Κατανόηση των μηχανικών συστημάτων εκτόξευσης V5 – Βάση γνώσεων

Δείτε το βίντεο Product Spotlight για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τα ρουλεμάν και τους σφόνδυλους.

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος εκτόξευσης αντικειμένων με ένα ρομπότ V5 είναι η περιστροφή ενός τροχού με υψηλές ταχύτητες και στη συνέχεια η τροφοδοσία του αντικειμένου στον τροχό. Αυτό το έγγραφο εξηγεί τη σχετική φυσική πίσω από ένα σύστημα περιστροφής, τι συμβαίνει όταν εκτοξεύεται ένα αντικείμενο και πώς μπορείτε να προσαρμόσετε ένα σύστημα για να εκτοξεύει αντικείμενα καλύτερα.

Φυσική πίσω από την περιστροφή αντικειμένων

Η περιστροφική ενέργεια, η μέτρηση της ενέργειας που περιέχεται σε ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο, ορίζεται από την εξίσωση:

E_{Περιστροφική} = 1/2 Iw²

I αντιπροσωπεύει την περιστροφική αδράνεια (που ονομάζεται επίσης «Ροπή Αδράνειας» ή «MOI»), η οποία είναι μια μέτρηση του πόσο δύσκολο είναι να περιστραφεί το αντικείμενο.
w είναι η ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται το αντικείμενο.

Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να αλλάξουμε δύο μεταβλητές — είτε την περιστροφική αδράνεια του συστήματός μας (I) είτε την ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται (w) — για να αλλάξουμε την περιστροφική ενέργεια στο σύστημα εκτόξευσης.

Γιατί λοιπόν μας ενδιαφέρει η περιστροφική ενέργεια στον εκτοξευτή μας; Ο νόμος διατήρησης της ενέργειας ορίζει ότι η ενέργεια δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται, μόνο μεταφέρεται. Αυτό σημαίνει ότι το σύστημα εκτοξευτή θα μεταφέρει μέρος της περιστροφικής του ενέργειας στο αντικείμενο που εκτοξεύουμε και αυτή η ενέργεια είναι που κάνει το αντικείμενο να εκτοξευθεί στον αέρα!

Ένα αντικείμενο που κινείται προς μια κατεύθυνση έχει γραμμική ενέργεια, η οποία ορίζεται από την εξίσωση:

E_{Γραμμική} =1/2 mv²

m αντιπροσωπεύει τη μάζα του αντικειμένου
v είναι η ταχύτητα του αντικειμένου

Αυτό σημαίνει ότι ένα αντικείμενο που εκτοξεύεται με μια συγκεκριμένη ταχύτητα έχει μια καθορισμένη ποσότητα ενέργειας. Αυτή η τιμή είναι σταθερή για μια συγκεκριμένη ταχύτητα, αλλά η ενέργεια στον εκτοξευτή μας δεν είναι. Η ενέργεια στον εκτοξευτή μας αμέσως μετά την εκτόξευση θα είναι λιγότερη από ό,τι ακριβώς πριν, λόγω της μεταφοράς ενέργειας στο εκτοξευόμενο αντικείμενο. Αλλάζοντας την ενέργεια στο σύστημα εκτοξευτή μας πριν από την εκτόξευση, μπορούμε να αλλάξουμε την αναλογία ενέργειας που μεταφέρεται στο εκτοξευόμενο αντικείμενο και, με αυτόν τον τρόπο, να επηρεάσουμε τόσο το πόσο καλά εκτοξεύει ο εκτοξευτής το αντικείμενο όσο και το πόσο προετοιμασμένος είναι να εκτοξεύσει το επόμενο αντικείμενο.

