【RM2019-南方科技大学拨弹机构设计与思路开源】

“你在平原上走着走着，突然迎面遇到一堵墙，

这墙向上无限高，向下无限深，

向左无限远，向右无限远，

这墙是什么？”

“卡弹。”

本帖为南方科技大学拨弹机构设计与思路开源。

拨弹机构作为各个队伍的核心技术之一，是比赛胜负的重要决定因素。

本机械技术说明文档的写作目标是

看完这篇文章后新队员能对拨弹轮有一个初步的了解

老队员能够更好地设计拨弹机构

了解一个结构的防卡弹原理和学会通过分析去排除卡弹。

开源机械图纸为文中描述的

第四代拨弹机构 （下供弹）

                               
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包含分隔弹仓，预排弹，预旋转，LOM一体导向片，拨弹轮曲线等机械设计。

欢迎大家讨论，共同进步。

拨弹机构具体效果和功能展示，看动态图就最直观了。

第四代拨弹机构的拨弹能力为稳定射频每秒14发弹丸，拨弹轮齿数为五齿。

                               
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分层实体制造技术LOM简介
分层实体制造技术LOM简介.pdf (431.58 KB, 下载次数: 320)

2019-8-22 00:36 上传

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2.3入门成功：找到方向后的深入研究
第二代拨弹机构设计（2019.3完成）
关键词：钝角出口夹角，一体式导向片，定位销联轴拨弹轮。
2.3.1曲线修改：基于第一代拨弹轮的经验，我们修改了拨弹轮曲线和切线直线出弹，改为切向曲线出弹。具体方法如示意图。这个修改目的是为了使出口夹角始终保持钝角，不会有夹住弹丸的风险。

                               
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图11.修改前后的拨弹轮曲线和出口导向曲线

实验发现，这个解决思路是正确的。从此再无出弹口卡弹。
实验过程中还有一个发现：使用修改后的拨弹轮曲线，手指从出弹口伸进去也是夹不住，会被旋转的拨弹轮有节奏的推出。以前每次排除卡弹的时候手指不敢伸进去，怕夹手，但是一个不夹弹的拨弹轮曲线无论对于弹丸还是对于队员的手指都应该是安全的。当然，如果有信心想要尝试，请【注意安全】，随时断电。
第一代导向片难以固定的问题，在第二代得以解决。
同样地，我们使用LOM分层实体制造的方法，这次用的更加极致。导向片与拨弹仓连为一体进行制造，导向片可以固定结实，并且非常适合LOM的制造方式。
分层实体制造的方法把一个工件切片分为各个板层，每个板层可以独立制造处理，最后再按顺序拼装即为完整工件。利用这种LOM的方法，我们可以做到其他制造方法做不到的难点：

                               
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图12.轴承安装可提供定轴心作用

一体制作导向片和拨弹仓并把梳型拨弹轮嵌入安装进去。而使用LOM，我们在组装的时候就可以一层导向片，一层拨弹轮，一层导向片，一层拨弹轮如此堆叠安装。并且在导向片中我们还可以设计安装轴承用来定心和减少旋转阻力。这些同轴心，面重合的机械限位保证了拨弹轮的稳定运转。

                               
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图13.实装效果

定位销连接拨弹轮
第一代拨弹轮还有一个问题：拨弹轮连接电机。由于分层实体制造的原因，在4mm，5mm亚克力板侧面是无法打孔来安装电机轴上的销孔的。第一代仅靠轴向螺丝和D形孔固定容易造成松脱。在这第二代的迭代中得以解决。我们使用了两根方型定位销对拨弹轮进行传动和定位，定位销前端开孔，使用光轴穿过电机径向孔和定位销的孔，使电机传动给定位销，再传动到拨弹轮上。

                               
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图14.传动定位销示意图。

第二代拨弹轮实测数据连续拨出28发耗时5.4秒，无空弹。平均射频5.2发每秒。该射频为此结构射频上限。长时间循环拨弹无卡弹空弹出现。高于该射频有概率卡弹，可通过电机反转0.2秒排除。后面是对于这个射频数值的理论验证计算。

