摩擦轮发射机构设计pdf
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  • 发表时间:2019-09-16 12:06
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  2015 全国大学生机器人大赛SPR 内部文档 摩擦轮发射机构设计 侯朝中 中国石油大学(北京)SPR 机器人队 北京 102200; 摘要:分析了摩擦轮发射机构相对其他发射机构在机器人比赛中的优点,指出了摩擦轮设计中的设计要求及难点,同时给出 了聚氨酯摩擦轮发射机构设计计算过程,并通过实验效果验证设计。结果发现聚氨酯摩擦轮发射机构能够在比赛中达到一个 很用的使用要求,显著改变发射系统的威力。 关键词:发射机构 摩擦轮 聚氨酯 * 0 设计背景及要求1 1 摩擦轮发射机构模型 RoboMasters 是一项全新的机器人超级对抗赛。 1.1 设计要求 机器人通过发射弹珠的发射去攻击对方,弹珠为直 RoboMasters 比赛场地为长28m 宽15m 区域, 径 17mm,重量为4.15g 的塑料球。机器人通过车 理想设计速度能让机器人站在中场攻打对方基地, 外壳上的加速度传感器来检测被弹珠打击的力度。 即理想设计水平攻打距离为14m ,根据平抛运动简 在比赛战场上不管是远程打击还是近距离打击,子 单计算一下子弹的速度,射出口高度为400mm ,子 弹的速度是影响威力的非常重要的方面。 弹水平射出,v1 50m/ s 。 要使子弹获得一个比较高的速度,方法有好多 在保证枪管直径及其摩擦因数合适的情况下, 种,无非是提供给子弹一个非常大的初始速度即可。 实际气流及质量力的作用会使弹道变成弧线,这是 这些方法包括爆炸发射、弹性体蓄能发射、摩擦发 不可避免的。 射。爆炸发射是通过引爆火药粉、易爆性气体,或 者释放高压气体或电能 (电磁炮)来产生巨大的推 1.2 摩擦轮发球速度分析 力,此种方法威力巨大,但是控制难度较高,工况 较复杂。弹性体蓄能发射是弹性体积蓄的能量释放 出来,转化为子弹的能量,虽然能够提供较大的加 速度,但是存在弹性体释放能量过程中产生不好解 决的巨大的振动问题。摩擦发射的方式也有好多种, 包括摩擦轮发射以及摩擦带发射,高速运行的摩擦 轮或者摩擦带通过摩擦使子弹达到一个比较高的速 度。 摩擦轮发射机构由于提供的能源比较方便,占 图 1摩擦轮发球机构原理图 用空间较小,而且制作简便,在RoboMasters 比赛 中得到了广泛的应用。本文就摩擦轮发射机构的设 发球机构的原理如图所示,由送球机构送上来 计问题做了一些研究。 的子弹经过一对旋转方向相反的摩擦轮的作用,高 速射出。从子弹进入开始与摩擦轮接触(图中的排 球位置 1)到与摩擦轮分开(图中的排球位置 2 ), 在此期间,排球将受到摩擦轮的摩擦力和压力的作 用,以此来完成加速过程,最终射出, 由动量定理的计算公式: 侯朝中:摩擦轮发射机构设计 f t mv m(v v ) 电机,型号为 2312 ,KV 值为 960KV ,工作电压 1 0 v0 为子弹的初速度,即进入摩擦轮时的速度; 11.1V,电调20A 则电机运行转速为 v1 为子弹从摩擦轮中射出的速度。 n 960 11.1 10656rpm f t (2). 摩擦轮工艺及材料的选择 v v v 1 0 高速状态下,对摩擦轮接触部分的材料要求比 m v0 0 v1 v v f t m 较高,选择不好的话可能由于离心力的作用而膨胀, 设 ,则 , 与 和 有关, 继而造成剧烈的振动,导致发射出的子弹无论是从 是子弹的质量,在这里是常数。实际上,增大摩擦 速度还是稳定性来说都不好。官方给出的摩擦轮材 轮的转速和摩擦力,到了一定程度时,子弹的最终 料为硅胶,硬度大概为邵氏50~60 度左右。