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I 摘要 火炮 在發(fā)射后會(huì)在身管內(nèi)殘留大量的物質(zhì)，這些物質(zhì)受高溫、高壓的與管壁黏貼非常牢固 極不易清除，會(huì)導(dǎo)致身管內(nèi)壁的腐蝕，進(jìn)而影響炮的準(zhǔn)確性、可靠性并影響身管的使用壽命。這些殘留物主要依靠人工和機(jī) 械 的方法清除，設(shè)備笨重、智能化程度低，士兵勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，且清不高，不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)要求。 清洗機(jī)器人，該機(jī)器人與火炮身管構(gòu)成一個(gè)柔性統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)清洗的智能化及管內(nèi)狀況的可視化，不僅極大地減輕士兵的勞動(dòng)而且可以有效提高火炮身管的維護(hù)保養(yǎng)水平和壽命，對(duì)提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力具的軍事和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用 前景。 關(guān)鍵詞：管道清洗 機(jī)器人 單片機(jī) 自動(dòng)控制 ue to in is to t be in of an on of as as t of of of in of of of of as It is of in of in of 要 ........................................................................................................................................................................................................................................................ 一章 緒論 ................................................................................................................ 1 題研究背景及關(guān)鍵技術(shù) ................................................................................................. 1 題的研究背景 .................................................................................................... 1 題的關(guān)鍵技術(shù) ...................................................................................................... 2 內(nèi)外管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 ..................................................................... 3 道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 .......................................................................................... 3 道機(jī)器人的發(fā)展方向 .......................................................................................... 5 題的研究意義 ................................................................................................................. 5 第二章 炮管擦洗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) .................................................................... 7 求分析與設(shè)計(jì)思路 ......................................................................................................... 7 動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 8 動(dòng)方式分析與選擇 .............................................................................................. 8 適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 9 洗功能模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 11 膛擦洗過(guò)程分析與研究 .................................................................................... 11 向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計(jì) ........................................................................................ 11 制功能模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 13 控制系統(tǒng) ............................................................................................................ 13 感器 .................................................................................................................... 13 動(dòng)系統(tǒng) ................................................................................................................ 13 第三章 管道清洗機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì) .......................................................................... 15 動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì)與分析 ............................................................................................... 15 動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 15 接件設(shè)計(jì) ............................................................................................................ 16 洗功能模塊的設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 18 轉(zhuǎn)式清洗頭設(shè)計(jì) ................................................................................................ 18 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 18 控制芯片 ............................................................................................................ 19 紹 ................................................................................................... 