Yleisin tapa laukaista esineitä V5-robotilla on pyörittää pyörää suurilla nopeuksilla ja sitten syöttää esine pyörään. Tässä asiakirjassa selitetään pyörivän järjestelmän taustalla oleva asiaankuuluva fysiikka, mitä tapahtuu, kun objekti laukaistaan, ja kuinka voit säätää järjestelmää laukaisemaan esineitä paremmin.
Fysiikkaa pyörivien esineiden takana
Pyörimisenergia, pyörivän esineen sisältämän energian mittaus, määritellään yhtälöllä:
EPyörivä = 12 Iw2
- I tarkoittaa pyörimishitausta (kutsutaan myös "Moment of Inertia" tai "MOI"), joka on mitta siitä, kuinka vaikeaa esinettä on kääntää.
- w on nopeus, jolla esine pyörii.
Tämä tarkoittaa, että voimme muuttaa kahta muuttujaa – joko järjestelmämme pyörimisinertiaa (I) tai sen pyörimisnopeutta (w) – muuttaaksemme kantorakettijärjestelmämme pyörimisenergiaa.
Joten miksi välitämme kantorakettimme pyörimisenergiasta? Energian säilymislaki sanoo, että energiaa ei luoda eikä tuhota, se vain siirretään. Tämä tarkoittaa, että laukaisujärjestelmä siirtää osan pyörimisenergiastaan laukaistavaan kohteeseen, ja juuri tämä energia saa kohteen laukaisuun ilman läpi!
Suuntaan liikkuvalla esineellä on lineaarinen energia, joka määritellään yhtälöllä:
ELineaarinen =12 mv2
- m tarkoittaa kohteen massaa
- v on kohteen nopeus
Tämä tarkoittaa, että tietyllä nopeudella laukaisulla on tietty määrä energiaa. Tämä arvo on kiinteä tietylle nopeudelle, mutta kantorakettimme energia ei ole. Kantoraketissamme energia heti laukaisun jälkeen on vähemmän kuin ennen, koska energia siirtyy laukaisuun. Muuttamalla laukaisujärjestelmämme energiaa ennen laukaisua voimme muuttaa laukaistuun kohteeseen siirtyvän energian osuutta ja siten vaikuttaa sekä siihen, kuinka hyvin kantoraketti laukaisee kohteen ja kuinka valmis se on seuraavan kohteen laukaisuun.
Mikä on vauhtipyörä?
Kuten edellä mainittiin, yksi tapa, jolla voimme muuttaa kantorakettimme pyörimisenergiaa, on muuttaa järjestelmän pyörimisinertiaa. On tärkeää tietää kaksi asiaa: Ensinnäkin jokaisella esineellä on tietty pyörimishitausarvo pyörimisakselin ympäri, ja toiseksi järjestelmän kaikkien osien pyörimishitaus lasketaan yhteen muodostaen järjestelmän pyörimisinertian. Esine, jota käytetään lisäämään järjestelmän pyörimishitautta, tunnetaan vauhtipyöränä, ja V5-ekosysteemissä on uusi VEX V5 Flywheel Weight , joka tekee juuri tämän.
Vauhtipyörän vaikutus järjestelmän suorituskykyyn
Suurin asia, joka on ymmärrettävä, on se, kuinka järjestelmän erilaiset hitausmomentit vaikuttavat sen suorituskykyyn.
Jos lisäämme hitausmomenttia, pyörimisenergia kasvaa (kuten yllä oleva ensimmäinen yhtälö osoittaa). Kun järjestelmässä on enemmän energiaa tietyllä nopeudella, energian saaminen järjestelmään vie enemmän aikaa, joten pyörimisaika pitenee. Jos MOI:ta on enemmän, kierrosluvun pudotus laukaisun jälkeen laskee ja kohde laukaistaan yleensä edelleen. Hitausmomentin pienentyessä saamme kaikki päinvastaiset vaikutukset: pyörimisenergia ja pyörimisaika pienenevät, RPM-pudotus kasvaa ja sekä esineeseen siirtyvä energia että se, kuinka pitkälle esine menee, pienenevät.
