ระบบ VEX EDR มีเฟืองตรง 2 ประเภท ได้แก่ ชุดเฟืองและชุดเฟืองที่มีความแข็งแรงสูง (โปรดดูวิธีเลือกเฟืองตรง) สามารถประกอบเฟืองเหล่านี้เพื่อปรับแต่งการถ่ายโอนกำลัง เพิ่มแรงบิด หรือเพิ่มความเร็วได้ สามารถทำได้โดยการประกอบเฟืองสองตัวหรือมากกว่าเข้าด้วยกันบนเพลาขับเพื่อให้ฟันของเฟืองกระทบกัน มอเตอร์จะทำหน้าที่ขับเคลื่อนเพลาขับเคลื่อนของเฟืองตัวหนึ่ง
อัตราทดเกียร์
อัตราทดเกียร์แบบง่ายใช้เกียร์เพียงตัวเดียวต่อเพลาขับเคลื่อนหนึ่งเพลา เกียร์ที่จ่ายกำลังหรืออินพุตเรียกว่าเกียร์ขับเคลื่อน และเกียร์ที่กำลังหมุนหรือรับผิดชอบเอาต์พุตเรียกว่าเกียร์ขับเคลื่อน อัตราทดเกียร์คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
อัตราทดเกียร์ 1:1
อัตราทดเกียร์ 1:1 หมายความว่าเกียร์ขับเคลื่อนหมุนหนึ่งรอบ เพื่อให้เกียร์ขับเคลื่อนหมุนครบหนึ่งรอบ อัตราทดเกียร์นี้ให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:
- ความเร็วและแรงบิดที่สมดุล: เนื่องจากอัตราส่วนระหว่างเกียร์ขับเคลื่อนและเกียร์ขับเคลื่อนเท่ากัน จึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงของความเร็วหรือแรงบิดระหว่างเกียร์ทั้งสอง สมดุลนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพโดยธรรมชาติของมอเตอร์เพียงพอ
- การถ่ายโอนพลังงานโดยตรง: อัตราทดเกียร์นี้รับประกันว่าพลังงานที่สร้างโดยมอเตอร์จะถูกถ่ายโอนโดยตรงไปยังส่วนประกอบที่ขับเคลื่อนโดยไม่มีการสูญเสียใดๆ
- การออกแบบที่เรียบง่าย: อัตรา เกียร์ 1:1 ทำให้การออกแบบเชิงกลของหุ่นยนต์ง่ายขึ้น ทำให้กระบวนการออกแบบและการสร้างตรงไปตรงมามากขึ้น
- ประสิทธิภาพที่คาดเดาได้: เนื่องจากความเร็วอินพุตและเอาต์พุตเท่ากัน ประสิทธิภาพของหุ่นยนต์จึงคาดเดาได้มากกว่า สิ่งนี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับงานที่ต้องมีความสม่ำเสมอหรือเวลาที่กำหนดเวลาของงานเป็นสิ่งสำคัญ
กราฟิคด้านล่างนี้แสดงตัวอย่างอัตราทดเกียร์ 1:1 เฟืองขับเคลื่อนและเฟืองขับมีจำนวนฟันเท่ากัน (60T) มอเตอร์จะหมุนเฟืองขับเคลื่อน 60T หนึ่งครั้ง เพื่อให้เฟืองขับเคลื่อน 60T หมุนครบหนึ่งรอบ
อัตราทดเกียร์ 5:1
อัตราทดเกียร์ 5:1 หมายความว่าเกียร์ขับเคลื่อนจะต้องหมุน 5 รอบเพื่อให้เกียร์ขับเคลื่อนหมุนครบ 1 รอบ อัตราทดเกียร์นี้ให้ประโยชน์ดังต่อไปนี้:
- แรงบิดที่เพิ่มขึ้น: แรงบิดคือแรงหมุนที่มอเตอร์สามารถใช้กับส่วนประกอบของหุ่นยนต์ได้ การเพิ่มแรงบิดทำให้หุ่นยนต์สามารถรับน้ำหนักที่หนักขึ้นและทำงานที่ต้องใช้แรงมากขึ้นได้ เช่น การยกและผลักวัตถุ เฟืองขับเคลื่อนมีฟันน้อยกว่าเฟืองขับ ทำให้แรงบิดเอาต์พุตอยู่ที่ 5 เท่า ในขณะที่ความเร็วเอาต์พุตอยู่ที่เพียง 1/5 เท่านั้น