Τι είναι ένας σφόνδυλος;

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ένας από τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να αλλάξουμε την περιστροφική ενέργεια του εκτοξευτή μας είναι αλλάζοντας την περιστροφική αδράνεια του συστήματος. Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε δύο πράγματα: Πρώτον, κάθε αντικείμενο έχει μια συγκεκριμένη τιμή περιστροφικής αδράνειας γύρω από έναν άξονα περιστροφής και, δεύτερον, η περιστροφική αδράνεια όλων των μερών ενός συστήματος αθροίζεται για να σχηματίσει την περιστροφική αδράνεια του συστήματος. Ένα αντικείμενο που χρησιμοποιείται για την αύξηση της περιστροφικής αδράνειας ενός συστήματος είναι γνωστό ως σφόνδυλος και υπάρχει ένα νέο βάρος σφονδύλου VEX V5 για να κάνει ακριβώς αυτό στο οικοσύστημα V5.

Επίδραση ενός σφονδύλου στην απόδοση του συστήματος

Το σημαντικότερο πράγμα που πρέπει να κατανοήσουμε είναι πώς οι διαφορετικές ροπές αδράνειας σε ένα σύστημα επηρεάζουν την απόδοσή του.

Αν αυξήσουμε τη ροπή αδράνειας, η περιστροφική ενέργεια θα αυξηθεί (όπως φαίνεται από την πρώτη εξίσωση παραπάνω). Με περισσότερη ενέργεια στο σύστημα σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα, θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να απορροφηθεί η ενέργεια από το σύστημα, επομένως ο χρόνος περιστροφής θα αυξηθεί. Με περισσότερο MOI, η πτώση των στροφών μετά από μια εκτόξευση θα μειωθεί και ένα αντικείμενο γενικά θα εκτοξευθεί περαιτέρω. Με τη μείωση της ροπής αδράνειας, έχουμε όλα τα αντίθετα αποτελέσματα: η περιστροφική ενέργεια και ο χρόνος περιστροφής θα μειωθούν, η πτώση των στροφών θα αυξηθεί και τόσο η ενέργεια που μεταφέρεται στο αντικείμενο όσο και η απόσταση που θα διανύσει το αντικείμενο θα μειωθούν.

Υψηλότερο MOI	Κάτω ΜΟΙ
Υψηλότερη κατανάλωση ρεύματος κατά την αρχική περιστροφή	Χαμηλότερη κατανάλωση ρεύματος κατά την αρχική περιστροφή
Λιγότερη ταχύτητα που απαιτείται για την εκτόξευση αντικειμένου στην επιθυμητή απόσταση	Απαιτείται υψηλότερη ταχύτητα για την εκτόξευση αντικειμένου στην επιθυμητή απόσταση
Λιγότερη πτώση ταχύτητας κατά την εκτόξευση αντικειμένου (λιγότερος χρόνος μεταξύ των εκτοξεύσεων)	Μεγαλύτερη πτώση ταχύτητας κατά την εκτόξευση αντικειμένου (περισσότερος χρόνος μεταξύ των εκτοξεύσεων)

Πώς να χρησιμοποιήσετε το βάρος σφονδύλου V5

Το βάρος του σφονδύλου V5 εμφανίζεται με χρωματιστές κουκκίδες που υποδεικνύουν τις θύρες στερέωσής του για συνδέσεις V5 και συνδέσεις VersaHub.

Το βάρος σφονδύλου V5 μπορεί να τοποθετηθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους. Πρώτον, ένα τυπικό τετράγωνο μοτίβο τοποθέτησης βήματος ½” επιτρέπει την τοποθέτηση του σφονδύλου στα γρανάζια υψηλής αντοχής , 60T, 72T και 84T. Δεύτερον, ένα τυπικό εξαγωνικό μοτίβο τοποθέτησης 1,875” επιτρέπει την τοποθέτηση του σφονδύλου σε ένα versahub, το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί σε έναν άξονα υψηλής αντοχής με έναν προσαρμογέα versahub. Η εικόνα στα αριστερά δείχνει τις οπές στερέωσης στο βάρος σφονδύλου V5. Οι κόκκινες οπές ταιριάζουν με το τυπικό τετράγωνο μοτίβο τοποθέτησης και οι μπλε οπές ταιριάζουν με το εξαγωνικό μοτίβο versahub.

Το βάρος του σφονδύλου V5 απεικονίζεται με ένα γρανάζι V5 βιδωμένο στις θύρες στερέωσής του.

Ένα παράδειγμα που δείχνει το παράδειγμα τοποθέτησης βάρους σφονδύλου V5 #1.