| Korkeampi MOI | Alempi MOI |
| Suurempi virranotto aloituskierroksella | Alhaisempi virranotto aloituskierroksella |
| Tarvitaan vähemmän nopeutta, jotta kohde laukaistiin halutulle etäisyydelle | Tarvitaan suurempi nopeus, jotta kohde laukaistiin halutulle etäisyydelle |
| Pienempi nopeuden pudotus, kun objekti laukaistaan (vähemmän laukaisujen välistä aikaa) | Suurempi nopeuden pudotus, kun objekti laukaistaan (enemmän aikaa laukaisujen välillä) |
Kuinka käyttää V5-vauhtipyörän painoa
V5-vauhtipyöräpaino voidaan asentaa kahdella eri tavalla. Ensinnäkin tavallinen ½”:n jakokulmainen neliömäinen asennuskuvio mahdollistaa vauhtipyörän asennuksen 48T, 60T, 72T ja 84T vahvoihin vaihteisiin. Toiseksi, tavallinen 1,875 tuuman kuusiokolokiinnityskuvio mahdollistaa vauhtipyörän asentamisen versa-napaan, joka voidaan asentaa erittäin lujaan akseliin versahub-adapterilla. Vasemmalla olevassa kuvassa näkyvät V5-vauhtipyörän painon kiinnitysreiät. Punaiset reiät sopivat vakiomuotoiseen nelikulmaiseen asennuskuvioon ja siniset reiät vastaavat versahub-kuusiokuviota.
Esimerkki, joka esittää V5-vauhtipyörän painon asennusesimerkkiä 1.
Esimerkki, joka esittää V5-vauhtipyörän painon asennusesimerkkiä 2.
Kuten kaikissa valmistetuissa osissa, kaikilla osilla on suunnittelussa toleranssi valmistusprosessin pienistä, väistämättömistä epätarkkuuksista johtuen. V5-vauhtipyörän paino ei ole poikkeus tästä säännöstä, ja vauhtipyörässä voi olla pieni epäsymmetria, joka aiheuttaa tärinää. Tärinä robotissasi voi löysätä pultteja, tehdä kantoraketista epätarkan tai jopa vahingoittaa robotin osia. On kaksi tapaa torjua tätä. Ensinnäkin, jos käytetään useampaa kuin yhtä vauhtipyörää, vauhtipyöriä voidaan kääntää suhteessa toisiinsa siten, että ne kumoavat toistensa epäsymmetrisen tasapainon. Toiseksi, jos käytössä on vain yksi vauhtipyörä, käyttämättömään kiinnitysreikään voidaan asettaa pultti epäsymmetrisen tasapainon estämiseksi. Molemmissa tapauksissa on suositeltavaa käyttää yritys- ja erehdysprosessia parhaan kokoonpanon selvittämiseksi.
Laakeri vai holkki: Kumpaa tarvitset?
High Strength Shaft Ball Bearing-kuulalaakerin käyttöönoton myötä VEX-käyttäjillä on nyt kaksi erilaista tapaa tukea pyörimisjärjestelmiä roboteissaan. Osa, joka tunnetaan nimellä "laakerilevy", tunnetaan itse asiassa teollisuudessa holkina, koska siinä ei ole liikkuvia osia. Sekä laakerit että holkit toimivat vähentämällä kitkaa pyörivän akselin ja kiinteän tuen välillä. Holkit – VEX:n "laakeri litteä" tai "High Strength Shaft Bearing" (viitataan tässä asiakirjassa holkeiksi) - tekevät sen muodostamalla sileän, pyöreän pinnan, johon akseli voi koskettaa. Laakerit sen sijaan sisältävät monia pieniä palloja, jotka pyörivät akselin pyöriessä. Kitkan vähentämisestä huolimatta laakerit tai holkit eivät poista sitä kokonaan. Laakereiden ja holkkien erilaiset rakenteet ja pari muuta tekijää ovat erilaisia vahvuuksia, heikkouksia ja käyttötapauksia.
|
|
Vahvuudet | Heikkoudet |
| Laakeri |
|
|
| Holkki |
|
|
Jos tarkastelemme pyörivää mekanismia sen energian yhteydessä, kuten olemme tehneet aiemmin tässä oppaassa, laakerit tai holkit "vuotavat" jatkuvasti energiaa pois järjestelmästä lämmön muodossa kitkan kautta. Niiden nopeus on kuitenkin erilainen. Holkit menettävät energiaa järjestelmästä nopeammin kuin kuulalaakerit, ja isku on merkittävä.
