Zrozumienie mechanicznych systemów uruchamiania V5

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 = 1/2

  • 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 używany do zwiększania bezwładności obrotowej układu nazywany jest kołem zamachowym, a w ekosystemie V5 dostępny jest nowy ciężar koła zamachowego VEX V5 , który robi dokładnie to samo.

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

276-8794-Anno2.png

Obciążnik koła zamachowego V5 można zamontować na dwa różne sposoby. Po pierwsze, standardowy kwadratowy wzór mocowania o podziałce ½” umożliwia montaż koła zamachowego do przekładni o dużej wytrzymałości 48T, 60T, 72T i 84T. Po drugie, standardowy sześciokątny wzór mocowania 1,875” pozwala na zamontowanie koła zamachowego na versahub, które można zamontować na wale o wysokiej wytrzymałości za pomocą adaptera 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.

Montaż1.png

Przykład pokazujący przykład montażu ciężarka koła zamachowego V5 nr 1.

Montaż2.png

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?

Wraz z wprowadzeniem łożyska kulkowego wału o wytrzymałości, użytkownicy VEX mają teraz dostęp do dwóch różnych sposobów wspierania systemów 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 — „łożyskopłaskie” lub „łożysko wału o wysokiej wytrzymałości” w VEX (określane w tym dokumencie jako tuleje) – zapewniają gładką, okrągłą powierzchnię, 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
  • Zmniejszone tarcie względem tulei
  • Możliwość przyjęcia większego obciążenia
  • Bardziej wytrzymałe
  • Potrafi zrobić rzeczy, których nie może zrobić tuleja
  • Dobrze radzi sobie przy dużych prędkościach
  • Droższe
  • Cięższy
  • Trudniejszy do zamontowania
Tuleja
  • Łatwy w użyciu
  • Tańszy
  • Zapalniczka
  • Dobry do większości zastosowań
  • Słabszy
  • Niezbyt dobrze przy dużych prędkościach

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.

mceclip0.png

Przeprowadziliśmy serię testów z wyrzutnią, najpierw używając tulei, a następnie łożysk. W obu wersjach wyrzutnia miała 2 łożyska/tuleje ustawione na 600 obr/min i 2 łożyska/tuleje ustawione na 3600 obr/min, wykorzystując dwa silniki V5 Smart Motors 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.

mceclip1.png

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.

mceclip3.png

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.

For more information, help, and tips, check out the many resources at VEX Professional Development Plus

Last Updated: