Основы конструирования роботов
Важнейшей частью почти каждого робота является механическая передача. В разных конструкторах предлагается несколько ее видов: зубчатая, ременная, цепная и др. Передача бывает необходима, для того чтобы передать крутящий момент с вала двигателя на колеса или другие движущиеся части робота. Довольно часто требуется передать вращение на некоторое расстояние или изменить его направление, например на 180 или 90 градусов.
ПЕРЕДАТОЧНОЕ ОТНОШЕНИЕ
При всякой передаче существенную роль играет особая величина - передаточное отношение (а также передаточное число), которое надо научиться рассчитывать. Для этого необходимо знать число зубчиков на шестеренках при зубчатой или цепной передаче и диаметр шкивов при ременной передаче. На крупных шестеренках число зубцов написано: например, «Z40» на самой большой. На мелких нетрудно сосчитать самим.
Посмотрим, что происходит при зубчатой передаче. Во-первых, направление вращения ведомой оси противоположно направлению вращения ведущей оси. Во- вторых, можно заметить, что разница в размере шестеренок влияет на угловую скорость вращения ведомой оси. Каким образом?
Ведущая меньше ведомой - скорость уменьшается. Ведущая больше ведомой - скорость увеличивается.
Однако надо понимать: выигрыш в скорости должен обернуться проигрышем в чем-то ином. И наоборот. Что же мы теряем при увеличении скорости? Очевидно, тяговую силу. А при понижении скорости выигрываем в силе. Это замечательное свойство зубчатой передачи используется во множестве механизмов, созданных человеком, - от будильника до автомобиля.
Как точно узнать, во сколько раз увеличилась тяговая сила? За это отвечает специальная величина, именуемая «передаточное отношение». Для нашего конструктора мы определим ее следующим образом:
i = z2 / z1 , где i - передаточное отношение, z2 - количество зубцов на ведомой шестерне, z1 - количество зубцов на ведущей шестерне.
Таким образом, при i < 1 тяговая сила уменьшается, а угловая скорость возрастает; при i > 1 сила увеличивается, а скорость падает. Очевидно, что при i =1 и сила, и скорость остаются прежними. В этом случае мы можем ощутить изменения только за счет потерь при трении.
Если в передаче участвует несколько подряд установленных зубчатых колес, то при расчете передаточного отношения учитывается только первое и последнее из них, а остальные называются «паразитными» (рис. 3). Паразитные шестерни исполняют полезную функцию только при необходимости передачи вращения на некоторое расстояние. В остальных случаях они лишь увеличивают потери на трение.
Однако зубчатую передачу можно построить таким образом, чтобы каждая шестерня выполняла полезную функцию и служила либо для увеличения, либо для уменьшения передаточного отношения.
В этом случае каждая вторая пара соседних шестеренок должна находиться на одной оси. А общее передаточное отношение рассчитывается как произведение всех передаточных отношений соприкасающихся шестеренок.
i = i12 • i34 • i56 ... , где i12 = z2 / z1, i34 = z4 / z3, i56 = z6 / z5,
И наконец, определим понятие «передаточное число». Его используют, когда необходимо вычислить коэффициент изменения скорости или силы вне зависимости от направления возрастания. Таким образом, передаточное число можно определить как наибольшее из отношений u = i/1 или u = Hi. Следовательно, передаточное число всегда не меньше единицы: i = 1. Для примера, при передаточном отношении i = 1:15, как и при i = 15:1, передаточное число u = 15 .Нетрудно догадаться, что шестеренки, находящиеся на одной оси, вращаются абсолютно одинаково и их передаточное отношение равно единице. Следовательно, эти значения в произведении могут не участвовать.
Червячная передача - это частный случай зубчатой (рис. 6). В нашем конструкторе она обладает определенными свойствами. Во-первых, один оборот червяка соответствует одному зубцу любой шестерни. Значит, при расчете передаточного отношения количество зубцов червяка можно считать равным единице: гч=1. Во-вторых, червячная передача работает
только в одном направлении от червяка к шестерне и блокирует движение в обратном направлении.
Задача. Постройте механическую передачу с максимальным передаточным отношением. По приблизительным подсчетам из всех шестеренок конструктора 8527 можно построить передачу, увеличивающую силу вращения (и понижающую скорость) примерно в 2 млн. раз. Это, конечно, теоретически. Но по сути это означает, что для одного полного оборота ведомой оси потребуется около 2 млн. оборотов ведущей.
Для начала попробуйте построить передачи с передаточным числом 9, 27, 45, 135. А если не получится, то поможет следующий параграф. Только в нем мы будем не замедлять, а ускорять движение.
волчок
Каждый из нас с детства знаком с замечательной игрушкой - юлой. Несколько движений - и юла около минуты держит вертикальное положение. С волчком еще проще. Стержень, закрепленный на нем диск, быстрое круговое движение
пальцами, и с волчком происходит то же самое, что и с юлой, только без какого- либо механизма. Но так или иначе через некоторое время волчок падает, исчерпав заложенный в него ресурс. Хорошая тренировка для пальцев, однако скорость вращения запущенного рукой волчка невысока.
