Cách phổ biến nhất để phóng vật thể bằng robot V5 là quay bánh xe ở tốc độ cao rồi đưa vật thể vào bánh xe. Tài liệu này giải thích cơ sở vật lý liên quan đằng sau một hệ thống quay, điều gì xảy ra khi một vật thể được phóng đi và cách bạn có thể điều chỉnh hệ thống để phóng các vật thể tốt hơn.
Vật lý đằng sau các vật thể quay
Năng lượng quay, phép đo năng lượng chứa trong một vật quay, được xác định theo phương trình:
E = 12 Iw
- I là viết tắt của quán tính quay (còn được gọi là “Momen quán tính” hoặc “MOI”), là thước đo độ khó để quay một vật.
- w là tốc độ quay của vật.
Điều này có nghĩa là chúng ta có thể thay đổi hai biến số—hoặc quán tính quay của hệ thống (I) hoặc tốc độ quay của nó (w)—để thay đổi năng lượng quay trong hệ thống phóng của chúng ta.
Vậy tại sao chúng ta lại quan tâm đến năng lượng quay trong bệ phóng của mình? Định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng không tự sinh ra cũng không mất đi mà chỉ được truyền đi. Điều này có nghĩa là hệ thống phóng sẽ truyền một phần năng lượng quay của nó sang vật thể mà chúng ta đang phóng và chính năng lượng đó làm cho vật thể phóng lên không trung!
Một vật chuyển động theo một hướng có năng lượng tuyến tính, được xác định bởi phương trình:
ETuyến tính =1 mv
- m là khối lượng của vật
- v là vận tốc của vật
Điều này có nghĩa là một vật được phóng đi ở một tốc độ nhất định sẽ có một lượng năng lượng nhất định. Giá trị này được cố định ở một tốc độ nhất định, nhưng năng lượng trong bệ phóng của chúng tôi thì không. Năng lượng trong máy phóng của chúng ta ngay sau khi phóng sẽ ít hơn ngay trước đó do năng lượng được truyền sang vật thể được phóng. Bằng cách thay đổi năng lượng trong hệ thống phóng của chúng ta trước khi phóng, chúng ta có thể thay đổi tỷ lệ năng lượng được truyền đến vật thể được phóng và làm như vậy ảnh hưởng đến cả mức độ phóng của vật thể và mức độ chuẩn bị của nó để phóng vật thể tiếp theo.
Bánh đà là gì?
Như đã đề cập ở trên, một trong những cách chúng ta có thể thay đổi năng lượng quay của bệ phóng là thay đổi quán tính quay của hệ. Điều quan trọng là phải biết hai điều: Thứ nhất, mọi vật đều có một giá trị quán tính quay nhất định đối với một trục quay, và thứ hai, quán tính quay của tất cả các bộ phận của hệ cộng lại với nhau để tạo thành quán tính quay của hệ. Một vật thể được sử dụng để tăng quán tính quay của một hệ thống được gọi là bánh đà và có Bánh đà VEX V5 Trọng lượng mới để thực hiện chính xác điều này trong hệ sinh thái V5.
Tác động của bánh đà đến hiệu suất hệ thống
Điều lớn nhất cần hiểu là các khoảnh khắc quán tính khác nhau trong một hệ thống ảnh hưởng đến hiệu suất của nó như thế nào.
Nếu chúng ta tăng mô men quán tính thì năng lượng quay sẽ tăng (như được thể hiện trong phương trình đầu tiên ở trên). Với nhiều năng lượng hơn trong hệ thống ở một tốc độ nhất định, sẽ mất nhiều thời gian hơn để lấy năng lượng vào hệ thống nên thời gian quay sẽ tăng lên. Với nhiều MOI hơn, mức giảm RPM sau khi phóng sẽ giảm và một vật thể thường sẽ được phóng xa hơn. Khi mô men quán tính giảm, chúng ta nhận được tất cả các tác động ngược lại: năng lượng quay và thời gian quay sẽ giảm, tốc độ giảm RPM sẽ tăng lên và cả năng lượng truyền đến vật thể cũng như quãng đường vật thể sẽ đi sẽ giảm.