实际上 v 速度将不会增大,也就是 达到了最大值,但是 就是比较好加工的硅胶垫圈,然后再固定在装有内 小于摩擦轮边缘的线速度。要想增大子弹的最终速 衬的无刷电机上作为摩擦轮,但是效果不理想。图 度,可以从下面两个方面来做 4 为硅胶材质的摩擦轮,图 5 为加大版的硅胶摩擦 t 轮,相同转速下会出现膨胀现象,如果不加钢线周 增大接触时间 ,其实就是增大摩擦力对子弹 的接触时间,最好的方法就是利用摩擦带去实现, 向固定,硅胶圈会脱落。 但是由于带传动中途存在效率转换的问题,在高速 情况下不是太好实现。退一步,带传动不好做,可 v t 以用多级加速来实现,同时改变 和 ,从而使 最终的速度增大。 图 3 硅胶摩擦轮 对硅胶圈进行受力分析 图 2 摩擦带发射原理图 图 3 摩擦轮多级加速发 射原理图 图 4 硅胶圈变形示意图 图中 为径向离心力,由于对称性,在高速状 F 2 通过了大量的实验,我校机器人队最终选择的 态下硅胶圈的直径会变大, 越大直径就会变得越 F 2 是单级摩擦轮发射机构,其实单级摩擦轮做好了威 大,宏观表现为膨胀现象。 力已远远能够满足比赛的需要。 (F F )cos F ma 1 3 2 n 2Eds cos  ma 1.3 摩擦轮发球速度的影响因素 n 发生膨胀现象的原因是因为硅胶的弹性模量E 太 大量的实验表明,以下几个因素制约着摩擦轮 小,抗扩张性较差,与摩擦轮轮芯不能很好的结合 的出弹速度。 在一起,而且耐磨性不好,满足不了高速摩擦轮的 (1). 电机的选择 要求。当然也可以通过细致的径向绕线使硅胶不扩 我们的机器人电池使用的是锂电池,电机选择 张,比赛中也不乏有队伍这么做,但是实际效果却 直流无刷电机。直流无刷电机相对于直流有刷电机 不是很理想。 而言无电刷、低干扰、噪音低、运转流畅,适用于 转速比较高的设备上。直流无刷电机又分为内转子 无刷电机和外转子无刷电机,这里使用的是外转子 无刷电机,型号选择为深圳市大疆创新的一款无刷 月2015 年6 月 侯朝中:摩擦轮发射机构的计算 图 7 摩擦轮发射示意 (4). 摩擦轮之间的距离 摩擦轮之间距离的确定要与摩擦轮聚氨酯材料 图 5 装有钢线的硅胶摩擦轮 的硬度有关,保持其他情况不变的情况下,对硬度 不同的四种种摩擦轮装置做了大量的实验,实验数 在制造行业中,有一种很重要的工艺叫胶辊工 据如下图表所示。 艺,其主要就是以金属和其他材料为芯,外覆橡胶 而制成的一种辊状物。由于这种工艺能够很好的将 橡胶和金属结合在一起,所以很适合RoboMasters 比赛中摩擦轮的制造。外覆橡胶应该满足耐磨、耐 撕裂、耐老化等优点,而聚氨酯橡胶就能够很好的 满足这些要求,其由聚酯( 或聚醚) 与二异氰酸脂 类化合物聚合而成,广泛应用于石油管道的清管器 中,应用在比赛摩擦轮上非常合适。 图 8 不同硬度下发射距离与摩擦轮轴距的关系 最终我校机器人队选择的聚氨酯为邵氏硬度65,两 摩擦轮之间距离为12mm。 (5). 摩擦轮的转动惯量 图 6 聚氨酯摩擦轮 (3). 摩擦轮机构的振动问题 如果摩擦轮的质心不在转动轴上或者离转动轴 很远,此时的摩擦轮实际上是一个偏心轮。高速情 图 9 摩擦轮示意图 况下会产生剧烈的振动。另外,任何机构都有一个 前面说到,子弹被摩擦轮发射出去,其能量是 本身的振动频率,当整个发射机构的振动频率和摩 E 来自于摩擦轮。设摩擦轮能量为 ,子弹获得的能 擦轮的振动频率一致的时候,整个发射系统将会发 E E E 量为 ,只有 时,摩擦轮的能量才不会 射强烈的振动,如果频率与下落到发射管中的子弹 造成大的波动,摩擦轮转速也更加平稳。 