基本信息
- 项目名称：
- 便携式高效炮管内膛清洗机器人
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 火炮的擦拭保养对于延长身管寿命，提高射击精度意义重大。炮管擦洗机器人是管道机器人的一个全新应用方向，其任务是快速、高效对火炮内膛进行擦洗保养。 炮膛维护保养在不同任务阶段，有不同的擦洗要求；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模块，加上炮管擦洗机器人是一种特殊的管道清洗机器人，与其他管道清洗机器人相比有较大区别，本作品考虑对其采用模块化设计，以便适应不同任务阶段的火炮擦拭保养需求。为此，我们将机器人各部件按照功能的不同可分为三个模块：移动功能模块、擦洗功能模块和控制功能模块，其中移动功能模块和擦洗功能模块是管道擦洗机器人的核心部分。并且综合考虑同类管道机器人的设计指标以及炮管清洗的具体要求，对炮管擦洗机器人提出一些技术指标要求，为后期的制作提供依据。 最后，我们制成了一种单电机、全驱动、可调节、自适应轮式以及拖动力恒定的清洗机构，具有广阔的应用前景和推广价值。
- 详细介绍：
- 1 移动功能模块设计 1.1 运动方式的选择 根据火炮炮管内壁的特点，需要对炮管擦洗机器人移动功能模块的行走方式进行合理选择，由于不同火炮，其口径不一，为了增强炮管擦洗机器人移动功能模块的通用性，对移动机构采取自适应设计。同时，我们根据运动机理和驱动方式的不同，采用轮式行走方式。 1.2 移动模块结构详细设计 本作品特别设计了一种可调节、自适应预紧机构。其基本原理是：通过外部手轮带动小齿轮旋转，小齿轮带动内部大齿轮转动，大齿轮带动三个与之啮合且均匀分布的小齿轮旋转，最后带动丝杠旋转，使预紧螺母实现轴向移动，预紧弹簧一端与螺母相连接，另一端与行走轮连杆连接。在连杆位置保持不变的情况下，通过预紧螺母沿轴向的移动，即可改变弹簧预紧力的大小，从而调节行走轮与管壁的正压力，使移动机构在可适应炮管口径范围内保持恒定的拖动力。 该移动机构主要分为三个部分：传动机构、预紧机构和连接件。 传动机构中，电机的动力经蜗杆传递到三个蜗轮上，蜗轮通过传动齿轮最终将动力传递到驱动轮上，在动力的整个传递过程中，蜗杆和蜗轮是最关键的零件。 预紧机构中，大齿轮带动三个与之啮合且均匀分布的小齿轮旋转，最后带动丝杠旋转，使预紧螺母实现轴向移动，预紧弹簧一端与螺母相连接，另一端与行走轮连杆连接。在连杆位置保持不变的情况下，通过预紧螺母沿轴向的移动，即可改变弹簧预紧力的大小。 连接件机构分为支架和部件连接块两部分，本作品设计了两个结构类似的前支架和后支架，前、后支架的两端分别是两个圆盘，其中一端用来固定电机（后支架则是和部件连接块相连），另一端用来实现预紧机构调节齿轮系的安装和固定。 综上所述，该移动机构具有单电机全驱动，自定心自适应，结构紧凑，拖动力大且可调的特点。 2 擦洗功能模块设计 擦洗功能模块分为三个组件：高速旋转式清洗头、普通擦洗头和轴向往复式擦洗头。当炮膛需要较大擦洗力时，将普通擦洗头和移动机构直接相连，由移动机构带动擦洗头在炮管内往复擦洗；当需要较小擦洗力对炮膛进行清理或上油时，采用移动机构带动轴向往复式擦洗头，快速对炮膛进行清理、上油。 2.1 炮膛擦洗机理分析 要求移动机构的拖动力大于等于400N。炮管擦洗机器人的清洗剂选用ELS高效去铜清洗剂，因为铜是积炭中含量最多且最难清除的物质，如能把铜除掉，其它的残屑也就变得疏松，很容易清除，同时在除铜的过程中，该清洗剂中含有的缓蚀剂能在炮管材料表面形成一层致密的保护膜，防止清洗溶液对炮管材料的腐蚀。 2.2 炮管擦洗功能模块结构详细设计 本作品擦洗机构分为两部分：轴向往复式擦洗头和旋转式清洗头。 在对炮管擦洗机器人轴向往复式擦洗机构进行设计时，一方面考虑了对擦洗距离和擦洗摩擦力的要求，另一方面又考虑了炮管口径机构各零件尺寸上带来的限制，本作品选用曲柄滑块机构来实现轴向往复式擦洗功能。