基本信息
- 項目名稱：
- 便攜式高效炮管內(nèi)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(yīng)用方向，其任務(wù)是快速、高效對火炮內(nèi)膛進行擦洗保養(yǎng)。 炮膛維護保養(yǎng)在不同任務(wù)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(shè)計，以便適應(yīng)不同任務(wù)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(shè)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(shù)指標要求，為后期的制作提供依據(jù)。 最后，我們制成了一種單電機、全驅(qū)動、可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)輪式以及拖動力恒定的清洗機構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。
- 詳細介紹：
- 1 移動功能模塊設(shè)計 1.1 運動方式的選擇 根據(jù)火炮炮管內(nèi)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(gòu)采取自適應(yīng)設(shè)計。同時，我們根據(jù)運動機理和驅(qū)動方式的不同，采用輪式行走方式。 1.2 移動模塊結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計 本作品特別設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)預(yù)緊機構(gòu)。其基本原理是：通過外部手輪帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動內(nèi)部大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪帶動三個與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉(zhuǎn)，最后帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使預(yù)緊螺母實現(xiàn)軸向移動，預(yù)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(yù)緊螺母沿軸向的移動，即可改變彈簧預(yù)緊力的大小，從而調(diào)節(jié)行走輪與管壁的正壓力，使移動機構(gòu)在可適應(yīng)炮管口徑范圍內(nèi)保持恒定的拖動力。 該移動機構(gòu)主要分為三個部分：傳動機構(gòu)、預(yù)緊機構(gòu)和連接件。 傳動機構(gòu)中，電機的動力經(jīng)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(qū)動輪上，在動力的整個傳遞過程中，蝸桿和蝸輪是最關(guān)鍵的零件。 預(yù)緊機構(gòu)中，大齒輪帶動三個與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉(zhuǎn)，最后帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使預(yù)緊螺母實現(xiàn)軸向移動，預(yù)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(yù)緊螺母沿軸向的移動，即可改變彈簧預(yù)緊力的大小。 連接件機構(gòu)分為支架和部件連接塊兩部分，本作品設(shè)計了兩個結(jié)構(gòu)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(xiàn)預(yù)緊機構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪系的安裝和固定。 綜上所述，該移動機構(gòu)具有單電機全驅(qū)動，自定心自適應(yīng)，結(jié)構(gòu)緊湊，拖動力大且可調(diào)的特點。 2 擦洗功能模塊設(shè)計 擦洗功能模塊分為三個組件：高速旋轉(zhuǎn)式清洗頭、普通擦洗頭和軸向往復(fù)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(gòu)直接相連，由移動機構(gòu)帶動擦洗頭在炮管內(nèi)往復(fù)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(gòu)帶動軸向往復(fù)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(gòu)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(zhì)，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(jié)構(gòu)詳細設(shè)計 本作品擦洗機構(gòu)分為兩部分：軸向往復(fù)式擦洗頭和旋轉(zhuǎn)式清洗頭。 在對炮管擦洗機器人軸向往復(fù)式擦洗機構(gòu)進行設(shè)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(gòu)各零件尺寸上帶來的限制，本作品選用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)軸向往復(fù)式擦洗功能。軸向往復(fù)式擦洗頭在組裝時一端與旋轉(zhuǎn)式清洗頭或移動機構(gòu)連接，另一端需要支撐頭。旋轉(zhuǎn)式清洗頭的設(shè)計，則采用微型電機帶動刷頭轉(zhuǎn)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(lián)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(zhuǎn)，起支承和導(dǎo)向作用，使刷頭運動流暢。軸向往復(fù)式擦洗頭和旋轉(zhuǎn)清洗頭機構(gòu)中都包含有支撐頭，支撐頭部分采用萬向輪，起支撐和導(dǎo)向作用，且萬向輪固定在導(dǎo)輪座上，采用3個120度圓周分布，以實現(xiàn)自動對心功能。 擦洗過程：高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)對積炭進行粗洗，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)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(xiàn)對膛線的高效清洗。 3 控制功能模塊設(shè)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(yīng)的控制系統(tǒng)。炮管擦洗機器人的控制技術(shù)涉及傳感、驅(qū)動與控制三個方面，同時控制功能模塊與機器人的機械結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)一起構(gòu)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(shù)設(shè)置固化到控制模塊中，只需啟動電源就可以完成擦洗任務(wù)。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(wù)，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(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)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(nèi)部進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題并予以解決。 