| MOI cao hơn | MOI thấp hơn |
| Dòng điện rút ra cao hơn trong lần quay đầu tiên | Mức rút hiện tại thấp hơn khi quay lần đầu |
| Cần ít tốc độ hơn để phóng vật thể đi khoảng cách mong muốn | Cần tốc độ cao hơn để phóng vật thể đi khoảng cách mong muốn |
| Giảm tốc độ ít hơn khi phóng đối tượng (thời gian giữa các lần phóng ít hơn) | Giảm tốc độ cao hơn khi đối tượng được phóng (nhiều thời gian hơn giữa các lần phóng) |
Cách sử dụng Trọng lượng bánh đà V5
Trọng lượng bánh đà V5 có thể được gắn theo hai cách khác nhau. Đầu tiên, kiểu lắp hình vuông bước ½” tiêu chuẩn cho phép bánh đà được gắn vào các bánh răng cường độ cao 48T, 60T, 72T và 84T. Thứ hai, kiểu lắp lục giác 1.875” tiêu chuẩn cho phép bánh đà được gắn vào một hub Versahub, có thể được gắn vào một trục có độ bền cao bằng bộ chuyển đổi Vershub. Hình ảnh bên trái hiển thị các lỗ lắp trên Trọng lượng bánh đà V5. Các lỗ màu đỏ phù hợp với kiểu lắp hình vuông tiêu chuẩn và các lỗ màu xanh lam phù hợp với kiểu hình lục giác Versahub.
Một ví dụ minh họa Ví dụ lắp trọng lượng bánh đà V5 #1.
Một ví dụ minh họa Ví dụ lắp trọng lượng bánh đà V5 #2.
Giống như mọi thứ được sản xuất, tất cả các bộ phận đều có dung sai trong thiết kế do có những sai sót nhỏ, không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất. Trọng lượng bánh đà V5 không phải là một ngoại lệ đối với quy tắc này và có khả năng xảy ra một lượng nhỏ sự bất đối xứng trong bánh đà dẫn đến rung động. Độ rung trong robot của bạn có thể làm lỏng các bu lông, khiến trình khởi chạy của bạn không chính xác hoặc thậm chí làm hỏng các bộ phận của robot. Có hai cách để chống lại điều này. Đầu tiên, nếu sử dụng nhiều hơn một bánh đà, các bánh đà có thể quay tương đối với nhau sao cho chúng loại bỏ sự cân bằng bất đối xứng của nhau. Thứ hai, nếu chỉ sử dụng một bánh đà, một bu lông có thể được đặt vào một lỗ lắp không sử dụng để chống lại sự cân bằng không đối xứng. Trong cả hai trường hợp, bạn nên sử dụng quy trình thử và sai để tìm ra cấu hình nào là tốt nhất.
Vòng bi hoặc ống lót: Bạn cần cái nào?
Với sự ra đời của Vòng bi trục cường độ cao , người dùng VEX hiện có quyền truy cập vào hai cách khác nhau để hỗ trợ hệ thống quay trong robot của họ. Bộ phận được gọi là “mặt phẳng ổ trục” thực ra trong công nghiệp được gọi là ống lót vì nó không có bộ phận chuyển động. Cả vòng bi và ống lót đều hoạt động bằng cách giảm ma sát giữa trục quay và giá đỡ cố định. Ống lót—“ Vòng bi phẳng” hoặc “ Vòng bi trục cường độ cao” trong VEX (được tham chiếu trong tài liệu này là ống lót)—làm được điều đó bằng cách tạo ra một bề mặt tròn, nhẵn mà trục có thể tiếp xúc. Mặt khác, vòng bi chứa nhiều quả bóng nhỏ lăn khi trục quay. Mặc dù giảm ma sát nhưng cả vòng bi và ống lót đều không loại bỏ được hoàn toàn ma sát. Do cấu trúc khác nhau và một số yếu tố khác, vòng bi và ống lót có điểm mạnh, điểm yếu và trường hợp sử dụng khác nhau.
|
|
Điểm mạnh | Những điểm yếu |
| Ổ đỡ trục |
|
|
| Bushing |
|
|
Nếu chúng ta xem xét một cơ cấu quay trong bối cảnh năng lượng của nó, như chúng ta đã làm trước đây trong hướng dẫn này, các vòng bi hoặc ống lót liên tục “rò rỉ” năng lượng ra khỏi hệ thống dưới dạng nhiệt thông qua ma sát. Tuy nhiên, tốc độ họ làm như vậy là khác nhau. Ống lót mất năng lượng từ hệ thống nhanh hơn vòng bi và tác động là đáng kể.