                               
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图15.GIF.拨弹轮曲线测试

理论验证计算：(画重点)
注：该第二代拨弹机构理论计算的前提包括预排弹设计，预排弹在第三代设计中描述。
第二代拨弹机构射速上限的计算
在实验中，在预排弹口处、拨弹仓出口处均未出现卡弹的情况，卡弹主要发生在拨弹轮与预排弹出口处。弹丸被拨弹轮与预排弹出口处夹住，无法下落。实验测得拨弹轮最快拨弹速度约为5发/秒。
注：预排弹设计：通过机械结构自动将弹仓内弹丸有序化，以便快速进入拨弹轮。例子：供弹系统中存在由于弹仓形状设计问题，弹仓中的弹丸未能及时补充入拨弹轮的问题。这里的解决思路是利用圆柱形管道对弹仓内弹丸进行储弹和预置，利用步兵行走的射击空窗期的移动晃动,使弹仓中弹丸进入圆柱形管道，排列弹丸，自行对弹丸预置。

                               
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对于第二版拨弹轮，我们可以为其建立以下的模型，以计算出其理论的射速上限

                               
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如图，我们假设一个最简单的情况，一枚17mm弹丸由于拨弹轮顶平面阻挡无法下落而静止在拨弹轮顶平面上（初态）。

                               
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此时，如果我们沿着中心圆周剖开，可以看到如下的情况。

                               
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将上面的视图作适当的简化，可以粗略地化为如下的平面图。

                               
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在中心圆周上剖开拨弹轮得到的侧视图

弹丸被卡住的过程发生在17mm弹丸掉落到拨弹轮空隙、拨弹仓底中的过程（终态）。

  

                               
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在此运动过程中，我们做出以下假设，来简化我们的分析过程。
由于拨弹轮与弹丸之间摩擦力主要使弹丸旋转，该摩擦力可以被忽略，即拨弹轮与弹丸绝对光滑；
由于拨弹轮线速度较低，可以认为拨弹轮与弹丸产生的碰撞为完全非弹性碰撞；
在实验中未发现除预排弹出口外其他位置有卡弹现象，可以认为其他位置不卡弹。
弹丸下落过程分为四步：
第一步，弹丸与拨弹轮相对滑动，弹丸竖直高度不变；
第二步，前一个拨弹叉后端越过弹丸中心，弹丸开始下落，同时被前一个拨弹叉后端限制下落速度；
第三步，弹丸由于重力加速度不足，与前一个拨弹叉分离，开始进行有初速度的自由落体；
第四步，弹丸进入拨弹仓底部，或者未完全进入而被后一个拨弹叉与拨弹仓壁的相对运动挤入拨弹仓底部。

  

                               
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卡弹发生在第三步与第四步之间，弹丸来不及下落，被拨弹仓壁和拨弹轮卡住。

                               
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设拨弹轮线速度v、重力加速度g=9.81m/s2、弹丸宽度d=0.017m、半径r=0.0085m、第二步经历的时间为t1、第三步经历的时间为t2、弹丸与前拨弹叉分离时的竖直速度为v分离、弹丸与前拨弹叉分离时下落的高度为h分离。

                               
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t=0到t= t1时，下落的高度h满足以下函数：
h(v,t)=r-√(r^2-〖(vt)〗^2 )
对h关于t求二阶偏导，得到第二步中的各个时刻的加速度。
a(v,t)=(∂^2 h(v,t))/(∂t^2 )
第二步到第三步，t=t1，即弹丸与前拨弹仓分离时，
a(v,t_1 )=g
此时，弹丸垂直下落的速度v_y为
v_y (v,t_1 )=∂h(v,t_1 )/∂t
第三步，弹丸作初速度为v_分离，加速度为g的自由落体。此时下落的高度与时间的关系为：
h(v,t)=h_分离+v_分离 t+1/2 gt^2
经过实验，弹丸还有3mm未进入拨弹仓时不会被夹住，即h(v,t)=d-0.003m时进入第四步。所经过的总时间为
t_总=t_1+t_2
经过测量，弹丸完成整个运动时间内，拨弹轮分度圆转过的弧长为l=21.2mm。
所以拨弹轮的线速度最大为：
v=l/t_总
联立上述所有方程，可以解出拨弹轮最大不卡弹的线速度为v（下图中字母不与上述方程严格对应，a为t1、b为t2、k为v分离、v与上述v一致）。
数值代入公式计算过程