- ความเร็วลดลง: ในขณะที่แรงบิดเพิ่มขึ้น ความเร็วของเกียร์ขับเคลื่อนจะลดลง การลดความเร็วจะมีประโยชน์สำหรับงานที่ต้องการการควบคุมและความแม่นยำมากขึ้น
- ประสิทธิภาพมอเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง: อัตราทดเกียร์ที่สูงขึ้นช่วยให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น อัตราทดเกียร์นี้สามารถลดการสึกหรอของมอเตอร์และยืดอายุการใช้งานของมอเตอร์ได้
- การปรับแต่งสำหรับงานเฉพาะ: อัตราทดเกียร์นี้สามารถรวมเข้ากับระบบเกียร์ขนาดใหญ่ได้ ทำให้สามารถปรับแต่งลักษณะการทำงานของหุ่นยนต์ได้
อัตราทดเกียร์ 1:5
เพิ่มความเร็ว (ความเร็วสูง) – สำหรับอัตราทดเกียร์ประเภทนี้ วัตถุประสงค์คือเพื่อเพิ่มความเร็วจากมอเตอร์ เช่น จากมอเตอร์ไปยังล้อ เฟืองขับเคลื่อนมีฟันมากกว่าเฟืองขับ ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์ขับเกียร์ 60T ไปที่เกียร์ขับเคลื่อน 12T บนล้อเมื่อเกียร์ขับเคลื่อน 60T หมุนหนึ่งครั้ง เกียร์ขับเคลื่อน 12T จะหมุนห้า (5) ครั้ง นี่เรียกว่าอัตราทดเกียร์ 1:5 ในกรณีนี้ ความเร็วเอาต์พุตจะอยู่ที่ 5/1 เท่า อย่างไรก็ตาม แรงบิดเอาต์พุตจะอยู่ที่ 1/5
สำรวจกราฟิกต่อไปนี้เพื่อดูแต่ละมุมของอัตราทดเกียร์ 1:5
ชุดเฟืองเกียร์
ชุดเฟือง ประกอบด้วยชุดเฟืองที่ถ่ายทอดการเคลื่อนที่และพลังงานจากส่วนหนึ่งของหุ่นยนต์ไปยังอีกส่วนหนึ่ง ชุดเฟืองจะปรับเปลี่ยนความเร็ว แรงบิด และทิศทางของการเคลื่อนที่หมุน ชุดเฟืองประกอบด้วยเฟืองที่มีฟันเฟืองที่ประกบกันเพื่อถ่ายทอดการเคลื่อนที่ เพลาที่ยึดเฟืองเข้าที่และทำให้หมุนได้ และปลอกเพลาที่ช่วยยึดส่วนประกอบทั้งหมดเข้าที่ ฟังก์ชั่นของระบบเฟืองเกียร์มีดังต่อไปนี้:
- การปรับความเร็ว: ชุดเฟืองจะเพิ่มหรือลดความเร็วในการหมุน เฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดเล็กกว่าที่ผสานกับเฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดใหญ่กว่าจะช่วยลดความเร็ว แต่จะเพิ่มแรงบิด ในขณะที่เฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดใหญ่กว่าที่ผสานกับเฟืองขับเคลื่อนที่มีขนาดเล็กกว่าจะช่วยเพิ่มความเร็ว แต่จะทำให้แรงบิดลดลง
ชุดเฟืองใช้เพื่อหมุนล้อที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับมอเตอร์
หมายเหตุพิเศษ
