Nejběžnějším způsobem spouštění objektů pomocí robota V5 je roztočení kola při vysokých rychlostech a následné vložení předmětu do kola. Tento dokument vysvětluje příslušnou fyziku za rotujícím systémem, co se stane, když je objekt vypuštěn, a jak můžete upravit systém, aby objekty lépe spouštěl.
Fyzika za rotujícími předměty
Rotační energie, měření energie obsažené v rotujícím předmětu, je definována rovnicí:
ERotační = 12 Iw2
- I znamená rotační setrvačnost (také nazývaná „Moment of Inertia“ nebo „MOI“), což je míra toho, jak těžké je otočit objekt.
- w je rychlost, kterou se předmět otáčí.
To znamená, že můžeme změnit dvě proměnné – buď rotační setrvačnost našeho systému (I) nebo rychlost, jakou se otáčí (w) – a změnit tak rotační energii v našem odpalovacím systému.
Proč se tedy staráme o rotační energii v našem odpalovacím zařízení? Zákon zachování energie říká, že energie se nevytváří ani neničí, pouze se přenáší. To znamená, že systém odpalovacího zařízení přenese část své rotační energie na objekt, který odpalujeme, a je to právě tato energie, která způsobí, že objekt vyletí vzduchem!
Objekt pohybující se ve směru má lineární energii definovanou rovnicí:
ELineární =12 mv2
- m znamená hmotnost objektu
- v je rychlost objektu
To znamená, že objekt vypuštěný určitou rychlostí má nastavené množství energie. Tato hodnota je pevná pro určitou rychlost, ale energie v našem odpalovacím zařízení ne. Energie v našem odpalovacím zařízení hned po startu bude menší než těsně předtím, protože se energie přenáší na vypuštěný objekt. Změnou energie v našem odpalovacím systému před startem můžeme změnit poměr energie přenesené na vypuštěný objekt, a tím ovlivnit, jak dobře odpalovací zařízení odpálí objekt a jak je připraveno vypustit další objekt.
Co je to setrvačník?
Jak bylo uvedeno výše, jedním ze způsobů, jak můžeme změnit rotační energii našeho odpalovacího zařízení, je změna rotační setrvačnosti systému. Je důležité vědět dvě věci: Za prvé, každý objekt má určitou hodnotu rotační setrvačnosti kolem osy rotace, a zadruhé, rotační setrvačnost všech částí systému se sečte a vytvoří rotační setrvačnost systému. Objekt, který se používá ke zvýšení rotační setrvačnosti systému, je známý jako setrvačník a existuje nový VEX V5 Flywheel Weight , který přesně toto dělá v ekosystému V5.
Vliv setrvačníku na výkon systému
Nejdůležitější je pochopit, jak různé momenty setrvačnosti v systému ovlivňují jeho výkon.
Pokud zvýšíme moment setrvačnosti, zvýší se rotační energie (jak ukazuje první rovnice výše). S větším množstvím energie v systému při určité rychlosti bude trvat déle, než se energie do systému dostane, takže se doba roztočení prodlouží. S více MOI se pokles RPM po spuštění sníží a objekt bude obecně spuštěn dále. S poklesem momentu setrvačnosti získáme všechny opačné efekty: rotační energie a doba roztočení se sníží, pokles RPM se zvýší a sníží se jak energie přenesená na objekt, tak i to, jak daleko se objekt dostane.
| Vyšší MOI | Nižší MOI |
| Vyšší odběr proudu při počátečním roztočení | Nižší odběr proudu při počátečním roztočení |
| Menší rychlost potřebná k vypuštění objektu na požadovanou vzdálenost | Vyšší rychlost potřebná k vypuštění objektu na požadovanou vzdálenost |
| Menší pokles rychlosti při spuštění objektu (kratší doba mezi spuštěními) | Vyšší pokles rychlosti při spuštění objektu (délka času mezi spuštěními) |
Jak používat závaží setrvačníku V5
Setrvačník V5 lze namontovat dvěma různými způsoby. Za prvé, standardní montážní schéma ½” rozteče umožňuje montáž setrvačníku na vysoce pevná ozubená kola 48T, 60T, 72T a 84T. Za druhé, standardní 1,875” šestihranný montážní vzor umožňuje namontovat setrvačník na versahub, který lze namontovat na vysoce pevný hřídel pomocí versahub adaptéru. Obrázek vlevo ukazuje montážní otvory na závaží setrvačníku V5. Červené otvory odpovídají standardnímu čtvercovému montážnímu vzoru a modré otvory odpovídají šestihrannému vzoru versahub.
Příklad znázorňující montáž závaží setrvačníku V5 Příklad č. 1.
Příklad znázorňující montáž závaží setrvačníku V5 Příklad č. 2.
Stejně jako u všeho, co se vyrábí, mají všechny díly toleranci ve svém designu kvůli malým, nevyhnutelným nepřesnostem ve výrobním procesu. Hmotnost setrvačníku V5 není výjimkou z tohoto pravidla a existuje potenciál pro malou asymetrii setrvačníku, která má za následek vibrace. Vibrace ve vašem robotu mohou uvolnit šrouby, způsobit nepřesnost vašeho odpalovacího zařízení nebo dokonce poškodit součásti robota. Proti tomu lze bojovat dvěma způsoby. Za prvé, pokud je použito více než jeden setrvačník, mohou se setrvačníky otáčet vůči sobě navzájem tak, že vzájemně ruší své asymetrické vyvážení. Za druhé, pokud je použit pouze jeden setrvačník, může být do nepoužitého montážního otvoru umístěn šroub, který působí proti asymetrickému vyvážení. V obou případech je vhodné použít proces pokusu a omylu, abyste zjistili, jaká konfigurace je nejlepší.
