基本信息
- 項目名稱：
- 便攜式高效炮管內膛清洗機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 火炮的擦拭保養(yǎng)對于延長身管壽命，提高射擊精度意義重大。炮管擦洗機器人是管道機器人的一個全新應用方向，其任務是快速、高效對火炮內膛進行擦洗保養(yǎng)。 炮膛維護保養(yǎng)在不同任務階段，有不同的擦洗要求；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模塊，加上炮管擦洗機器人是一種特殊的管道清洗機器人，與其他管道清洗機器人相比有較大區(qū)別，本作品考慮對其采用模塊化設計，以便適應不同任務階段的火炮擦拭保養(yǎng)需求。為此，我們將機器人各部件按照功能的不同可分為三個模塊：移動功能模塊、擦洗功能模塊和控制功能模塊，其中移動功能模塊和擦洗功能模塊是管道擦洗機器人的核心部分。并且綜合考慮同類管道機器人的設計指標以及炮管清洗的具體要求，對炮管擦洗機器人提出一些技術指標要求，為后期的制作提供依據。 最后，我們制成了一種單電機、全驅動、可調節(jié)、自適應輪式以及拖動力恒定的清洗機構，具有廣闊的應用前景和推廣價值。
- 詳細介紹：
- 1 移動功能模塊設計 1.1 運動方式的選擇 根據火炮炮管內壁的特點，需要對炮管擦洗機器人移動功能模塊的行走方式進行合理選擇，由于不同火炮，其口徑不一，為了增強炮管擦洗機器人移動功能模塊的通用性，對移動機構采取自適應設計。同時，我們根據運動機理和驅動方式的不同，采用輪式行走方式。 1.2 移動模塊結構詳細設計 本作品特別設計了一種可調節(jié)、自適應預緊機構。其基本原理是：通過外部手輪帶動小齒輪旋轉，小齒輪帶動內部大齒輪轉動，大齒輪帶動三個與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉，最后帶動絲杠旋轉，使預緊螺母實現軸向移動，預緊彈簧一端與螺母相連接，另一端與行走輪連桿連接。在連桿位置保持不變的情況下，通過預緊螺母沿軸向的移動，即可改變彈簧預緊力的大小，從而調節(jié)行走輪與管壁的正壓力，使移動機構在可適應炮管口徑范圍內保持恒定的拖動力。 該移動機構主要分為三個部分：傳動機構、預緊機構和連接件。 傳動機構中，電機的動力經蝸桿傳遞到三個蝸輪上，蝸輪通過傳動齒輪最終將動力傳遞到驅動輪上，在動力的整個傳遞過程中，蝸桿和蝸輪是最關鍵的零件。 預緊機構中，大齒輪帶動三個與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉，最后帶動絲杠旋轉，使預緊螺母實現軸向移動，預緊彈簧一端與螺母相連接，另一端與行走輪連桿連接。在連桿位置保持不變的情況下，通過預緊螺母沿軸向的移動，即可改變彈簧預緊力的大小。 連接件機構分為支架和部件連接塊兩部分，本作品設計了兩個結構類似的前支架和后支架，前、后支架的兩端分別是兩個圓盤，其中一端用來固定電機（后支架則是和部件連接塊相連），另一端用來實現預緊機構調節(jié)齒輪系的安裝和固定。 綜上所述，該移動機構具有單電機全驅動，自定心自適應，結構緊湊，拖動力大且可調的特點。 2 擦洗功能模塊設計 擦洗功能模塊分為三個組件：高速旋轉式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復式擦洗頭。當炮膛需要較大擦洗力時，將普通擦洗頭和移動機構直接相連，由移動機構帶動擦洗頭在炮管內往復擦洗；當需要較小擦洗力對炮膛進行清理或上油時，采用移動機構帶動軸向往復式擦洗頭，快速對炮膛進行清理、上油。 2.1 炮膛擦洗機理分析 要求移動機構的拖動力大于等于400N。炮管擦洗機器人的清洗劑選用ELS高效去銅清洗劑，因為銅是積炭中含量最多且最難清除的物質，如能把銅除掉，其它的殘屑也就變得疏松，很容易清除，同時在除銅的過程中，該清洗劑中含有的緩蝕劑能在炮管材料表面形成一層致密的保護膜，防止清洗溶液對炮管材料的腐蝕。 2.2 炮管擦洗功能模塊結構詳細設計 本作品擦洗機構分為兩部分：軸向往復式擦洗頭和旋轉式清洗頭。 在對炮管擦洗機器人軸向往復式擦洗機構進行設計時，一方面考慮了對擦洗距離和擦洗摩擦力的要求，另一方面又考慮了炮管口徑機構各零件尺寸上帶來的限制，本作品選用曲柄滑塊機構來實現軸向往復式擦洗功能。