張媛玲++李云怡

摘 要：禮炮，是舉行隆重慶典或歡迎貴賓表示敬禮時所放的炮。禮炮炮管較普通管道因膛線這一特殊結(jié)構存在擦拭困難的問題。而炮管擦拭對禮炮提高精度、延長使用壽命的作用和意義非常重大?，F(xiàn)有的火炮擦拭方法主要有：人工擦拭、半自動擦拭和全自動擦拭。本文提出一款高效、智能的新型炮管擦拭機器人，其主要由自適應旋轉(zhuǎn)鋼刷頭、自適應往復擦洗頭和自適應全驅(qū)動六輪行走機構三大部分組成，分別由獨立的電機進行驅(qū)動，由單片機統(tǒng)一控制三大部分協(xié)調(diào)工作，具有自動檢測、自動適應炮管半徑、自動清洗、自動回收的特點，應用前景將非常廣闊。

關鍵詞：炮管擦拭；全自動；自適應

中圖分類號：TE937 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0029-02

1 引言

隨著技術的發(fā)展，禮炮的應用越來越廣泛。民用禮炮主要使用可燃性氣體和助燃氣體的混合物在密閉環(huán)境下爆炸，瞬間產(chǎn)生巨響。軍械禮炮則類似火炮，采用榴彈、發(fā)煙彈等作為發(fā)射藥。禮炮炮管如不經(jīng)常擦拭，則易導致炮管易銹蝕或卷入雜質(zhì)，出現(xiàn)螺線磨損，嚴重影響炮彈發(fā)射的準確性、可靠性以及炮管的使用壽命，嚴重時引發(fā)炮管漲膛甚至炸膛。此外，電子禮炮炮管受潮易造成禮炮點火困難，嚴重時還會造成電腦主板燒壞而使功能失效。擦拭炮管內(nèi)膛可以有效防止銹蝕和減小磨損，保證禮炮的使用壽命、安全性、可靠性以及精度。

擦拭劑以前多用機械擦洗，清潔效果不好且易損失炮管。目前常用的清洗方式有：手工清洗、半自動清洗和全自動清洗。人工手動擦拭直接采用人力逐段往復推拉刷子進行擦拭。該方法簡單實用，但是費時費力，還可能損失內(nèi)膛。半自動擦拭就是由人控制擦拭刷頭，操作控制裝置進行擦拭，擦拭動力由電動或氣動提供。全自動擦拭指除了準備工作需要由人完成以外，其他的擦拭工作完全由機器完成，從而實現(xiàn)無人化擦拭，這樣一個人就能同時擦拭多臺禮炮，效率大大提高。

2 方案設計

2.1 整體設計思路

本文結(jié)合炮管的結(jié)構特點以及清洗要求，對禮炮炮管自動清洗裝置提出如下設計要求：（1）能夠在多種口徑不同的炮管上作業(yè)，具有很強的互換性；（2）可以強力刮松固留在炮管內(nèi)的雜物，反復擦洗上防護油；（3）檢測炮管清潔度，確保無殘余雜質(zhì)和水分。

根據(jù)以上要求，擬采取如下設計：（1）通過在炮管行走機器人裝載擦拭機構，采用全自動的控制方式取代現(xiàn)有的手工清洗、半自動清洗等效率較低的方式，從而提高炮管擦拭的效率。（2）通過采用噴灑擦抹劑、鋼刷刮松和清洗布擦拭三步一體的擦拭方式，結(jié)合清潔度檢測系統(tǒng)實時檢測擦拭效果，提高炮管擦拭的質(zhì)量。（3）通過自適應六輪全驅(qū)動行走機構、自適應旋轉(zhuǎn)鋼刷頭、自適應往復擦洗頭，適應多樣化的擦拭口徑，實現(xiàn)一機多用。

2.2 機械結(jié)構設計

本設計機械結(jié)構部分主要由自適應往復擦洗頭、六輪全驅(qū)動自適應行走機構、自適應旋轉(zhuǎn)鋼刷頭和裝在機器人兩端的自適應萬向輪導向機構組成。由于炮管內(nèi)壁有著復雜的螺旋線，為了使機器人能夠在凹凸不平的內(nèi)管壁行走順暢，在機器人的前后兩端增加了萬向輪導向機構，引導機器人的前進。本設計的整體結(jié)構設計三維模型如圖1所示。

