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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 便攜式高效炮管內(nèi)膛清洗機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 火炮的擦拭保養(yǎng)對(duì)于延長(zhǎng)身管壽命，提高射擊精度意義重大。炮管擦洗機(jī)器人是管道機(jī)器人的一個(gè)全新應(yīng)用方向，其任務(wù)是快速、高效對(duì)火炮內(nèi)膛進(jìn)行擦洗保養(yǎng)。 炮膛維護(hù)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(jī)器人是一種特殊的管道清洗機(jī)器人，與其他管道清洗機(jī)器人相比有較大區(qū)別，本作品考慮對(duì)其采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)器人各部件按照功能的不同可分為三個(gè)模塊：移動(dòng)功能模塊、擦洗功能模塊和控制功能模塊，其中移動(dòng)功能模塊和擦洗功能模塊是管道擦洗機(jī)器人的核心部分。并且綜合考慮同類(lèi)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)以及炮管清洗的具體要求，對(duì)炮管擦洗機(jī)器人提出一些技術(shù)指標(biāo)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(jī)、全驅(qū)動(dòng)、可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)輪式以及拖動(dòng)力恒定的清洗機(jī)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
- 詳細(xì)介紹：
- 1 移動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì) 1.1 運(yùn)動(dòng)方式的選擇 根據(jù)火炮炮管內(nèi)壁的特點(diǎn)，需要對(duì)炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊的行走方式進(jìn)行合理選擇，由于不同火炮，其口徑不一，為了增強(qiáng)炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊的通用性，對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)采取自適應(yīng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，我們根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和驅(qū)動(dòng)方式的不同，采用輪式行走方式。 1.2 移動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) 本作品特別設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)預(yù)緊機(jī)構(gòu)。其基本原理是：通過(guò)外部手輪帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動(dòng)內(nèi)部大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪帶動(dòng)三個(gè)與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉(zhuǎn)，最后帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使預(yù)緊螺母實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，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(guò)預(yù)緊螺母沿軸向的移動(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)在可適應(yīng)炮管口徑范圍內(nèi)保持恒定的拖動(dòng)力。 該移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為三個(gè)部分：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)和連接件。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)蝸桿傳遞到三個(gè)蝸輪上，蝸輪通過(guò)傳動(dòng)齒輪最終將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上，在動(dòng)力的整個(gè)傳遞過(guò)程中，蝸桿和蝸輪是最關(guān)鍵的零件。 預(yù)緊機(jī)構(gòu)中，大齒輪帶動(dòng)三個(gè)與之嚙合且均勻分布的小齒輪旋轉(zhuǎn)，最后帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使預(yù)緊螺母實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，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(guò)預(yù)緊螺母沿軸向的移動(dòng)，即可改變彈簧預(yù)緊力的大小。 連接件機(jī)構(gòu)分為支架和部件連接塊兩部分，本作品設(shè)計(jì)了兩個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的前支架和后支架，前、后支架的兩端分別是兩個(gè)圓盤(pán)，其中一端用來(lái)固定電機(jī)（后支架則是和部件連接塊相連），另一端用來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)齒輪系的安裝和固定。 綜上所述，該移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)，自定心自適應(yīng)，結(jié)構(gòu)緊湊，拖動(dòng)力大且可調(diào)的特點(diǎn)。 2 擦洗功能模塊設(shè)計(jì) 擦洗功能模塊分為三個(gè)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(dāng)炮膛需要較大擦洗力時(shí)，將普通擦洗頭和移動(dòng)機(jī)構(gòu)直接相連，由移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擦洗頭在炮管內(nèi)往復(fù)擦洗；當(dāng)需要較小擦洗力對(duì)炮膛進(jìn)行清理或上油時(shí)，采用移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)軸向往復(fù)式擦洗頭，快速對(duì)炮膛進(jìn)行清理、上油。 2.1 炮膛擦洗機(jī)理分析 要求移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)力大于等于400N。炮管擦洗機(jī)器人的清洗劑選用ELS高效去銅清洗劑，因?yàn)殂~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(shí)在除銅的過(guò)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(hù)膜，防止清洗溶液對(duì)炮管材料的腐蝕。 