軸向往復式擦洗頭在組裝時一端與旋轉式清洗頭或移動機構連接，另一端需要支撐頭。旋轉式清洗頭的設計，則采用微型電機帶動刷頭轉動，電機固定在電機座上，用螺母校緊，電機的輸出軸與鋼刷所在的軸用聯軸器連接，清洗頭前端加三個支承滑輪，滑輪在垂直方向可360°自由旋轉，起支承和導向作用，使刷頭運動流暢。軸向往復式擦洗頭和旋轉清洗頭機構中都包含有支撐頭，支撐頭部分采用萬向輪，起支撐和導向作用，且萬向輪固定在導輪座上，采用3個120度圓周分布，以實現自動對心功能。 擦洗過程：高速旋轉式清洗頭前方為一噴嘴，噴出ELS清潔劑，然后通過電機帶動鋼刷高速旋轉對積炭進行粗洗，經高速旋轉清洗頭清洗后，部分積炭被清除，隨后擦洗頭沿軸線向前運動，主要對交界處的一面進行擦洗，當擦洗頭沿軸線向后運動時，主要對交界處的另一面進行擦洗，從而實現對膛線的高效清洗。 3 控制功能模塊設計 為了使各功能部件互相配合，形成有機的整體，炮管擦洗機器人必須要有相應的控制系統(tǒng)。炮管擦洗機器人的控制技術涉及傳感、驅動與控制三個方面，同時控制功能模塊與機器人的機械結構、傳動系統(tǒng)一起構成完整的炮管擦洗機器人系統(tǒng)。 3.1 主控制系統(tǒng) 在戰(zhàn)地或遠距離作戰(zhàn)使用中，可簡化為一個獨立的控制模塊，通過將擦洗參數設置固化到控制模塊中，只需啟動電源就可以完成擦洗任務。在基地保養(yǎng)使用中，炮管擦洗機器人還可以肩負起檢測、維護的任務，此時炮管擦洗機器人的主控制系統(tǒng)可為上下兩層的分布式控制系統(tǒng)。 3.2 傳感器 炮管擦洗機器人在戰(zhàn)地使用時，由于要求擦洗時間短，因此不需要添加任何傳感器，僅將該型號火炮的擦洗方案固化到主控系統(tǒng)中，當機器人啟動后，按照預先設定的程序實現炮管的快速擦洗。但是在基地保養(yǎng)擦洗時，可以增加攝像頭或其他檢測元件，對炮膛內部進行檢測，及時發(fā)現問題并予以解決。 3.3 驅動系統(tǒng) 在參考了國內外大量管道機器人實例，以及炮管擦洗機器人實際使用環(huán)境后，本作品采用電動方式進行驅動。 采用電動驅動系統(tǒng)，該作品具有傳動平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡單精確、無污染、效率高、結構簡單、無管路系統(tǒng)、維護方便等特點。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 火炮射擊時，身管處在高溫高壓的工作環(huán)境當中，因此，火藥發(fā)射殘留物等會粘附在炮管內壁上，形成積炭。由于線膛炮內部膛線為螺旋形，積炭會黏附在陰陽線上，如不及時擦洗，火炮后續(xù)發(fā)射時，膛線將受到磨損。本作品旨在設計一款便攜式半自動高效線膛炮內表面清洗機器人，同時為小口徑復雜內表面管道清洗機器人做基礎研究。 本作品由移動功能模塊、清洗功能模塊和控制功能模塊組成。在充分研究目前炮膛清洗方式和管內行走方式的基礎上，首先對炮膛的清洗方案進行設計和論證，及對各功能模塊的需求分析，確定了整體設計方案；然后對整個機器人進行詳細設計和動力學仿真；最后制作出樣機進行實驗，為作品產品化提供數據。若在基地保養(yǎng)清洗，可增加檢測元件，對炮膛內表面得到質量反饋，及時發(fā)現并解決問題。而戰(zhàn)地使用時，因時間緊迫，可以不使用傳感裝置。 炮管內部空間狹小且內表面較復雜，如何在狹小的細長管道內實現對復雜內表面的清洗是本作品的技術關鍵之處。 本作品的創(chuàng)新點主要體現如下：復合式仿人清洗方式；行走機構及清洗機構的模塊化設計；配備清洗后的表面質量反饋與控制系統(tǒng)，完成智能化清洗。本作品具有驅動力大、清洗力大、結構小巧的特點。 主要技術指標： 1）適應管道內徑范圍D為φ105mm-φ200mm； 2）滿足管徑±3%的微觀變徑； 3）拖動力F≥400N； 4）行走速度4-5m/min； 5）長度限制在600mm以內； 6）總重量小于25Kg；
科學性、先進性