2.2.1 六輪全驅(qū)動行走機構

六個行走輪腳可以繞著機架上的軸做一定角度的旋轉(zhuǎn)并設有旋轉(zhuǎn)限位塊，且每組左右兩個腳輪通過雙鉤拉簧進行拉緊，使輪腳上的輪子在彈簧的拉力下緊壓炮管內(nèi)壁，從而使移動機構在可適應炮管口徑范圍內(nèi)保持恒定的拖動力。

2.2.2 自適應導向清潔

（1）自適應旋轉(zhuǎn)鋼刷頭：通過徑向彈簧預緊使擦洗鋼刷對炮管內(nèi)壁能夠保持一定的壓力并做相對運動實現(xiàn)鋼刷對固留雜質(zhì)的刮松。

（2）自適應往復擦洗頭：擦洗塊轉(zhuǎn)盤圓周面上勻布12個擦洗塊，擦洗塊可以沿著擦洗塊轉(zhuǎn)盤的徑向滑動，內(nèi)部由彈簧預緊。

（3）自適應萬向輪導向機構：萬向輪對清潔機器人的運動起導向作用，其設計結(jié)構能很好的捕捉炮管內(nèi)部的螺線凹槽，給機器人的旋轉(zhuǎn)運動提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 控制部分設計

為了使各功能部件互相配合，形成有機的整體，本文設計了主控制器、供電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、傳感器、潔度檢測系統(tǒng)。各系統(tǒng)在主控制器的控制下協(xié)調(diào)工作，按照指令完成既定任務。

2.3.1 主控制器

主控制器搭載μC/OS-II可搶占式實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核，便于主控制器協(xié)調(diào)多個系統(tǒng)工作。

2.3.2 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)選用三臺額定電壓12V的直流無刷電機構成。通過霍爾傳感器實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子位置的檢測，反饋給主控制器以實現(xiàn)電機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)以及對速度的精確控制。

2.3.3 通訊系統(tǒng)

控制站與機器人之間采用ZIGBEE協(xié)議通訊，通過增加基站的方式靈活地增大通訊距離。在需要超大距離通訊的場合可通過加裝GSM模塊實現(xiàn)。

2.3.4 傳感器

（1）碰撞傳感器：機器人前端裝有碰撞傳感器，以及細彈簧鋼絲，當彈簧鋼絲觸碰到炮管底部時發(fā)出信號給主控制器，此時主控制器下達命令開始清潔工作，確保從炮管底端開始清潔。

（2）溫濕度傳感器：機器人裝有溫濕度傳感器，通過對溫濕度的精確檢測判斷炮管是否處于易腐蝕生銹的狀態(tài)，并將狀態(tài)反饋給控制站，避免不必要的氧化。

（3）攝像頭：機器人外側(cè)裝有OV7670攝像頭，機器人處于非工作狀態(tài)時，可有選擇地以每秒一次的頻率對現(xiàn)場拍照并將圖片內(nèi)容發(fā)送至控制臺，以便控制臺對現(xiàn)場的有效監(jiān)控。

（4）潔度檢測模塊：潔度檢測模塊由ADNS-3080與紅外二極管以及紅外線穿透pmma制成的透鏡組成。主控制器通過對圖像進行處理尋找黑色像素點實現(xiàn)對炮管潔度的檢測。

3 實際分析（圖2）

（1）適應炮管口徑范圍D為φ120mm-φ200mm；（2）滿足管徑±3%的微觀變徑；（3）拖動力F≥500N；（4）行走速度3m/min；（5）總體長度約為600mm；（6）總重量小于15Kg；（7）擦抹劑流量2.5ml/s。

4 結(jié)語

縱觀國內(nèi)外管道機器人的研究狀況，目前關于管內(nèi)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(nèi)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(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工清洗方式：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(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。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。

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