Teimme sarjan testejä kantoraketilla, käyttäen ensin holkkeja ja sitten laakereita. Molemmissa versioissa kantoraketissa oli 2 laakeria/holkkia nopeudella 600 rpm ja 2 laakeria/holkkia nopeudella 3600 rpm käyttäen kahta V5 Smart Motors -moottoria sinisillä patruunoilla. Ero laakereiden ja holkkien välillä oli merkittävä. Tämä on kaavio moottorin nopeudesta normaalin pyörimisen aikana.
Laakerit saavuttivat huomattavasti suuremman vakaan huippunopeuden ja kiihtyivät nopeammin kuin holkit. Energian kannalta tämä tarkoittaa, että laakeroitu järjestelmä pystyi pitämään enemmän energiaa järjestelmässä ja laukaisi kohteensa kauemmaksi ja nopeammin kuin järjestelmä holkeilla. Tehokkuusero oli noin 8 %, ero 300 rpm:ssä vaihteiston teholla.
Samalla asetuksella mitasimme yhden moottorin virrankulutuksen kantoraketin normaalin pyörimisen aikana. Kuten edellisessäkin testissä, teimme yhden testin holkeilla ja toisen laakereilla, muuten identtisellä kokoonpanolla. Ero virrankulutuksessa oli merkittävä, sillä holkkipohjainen kantoraketti veti yli kaksinkertaisen virran laakeripohjaiseen kantorakettiin verrattuna. Tämä on kaavio nykyisestä arvonnasta ajan kuluessa.
Lopuksi, osoittaaksemme aiemmin tässä artikkelissa käsiteltyjen vauhtipyörien vaikutuksen, suoritimme testin, joka seurasi yhden moottorin kierroslukua käynnistäessämme 3 levyä. Yhdessä testissä ei ollut vauhtipyörää, kun taas toisessa oli kaksi. Tämä on kaavio:
Tässä kaaviossa on pari tärkeää asiaa:
- RPM-pudotus – ero tavoitekierroksen (600) ja hitaimman kierrosluvun välillä heti laukauksen jälkeen – pieneni merkittävästi testissä kahdella vauhtipyörällä. Testeissä 0 vauhtipyörällä pudotus oli ~150 rpm, kun taas testissä 2 vauhtipyörällä ~75 rpm.
- Palautumisaika – aika, joka kuluu kantoraketin saavuttaakseen tavoitekierrosluvun (600) – lyhennettiin merkittävästi kahden vauhtipyörän testissä. Tämä on järkevää, koska pienempi osa kokonaisenergiasta siirtyy käynnistettyyn levyyn, kuten artikkelissa aiemmin on käsitelty.
- Kokonaislaukaisuaika lyheni noin 40 % laukausta kohti ja kaiken kaikkiaan testissä kahdella vauhtipyörällä.
Johtopäätökset
- Kantoraketteja on helpoin ajatella niiden pyörimisenergian perusteella ja laukaisuja tämän pyörimisenergian siirrona laukaistuun kohteeseen.
- Vauhtipyörien avulla voit lisätä kantoraketin pyörimisenergiaa, jolloin voit laukaista esineitä kauemmas. Uusi V5-vauhtipyörän paino avaa vauhtipyörille vaihtoehtoja VRC:ssä ja V5-ekosysteemissä.
- V5-vauhtipyörän painot on ehkä kiinnitettävä toisiinsa nähden, jotta voidaan vähentää valmistusprosessin aikana syntyvää epäsymmetristä tasapainoa.
- Laakerit ja holkit "vuotavat" energiaa kantoraketistasi kitkan aiheuttaman lämmön kautta. Uusien lujien laakereiden käyttäminen perinteisten laakerilevyjen (holkkien) sijaan voi mahdollistaa suuremman huippunopeuden kantoraketissasi ja vähentää kantoramottoreidesi jatkuvaa virrankulutusta. Tämä lisää energiaa laukaisujärjestelmässäsi pitäen samalla moottorisi viileänä.