Το βάρος του σφονδύλου V5 απεικονίζεται με ένα κομμάτι VersaHub βιδωμένο στις θύρες στερέωσής του.

Ένα παράδειγμα που δείχνει το παράδειγμα τοποθέτησης βάρους σφονδύλου V5 #2.

Όπως συμβαίνει με όλα όσα κατασκευάζονται, όλα τα μέρη έχουν μια ανοχή στο σχεδιασμό τους λόγω μικρών, αναπόφευκτων ανακριβειών στη διαδικασία κατασκευής. Το βάρος σφονδύλου V5 δεν αποτελεί εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα και υπάρχει πιθανότητα μικρής ασυμμετρίας στο σφόνδυλο που να έχει ως αποτέλεσμα κραδασμούς. Οι κραδασμοί στο ρομπότ σας μπορούν να χαλαρώσουν τα μπουλόνια, να καταστήσουν τον εκτοξευτή σας ανακριβή ή ακόμα και να προκαλέσουν ζημιά στα εξαρτήματα του ρομπότ. Υπάρχουν δύο τρόποι για να καταπολεμηθεί αυτό. Καταρχάς, εάν χρησιμοποιούνται περισσότεροι από ένας σφόνδυλοι, οι σφόνδυλοι μπορούν να περιστραφούν ο ένας σε σχέση με τον άλλον έτσι ώστε να ακυρώνουν την ασύμμετρη ισορροπία ο ένας του άλλου. Δεύτερον, εάν χρησιμοποιείται μόνο ένας σφόνδυλος, μπορεί να τοποθετηθεί ένα μπουλόνι σε μια αχρησιμοποίητη οπή στερέωσης για να αντισταθμιστεί η ασύμμετρη ισορροπία. Και στις δύο περιπτώσεις, συνιστάται να χρησιμοποιήσετε μια διαδικασία δοκιμής και σφάλματος για να καταλάβετε ποια διαμόρφωση είναι η καλύτερη.

Ρουλεμάν ή Δακτύλιος: Ποιο χρειάζεστε;

Με την εισαγωγή του ρουλεμάν άξονα υψηλής αντοχής , οι χρήστες του VEX έχουν πλέον πρόσβαση σε δύο διαφορετικούς τρόπους υποστήριξης περιστροφικών συστημάτων στα ρομπότ τους. Το τμήμα που είναι γνωστό ως «επίπεδο ρουλεμάν» είναι στην πραγματικότητα γνωστό στη βιομηχανία ως δακτύλιος επειδή δεν έχει κινούμενα μέρη. Τόσο τα ρουλεμάν όσο και οι δακτύλιοι λειτουργούν μειώνοντας την τριβή μεταξύ του περιστρεφόμενου άξονα και του σταθερού στηρίγματος. Οι δακτύλιοι—το «ρουλεμάνεπίπεδο» ή τορουλεμάν άξονα υψηλής αντοχής» στο VEX (αναφέρονται σε αυτό το έγγραφο ως δακτύλιοι)—το επιτυγχάνουν αυτό παρέχοντας μια λεία, στρογγυλή επιφάνεια με την οποία μπορεί να έρθει σε επαφή ο άξονας. Τα ρουλεμάν, από την άλλη πλευρά, περιέχουν πολλές μικρές σφαίρες που κυλούν όταν περιστρέφεται ο άξονας. Παρά τη μείωση της τριβής, ούτε τα ρουλεμάν ούτε οι δακτύλιοι την εξαλείφουν εντελώς. Λόγω των διαφορετικών κατασκευών τους και μερικών άλλων παραγόντων, τα ρουλεμάν και οι δακτύλιοι έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα, αδυναμίες και περιπτώσεις χρήσης.