轴向往复式擦洗头在组装时一端与旋转式清洗头或移动机构连接，另一端需要支撑头。旋转式清洗头的设计，则采用微型电机带动刷头转动，电机固定在电机座上，用螺母校紧，电机的输出轴与钢刷所在的轴用联轴器连接，清洗头前端加三个支承滑轮，滑轮在垂直方向可360°自由旋转，起支承和导向作用，使刷头运动流畅。轴向往复式擦洗头和旋转清洗头机构中都包含有支撑头，支撑头部分采用万向轮，起支撑和导向作用，且万向轮固定在导轮座上，采用3个120度圆周分布，以实现自动对心功能。 擦洗过程：高速旋转式清洗头前方为一喷嘴，喷出ELS清洁剂，然后通过电机带动钢刷高速旋转对积炭进行粗洗，经高速旋转清洗头清洗后，部分积炭被清除，随后擦洗头沿轴线向前运动，主要对交界处的一面进行擦洗，当擦洗头沿轴线向后运动时，主要对交界处的另一面进行擦洗，从而实现对膛线的高效清洗。 3 控制功能模块设计 为了使各功能部件互相配合，形成有机的整体，炮管擦洗机器人必须要有相应的控制系统。炮管擦洗机器人的控制技术涉及传感、驱动与控制三个方面，同时控制功能模块与机器人的机械结构、传动系统一起构成完整的炮管擦洗机器人系统。 3.1 主控制系统 在战地或远距离作战使用中，可简化为一个独立的控制模块，通过将擦洗参数设置固化到控制模块中，只需启动电源就可以完成擦洗任务。在基地保养使用中，炮管擦洗机器人还可以肩负起检测、维护的任务，此时炮管擦洗机器人的主控制系统可为上下两层的分布式控制系统。 3.2 传感器 炮管擦洗机器人在战地使用时，由于要求擦洗时间短，因此不需要添加任何传感器，仅将该型号火炮的擦洗方案固化到主控系统中，当机器人启动后，按照预先设定的程序实现炮管的快速擦洗。但是在基地保养擦洗时，可以增加摄像头或其他检测元件，对炮膛内部进行检测，及时发现问题并予以解决。 3.3 驱动系统 在参考了国内外大量管道机器人实例，以及炮管擦洗机器人实际使用环境后，本作品采用电动方式进行驱动。 采用电动驱动系统，该作品具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 火炮射击时，身管处在高温高压的工作环境当中，因此，火药发射残留物等会粘附在炮管内壁上，形成积炭。由于线膛炮内部膛线为螺旋形，积炭会黏附在阴阳线上，如不及时擦洗，火炮后续发射时，膛线将受到磨损。本作品旨在设计一款便携式半自动高效线膛炮内表面清洗机器人，同时为小口径复杂内表面管道清洗机器人做基础研究。 本作品由移动功能模块、清洗功能模块和控制功能模块组成。在充分研究目前炮膛清洗方式和管内行走方式的基础上，首先对炮膛的清洗方案进行设计和论证，及对各功能模块的需求分析，确定了整体设计方案；然后对整个机器人进行详细设计和动力学仿真；最后制作出样机进行实验，为作品产品化提供数据。若在基地保养清洗，可增加检测元件，对炮膛内表面得到质量反馈，及时发现并解决问题。而战地使用时，因时间紧迫，可以不使用传感装置。 炮管内部空间狭小且内表面较复杂，如何在狭小的细长管道内实现对复杂内表面的清洗是本作品的技术关键之处。 本作品的创新点主要体现如下：复合式仿人清洗方式；行走机构及清洗机构的模块化设计；配备清洗后的表面质量反馈与控制系统，完成智能化清洗。本作品具有驱动力大、清洗力大、结构小巧的特点。 主要技术指标： 1）适应管道内径范围D为φ105mm-φ200mm； 2）满足管径±3%的微观变径； 3）拖动力F≥400N； 4）行走速度4-5m/min； 5）长度限制在600mm以内； 6）总重量小于25Kg；
科学性、先进性
