Najpopularniejszym sposobem wystrzeliwania obiektów za pomocą robota V5 jest obracanie koła z dużą prędkością, a następnie wprowadzanie obiektu w koło. W tym dokumencie wyjaśniono fizykę stojącą za wirującym systemem, co się dzieje, gdy obiekt zostaje wystrzelony, oraz w jaki sposób można dostosować system, aby lepiej wystrzeliwał obiekty.
Fizyka wirujących obiektów
Energię obrotową, czyli miarę energii zawartej w wirującym obiekcie, definiuje równanie:
ERotacyjny = 12
- I oznacza bezwładność obrotową (zwaną także „momentem bezwładności” lub „MOI”), która jest miarą siły obracania obiektu.
- w to prędkość, z jaką obiekt się obraca.
Oznacza to, że możemy zmienić dwie zmienne – albo bezwładność obrotową naszego układu (I), albo prędkość, z jaką się on obraca (w) – aby zmienić energię obrotową naszego systemu wyrzutni.
Dlaczego więc przejmujemy się energią rotacyjną w naszej wyrzutni? Prawo zachowania energii stanowi, że energia nie jest wytwarzana ani niszczona, a jedynie przekazywana. Oznacza to, że system wyrzutni przekaże część swojej energii rotacyjnej obiektowi, który wystrzeliwujemy, i to właśnie ta energia powoduje, że obiekt wystrzeliwuje w powietrze!
Obiekt poruszający się w określonym kierunku ma energię liniową określoną równaniem:
ELiniowy = 2 mv24
- m oznacza masę obiektu
- v to prędkość obiektu
Oznacza to, że obiekt wystrzelony z określoną prędkością ma określoną ilość energii. Wartość ta jest ustalona dla określonej prędkości, ale energia w naszej wyrzutni nie jest. Energia w naszej wyrzutni zaraz po wystrzeleniu będzie mniejsza niż tuż przed ze względu na przekazanie energii do wystrzeliwanego obiektu. Zmieniając energię w naszym systemie wyrzutni przed wystrzeleniem, możemy zmienić proporcję energii przekazanej do wystrzeliwanego obiektu, wpływając w ten sposób zarówno na to, jak dobrze wyrzutnia wystrzeliwuje obiekt, jak i na to, jak jest przygotowana do wystrzelenia kolejnego obiektu.
Co to jest koło zamachowe?
Jak wspomniano powyżej, jednym ze sposobów zmiany energii obrotowej naszej wyrzutni jest zmiana bezwładności obrotowej układu. Ważne jest, aby wiedzieć dwie rzeczy: po pierwsze, każdy obiekt ma pewną wartość bezwładności obrotowej względem osi obrotu, a po drugie, bezwładność obrotowa wszystkich części układu sumuje się, tworząc bezwładność obrotową układu. Obiekt służący do zwiększenia bezwładności obrotowej układu nazywany jest kołem zamachowym. W ekosystemie V5 istnieje nowy obiekt o masie VEX V5 Flywheel Weight który właśnie to umożliwia.
Wpływ koła zamachowego na wydajność systemu
Najważniejszą rzeczą do zrozumienia jest to, jak różne momenty bezwładności w systemie wpływają na jego wydajność.
Jeśli zwiększymy moment bezwładności, energia obrotowa wzrośnie (jak pokazuje pierwsze równanie powyżej). Im większa ilość energii w układzie przy określonej prędkości, tym więcej czasu zajmie uzyskanie energii w układzie, dlatego czas rozpędzania się wydłuży. Przy większym MOI spadek obrotów po wystrzeleniu będzie się zmniejszał i obiekt będzie zazwyczaj wystrzeliwany dalej. Wraz ze spadkiem momentu bezwładności uzyskujemy wszystkie odwrotne efekty: energia obrotowa i czas rozpędzania będą się zmniejszać, spadają obroty, a zarówno energia przekazywana obiektowi, jak i odległość, jaką obiekt dotrze, będą się zmniejszać.