Ložisko nebo pouzdro: Které z nich potřebujete?
Se zavedením vysokopevnostního kuličkového ložiskamají nyní uživatelé VEX přístup ke dvěma různým způsobům podpory rotačních systémů ve svých robotech. Část známá jako „plocha ložiska“ je ve skutečnosti v průmyslu známá jako pouzdro, protože nemá žádné pohyblivé části. Ložiska i pouzdra fungují tak, že snižují tření mezi rotujícím hřídelem a pevnou podpěrou. Pouzdra – „ploché ložisko“ nebo „vysokopevnostní ložisko hřídele“ ve VEX (v tomto dokumentu uváděno jako pouzdra) – zajišťují hladký, kulatý povrch, se kterým se může hřídel dotýkat. Ložiska na druhé straně obsahují mnoho malých kuliček, které se při otáčení hřídele odvalují. I přes snížení tření je ložiska ani pouzdra zcela neeliminují. Ložiska a pouzdra mají kvůli různým konstrukcím a několika dalším faktorům různé silné a slabé stránky a případy použití.
|
|
Silné stránky | Slabé stránky |
| Ložisko |
|
|
| Pouzdro |
|
|
Pokud se díváme na rotační mechanismus v kontextu jeho energie, jak jsme to udělali dříve v této příručce, ložiska nebo pouzdra neustále „unikají“ energii ze systému ve formě tepla prostřednictvím tření. Rychlost, s jakou tak činí, se však liší. Pouzdra ztrácejí energii ze systému rychleji než kuličková ložiska a dopad je značný.
Provedli jsme sérii testů s odpalovacím zařízením, nejprve s použitím pouzder a poté s použitím ložisek. V obou verzích měl odpalovač 2 ložiska/pouzdra s převodem 600 ot./min a 2 ložiska/pouzdra s převodem při 3600 ot./min., s použitím dvou V5 Smart Motors s modrými kazetami. Rozdíl mezi ložisky a pouzdry byl značný. Toto je graf rychlosti motoru během normálního roztočení.
Ložiska dosahovala výrazně vyšší stabilní maximální rychlosti a zrychlovala rychleji než pouzdra. V souvislosti s energií to znamená, že systém s ložisky byl schopen udržet v systému více energie a vypustit svůj objekt dále a rychleji než systém s pouzdry. Rozdíl v účinnosti byl zhruba 8 %, s rozdílem 300 otáček za minutu na výstupu z převodovky.
Při stejném nastavení jsme měřili odběr proudu jednoho z motorů při běžném roztočení odpalovacího zařízení. Stejně jako minulý test jsme provedli jeden test s pouzdry a další s ložisky, s jinak identickým nastavením. Rozdíl v odběru proudu byl významný, přičemž odpalovací zařízení na bázi pouzdra odebíralo více než dvojnásobek proudu oproti odpalovacímu zařízení založenému na ložisku. Toto je graf aktuálního čerpání v čase.
Nakonec, abychom demonstrovali vliv setrvačníků, o kterých jsme hovořili dříve v tomto článku, provedli jsme test sledující otáčky jednoho z motorů při spuštění 3 disků. Jeden test neměl setrvačníky, zatímco druhý měl dva. Toto je graf:
Na tomto grafu můžeme vidět několik důležitých věcí:
- Pokles otáček – rozdíl mezi cílovými otáčkami (600) a nejpomalejšími otáčkami ihned po výstřelu – byl při testu se 2 setrvačníky výrazně snížen. Testy s 0 setrvačníky měly pokles o ~150 otáček za minutu, zatímco test se 2 setrvačníky měl pokles o ~75 otáček za minutu.
- Doba zotavení – čas, který odpalovacímu zařízení trvá, než se dostane zpět na cílové otáčky (600) – se při testu se 2 setrvačníky výrazně zkrátila. To dává smysl, protože menší podíl celkové energie se přenáší na vypuštěný disk, jak je uvedeno výše v článku.
- Celková doba startu byla snížena o ~40% na výstřel a celkově pro test se 2 setrvačníky.
Závěry
- Nejjednodušší je uvažovat o odpalovacích zařízeních z hlediska jejich rotační energie a startů jako přenosu této rotační energie na vypouštěný objekt.
- Setrvačníky vám umožní zvýšit rotační energii ve vašem odpalovacím zařízení, což vám umožní odpalovat objekty dále. Nová hmotnost setrvačníku V5 otevírá možnosti pro setrvačníky ve VRC a ekosystému V5.
- Závaží setrvačníku V5 může být nutné připevnit způsobem, který je vůči sobě relativní, aby se snížilo asymetrické vyvážení vznikající během výrobního procesu.
- Ložiska a pouzdra „unikají“ energii z vašeho odpalovacího zařízení prostřednictvím tepla z tření. Použití nových vysoce pevných ložisek na tradičních ložiskových plochách (pouzdrech) vám umožní dosáhnout vyšší maximální rychlosti ve vašem odpalovacím zařízení a snížit trvalý odběr proudu motorů vašeho odpalovacího zařízení. To zvyšuje energii ve vašem odpalovacím systému a zároveň udržuje vaše motory chladnější.