20 機(jī)控制技術(shù) ........................................................................................................ 21 小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 23 鐘 /復(fù)位模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................... 23 源模塊設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 23 機(jī)接口電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 24 示模塊 ....................................................................................................... 24 盤電路 ................................................................................................................ 25 鳴器電路 ............................................................................................................ 25 口通信模塊 ........................................................................................................ 26 機(jī)控制電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 26 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................................................................. 28 統(tǒng)軟件架構(gòu) ................................................................................................................... 28 速 程序設(shè)計(jì) ............................................................................................. 28 結(jié)論 .............................................................................................................................. 31 文總結(jié) ........................................................................................................................... 31 作展望 ........................................................................................................................... 31 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 32 謝 .............................................................................................................................. 33 附錄 .............................................................................................................................. 34 1 第一章 緒論 題研究背景及關(guān)鍵 技術(shù) 題的研究背景 現(xiàn) 代國(guó)防工業(yè)日新月異 ， 武器裝備制造及維護(hù)的技術(shù)水平直接決定了 國(guó)家的軍事實(shí)力?；鹋谑侵匾奈淦餮b備，身管是火炮的重要組成部分， 身管依靠火藥在藥室內(nèi)劇烈燃燒而產(chǎn)生的高溫高壓氣體以一定方式一定速度發(fā)射彈丸，并賦予彈丸初速度、射向以及飛行時(shí)的穩(wěn)定性。它的工作條件是極為惡劣和苛刻的，它不僅要承受高溫高壓火藥氣體的作用，還要接受高速運(yùn)動(dòng)彈丸的作用?；鹋诘慕Y(jié)構(gòu)和性能很大程度上決定了火炮系統(tǒng)的戰(zhàn)斗性能，身管質(zhì)量直接影響著使用安全，射擊效果和火炮壽命 [l]?；鹋谠诎l(fā)射過(guò)程中不僅會(huì)在炮膛內(nèi)殘余大量的物質(zhì)，而且火炮炮彈帶與身管內(nèi)壁 間亦會(huì)產(chǎn)生大量的粘附物， 這些物質(zhì)受高溫、高壓的作用與管壁黏 貼的非常牢固，尤其是線膛炮的“陰線”角落位置的殘留物，極不容易清除，對(duì)火炮身管壽命產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)“積留”超過(guò)一定程度后，極易產(chǎn)生炸管等事故。 為了提高火炮的性能和使用壽命，大型火炮在啟封、發(fā)射炮彈后和封存時(shí)都需要進(jìn)行一定的清洗工作。首先，啟封時(shí)需要清除防銹油，以保證火炮的正常工作 。 其次，在發(fā)射炮彈后需要進(jìn)行炮膛清洗，因?yàn)閺椡柽\(yùn)動(dòng)脫落的殘余物 (成分辦主要是銅、鋅、鉛、鋁、鋁氧化物等 )以及膛內(nèi)火藥燃燒殘留物如煙灰等石墨殘余物會(huì)鉆附在火炮身管的內(nèi)壁，這 些殘余物容易導(dǎo)致火炮身管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕，進(jìn)而影響炮彈發(fā)射的準(zhǔn)確性、可靠性，影響火炮的使用壽命。最后，在火炮封存時(shí)需要清洗炮膛內(nèi)壁并涂抹防銹油，以防止封存后火炮炮膛內(nèi)壁腐蝕。因此，在火炮的啟封、發(fā)射后和封存時(shí)進(jìn)行清洗工作是必不可少的。 在炮管生產(chǎn)廠或修復(fù)廠，目前采用的是一種拉桿式清洗機(jī)床，通過(guò)電機(jī)和連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拉桿實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，拉桿與炮管等長(zhǎng)，拉桿上安裝了清潔用的毛刷，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了火炮身管擦洗的自動(dòng)化工作，但必須將炮管從坦克上拆下運(yùn)至修復(fù)廠才能使用，設(shè)備占地面積大、重量大，移動(dòng)不便，無(wú)法在部隊(duì)營(yíng)地和野外使用 。目前在部隊(duì)都是通過(guò)數(shù)名戰(zhàn)士推拉通條來(lái)進(jìn)行炮膛擦洗工作，不僅耗費(fèi)人力，效率低，且清潔程度不高，不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭(zhēng)的作戰(zhàn)要求。 通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)炮管清洗與管道清洗技術(shù)方面的專利與文獻(xiàn)的檢索，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有炮管擦拭設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用調(diào)研，現(xiàn)有關(guān)于炮管擦拭的方法、裝置和專利，在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的不足。如專利號(hào) 攜式擦炮設(shè)備，主要由少齒插銷軸式行星機(jī)構(gòu)卷?yè)P(yáng)筒組成，靠人力驅(qū)動(dòng)卷?yè)P(yáng)筒和鋼絲繩來(lái)牽引專用擦炮塞子經(jīng)過(guò)整個(gè)炮膛進(jìn)行擦拭，該辦法自動(dòng)化程度低。申請(qǐng)?zhí)?