| Wyższe MOI | Niższy MOI |
| Większy pobór prądu przy początkowym rozpędzaniu | Niższy pobór prądu przy początkowym rozkręcaniu |
| Mniejsza prędkość potrzebna do wystrzelenia obiektu na żądaną odległość | Większa prędkość potrzebna do wystrzelenia obiektu na żądaną odległość |
| Mniejszy spadek prędkości po wystrzeleniu obiektu (mniejszy czas między wystrzeleniem) | Większy spadek prędkości po wystrzeleniu obiektu (dłuższy czas pomiędzy uruchomieniami) |
Jak korzystać z ciężarka koła zamachowego V5
Obciążnik koła zamachowego V5 można zamontować na dwa różne sposoby. Po pierwsze, standardowy wzór mocowania kwadratowego ½” pozwala na zamontowanie koła zamachowego do przekładni o wysokiej wytrzymałości 48T, 60T, 72T i 84T. Po drugie, standardowy wzór mocowania sześciokątnego 1,875” pozwala na zamontowanie koła zamachowego do przekładni zębatej versahub, którą można zamontować do wału o wysokiej wytrzymałości za pomocą adaptera przekładni versahub. Zdjęcie po lewej stronie pokazuje otwory montażowe na ciężarku koła zamachowego V5. Czerwone otwory odpowiadają standardowemu kwadratowemu wzorowi montażu, a niebieskie otwory odpowiadają sześciokątnemu wzorowi versahub.
Przykład pokazujący przykład montażu ciężarka koła zamachowego V5 nr 1.
Przykład pokazujący przykład montażu ciężarka koła zamachowego V5 nr 2.
Podobnie jak w przypadku wszystkiego, co jest produkowane, wszystkie części mają tolerancję konstrukcyjną ze względu na małe, nieuniknione niedokładności w procesie produkcyjnym. Masa koła zamachowego V5 nie jest wyjątkiem od tej reguły i istnieje możliwość wystąpienia niewielkiej asymetrii w kole zamachowym, która może skutkować wibracjami. Wibracje w robocie mogą poluzować śruby, spowodować, że wyrzutnia będzie niedokładna, a nawet uszkodzić elementy robota. Można z tym walczyć na dwa sposoby. Po pierwsze, jeśli używane jest więcej niż jedno koło zamachowe, koła zamachowe można obracać względem siebie w taki sposób, że znoszą wzajemne asymetryczne saldo. Po drugie, jeśli używane jest tylko jedno koło zamachowe, w nieużywanym otworze montażowym można umieścić śrubę, aby przeciwdziałać asymetrii. W obu przypadkach zaleca się zastosowanie metody prób i błędów w celu ustalenia, która konfiguracja jest najlepsza.
Łożysko lub tuleja: którego potrzebujesz?
Dzięki wprowadzeniu łożyska kulowego owytrzymałości użytkownicy robotów VEX mają teraz dostęp do dwóch różnych sposobów obsługi układów obrotowych w swoich robotach. Część zwana „płaską powierzchnią łożyska” jest w przemyśle nazywana tuleją, ponieważ nie zawiera części ruchomych. Zarówno łożyska, jak i tuleje działają poprzez zmniejszenie tarcia pomiędzy wałem obrotowym a stałym wspornikiem. Tuleje łożyskowe — „łożysko płaskie” lub „łożysko wału o wysokiej wytrzymałości” w VEX (w tym dokumencie określane jako tuleje) — spełniają swoją funkcję poprzez zapewnienie gładkiej, okrągłej powierzchni, z którą może stykać się wał. Z drugiej strony łożyska zawierają wiele małych kulek, które toczą się, gdy wał się obraca. Pomimo zmniejszenia tarcia, ani łożyska, ani tuleje nie eliminują go całkowicie. Ze względu na odmienną konstrukcję i kilka innych czynników, łożyska i tuleje mają różne mocne i słabe strony oraz różne przypadki zastosowania.
|
|
Silne strony | Słabości |
| Łożysko |
|
|
| Tuleja |
|
|
Jeśli spojrzymy na wirujący mechanizm w kontekście jego energii, jak to zrobiliśmy wcześniej w tym przewodniku, łożyska lub tuleje stale „wyciekają” energię z układu w postaci ciepła w wyniku tarcia. Różni się jednak tempo, w jakim to robią. Tuleje tracą energię z układu szybciej niż łożyska kulkowe, a wpływ jest znaczący.