本身的频率又一致的话,就会发生连环共振,这就 将摩擦轮简化成如图所示的质量为 的圆柱, m 能解释为什么有时候子弹从弹夹出来之后从A 到B R L 横截面半径为 ,高度 ,其转动惯量为 的过程中速度v 不能太小的原因,宏观上子弹好像 1 2 J m R ,当角速度为 , 其动能为 受到了一个与v 相反方向的阻力,子弹很难被发射 轮 轮 轮  2 出去。而从能量的角度分析,振动消耗了子弹本应 1 2 该获取的能量。当然,具体的振动频率的详细数据 E J 轮ω 。 2 需要通过实验去确定,本文只是就振动问题作出简 1 2 1 2 2 摩擦轮动能E J ω m R ω 单的分析,总之摩擦轮的转速是和所设计的发射机 轮 轮 轮 轮 2 4 构相匹配的,而不是越快越好。 侯朝中:摩擦轮发射机构设计 1 2 1 2 2 烦且容易变形,最后采用了标准铝管材作为发射管。 子弹动能E m v m R  弹 弹 弹 轮 2 2 管材内部光滑处理,氧化发黑。 因为m轮 m弹 也就是说摩擦轮的转动惯量要足够大才行,但是不 是说越大越好,太大可能电机启动不了,要和所选 的电机相匹配才行。我校机器人摩擦轮的参数为: m=50g R=35mm L=12mm 1 -3 2 -6 5 2 图 11 改进的发射管 J 轮 50 10 35 10 3.0625 10 kg m 2 由于大疆 2312 无刷电机是 Phantom3 上面的驱动 用,适用于9450 自锁桨,桨的转动惯量为 2 结论 1 -3 2 -4 5 2 J 桨 1310 24 10 6.24 10 kg m 12 (1) 本文列举并分析了影响比赛子弹发射的六 因为J 桨  J 轮 ,所以所选择的无刷电机能够满足要 个影响因素,分别是电机的选择、摩擦轮工艺及材 求,且摩擦轮转动尺寸合适。 料的选择、摩擦轮机构的振动问题、摩擦轮之间的 (6). 发射管的影响 距离、摩擦轮的转动惯量、发射管的影响等。 发射管的作用是导向加速作用,发射管可以不 (2) 影响摩擦轮发射的因素还有很多,比如高 是传统意义上的管子,它实际上是具有导向作用的 速流动下在摩擦轮周围会形成涡旋等作用等,本文 通道。子弹与发射管之间的阻力主要是摩擦阻力, 只是对比赛过程中的一些设计的重要问题进行了总 按照对象又可以细分为两种,一种是子弹与管子内 结,理论计算和实验数据依然很少,后期可以继续 壁之间的摩擦,另外一种是子弹与空气中的摩擦。 多计算多实践,不断优化。 下面分析一下两种经典的发射管。 (3) 中国石油大学(北京)代表队在摩擦轮设 计过程中做了大量的计算与实验,设计出了威力巨 大的摩擦轮发射机构,在2015 RoboMasters 大学生 机器人比赛中有着突出的表现。 参 考 文 献 [1] 严济宽. 机械振动隔离技术[M]. 上海:上海科学技术 文献出版社, 1986. [2] 谷腰欣司. 直流电动机实用技巧[M]. 北京:科学出版 社, 2006. 图 10 普通发射管 [3] 欧特尔等. 普朗特流体力学基础[M]. 北京:科学出版 第一种是用的比较多的发射管,这种是线 义上的管子,优点是管材是标准件,加工制造都很 简单。缺点是内壁摩擦因数难以保证,而且空气所 作者简介:侯朝中,男,中国石油大学(北京)机 带来的阻力也是比较大的,会减小子弹的速度。 械工程研2014 级,2014 届robocon 队长,2015 届 第二种是如下图所示的这样,假如在图示位置 robomasters 队长。 相对上图开两个口,使气流能够从两个侧向通道中 E-mail : 排出,这样大大的减小了空气阻力。同时又考虑到 减少内壁摩擦,可以将发射管设计成板材式。但这 种方式对安装要求非常高。 这两种方法各有优缺点,实际实验中发现,气 流阻力影响很小完全可以忽略,板材式安装比较麻

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