อัตราทดสำหรับระบบสเตอร์และโซ่ทำงานในลักษณะเดียวกันกับอัตราทดเกียร์ ระบบสเตอร์และโซ่มีข้อได้เปรียบคือสามารถวางสเตอร์ได้ในระยะห่างหลายระยะเนื่องจากเชื่อมต่อกันด้วยโซ่ อย่างไรก็ตาม ข้อต่อโซ่สามารถแตกหักได้โดยมีแรงน้อยกว่าการที่ฟันเฟืองสามารถแตกหักได้ การแตกหักประเภทใดก็ตามจำเป็นต้องได้รับการซ่อมแซมเพื่อให้หุ่นยนต์สามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ
สามารถวางเกียร์ขนาดใดๆ ก็ได้ระหว่างเกียร์ขับเคลื่อนและเกียร์ขับเคลื่อนด้วยอัตราทดเกียร์ที่เรียบง่าย และจะไม่เปลี่ยนอัตราทดเกียร์ ตัวอย่างเช่น เฟือง 12T ขับเคลื่อนเฟือง 36T ซึ่งขับเคลื่อนเฟืองที่ขับเคลื่อนด้วยเฟือง 60T อัตราทดเกียร์ยังคงเป็น 5:1 เหมือนกับว่าเฟือง 60T ถูกขับเคลื่อนโดยเฟือง 12T โดยตรง
ความเร็ว
ความเร็วในการหมุนคือความเร็วในการหมุนของวัตถุ ตัวอย่างเช่น ซ็อกเก็ตเพลาของ V5 Smart Motor สามารถหมุนได้ 100 รอบต่อนาทีหรือ 100 RPM ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น หากใช้อัตราทดเกียร์ 5:1 เพลาของมอเตอร์จะหมุนเฟืองขับเคลื่อน 60 ฟัน จากนั้นจึงหมุนเฟืองขับเคลื่อน 12 ฟัน เฟือง 12 ฟันจะหมุนด้วยความเร็วเร็วขึ้น 5 เท่า เมื่อใช้ตัวอย่างข้างต้น เฟือง 12 ฟันจะหมุนด้วยความเร็ว 500 รอบต่อนาที เมื่อเทียบกับ 100 รอบต่อนาทีของเพลามอเตอร์ หากใช้อัตราทดเกียร์ 1:5 เพลาของมอเตอร์จะหมุนเฟืองขับเคลื่อน 12 ฟัน จากนั้นจะหมุนเฟืองขับเคลื่อน 60 ฟัน เฟือง 60 ฟันจะหมุนด้วยความเร็ว 1/5 ของความเร็วเดิม เมื่อใช้ตัวอย่างข้างต้นอีกครั้ง เฟือง 60 ฟันจะหมุนด้วยความเร็ว 20 รอบต่อนาที เมื่อเทียบกับเพลามอเตอร์ที่หมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อนาที
แล้วทำไมอัตราทดเกียร์ที่เร็วที่สุดจึงใช้ได้เสมอ? ดูเหมือนว่ายิ่งหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้เร็วเท่าไร ก็ยิ่งสามารถแข่งขันได้มากขึ้นเท่านั้น เหตุผลแรกคือมีความเร็วสูงซึ่งสามารถควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์ได้ ตัวอย่างเช่น หากฟังก์ชันเป็นหุ่นยนต์ขับเคลื่อน หากล้อหมุนเร็วเกินไป อาจควบคุมได้ยากมาก หากฟังก์ชั่นเป็นแขนหมุนขึ้นลง หากหมุนเร็วเกินไป ก็อาจจะควบคุมได้ยากเช่นกัน
แรงบิด
แรงบิดคือปริมาณแรงที่จำเป็นในการหมุนโหลดในระยะไกล มอเตอร์จะมีแรงบิดที่จำกัด ตัวอย่างเช่น หากมอเตอร์ V5 Smart กำลังผลิตแรงบิด 1 นิวตันเมตร (นิวตันเมตร) เมื่อใช้อัตราทดเกียร์ 5:1 เฟือง 12 ฟันที่ขับเคลื่อนจะส่งแรงบิดเข้า ⅕ ของมอเตอร์ ซึ่งเอาต์พุตจะเท่ากับ 0.2 นิวตันเมตร และเมื่อใช้อัตราทดเกียร์ 1:5 เฟือง 60 ฟันจะส่งแรงบิดเข้า 5 เท่าของแรงบิดที่มอเตอร์ป้อน ซึ่งเอาต์พุตจะเท่ากับ 5 นิวตันเมตร
