了解 V5 机械发射系统

使用 V5 机器人发射物体的最常见方法是高速旋转轮子,然后将物体送入轮子中。 本文档解释了旋转系统背后的相关物理原理、发射物体时会发生什么,以及如何调整系统以更好地发射物体。

旋转物体背后的物理学

旋转能量是旋转物体所含能量的测量值,由以下方程定义:

E旋转 = 1/2 Iw

  • I 代表转动惯量(也称为“转动惯量”或“MOI”),用于衡量转动物体的难度。
  • w 是物体旋转的速度。

这意味着我们可以改变两个变量——系统的转动惯量 (I) 或系统的旋转速度 (w)——来改变发射器系统中的旋转能量。

那么为什么我们要关心发射器中的旋转能量呢? 能量守恒定律指出,能量既不会被创造,也不会被破坏,只会被转移。 这意味着发射器系统会将其部分旋转能量转移到我们要发射的物体上,正是这种能量使物体在空中发射!

沿某个方向移动的物体具有线性能量,由以下方程定义:

E线性 =1/ mv

  • m 代表物体的质量
  • v 是物体的速度

这意味着以一定速度发射的物体具有一定的能量。 该值对于一定的速度是固定的,但我们发射器中的能量不是固定的。 由于能量转移到发射的物体,发射后发射器中的能量将小于发射前的能量。 通过在发射前改变发射器系统中的能量,我们可以改变传输到发射物体的能量比例,从而影响发射器发射物体的效果以及发射下一个物体的准备程度。

什么是飞轮?

如上所述,我们改变发射器旋转能量的方法之一是改变系统的旋转惯量。 重要的是要知道两件事:第一,每个物体都具有一定的绕旋转轴的转动惯量值;第二,系统所有部分的转动惯量加在一起,就形成了系统的转动惯量。 用于增加系统转动惯量的物体称为飞轮,在 V5 生态系统中,有一个新的 VEX V5 飞轮重量 可以做到这一点。

飞轮对系统性能的影响

最需要理解的是系统中不同的转动惯量如何影响其性能。

如果我们增加转动惯量,旋转能量就会增加(如上面第一个方程所示)。 在一定速度下,系统中的能量越多,系统中获得能量的时间就越长,因此旋转时间就会增加。 随着 MOI 的增加,发射后的 RPM 下降将会减少,并且物体通常会发射得更远。 随着转动惯量的减小,我们会得到所有相反的效果:旋转能量和旋转时间会减少,转速下降会增加,传递到物体的能量和物体运动的距离都会减少。

更高的MOI 降低 MOI
初始旋转时消耗更高的电流 初始旋转时电流消耗较低
将物体发射到所需距离所需的速度较小 将物体发射到所需距离需要更高的速度
物体发射时速度下降较小(发射之间的时间较短) 物体发射时速度下降更快(发射之间的时间更长)

如何使用 V5 飞轮配重

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V5 飞轮配重可​​以通过两种不同的方式安装。 首先,标准的 1/2” 节距方形安装模式允许将飞轮安装到 48T、60T、72T 和 84T 高强度齿轮上。 其次,标准 1.875” 六角安装模式允许将飞轮安装到 上,后者可以使用 适配器安装到高强度轴上。 左图显示了 V5 飞轮配重上的安装孔。 红色孔与标准方形安装图案匹配,蓝色孔与Versahub 六角形图案匹配。

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显示 V5 飞轮重量安装示例 #1 的示例。

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显示 V5 飞轮重量安装示例 #2 的示例。

与制造的所有产品一样,由于制造过程中不可避免的微小误差,所有零件的设计都存在公差。 V5 飞轮重量也不例外,飞轮中可能存在少量不对称性,从而导致振动。 机器人的振动可能会松动螺栓,使发射器不准确,甚至损坏机器人组件。 有两种方法可以解决这个问题。 首先,如果使用多个飞轮,则飞轮可以相对于彼此旋转,使得它们抵消彼此的不对称平衡。 其次,如果只使用一个飞轮,可以在未使用的安装孔中放置一个螺栓来抵消不对称平衡。 在这两种情况下,建议使用反复试验过程来找出最佳配置。

轴承或衬套:您需要哪一种?