                               
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v=0.17065m/s，h分离=0.00256m，符合实际情况，将线速度转换成转速RPS约为1.0822R/s，由于拨弹轮为5齿，乘以5得拨弹速度为5.411发/秒，与实验高度吻合。
通过验证我们可以得出结论：预排弹减少了空弹的发生，但也把拨弹轮的最高有效转速限制在了1.1圈每秒。如果分度圆大小不变，拨弹轮的最高稳定射频与拨弹轮齿数正相关，系数为拨弹轮的最高有效转速，受到结构设计的限制。所以我们可以通过增加拨弹轮齿数来直接增加射频，只是齿数增加也会增加拨弹轮的体积和质量和卡弹概率。也可以改变预排弹的方式，增加弹丸可以下落的时间，增加有效转速和提高射频。

2．拨弹机构：从入门到卡弹
——“你在平原上走着走着，突然迎面遇到一堵墙，这墙向上无限高，向下无限深，向左无限远，向右无限远，这墙是什么？”
——“卡弹。”
2.1 入门：入门即卡弹。
最初接触拨弹轮是在2018赛季。那时队内采用下供弹软管系统，拨弹轮表现不佳。当时分析的主要原因有三：第一，供弹系统中存在由于弹仓形状设计问题，弹仓中的弹丸未能及时落入拨弹轮的问题。第二，熔丝制造的三维打印弹仓底部粗糙且拨弹轮较薄，拨弹轮过高是容易导致弹丸把拨轮卡起来。第三，拨弹仓的切线出口处挤压卡弹。对于这三个问题的解决思路在暑假逐渐成型。
为了方便描述技术迭代，这里把2019赛季整个拨弹轮研发过程和技术迭代分为了四代。实际上技术迭代和讨论是一个连续的过程。
2.2再入门：开源图纸再入门
第一代拨弹机构设计（2019.1完成）：
关键词：梳状多片拨弹轮。
2019赛季。这是第一次设计拨弹轮。这次拨弹轮设计的拨弹轮形状曲线基于厦门大学嘉庚学院&厦门大学联队于2018年7月22日开源的高松三号步兵图纸。感谢开源。

                               
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图5.第一代梳型拨弹轮

如题，梳型多片拨弹轮 在这次设计中表现为三片拨弹轮与出口处的三片导向片的交错组合。同时在梳型拨弹轮基础上得以设计拨弹轮转盘。该设计的拨弹轮曲线采用形状和切线直线供弹有优化空间，这在第二代拨弹轮出口卡弹问题会有讨论。
2.2.1设计需求：
以往单片拨弹轮位于弹丸中间，未进入拨弹轮孔的弹丸落在拨弹轮片上，与弹仓中底部弹丸有半个弹丸左右的高度差，跟随拨弹轮旋转，与弹仓中堆积的弹丸碰撞挤压，并且依托弹舱壁形成一个稳定的自锁的结构阻止拨弹轮任何一个拨轮旋转时，轻则空弹，影响射频，重则卡弹。用手拨动弹丸可以解决。下供弹结构弹丸储量大，问题明显。

                               
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图6.弹丸堆叠自锁示意图

为了使用更高的出弹口导向，拨弹轮底部往往在弹丸中部附近；熔丝制造的拨弹轮较软，而且有安装精度问题；拨弹仓底面粗糙；同时高速旋转的拨弹轮力量大，这些都有可能导致弹丸把拨弹轮从底部卡起来。