- 本作品根據炮管清洗實驗數據提出指標，運用計算機輔助設計的方法篩選方案，設計機構，最終制造出樣機并進行實驗，為作品推廣積累實驗數據，這是本作品的科學性所在。 縱觀國內外管道機器人的研究狀況，目前關于管內移動機構的研究較多，而行走方式也各異，各類行走方式適用于不同的管道。線膛炮內表面有螺旋槽，且炮管口徑種類多，設計出與之相適應的行走機構是本作品的實用性所在。 在清洗方式上，目前國內已經投入使用的管道機器人主要用于空調管道等較易清洗的管道，因灰塵較易除去，此類管道對清洗部分沒有太高的要求。而復雜內表面清洗常采用的方式包括干冰清洗法、氣體爆破法、高壓水流清洗法等，對輔助設備要求較高，但不便于攜帶，不能滿足武器清洗的要求。本作品采用的復合式仿人清洗方式，即高速旋轉清洗，通過鋼刷高速旋轉將積炭刮松，實現對積炭的“粗洗”；低速往復式擦洗，通過包裹浸有清洗劑的擦洗布，軸向往復擦洗炮管內壁，實現對積炭的“精洗”。該清洗方式與目前采用的清潔方式相比高效便捷，能很好地完成清潔任務。
獲獎情況及鑒定結果
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品，模型，圖紙，現場演示，圖片，錄像，樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 目前大部分管道行進（清洗）機器人只針對光滑內表面管道，本作品以復雜內表面為研究對象，以線膛炮為代表，研究復雜內表面機器人的行進和清洗問題。本作品利用多輪伸縮結構，可以實現對細長管道復雜內表面的清洗，并且對清洗表面有智能反饋。由于現代大多數炮都是線膛炮，炮管清洗問題亟待解決，該清洗機器人的研究有很大的理論價值和廣闊的應用前景。本作品結構緊湊、小巧，便于攜帶，可隨時清洗炮管；較之于其它清洗方式，如高壓水清洗和氣體爆破清洗等，本作品的清洗方式無危險，易操作，可推廣。后期研究成果可使管道機器人的運用推廣到各類型管道的檢測和清洗當中，火炮炮膛只是復雜管道的一種，在今后的研究中可以使用類似的機構來完成對其他復雜管道的清洗，經濟效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 管道內表面清洗技術應用廣泛，一直受到國內外專家學者的普遍關注。目前，復雜內表面清洗常采用的方式主要有以下幾種： 1、干冰清洗法 干冰是可揮發(fā)的低溫固體顆粒，高速噴射到物體表面時，沖擊動能使其瞬間氣化，并吸收大量的熱，在清洗表面產生劇烈熱交換，迫使附著物驟冷收縮、脆化，進而脫落。同時氣體體積驟增，在沖擊點造成“微型爆炸”，擊落附著物。最終干冰變?yōu)槎趸細怏w，無殘留廢物。 2、氣體爆破清洗法 該方法以惰性氣體氮氣為工作介質。工作原理為：突然釋放的壓縮氣體，通過氣體排放口向外快速流動且體積膨脹，產生沖擊波和震動，把附著在管壁上的污垢震落；快速流動能在管道內變化的流通截面處形成負壓，進而使管道內殘存的液體氣化。對管道系統(tǒng)多次氣體爆破可使污垢隨氣體一起從管道排出。 3、高壓水射流清洗法 水射流清洗的機理主要是沖蝕、切割、崩裂、剝離。高壓水泵把普通水壓提高若干大氣壓后，使其從不同形狀的噴嘴噴射出來，形成有很大穿透能力的高速水射流來清除管道、冷換設備、反應釜、反應塔等設備及材料表面上的高聚物、水垢、沉淀物等。 移動機構是管道機器人重點研發(fā)的領域之一，其驅動方式目前可分為壓電驅動、靜電驅動、電磁驅動等。機器人的行走方式也各不相同，主要有： 1、輪式 日本學者福田敏男、細貝英夫在1986年研制出能通過“L”管的管內移動機器人。該機器人由可相對回轉的頭部和本體兩部分組成。 2、腳式 西門子公司Werner Neubauer等人研制的微管道機器人有4、6、8支腳三種類型。其利用腿推壓管壁來支撐個體，可在各種形狀的彎管內移動。 3、蠕動式 上海交通大學模仿昆蟲蠕動前進與后退的動作設計研發(fā)了小口徑管道內蠕動式移動機構。其主要由撐腳機構、氣缸、軟軸、彈簧片和法蘭盤組成。 清華大學研制的小型蠕動機器人系統(tǒng)，由蠕動體和電致伸縮微位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感應。 本作品設計出一種可調節(jié)自適應全驅動輪式管內行走機構，解決了小口徑管道機器人拖動力不足的問題。