แรงบิดเป็นสาเหตุประการที่สองที่ทำให้อัตราทดเกียร์ที่เร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ไม่สามารถใช้ได้เสมอไปเมื่อออกแบบหุ่นยนต์ เป็นไปได้เมื่อใช้อัตราทดเกียร์ความเร็วที่เพิ่มขึ้นเพื่อขับเคลื่อนล้อของหุ่นยนต์ให้เร็วขึ้น อัตราทดเกียร์อาจเกินแรงบิดที่มีจากมอเตอร์ และหุ่นยนต์จะเคลื่อนที่ไม่เร็วหรือเคลื่อนที่เลย นอกจากนี้ ยังมีความเป็นไปได้ที่หากหุ่นยนต์ 2 ตัวที่มีการออกแบบใกล้เคียงกันโต้ตอบกัน หุ่นยนต์ที่มีระบบส่งกำลังที่มีอัตราทดเกียร์ต่ำกว่าก็มีแนวโน้มที่จะสามารถผลักหุ่นยนต์ที่มีระบบส่งกำลังที่มีอัตราทดเกียร์สูงกว่าได้ เนื่องจากหุ่นยนต์ที่มีอัตราทดเกียร์ต่ำกว่าจะมีแรงบิดมากขึ้น ตัวอย่างอีกประการหนึ่งคือ แขนอาจไม่หมุนแม้ว่าจะติดเข้ากับเพลาซึ่งใส่ไว้ในมอเตอร์โดยตรงก็ตาม เนื่องจากการหมุนอาจเกินแรงบิดที่มอเตอร์สามารถใช้ได้ ในกรณีนี้ จำเป็นต้องใช้อัตราทดเกียร์เพิ่มแรงบิดเพื่อเพิ่มแรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ และเกินปริมาณแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนแขน
สามารถวัดความเร็วและแรงบิดของมอเตอร์อัจฉริยะ V5 ได้โดยใช้แผงควบคุมมอเตอร์
ความเป็นจริงของหุ่นยนต์
โชคดีที่อัตราทดเกียร์ที่ใช้กับคำแนะนำการสร้างเพื่อประกอบ V5 ClawBot นั้นเพียงพอสำหรับการเริ่มออกแบบหุ่นยนต์แบบกำหนดเอง ระบบส่งกำลังจำนวนมากทำงานได้ดีโดยการขับเคลื่อนเพลาของล้อหรือเฟืองโซ่โดยตรงด้วยมอเตอร์อัจฉริยะ V5 พร้อมตลับเกียร์ V5 สีเขียว 200 RPM อย่างไรก็ตาม หากจำเป็นต้องวางโครงสร้างในแบบออกแบบ เช่น หอคอยหรือช่องรับชิ้นเกม ไว้ตรงตำแหน่งที่มีมอเตอร์ ก็สามารถใช้การถ่ายโอนพลังงานโดยใช้สเตอร์และโซ่หรือเฟืองตามวิธีที่อธิบายไว้ข้างต้นได้ สำหรับแขนส่วนใหญ่ อัตราทดเกียร์เพิ่มแรงบิด 7:1 ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นนั้นเพียงพอโดยการขับเคลื่อนเกียร์ 12 ตันด้วยมอเตอร์ 200 รอบต่อนาทีและติดเกียร์ขับเคลื่อน 84 ตันเข้ากับแขน เมื่อข้อได้เปรียบในการแข่งขันกลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้น การค้นหาจุดสมดุลระหว่างความเร็วและแรงบิดที่ลงตัวก็กลายเป็นสิ่งสำคัญมากขึ้นเช่นกัน สามารถทำได้โดยใช้มอเตอร์อัจฉริยะ V5 พร้อมตลับเกียร์ V5 ที่มีให้เลือก 3 ตลับ (สีแดง: 100 รอบต่อนาที, สีเขียว: 200 รอบต่อนาที, สีน้ำเงิน: 600 รอบต่อนาที) และหากจำเป็น ให้ใช้มอเตอร์ร่วมกับอัตราทดเกียร์เพื่อเพิ่มแรงบิด หรืออัตราทดเกียร์เพื่อเพิ่มความเร็ว
สามารถซื้อเกียร์และฮาร์ดแวร์การเคลื่อนไหวอื่นๆ ได้ที่ https://www.vexrobotics.com/vexedr/products/motion