                               
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图.7 RM圆桌提问“过低容易碰到，过高容易导致弹丸把拨轮卡起来。”

2.2.2解决方案：梳型多片拨弹轮
设计灵感：深圳北高铁站候车厅出口的单向旋转门采用的梳型门页。 还有手扶电梯的梳齿。

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丶凌邦 发表于 2019-8-22 20:21
提个问题，这种供弹机构是不是太占用空间了。

对，单纯对于这个模型来说确实是占空间。在下供弹步兵的设计中，这款拨弹机构安装后，前边缘距离云台中心是8cm，和前端大装甲板与云台中心的距离是一致的。
如果云台直径宽度超过16cm，就会碰到前装甲板或者弹仓。
所以这个模型是会限制云台自由度的，云台自由度是左右各50度。
主要是弹仓高度限制了自由度，占了空间。但是如果不做小陀螺，提高了弹仓开口高度，在补给站接弹丸会稳一点。（当然上供弹肯定能接住）
另外就是预排弹管，是可以减少高度，或者去除的。很灵活。它是为了避免连续射击高射频时的空弹。而且分隔弹仓的设计使弹仓不会发生堆叠卡弹，也就不会造成这种原因的空弹。其实可以舍去，步兵由于热量的限制，不连续射频低的情况，不会有空弹。这里模型加上预排弹管的意思是，如果发生了空弹，这是一种可以选择使用的预置弹丸方案。
牺牲了预排弹管的预置功能，那么在空间占用上，与以往的下供弹设计就是一样的了。
当时是没有打算做小陀螺的，时间也不够继续设计。
现在的话，我根据文中所述由这个模型和思路得出的经验， 已经可以设计出满足上供弹小陀螺，下供弹小陀螺，无人机等射频要求和空间结构要求的稳定拨弹机构。比较异形的拨弹机构也能做出来。
我们给出的三维模型，可以把它当成是一个用来研究拨弹机构的模型。
所以它的设计都是正正方方的，目的就是为了方便快速制造，去验证思路和修改模型。
这次开源重要的是思路和原理，而不是这个具体的模型。模型是为了更好的描述思路和原理。
我们希望的是开源分享后，各参赛队能利用这些原理和思路去设计适合自己机器人结构和空间要求的拨弹轮，还有新人能更快的入门。

授人以鱼不如授人以渔。我认为这样的开源是更加有益的开源。
同时开源也是为了听取其他参赛队给出的评论和建议，使技术更进一步。

感谢老哥开源

1．拨弹轮工作原理与卡弹的原因概述。
通常情况下，RM赛场上的硬质【拨弹轮】都是指能够通过重力作用装填，通过多个拨轮与多个弹丸硬接触将弹丸通过旋转加速到一定速度从而推出弹舱的推入供弹链或者直接推入摩擦轮的结构，这个定义看似废话，但是却对拨弹轮的分析却至关重要。每一种拨弹机构的最高射频都是与结构相关的。尽管拨弹轮千变万化，供弹方式也有上下之分，现有的拨弹轮的卡弹原因仍然出现在比较一致的几个地方，想要制作转速更快的拨弹轮，必须对这几个原因进行深入解析。
1.1供弹过程抽象理解
现在主流的拨弹轮供弹方式我们可以从一个抽象的角度去分析。简单的说，弹丸发射过程是一个由“体”转化“点”的过程。首先，很多很多的17毫米小球在弹仓中堆积，由于等径密堆，形成类似HCP或是FCC的密堆晶体结构。我们把这个状态称为“体”。接着拨弹轮化“体”为“面”，拨弹轮的孔位将堆积的体中的弹丸排列成规则排列的面上的弹丸。然后再通过拨弹轮的旋转，和供弹链的限位化“面”为“线”。即弹丸从拨盘的“面”上，被拨弹轮旋转，然后沿切线进入供弹链。最后由发射机构断“线”成点。即“线”中的弹丸到达摩擦轮或气动发射机构，获得较高速度，与后边弹丸分离。由体化面，面成线，线断点，完成整个发射链路过程。也就是一个获得有序性的过程。