利自動(dòng) 擦炮機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器、擦拭體及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸通過(guò) 2 齒輪組連接的拉繩紋筒，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，拉繩拖拽著擦拭體在炮膛內(nèi)往返擦洗，該方法若電機(jī)控制不當(dāng)容易導(dǎo)致拉繩脫鉤，另外需要兩臺(tái)直流電機(jī)導(dǎo)致設(shè)備重量較大。申請(qǐng)?zhí)?專利“一種步進(jìn)式擦炮機(jī)器人及其使用方法”，采用步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，螺桿和內(nèi)螺紋筒進(jìn)行步伐式前進(jìn)或后退，該方法機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。 因此，采用機(jī)器人來(lái)擦洗炮管。 題的關(guān)鍵技術(shù) 本課題關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)等。 （ 1） 機(jī)械設(shè)計(jì)技 術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是智能炮管清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是其它技術(shù)應(yīng)用的前提，機(jī)械結(jié)構(gòu)、加工等的優(yōu)劣直接決定機(jī)器人的性能。經(jīng)典的機(jī)械技術(shù)借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，以及在此基礎(chǔ)上同時(shí)采用人工智能與專家系統(tǒng)等，已經(jīng)形成新一代機(jī)械制造技術(shù)。當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)朝著面向市場(chǎng)、面向生態(tài)與環(huán)境要求、面向制造和經(jīng)營(yíng)管理需求的方向發(fā)展。在機(jī)械工程領(lǐng)域，往往根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等建立反映工程設(shè)計(jì)問(wèn)題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型，然后采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)自動(dòng)優(yōu)化方案。 （ 2） 自動(dòng)控制技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)是指在無(wú)人直接參 與的狀況下，利用附加裝置 (自動(dòng)控制裝置 )使生產(chǎn)過(guò)程或生產(chǎn)機(jī)械 (被控對(duì)象 )自動(dòng)地按照某種規(guī)律 (控制目標(biāo) )工作，使被控對(duì)象的一個(gè)或幾個(gè)物理量 (如溫度、壓力、流量、位移和轉(zhuǎn)速等 )或加工工藝按照預(yù)定要求變化的技術(shù)。它包含了自動(dòng)控制系統(tǒng)中所有元器件的構(gòu)造原理和性能，以及控制對(duì)象或被控過(guò)程的特性等方面的知識(shí) ;自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與綜合 ;控制用計(jì)算機(jī) (能作數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的控制機(jī) )的構(gòu)造原理和實(shí)現(xiàn)方法。自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。是自動(dòng)化領(lǐng)域的重要組成部分。 （ 3） 機(jī)器視覺技術(shù) [2]～ [4] 機(jī) 器 視覺技術(shù)是近幾十年發(fā) 展起來(lái)的一種智能技術(shù)，機(jī)器視覺是一門新興的學(xué)科，自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，機(jī)器視覺的研究經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)室研究到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展階段。從簡(jiǎn)單的二值圖像處理到高分辨率、多灰度的圖像處理，從普通的二維信息處理到三維視覺機(jī)理以及模型和算法的研究都取得了很大的進(jìn)展。隨著半導(dǎo)體行業(yè)的自動(dòng)化水平的飛速提升，不斷促進(jìn)著機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)用化研究。機(jī)器視覺的定義是利用一個(gè)用以代替人眼的圖像傳感器，獲取目標(biāo)物體的圖像，然后將此圖像轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，并利用一臺(tái)用于代替人腦的計(jì)算機(jī)來(lái)分析圖像并完成一個(gè)與視覺有關(guān)的任務(wù)。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般采用 感器攝取檢測(cè)圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像的特征值，并由此實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別等功能。 3 然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整，信息篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺相比較，機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確、快速、可靠，以及數(shù)字化。 機(jī)器視覺涉及圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別和人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的迅速發(fā)展有力的促進(jìn)了機(jī)器視覺技術(shù)的進(jìn)步。數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)是機(jī)器視覺的重要組成。自 數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和空前的發(fā)展，在工程應(yīng)用上引起了人們極大的重視。圖像處理技術(shù)包括圖像處理和圖像分析兩個(gè)方面。模式識(shí)別技術(shù)是指用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)人的模式識(shí)別能力，其作用和目的是根據(jù)某一具體事件的特征，將其正確地歸入某一類別。 目前機(jī)器視覺技術(shù)在醫(yī)療診斷、各類自動(dòng)檢測(cè)與控制、智能機(jī)器人等方面得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 內(nèi)外管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 當(dāng)前，管道的檢測(cè)和維護(hù)工作多采用管道機(jī) 器人來(lái)完成。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機(jī)械，它可以攜帶一種或多種傳感器以及操作裝置 (感器、位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、簡(jiǎn)單的操作機(jī)械手等 )，通過(guò)操作人員的控制來(lái)進(jìn)行一系列的管道檢測(cè)和維修作業(yè)。一個(gè)完整的管道機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)由移動(dòng)載體 (行走機(jī)構(gòu) )、管道內(nèi)部環(huán)境識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)傳遞和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其中移動(dòng)載體是管道檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人的核心部分。管道檢測(cè)機(jī)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、 斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，它的運(yùn)行距離一般也較長(zhǎng) [5]。 