2.2 炮管擦洗功能模塊結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì) 本作品擦洗機(jī)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(duì)炮管擦洗機(jī)器人軸向往復(fù)式擦洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一方面考慮了對(duì)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(jī)構(gòu)各零件尺寸上帶來(lái)的限制，本作品選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(shí)一端與旋轉(zhuǎn)式清洗頭或移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，另一端需要支撐頭。旋轉(zhuǎn)式清洗頭的設(shè)計(jì)，則采用微型電機(jī)帶動(dòng)刷頭轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)固定在電機(jī)座上，用螺母校緊，電機(jī)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(gè)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(yùn)動(dòng)流暢。軸向往復(fù)式擦洗頭和旋轉(zhuǎn)清洗頭機(jī)構(gòu)中都包含有支撐頭，支撐頭部分采用萬(wàn)向輪，起支撐和導(dǎo)向作用，且萬(wàn)向輪固定在導(dǎo)輪座上，采用3個(gè)120度圓周分布，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)心功能。 擦洗過(guò)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(guò)電機(jī)帶動(dòng)鋼刷高速旋轉(zhuǎn)對(duì)積炭進(jìn)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(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)，主要對(duì)交界處的一面進(jìn)行擦洗，當(dāng)擦洗頭沿軸線(xiàn)向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要對(duì)交界處的另一面進(jìn)行擦洗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)膛線(xiàn)的高效清洗。 3 控制功能模塊設(shè)計(jì) 為了使各功能部件互相配合，形成有機(jī)的整體，炮管擦洗機(jī)器人必須要有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。炮管擦洗機(jī)器人的控制技術(shù)涉及傳感、驅(qū)動(dòng)與控制三個(gè)方面，同時(shí)控制功能模塊與機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)一起構(gòu)成完整的炮管擦洗機(jī)器人系統(tǒng)。 3.1 主控制系統(tǒng) 在戰(zhàn)地或遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)使用中，可簡(jiǎn)化為一個(gè)獨(dú)立的控制模塊，通過(guò)將擦洗參數(shù)設(shè)置固化到控制模塊中，只需啟動(dòng)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(jī)器人還可以肩負(fù)起檢測(cè)、維護(hù)的任務(wù)，此時(shí)炮管擦洗機(jī)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(jī)器人在戰(zhàn)地使用時(shí)，由于要求擦洗時(shí)間短，因此不需要添加任何傳感器，僅將該型號(hào)火炮的擦洗方案固化到主控系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人啟動(dòng)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(shí)，可以增加攝像頭或其他檢測(cè)元件，對(duì)炮膛內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并予以解決。 3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 在參考了國(guó)內(nèi)外大量管道機(jī)器人實(shí)例，以及炮管擦洗機(jī)器人實(shí)際使用環(huán)境后，本作品采用電動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該作品具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 火炮射擊時(shí)，身管處在高溫高壓的工作環(huán)境當(dāng)中，因此，火藥發(fā)射殘留物等會(huì)粘附在炮管內(nèi)壁上，形成積炭。由于線(xiàn)膛炮內(nèi)部膛線(xiàn)為螺旋形，積炭會(huì)黏附在陰陽(yáng)線(xiàn)上，如不及時(shí)擦洗，火炮后續(xù)發(fā)射時(shí)，膛線(xiàn)將受到磨損。本作品旨在設(shè)計(jì)一款便攜式半自動(dòng)高效線(xiàn)膛炮內(nèi)表面清洗機(jī)器人，同時(shí)為小口徑復(fù)雜內(nèi)表面管道清洗機(jī)器人做基礎(chǔ)研究。 本作品由移動(dòng)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(duì)炮膛的清洗方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證，及對(duì)各功能模塊的需求分析，確定了整體設(shè)計(jì)方案；然后對(duì)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)仿真；最后制作出樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(cè)元件，對(duì)炮膛內(nèi)表面得到質(zhì)量反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。而戰(zhàn)地使用時(shí)，因時(shí)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(xì)長(zhǎng)管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)主要體現(xiàn)如下：復(fù)合式仿人清洗方式；行走機(jī)構(gòu)及清洗機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)；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(dòng)力大、清洗力大、結(jié)構(gòu)小巧的特點(diǎn)。 