                               
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图1.十七毫米弹丸的等径密堆积

1.2.拨弹轮搅动使大量弹丸形成稳定结构导致卡弹
拨弹轮在高速旋转的时候，弹丸同时下落，排列，当若干个弹丸依托弹舱壁形成一个稳定的自锁的类似三维晶体的结构阻止拨弹轮旋转时，轻则空弹，重则卡弹，这种卡弹几率与拨弹轮的拨轮数正相关，在Robomaster论坛大佬说栏目中提到应该使用尽量标准的圆柱形的弹舱，也是为了减少弹丸最终与弹舱壁形成自锁的概率。同时，形成的不确定的弹丸下落角度也会造成对其他卡弹原因的分析困难。

                               
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图2.弹丸密堆积，在弹仓内无法滑移

1.3在拨弹轮旋转过程中弹丸与拨弹轮直接形成自锁导致卡弹
拨弹轮旋转中，弹丸受到拨轮的横向推力，拨弹仓底部摩擦力和拨弹仓侧壁摩擦力，在大部分情况下，拨轮推力始终大于两个摩擦力，弹丸能够不断地滚动而保持稳定，但是在外部扰动与拨轮形状设置不合理、摩擦系数过大的共同作用下，弹丸可能受力不均陷入自锁、弹出拨弹轮、甚至潜下拨轮，轻则卡弹，重则掰断拨弹轮。

                               
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图3. 拨弹过程中弹丸受力侧视图

1.4拨弹轮出口处拨轮、弹丸与导向出口结构自锁导致卡弹
拨弹轮将弹丸推出旋转区域，需要解决拨轮旋转和弹丸推出产生的矛盾。以往常用的方法是采用水平方向上切线供弹，利用橡皮筋等结构在圆周切线方向上推出，虽然在推力的大小上获得了最大值，却容易在出口结构上获得最大的反作用力或者没有向外的推力，形成卡弹或者空弹，如果拨轮形状不合理，甚至在一个锐角角度上包裹夹紧弹丸，当弹丸在出弹口卡死的时候，拨弹轮即使反转也难以解除卡弹，出现这种情况，任何拨弹机构都可以说进入无力回天的状态。

                               
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图4.拨弹轮与导向片之间的夹角为锐角，容易发生夹住卡弹。

1.5拨弹轮旋转速度过快导致卡弹
拨弹轮旋转速度过快导致卡弹，也就是射频超过了该拨弹机构结构的最高射频时会卡弹。拨弹轮是通过使得弹丸直接落入到旋转位置的，弹丸下落到底部最快的情况是自由落体，每一颗17mm弹丸一半自由落体进入到单孔拨弹轮底部的时间是 √((2×17mm)/(9.81×2))=0.042s，取倒数，即为24.01发每秒，说明单孔拨弹轮不计弹丸与拨轮碰撞产生的垂直速度情况下最大射频接近24发每秒。当超过此数值，弹丸将只能下落到中途而不能到底部，被拨轮顶出旋转区域，或者带到意想不到的地方，造成卡弹。当然这个数值非常的高，这是在完美解决卡弹空弹问题后能达到的数值。根据后文结论，拨弹轮齿数与射频在同等条件下呈正相关，只是卡弹概率和制造难度也随齿数增加而增加。所以一个五齿理想拨弹轮最高射频可达120发每秒。而实际上，由于客观原因，例如结构强度，精度等限制还有出弹口上方等卡弹位置的存在，是远远不能达到这种理论上限的。可以说，拨弹轮结构的设计提升空间是很大的。
1.6其他原因
拨弹轮卡弹还有别的原因，比方说在设计上干涉了或者说是供弹链路卡死，这些问题都是属于较容易解决的问题或者不在本文讨论范围里，故省略。
供弹链路的问题我们也有研究，我们得出的其中一个结论是方形供弹链相对于圆形供弹链具有一定优势。

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