- 本作品根据炮管清洗实验数据提出指标，运用计算机辅助设计的方法筛选方案，设计机构，最终制造出样机并进行实验，为作品推广积累实验数据，这是本作品的科学性所在。 纵观国内外管道机器人的研究状况，目前关于管内移动机构的研究较多，而行走方式也各异，各类行走方式适用于不同的管道。线膛炮内表面有螺旋槽，且炮管口径种类多，设计出与之相适应的行走机构是本作品的实用性所在。 在清洗方式上，目前国内已经投入使用的管道机器人主要用于空调管道等较易清洗的管道，因灰尘较易除去，此类管道对清洗部分没有太高的要求。而复杂内表面清洗常采用的方式包括干冰清洗法、气体爆破法、高压水流清洗法等，对辅助设备要求较高，但不便于携带，不能满足武器清洗的要求。本作品采用的复合式仿人清洗方式，即高速旋转清洗，通过钢刷高速旋转将积炭刮松，实现对积炭的“粗洗”；低速往复式擦洗，通过包裹浸有清洗剂的擦洗布，轴向往复擦洗炮管内壁，实现对积炭的“精洗”。该清洗方式与目前采用的清洁方式相比高效便捷，能很好地完成清洁任务。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，模型，图纸，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 目前大部分管道行进（清洗）机器人只针对光滑内表面管道，本作品以复杂内表面为研究对象，以线膛炮为代表，研究复杂内表面机器人的行进和清洗问题。本作品利用多轮伸缩结构，可以实现对细长管道复杂内表面的清洗，并且对清洗表面有智能反馈。由于现代大多数炮都是线膛炮，炮管清洗问题亟待解决，该清洗机器人的研究有很大的理论价值和广阔的应用前景。本作品结构紧凑、小巧，便于携带，可随时清洗炮管；较之于其它清洗方式，如高压水清洗和气体爆破清洗等，本作品的清洗方式无危险，易操作，可推广。后期研究成果可使管道机器人的运用推广到各类型管道的检测和清洗当中，火炮炮膛只是复杂管道的一种，在今后的研究中可以使用类似的机构来完成对其他复杂管道的清洗，经济效益可观。
同类课题研究水平概述
- 管道内表面清洗技术应用广泛，一直受到国内外专家学者的普遍关注。目前，复杂内表面清洗常采用的方式主要有以下几种： 1、干冰清洗法 干冰是可挥发的低温固体颗粒，高速喷射到物体表面时，冲击动能使其瞬间气化，并吸收大量的热，在清洗表面产生剧烈热交换，迫使附着物骤冷收缩、脆化，进而脱落。同时气体体积骤增，在冲击点造成“微型爆炸”，击落附着物。最终干冰变为二氧化碳气体，无残留废物。 2、气体爆破清洗法 该方法以惰性气体氮气为工作介质。工作原理为：突然释放的压缩气体，通过气体排放口向外快速流动且体积膨胀，产生冲击波和震动，把附着在管壁上的污垢震落；快速流动能在管道内变化的流通截面处形成负压，进而使管道内残存的液体气化。对管道系统多次气体爆破可使污垢随气体一起从管道排出。 3、高压水射流清洗法 水射流清洗的机理主要是冲蚀、切割、崩裂、剥离。高压水泵把普通水压提高若干大气压后，使其从不同形状的喷嘴喷射出来，形成有很大穿透能力的高速水射流来清除管道、冷换设备、反应釜、反应塔等设备及材料表面上的高聚物、水垢、沉淀物等。 移动机构是管道机器人重点研发的领域之一，其驱动方式目前可分为压电驱动、静电驱动、电磁驱动等。机器人的行走方式也各不相同，主要有： 1、轮式 日本学者福田敏男、细贝英夫在1986年研制出能通过“L”管的管内移动机器人。该机器人由可相对回转的头部和本体两部分组成。 2、脚式 西门子公司Werner Neubauer等人研制的微管道机器人有4、6、8支脚三种类型。其利用腿推压管壁来支撑个体，可在各种形状的弯管内移动。 3、蠕动式 上海交通大学模仿昆虫蠕动前进与后退的动作设计研发了小口径管道内蠕动式移动机构。其主要由撑脚机构、气缸、软轴、弹簧片和法兰盘组成。 清华大学研制的小型蠕动机器人系统，由蠕动体和电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感应。 本作品设计出一种可调节自适应全驱动轮式管内行走机构，解决了小口径管道机器人拖动力不足的问题。