	Δυνατά σημεία	Αδυναμίες
Ρουλεμάν	Μειωμένη τριβή σε σχέση με τον δακτύλιο Ικανός να αντέξει περισσότερο φορτίο Πιο ανθεκτικό Μπορεί να κάνει πράγματα που δεν μπορεί να κάνει ένας δακτύλιος Αποδίδει καλά σε υψηλές ταχύτητες	Ακριβότερος Βαρύτερο Πιο δύσκολο στην τοποθέτηση
Πυκνός	Εύχρηστος Λιγότερο ακριβό Αναπτήρας Καλό για τις περισσότερες εφαρμογές	Ασθενέστερο Δεν είναι καλό σε υψηλές ταχύτητες

Αν εξετάσουμε έναν μηχανισμό περιστροφής στο πλαίσιο της ενέργειάς του, όπως έχουμε κάνει προηγουμένως σε αυτόν τον οδηγό, τα ρουλεμάν ή οι δακτύλιοι «διαρρέουν» συνεχώς ενέργεια μακριά από το σύστημα με τη μορφή θερμότητας μέσω τριβής. Ο ρυθμός με τον οποίο το κάνουν αυτό, ωστόσο, είναι διαφορετικός. Οι δακτύλιοι χάνουν ενέργεια από το σύστημα πιο γρήγορα από τα ρουλεμάν και η πρόσκρουση είναι σημαντική.

Γράφημα που δείχνει την ταχύτητα του κινητήρα σε συνάρτηση με τον χρόνο για κιβώτια ταχυτήτων που βασίζονται σε ρουλεμάν και δακτυλίους. Υπάρχουν δύο γραμμές που υποδεικνύουν δεδομένα για τους δακτυλίους έναντι των ρουλεμάν και οι δακτύλιοι περιστρέφονταν σταθερά πιο αργά.

Πραγματοποιήσαμε μια σειρά δοκιμών με έναν εκτοξευτή, χρησιμοποιώντας πρώτα δακτυλίους και στη συνέχεια ρουλεμάν. Και στις δύο εκδόσεις, ο εκτοξευτής είχε 2 ρουλεμάν/δακτυλίους με γρανάζια στις 600 σ.α.λ. και 2 ρουλεμάν/δακτυλίους με γρανάζια στις 3600 σ.α.λ., χρησιμοποιώντας δύο Smart Motors V5 με μπλε φυσίγγια. Η διαφορά μεταξύ των ρουλεμάν και των δακτυλίων ήταν σημαντική. Αυτό είναι το γράφημα της ταχύτητας του κινητήρα κατά τη διάρκεια μιας κανονικής περιστροφής προς τα πάνω.

Τα ρουλεμάν πέτυχαν σημαντικά υψηλότερη σταθερή τελική ταχύτητα και επιταχύνθηκαν γρηγορότερα από ό,τι τα δακτύλιοι. Στο πλαίσιο της ενέργειας, αυτό σημαίνει ότι το σύστημα με ρουλεμάν ήταν σε θέση να διατηρήσει περισσότερη ενέργεια στο σύστημα και να εκτοξεύσει το αντικείμενό του πιο μακριά και πιο γρήγορα από το σύστημα με τους δακτυλίους. Η διαφορά στην απόδοση ήταν περίπου 8%, με διαφορά 300 σ.α.λ. στην έξοδο του κιβωτίου ταχυτήτων.

Γράφημα που δείχνει το ρεύμα συναρτήσει του χρόνου για κιβώτια ταχυτήτων που βασίζονται σε ρουλεμάν και δακτυλίους. Υπάρχουν δύο γραμμές που υποδεικνύουν δεδομένα για τους δακτυλίους έναντι των ρουλεμάν και τα ρουλεμάν είχαν σταθερά χαμηλότερη κατανάλωση ρεύματος.

Με την ίδια διάταξη, μετρήσαμε την κατανάλωση ρεύματος ενός από τους κινητήρες κατά τη διάρκεια μιας κανονικής περιστροφής του εκτοξευτή. Όπως και στην τελευταία δοκιμή, κάναμε μία δοκιμή με δακτυλίους και μία άλλη με ρουλεμάν, με μια κατά τα άλλα πανομοιότυπη διάταξη. Η διαφορά στην κατανάλωση ρεύματος ήταν σημαντική, με τον εκτοξευτή που βασίζεται σε δακτύλιο να καταναλώνει περισσότερο από το διπλάσιο ρεύμα από τον εκτοξευτή που βασίζεται σε ρουλεμάν. Αυτό είναι το γράφημα της τρέχουσας κλήρωσης σε σχέση με τον χρόνο.