3.3 驅(qū)動系統(tǒng) 在參考了國內(nèi)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(qū)動。 采用電動驅(qū)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(jié)構(gòu)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(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)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(nèi)壁上，形成積炭。由于線膛炮內(nèi)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(shè)計一款便攜式半自動高效線膛炮內(nèi)表面清洗機器人，同時為小口徑復(fù)雜內(nèi)表面管道清洗機器人做基礎(chǔ)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(nèi)行走方式的基礎(chǔ)上，首先對炮膛的清洗方案進行設(shè)計和論證，及對各功能模塊的需求分析，確定了整體設(shè)計方案；然后對整個機器人進行詳細設(shè)計和動力學(xué)仿真；最后制作出樣機進行實驗，為作品產(chǎn)品化提供數(shù)據(jù)。若在基地保養(yǎng)清洗，可增加檢測元件，對炮膛內(nèi)表面得到質(zhì)量反饋，及時發(fā)現(xiàn)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(nèi)部空間狹小且內(nèi)表面較復(fù)雜，如何在狹小的細長管道內(nèi)實現(xiàn)對復(fù)雜內(nèi)表面的清洗是本作品的技術(shù)關(guān)鍵之處。 本作品的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)如下：復(fù)合式仿人清洗方式；行走機構(gòu)及清洗機構(gòu)的模塊化設(shè)計；配備清洗后的表面質(zhì)量反饋與控制系統(tǒng)，完成智能化清洗。本作品具有驅(qū)動力大、清洗力大、結(jié)構(gòu)小巧的特點。 主要技術(shù)指標： 1）適應(yīng)管道內(nèi)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(nèi)； 6）總重量小于25Kg；
科學(xué)性、先進性
- 本作品根據(jù)炮管清洗實驗數(shù)據(jù)提出指標，運用計算機輔助設(shè)計的方法篩選方案，設(shè)計機構(gòu)，最終制造出樣機并進行實驗，為作品推廣積累實驗數(shù)據(jù)，這是本作品的科學(xué)性所在。 縱觀國內(nèi)外管道機器人的研究狀況，目前關(guān)于管內(nèi)移動機構(gòu)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(nèi)表面有螺旋槽，且炮管口徑種類多，設(shè)計出與之相適應(yīng)的行走機構(gòu)是本作品的實用性所在。 在清洗方式上，目前國內(nèi)已經(jīng)投入使用的管道機器人主要用于空調(diào)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(fù)雜內(nèi)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(shè)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(fù)合式仿人清洗方式，即高速旋轉(zhuǎn)清洗，通過鋼刷高速旋轉(zhuǎn)將積炭刮松，實現(xiàn)對積炭的“粗洗”；低速往復(fù)式擦洗，通過包裹浸有清洗劑的擦洗布，軸向往復(fù)擦洗炮管內(nèi)壁，實現(xiàn)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(wù)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，模型，圖紙，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 目前大部分管道行進（清洗）機器人只針對光滑內(nèi)表面管道，本作品以復(fù)雜內(nèi)表面為研究對象，以線膛炮為代表，研究復(fù)雜內(nèi)表面機器人的行進和清洗問題。本作品利用多輪伸縮結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對細長管道復(fù)雜內(nèi)表面的清洗，并且對清洗表面有智能反饋。由于現(xiàn)代大多數(shù)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(yīng)用前景。本作品結(jié)構(gòu)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(fù)雜管道的一種，在今后的研究中可以使用類似的機構(gòu)來完成對其他復(fù)雜管道的清洗，經(jīng)濟效益可觀。
同類課題研究水平概述
- 管道內(nèi)表面清洗技術(shù)應(yīng)用廣泛，一直受到國內(nèi)外專家學(xué)者的普遍關(guān)注。目前，復(fù)雜內(nèi)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(chǎn)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(zhì)。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(chǎn)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(nèi)變化的流通截面處形成負壓，進而使管道內(nèi)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(shè)備、反應(yīng)釜、反應(yīng)塔等設(shè)備及材料表面上的高聚物、水垢、沉淀物等。 移動機構(gòu)是管道機器人重點研發(fā)的領(lǐng)域之一，其驅(qū)動方式目前可分為壓電驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動等。機器人的行走方式也各不相同，主要有： 1、輪式 日本學(xué)者福田敏男、細貝英夫在1986年研制出能通過“L”管的管內(nèi)移動機器人。該機器人由可相對回轉(zhuǎn)的頭部和本體兩部分組成。 2、腳式 西門子公司W(wǎng)erner 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(nèi)移動。 3、蠕動式 上海交通大學(xué)模仿昆蟲蠕動前進與后退的動作設(shè)計研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構(gòu)。其主要由撐腳機構(gòu)、氣缸、軟軸、彈簧片和法蘭盤組成。 清華大學(xué)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(yīng)變實時感應(yīng)。 本作品設(shè)計出一種可調(diào)節(jié)自適應(yīng)全驅(qū)動輪式管內(nèi)行走機構(gòu)，解決了小口徑管道機器人拖動力不足的問題。