Przeprowadziliśmy serię testów z wyrzutnią, najpierw używając tulei, a następnie łożysk. W obu wersjach wyrzutnia miała 2 łożyska/tuleje zazębione z prędkością 600 obr./min. i 2 łożyska/tuleje zazębione z prędkością 3600 obr./min., wykorzystujące dwa silniki Smart Motors V5 z niebieskimi wkładami. Różnica pomiędzy łożyskami i tulejami była znacząca. To jest wykres prędkości silnika podczas normalnego rozpędzania.
Łożyska osiągnęły znacznie wyższą stabilną prędkość maksymalną i przyspieszyły szybciej niż tuleje. W kontekście energii oznacza to, że układ z łożyskami był w stanie zatrzymać w układzie więcej energii i wyrzucić swój obiekt dalej i szybciej niż układ z tulejami. Różnica w wydajności wyniosła około 8%, przy różnicy 300 obr./min na wyjściu skrzyni biegów.
W tej samej konfiguracji zmierzyliśmy pobór prądu przez jeden z silników podczas normalnego rozruchu wyrzutni. Podobnie jak w poprzednim teście, przeprowadziliśmy jeden test z tulejami, a drugi z łożyskami, przy czym poza tym konfiguracja była identyczna. Różnica w poborze prądu była znacząca, ponieważ wyrzutnia oparta na tulejach pobierała ponad dwukrotnie większy prąd niż wyrzutnia oparta na łożyskach. To jest wykres bieżącego poboru w czasie.
Na koniec, aby zademonstrować wpływ kół zamachowych omawianych wcześniej w tym artykule, przeprowadziliśmy test śledzący obroty jednego z silników podczas uruchamiania 3 dysków. Jeden test nie miał kół zamachowych, podczas gdy drugi miał dwa. To jest wykres:
Na tym wykresie możemy zobaczyć kilka ważnych rzeczy:
- Spadek obrotów – różnica pomiędzy docelowymi obrotami (600) a najwolniejszymi obrotami zaraz po strzale – został znacząco zmniejszony w teście z 2 kołami zamachowymi. Testy z 0 kołami zamachowymi wykazały spadek obrotów o ~150 obr./min, podczas gdy test z 2 kołami zamachowymi wykazał spadek o ~75 obr./min.
- Czas regeneracji – czas potrzebny wyrzutni na powrót do docelowych obrotów (600) – został znacznie skrócony w teście z 2 kołami zamachowymi. Ma to sens, ponieważ mniejsza część całkowitej energii jest przekazywana do wystrzelonego dysku, jak omówiono wcześniej w artykule.
- Całkowity czas wystrzelenia został skrócony o ~40% na strzał i ogólnie w przypadku testu z 2 kołami zamachowymi.
Wnioski
- O wyrzutniach najłatwiej jest myśleć w kategoriach ich energii rotacyjnej, a wyrzutnie jako o przeniesieniu tej energii rotacyjnej do wystrzeliwanego obiektu.
- Koła zamachowe pozwalają zwiększyć energię obrotową wyrzutni, co pozwala na dalsze wystrzeliwanie obiektów. Nowa masa koła zamachowego V5 otwiera możliwości dla kół zamachowych w VRC i ekosystemie V5.
- Może zaistnieć potrzeba zamocowania obciążników koła zamachowego V5 w sposób odpowiadający sobie, aby zmniejszyć asymetryczne wyważenie powstałe w procesie produkcyjnym.
- Łożyska i tuleje „wyciekają” energię z wyrzutni poprzez ciepło powstające w wyniku tarcia. Użycie nowych łożysk o wysokiej wytrzymałości w porównaniu z tradycyjnymi powierzchniami łożysk (tulejami) może pozwolić na osiągnięcie wyższej prędkości maksymalnej w wyrzutni i zmniejszenie stałego poboru prądu przez silniki wyrzutni. Zwiększa to energię w systemie wyrzutni, jednocześnie utrzymując niższą temperaturę silników.