Γράφημα που δείχνει τις στροφές ανά λεπτό συναρτήσει του χρόνου για 3 βολές με 0 και 2 σφόνδυλους. Υπάρχουν δύο γραμμές που υποδεικνύουν δεδομένα RPM για κάθε βολή με 2 σφόνδυλους έναντι 0 σφονδύλων. Οι βολές με 2 σφόνδυλους είχαν πιο σταθερές τιμές στροφών και χρειάστηκαν συνολικά 40% λιγότερο χρόνο.

Τέλος, για να δείξουμε την επίδραση των σφονδύλων που συζητήθηκαν νωρίτερα σε αυτό το άρθρο, πραγματοποιήσαμε μια δοκιμή παρακολουθώντας τις στροφές ενός από τους κινητήρες κατά την εκκίνηση 3 δίσκων. Η μία δοκιμή δεν είχε σφόνδυλους, ενώ η άλλη είχε δύο. Αυτό είναι το γράφημα:

Υπάρχουν μερικά σημαντικά πράγματα που μπορούμε να δούμε σε αυτό το γράφημα:

Η πτώση των στροφών—η διαφορά μεταξύ των στροφών-στόχου (600) και των πιο αργών στροφών αμέσως μετά από μια βολή—μειώθηκε σημαντικά στη δοκιμή με 2 σφόνδυλους. Οι δοκιμές με 0 σφόνδυλους είχαν πτώση ~150 σ.α.λ., ενώ η δοκιμή με 2 σφόνδυλους είχε πτώση ~75 σ.α.λ.
Ο Χρόνος Ανάκαμψης—ο χρόνος που χρειάζεται ο εκτοξευτής για να επιστρέψει στις στροφές-στόχους (600)—μειώθηκε σημαντικά στη δοκιμή με 2 σφόνδυλους. Αυτό έχει νόημα καθώς ένα μικρότερο ποσοστό της συνολικής ενέργειας μεταφέρεται στον εκτοξευόμενο δίσκο, όπως συζητήθηκε νωρίτερα στο άρθρο.
Ο συνολικός χρόνος εκτόξευσης μειώθηκε κατά ~40% ανά βολή και συνολικά για τη δοκιμή με 2 σφόνδυλους.

Συμπεράσματα

Είναι ευκολότερο να σκεφτούμε τους εκτοξευτές με βάση την περιστροφική τους ενέργεια και τις εκτοξεύσεις ως μεταφορά αυτής της περιστροφικής ενέργειας στο εκτοξευόμενο αντικείμενο.
Οι σφόνδυλοι σάς επιτρέπουν να αυξήσετε την περιστροφική ενέργεια στον εκτοξευτή σας, επιτρέποντάς σας να εκτοξεύετε αντικείμενα σε μεγαλύτερη απόσταση. Το νέο βάρος σφονδύλου V5 ανοίγει τις επιλογές για σφόνδυλους στο VRC και στο οικοσύστημα V5.
Τα βάρη σφονδύλου V5 ενδέχεται να χρειαστεί να στερεωθούν με τρόπο που να είναι σε σχέση μεταξύ τους, για να μειωθεί η ασύμμετρη ισορροπία που παράγεται κατά τη διαδικασία κατασκευής.
Τα ρουλεμάν και οι δακτύλιοι «διαρρέουν» ενέργεια από τον εκτοξευτή σας μέσω της θερμότητας από την τριβή. Η χρήση των νέων ρουλεμάν υψηλής αντοχής αντί των παραδοσιακών επίπεδων ρουλεμάν (δακτυλίων) μπορεί να σας επιτρέψει να επιτύχετε υψηλότερη τελική ταχύτητα στον εκτοξευτή σας και να μειώσετε την κατανάλωση ρεύματος των κινητήρων του εκτοξευτή σας. Αυτό αυξάνει την ενέργεια στο σύστημα εκτόξευσης, διατηρώντας παράλληλα τους κινητήρες σας πιο δροσερούς.