随着 高强度轴球轴承的推出,VEX 用户现在可以使用两种不同的方式来支撑机器人中的旋转系统。 被称为“轴承平面”的部件实际上在工业中被称为衬套,因为它没有移动部件。 轴承和轴套都是通过减少旋转轴和固定支架之间的摩擦来工作的。 衬套——VEX 中的“轴承平面”或“高强度轴轴承”(在本文档中称为衬套)——通过提供轴可以接触的光滑圆形表面来实现这一点。 另一方面,轴承包含许多小球,当轴旋转时这些小球会滚动。 尽管减少了摩擦,但轴承或衬套都不能完全消除摩擦。 由于其不同的结构和一些其他因素,轴承和衬套具有不同的优点、缺点和用例。

 

优势 弱点
轴承
  • 相对于衬套减少摩擦
  • 能够承受更多的负载
  • 更坚固
  • 可以完成套管无法完成的事情
  • 高速时表现良好
  • 更贵
  • 较重
  • 较难安装
衬套
  • 便于使用
  • 不会那么贵
  • 打火机
  • 适用于大多数应用
  • 较弱
  • 高速时不太好

如果我们从能量的角度来看待旋转机构,就像我们之前在本指南中所做的那样,轴承或衬套会不断地通过摩擦以热量的形式从系统中“泄漏”能量。 然而,他们这样做的速度是不同的。 衬套从系统中损失能量的速度比滚珠轴承快,而且影响很大。

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我们对发射器进行了一系列测试,首先使用衬套,然后使用轴承。 在这两个版本中,发射器都有 2 个转速为 600 rpm 的轴承/衬套和 2 个转速为 3600 RPM 的轴承/衬套,使用两个带有蓝色墨盒的 V5 智能电机。 轴承和衬套之间的差异非常显着。 这是正常旋转期间电机速度的图表。

与衬套相比,轴承实现了明显更高的稳定最高速度并且加速得更快。 在能量方面,这意味着带有轴承的系统能够在系统中保留更多的能量,并且比带有衬套的系统将物体发射得更远、更快。 效率差异约为 8%,变速箱输出转速差异为 300 RPM。

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使用相同的设置,我们测量了发射器正常旋转期间其中一台电机的电流消耗。 就像上次测试一样,我们用衬套进行了一次测试,用轴承进行了另一次测试,其他方面的设置都相同。 电流消耗差异很大,基于套管的发射器消耗的电流是基于轴承的发射器的两倍以上。 这是电流消耗随时间变化的图表。

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最后,为了演示本文前面讨论的飞轮的影响,我们进行了一项测试,跟踪启动 3 个磁盘时其中一个电机的 RPM。 一项测试没有飞轮,而另一项测试有两个。 这是图表:

在此图中我们可以看到一些重要的事情:

  • 在使用 2 个飞轮的测试中,转速下降(目标转速 (600) 与射击后最慢转速之间的差异)显着减小。 使用 0 个飞轮的测试有约 150 RPM 的下降,而使用 2 个飞轮的测试有约 75 RPM 的下降。
  • 在使用 2 个飞轮的测试中,恢复时间(发射器恢复到目标 RPM (600) 所需的时间)显着缩短。 正如本文前面所讨论的,这是有道理的,因为转移到发射盘的总能量的比例较低。
  • 对于使用 2 个飞轮的测试,每次发射的总体发射时间减少了约 40%。

结论

  • 最容易从发射器的旋转能量角度来考虑发射器,并将发射视为旋转能量传递到发射物体的过程。
  • 飞轮可以增加发射器的旋转能量,从而将物体发射得更远。 全新 V5 飞轮配重为 VRC 和 V5 生态系统中的飞轮提供了更多选择。
  • V5 飞轮配重可​​能需要以彼此相对的方式连接,以减少制造过程中产生的不对称平衡。
  • 轴承和衬套通过摩擦产生的热量从发射器“泄漏”能量。 与传统轴承平面(衬套)相比,使用新型高强度轴承可以让您在发射器中实现更高的最高速度,并减少发射器电机的持续电流消耗。 这会增加发射器系统的能量,同时保持电机冷却。

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