的速度随时间的变化的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，确定加速度的装置包括一个加速度仪，用于根据所述材料块从所述固定平面离开所述头部的所述表面的加速度产生一个电压信号，并且所述记录装置包括一个与所述加速度仪连接的示波器，以接收和记录所述电压信号，并计算所述速度随时间的变化。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述材料块为球形。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述使一个高尔夫球杆定位的装置包括一个夹具，用于把一个高尔夫球杆的杆部固定在其中。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述使材料块定位的装置包括一个支架，所述材料块转动安装在该支架上。
6.一种测量高尔夫球杆头部的柔韧性的设备，该设备包括一个底座；一个安装在所述底座一端的块；一个安装在所述块上的夹具，用于把一个高尔夫球杆的杆部固定在其内；一个安装在所述底座上并与所述块相对的支架；一个安装在所述支架内并可垂直调节的顶块；一个转动安装并悬挂在所述顶块下的杆，以便在一个与所述固定平面垂直的平面内绕一个支点摆动；一个安装在所述杆的一端的材料块，用于撞击位于所述顶块下面的高尔夫球杆头部的一个表面；用于确定所述材料块与高尔夫球杆头部表面撞击后、在它的运动方向上的加速度的装置；以及用于记录确定的加速度并计算所述材料块的速度随时间的变化的装置。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述确定加速度的装置包括一个加速度仪，该加速度仪根据所述材料块离开所述头部的所述表面的加速度产生一个电压信号，所述记录装置包括一个与所述加速度仪连接的示波器，以接收和记录所述电压信号，并计算所述速度随时间的变化。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述夹具安装在所述块上，可以水平调整，以使高尔夫球杆可相对所述支架水平移动。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述材料块有一个球形表面，用于与高尔夫球杆头部的一个表面撞击。
10.如权利要求6所述的设备，其特征在于，它还包括把所述材料块可释放地保持在一个离开高尔夫球杆头部表面的位置的装置。
11.如上述权利要求6所述的设备，其特征在于，它还包括一个悬挂安装在所述顶块上的轴，所述杆固定并悬挂在所述轴上。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，它还包括把所述材料块可释放地保持在一个离开高尔夫球杆头部表面的位置的装置。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，可释放地保持所述材料块的装置包括一个棘轮和棘爪组件，用于克服所述材料块的重量，把所述轴可释放地保持在一个选定的位置，当所述棘轮和棘爪组件释放时，所述材料块在重力作用下自由地向所述固定平面摆动。
14.一种测量高尔夫球杆头部的相对柔韧性的方法，该方法包括以下步骤安装一个高尔夫球杆的头部，使头部的一个表面在一个预定平面内；使一个材料块撞击在所述预定平面内的高尔夫球杆的头部表面；确定所述材料块与所述头部的表面撞击后在它的运动方向上的加速度；记录所确定的加速度，以得到一个加速度信号；对所述加速度信号进行积分，以确定随时间变化的速度；从所述信号积分确定最大速度(Vm)；然后通过下面公式从所述信号积分计算特征时间tctc＝te-ts其中，te是速度达到所述最大速度的一个预定百分比时的结束时间，ts是速度达到所述最大速度的一个较小百分比时的开始时间；然后由下面的表达式确定B值B=tc-A1Vmk]]>其中，B是高尔夫球杆的相对柔韧性的一个度量，而A表示所述特征时间对撞击速度的敏感性，它取决于高尔夫球杆头部表面的弹性模量。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，B的范围为0到1000微秒，低的数值表示一个比高的数值更硬的球杆。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，对于各种表面材料的高尔夫球杆，A的范围为-50到200。
17.一种测量高尔夫球杆头部的相对柔韧性的方法，该方法包括以下步骤安装一个高尔夫球杆的头部，使头部的一个表面在一个预定平面内；悬挂一个材料块，使其在一个与所述预定平面垂直的平面内绕一个支点自由摆动，以撞击在所述预定平面内的高尔夫球杆的头部表面；把材料块转动到使材料块离开高尔夫球杆头部的一个位置；然后从所述位置释放材料块，使材料块在重力的作用下自由摆动，以便使材料块撞击高尔夫球杆的头部表面；确定所述材料块与所述头部的所述表面撞击后、在它的运动方向上的加速度；记录所确定的加速度，并计算所述材料块的速度随时间的变化。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，转动材料块的步骤是手动进行的。
全文摘要
本设备使用一个以钟摆方式安装的钢球，以便摆动撞击一个高尔夫球杆的头部表面。高尔夫球杆的一端固定在设备底座上的一个垫块上，球杆头部自由安装，并且面对撞击球。撞击球从一个固定位置摆动，以撞击高尔夫球杆的头部，并且用一个示波器记录球与球杆头部表面撞击后球的加速度和运动，还计算球表面的速度随时间的变化。确定达到最大速度的时间。可以进行几次撞击，以得到多个计算的时间，然后根据下面的方程估算高尔夫球杆头部的相对柔韧性B=t
文档编号A63B53/04GK1523338SQ20031010120
公开日2004年8月25日 申请日期2003年10月14日 优先权日2003年2月21日
发明者马修·M·普林格尔, 斯蒂芬·R·奥托, R 奥托, 马修 M 普林格尔 申请人:美国高尔夫协会, 圣安德鲁斯皇家和古高尔夫俱乐部