Chúng tôi đã tiến hành một loạt thử nghiệm với thiết bị phóng, đầu tiên là sử dụng ống lót và sau đó là sử dụng vòng bi. Ở cả hai phiên bản, máy phóng có 2 vòng bi/ống lót truyền động ở tốc độ 600 vòng/phút và 2 vòng bi/ống lót truyền động ở tốc độ 3600 vòng/phút, sử dụng hai Động cơ thông minh V5 với hộp mực màu xanh lam. Sự khác biệt giữa vòng bi và ống lót là đáng kể. Đây là biểu đồ vận tốc động cơ trong quá trình quay bình thường.
Vòng bi đạt được tốc độ tối đa ổn định cao hơn đáng kể và tăng tốc nhanh hơn so với ống lót. Trong bối cảnh năng lượng, điều này có nghĩa là hệ thống có vòng bi có thể giữ nhiều năng lượng hơn trong hệ thống và phóng vật thể của nó đi xa hơn và nhanh hơn hệ thống có ống lót. Sự khác biệt về hiệu suất là khoảng 8%, với sự khác biệt ở tốc độ 300 vòng/phút ở đầu ra của hộp số.
Với cùng một thiết lập, chúng tôi đã đo dòng điện của một trong các động cơ trong quá trình quay bình thường của thiết bị phóng. Cũng giống như thử nghiệm trước, chúng tôi đã thực hiện một thử nghiệm với ống lót và một thử nghiệm khác với vòng bi, với cách thiết lập giống hệt nhau. Sự khác biệt về mức rút hiện tại là đáng kể, với bệ phóng dựa trên ống lót tiêu thụ dòng điện nhiều hơn gấp đôi so với bệ phóng dựa trên ổ trục. Đây là biểu đồ của trận hòa hiện tại theo thời gian.
Cuối cùng, để chứng minh tác động của bánh đà được thảo luận trước đó trong bài viết này, chúng tôi đã chạy thử nghiệm theo dõi RPM của một trong các động cơ khi khởi động 3 đĩa. Một thử nghiệm không có bánh đà trong khi thử nghiệm kia có hai bánh đà. Đây là biểu đồ:
Có một số điều quan trọng chúng ta có thể thấy trong biểu đồ này:
- Mức giảm RPM—sự chênh lệch giữa RPM mục tiêu (600) và RPM chậm nhất ngay sau khi bắn—đã giảm đáng kể trong thử nghiệm với 2 bánh đà. Các thử nghiệm với 0 bánh đà có mức giảm ~150 vòng/phút trong khi thử nghiệm với 2 bánh đà có mức giảm ~75 vòng/phút.
- Thời gian phục hồi—thời gian để thiết bị phóng quay trở lại tốc độ RPM mục tiêu (600)—đã giảm đáng kể trong thử nghiệm với 2 bánh đà. Điều này có ý nghĩa vì tỷ lệ tổng năng lượng được truyền vào đĩa được phóng thấp hơn, như đã thảo luận trước đó trong bài viết.
- Tổng thời gian phóng đã giảm ~40% mỗi lần chụp và tổng thể đối với thử nghiệm với 2 bánh đà.
Kết luận
- Dễ nhất là nghĩ về các bệ phóng dưới dạng năng lượng quay của chúng và việc phóng như một sự truyền năng lượng quay đó sang vật thể được phóng.
- Bánh đà cho phép bạn tăng năng lượng quay trong bệ phóng, cho phép bạn phóng các vật thể xa hơn. Trọng lượng bánh đà V5 mới mở ra các tùy chọn cho bánh đà trong VRC và hệ sinh thái V5.
- Trọng lượng bánh đà V5 có thể cần được gắn theo cách tương đối với nhau để giảm sự cân bằng không đối xứng được tạo ra trong quá trình sản xuất.
- Vòng bi và ống lót “rò rỉ” năng lượng từ bệ phóng của bạn do nhiệt do ma sát. Việc sử dụng vòng bi có độ bền cao mới thay vì các ổ trục truyền thống (ống lót) có thể cho phép bạn đạt được tốc độ tối đa cao hơn trong máy phóng của mình và giảm dòng điện kéo dài liên tục của động cơ máy phóng. Điều này làm tăng năng lượng trong hệ thống phóng của bạn đồng thời giữ cho động cơ của bạn mát hơn.