Можно ли создать механизм, который многократно увеличит начальную скорость вращения волчка? Наших знаний о передаточном отношении должно быть достаточно для решения этой задачки. Вторая задача - максимально продлить время вращения волчка.
Требования к волчку и механизму:
- волчок должен иметь ось вращения и достаточно тяжелый диск-маховик, который сохранит инерцию вращения;
- центр тяжести волчка должен быть расположен достаточно низко, но и не слишком, чтобы края диска не цеплялись за поверхность стола (или пола);
- на оси вращения волчка необходимо установить шестерню для начального сцепления с механизмом;
- на механизме должны присутствовать две детали: для удержания одной рукой и придания вращения другой;
- в момент раскручивания волчок должен иметь плотное соприкосновение с механизмом;
- сразу после раскручивания волчок должен свободно отделяться от механизма.
Предлагаем нашу версию волчка и запускающего механизма. Начинающий изобретатель наверняка сможет ее усовершенствовать, подобрав наиболее подходящий маховик и оптимальное передаточное отношение.
Маховик волчка может быть любым колесом, не обязательно зубчатым. Отметим, что волчок с более тяжелым маховиком вращается дольше.
Далее построим механизм для запуска. Возьмем 8-модульную ось в качестве ведущей.
При запуске необходимо быстро провернуть ведущую ось на механизме и сразу поднять его, чтобы волчок вращался свободно. Попробуйте самостоятельно построить механизм 1:5.
Переходим к двухступенчатой передаче. Следует заменить первую ось на более короткую (например 4-модульную), а вместо втулки поставить малую 8-зубую шестеренку.
Теперь соберите самостоятельно передачу 1:15.
Третья ступень передачи может быть построена с помощью 40-зубой шестерни. Передаточное отношение в этом случае будет 1:45. Соответственно и усилие для раскручивания потребуется в 45 раз большее. Поэтому на ведущую ось следует поставить рычаг или дополнительное колесико, которое облегчит задачу запускающему.
Когда при запуске слышен характерный треск зубчиков шестеренок, который возникает на холостом прокручивании, стоит побеспокоиться. Если ваши роботы будут трещать, зубчатые колеса быстро выйдут из строя. Это происходит из-за непрочного крепления осей в балках: они с легкостью отклоняются на несколько миллиметров. От этого можно защититься, добавив дополнительные балки и удлинив тем самым отверстие, в котором расположена ось.
Наша защита действует, но при чрезмерных перегрузках сдает и она. Подумайте, как еще можно укрепить механизм дополнительными балками, например над шестеренками?
Даже из одного конструктора можно сделать с товарищами несколько волчков и запускающих механизмов и устроить состязания: чей волчок продержится дольше?
РЕДУКТОР
Этот механизм используется совместно с двигателями для преобразования и передачи крутящего момента. Чаще всего он служит для понижения частоты вращения и повышения крутящего момента вместе с тяговой силой. Существует множество их разновидностей. То, что мы сделаем сегодня, - это, с одной стороны, полезный механизм, с другой - головоломка для товарищей.
Суть проста: внутри «черного» ящика (картера) строится зубчатая передача таким образом, чтобы ведомая ось находилась на одной прямой с ведущей. Поскольку вращаться они могут с разной скоростью и даже в разные стороны, построить такую же головоломку представляется простой, но довольно интересной задачей. Желательно, чтобы никакие другие (внутренние) оси не выступали из корпуса редуктора во избежание механических помех.
В этой модели передаточное отношение 9:1. Более короткая (ведомая) ось обладает в 9 раз большей силой тяги и меньшей угловой скоростью вращения. Отношение рассчитывается следующим образом:
i = 24 / 8 * 24 / 8 = 9/1
Более сложный вариант редуктора имеет передаточное отношение 15:1 и противоположное направление вращения.
Интересной задачей является построение осевого редуктора с передаточным отношением 1:1 и обратным направлением вращения.
Используя червячную передачу или конические шестеренки, можно изменить направление ведомой оси на 90 градусов. Попробуйте построить черный ящик с несколькими выходящими из него ведомыми осями в разных направлениях.
LEGO DIGITAL DESIGNER
Работать предлагаем в режиме свободного моделирования Mindstorms. Интерфейс среды довольно прозрачен, однако стыковка шестеренок может вызвать сложности. Буквально, «зуб на зуб попадает». Для решения проблемы рассмотрим пример предварительного поворота 24-зубой шестерни перед стыковкой с 8- зубой с помощью инструмента «Hinge Tool».
Надо заметить, что поворачивать в этой среде допускается только способные вращаться детали, которые, как правило, насажены на оси или штифты. На рисунке вместе с 24-зубой шестерней поворачивается 3-модульная серая ось и надетая на нее 8-зубая шестеренка.
В результате нескольких манипуляций получаем готовую конструкцию. К сожалению, вращать ее за какое-либо из колес уже нельзя: механическая передача в программе не поддерживается. Зато полученную конструкцию можно рассмотреть со всех сторон, разобрать на детали и даже визуализировать алгоритм сборки.