主要技術(shù)指標(biāo)： 1）適應(yīng)管道內(nèi)徑范圍D為φ105mm-φ200mm； 2）滿(mǎn)足管徑±3%的微觀變徑； 3）拖動(dòng)力F≥400N； 4）行走速度4-5m/min； 5）長(zhǎng)度限制在600mm以?xún)?nèi)； 6）總重量小于25Kg；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品根據(jù)炮管清洗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出指標(biāo)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法篩選方案，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，最終制造出樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為作品推廣積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是本作品的科學(xué)性所在。 縱觀國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的研究狀況，目前關(guān)于管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究較多，而行走方式也各異，各類(lèi)行走方式適用于不同的管道。線(xiàn)膛炮內(nèi)表面有螺旋槽，且炮管口徑種類(lèi)多，設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的行走機(jī)構(gòu)是本作品的實(shí)用性所在。 在清洗方式上，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入使用的管道機(jī)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(lèi)管道對(duì)清洗部分沒(méi)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(duì)輔助設(shè)備要求較高，但不便于攜帶，不能滿(mǎn)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(guò)鋼刷高速旋轉(zhuǎn)將積炭刮松，實(shí)現(xiàn)對(duì)積炭的“粗洗”；低速往復(fù)式擦洗，通過(guò)包裹浸有清洗劑的擦洗布，軸向往復(fù)擦洗炮管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎng)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(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，模型，圖紙，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片，錄像，樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 目前大部分管道行進(jìn)（清洗）機(jī)器人只針對(duì)光滑內(nèi)表面管道，本作品以復(fù)雜內(nèi)表面為研究對(duì)象，以線(xiàn)膛炮為代表，研究復(fù)雜內(nèi)表面機(jī)器人的行進(jìn)和清洗問(wèn)題。本作品利用多輪伸縮結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)管道復(fù)雜內(nèi)表面的清洗，并且對(duì)清洗表面有智能反饋。由于現(xiàn)代大多數(shù)炮都是線(xiàn)膛炮，炮管清洗問(wèn)題亟待解決，該清洗機(jī)器人的研究有很大的理論價(jià)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(shí)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(wú)危險(xiǎn)，易操作，可推廣。后期研究成果可使管道機(jī)器人的運(yùn)用推廣到各類(lèi)型管道的檢測(cè)和清洗當(dāng)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(lèi)似的機(jī)構(gòu)來(lái)完成對(duì)其他復(fù)雜管道的清洗，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
同類(lèi)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(guó)內(nèi)外專(zhuān)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?lài)娚涞轿矬w表面時(shí)，沖擊動(dòng)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(jìn)而脫落。同時(shí)氣體體積驟增，在沖擊點(diǎn)造成“微型爆炸”，擊落附著物。最終干冰變?yōu)槎趸細(xì)怏w，無(wú)殘留廢物。 2、氣體爆破清洗法 該方法以惰性氣體氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)。工作原理為：突然釋放的壓縮氣體，通過(guò)氣體排放口向外快速流動(dòng)且體積膨脹，產(chǎn)生沖擊波和震動(dòng)，把附著在管壁上的污垢震落；快速流動(dòng)能在管道內(nèi)變化的流通截面處形成負(fù)壓，進(jìn)而使管道內(nèi)殘存的液體氣化。對(duì)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(jī)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(lái)，形成有很大穿透能力的高速水射流來(lái)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(dòng)機(jī)構(gòu)是管道機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一，其驅(qū)動(dòng)方式目前可分為壓電驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)等。機(jī)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(xì)貝英夫在1986年研制出能通過(guò)“L”管的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人由可相對(duì)回轉(zhuǎn)的頭部和本體兩部分組成。 2、腳式 西門(mén)子公司W(wǎng)erner Neubauer等人研制的微管道機(jī)器人有4、6、8支腳三種類(lèi)型。其利用腿推壓管壁來(lái)支撐個(gè)體，可在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)。 3、蠕動(dòng)式 上海交通大學(xué)模仿昆蟲(chóng)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其主要由撐腳機(jī)構(gòu)、氣缸、軟軸、彈簧片和法蘭盤(pán)組成。 清華大學(xué)研制的小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，由蠕動(dòng)體和電致伸縮微位移器組成。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感應(yīng)。 本作品設(shè)計(jì)出一種可調(diào)節(jié)自適應(yīng)全驅(qū)動(dòng)輪式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)，解決了小口徑管道機(jī)器人拖動(dòng)力不足的問(wèn)題。