日本、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在管道機(jī)器人技術(shù)方面已做了大量的工作，取得了比較突出的成績(jī)。其中，日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了上世紀(jì)六十年代的搖籃期，七十年代的實(shí)用期，到八十年代進(jìn)入普及提高期，并且開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，其中東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系 于 1993 年開始研究管道機(jī)器人，他們先后研制成功適用于 50道的 I、 H 型管道機(jī)器人和適用于 150~管道的 管道機(jī)器人 [6]。以下介紹幾種國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人。 （ 1） 無(wú)線貼壁螺旋式機(jī)器人 圖 1機(jī)器人由前后兩部分組成，中間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接。前部分為驅(qū)動(dòng)單元，由三個(gè)互成 120 度的支撐腳組成，每個(gè)支撐腳上各有一個(gè)具有傾斜角的輪子。后部分為支撐部分，通過(guò)中間的電機(jī)驅(qū)動(dòng)使前部分在管內(nèi) 4 旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。前部分輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變 子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而 減小行走速度，增加推進(jìn)力。機(jī)器人的前端可以轉(zhuǎn)載清洗刷，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的清洗。 圖 1線貼壁螺旋式機(jī)器人 （ 2） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人 圖 1韓國(guó) 械有限公司研發(fā)的炮管自動(dòng)清洗機(jī)器人 (韓國(guó)專利號(hào) :10洲專利號(hào) :該機(jī)器人由 80a 和 80b 兩個(gè)緊貼管壁的輪子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)整體前進(jìn)和后退，其中 m 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)減速器 100減速后驅(qū)動(dòng) 80a 和 80b，同時(shí)通過(guò)行星輪系驅(qū)動(dòng) 500 繞著中心軸 200 旋轉(zhuǎn)，在 500上裝有刷子，并由 610 提供清潔油實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)壁的清 洗 圖 1機(jī)驅(qū)動(dòng)輪式機(jī)器人 國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。 （ 3） 管徑自適應(yīng)式管道機(jī)器人 圖 1 上海交通大學(xué)研制的管徑自適應(yīng)管道機(jī)器人。該機(jī)器人由成 120 度三組平行四邊形輪腿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) [7]，該三組輪腿緊貼管壁，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)能根據(jù)管道內(nèi)徑變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，目前該機(jī)器人已用于煤氣管道的探測(cè)和維護(hù)。 5 圖 1徑自適應(yīng)式機(jī)器人 道機(jī)器人的發(fā)展方向 隨著核工業(yè)、化工工業(yè)的不斷發(fā)展，迫使人們研究管道機(jī)器人來(lái)對(duì)這些惡劣環(huán)境下的管道、罐狀容器進(jìn)行檢 測(cè)和維修，在一定程度上刺激了管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。從某種意義上講，一個(gè)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)水平的高低直接反映了這個(gè)國(guó)家綜合科技實(shí)力的高低。管道機(jī)器人技術(shù)是傳感技術(shù)、控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門技術(shù)的融合。因此管道機(jī)器人的發(fā)展也必然建立在這些技術(shù)的高速發(fā)展之上。 管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [8]： （ l） 微型和微小型技術(shù)這是一項(xiàng)由技術(shù)驅(qū)動(dòng)的新領(lǐng)域，盡管微型、小型尺寸的機(jī)器人實(shí)用化還要等幾年，但是這個(gè)時(shí)代即將到來(lái)，從而適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。 （ 2） 先進(jìn)的傳感技術(shù)傳 感器相當(dāng)于管道機(jī)器人的感覺器官，只有先進(jìn)的傳感器技術(shù)才能有效的采集環(huán)境信息，從而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的效率和準(zhǔn)確性。 （ 3） 高效的信息處理技術(shù)信息處理主要是指對(duì)于傳感器采集進(jìn)來(lái)的信息進(jìn)行處理，包括語(yǔ)音識(shí)別與理解技術(shù)，圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)等，從而提高機(jī)器人的工作效率。 （ 4） 網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展完全能夠?qū)⒏鞣N機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效的控制。這種技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、眾多信息組的壓縮與擴(kuò)展方法及傳輸技術(shù)等。 （ 5） 多智能體協(xié)調(diào)控制技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)決策和操作自治性的、由多智能 體組成的群行為控制是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)，這里包括任務(wù)的解釋和表達(dá)、學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)推理和廣義反應(yīng)能力、監(jiān)控和異況處理。 題的研究意義 現(xiàn)代武器及其彈藥技術(shù)大大增加了由炮膛內(nèi)污垢導(dǎo)致武器系統(tǒng)問(wèn)題的可能 6 性。本課題所研制的智能炮管清洗機(jī)器人具有快捷智能清除炮膛內(nèi)污垢的特點(diǎn)。即使是在戰(zhàn)場(chǎng)或野外條件下，該機(jī)器人也能迅速、有效的完成炮膛清洗的清洗工作?？梢?通過(guò)不同程序選擇對(duì)炮膛的維護(hù)流程及清潔效果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化控制，大大降低士兵的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省士兵的時(shí)間以用于完成其他任務(wù)。該機(jī)器人清潔效果比傳統(tǒng)方法有顯著的提高，而 且可以有效提高火炮的維護(hù)保養(yǎng)水平和身管壽命，從而對(duì)提高我軍戰(zhàn)斗力具有較大的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。 7 第二章 炮管擦洗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 求分析與設(shè)計(jì)思路 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 ： ①戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)過(guò)程中的身管維護(hù)。由于火炮連續(xù)射擊，一般要求在射擊 20－ 100 發(fā)后對(duì)炮膛進(jìn)行擦洗，然后再進(jìn)行射擊 ； ②平時(shí)訓(xùn)練過(guò)程中的維護(hù)。由于射擊次數(shù)不多，但射擊間隔時(shí)間較 長(zhǎng)，則需要在射擊間隔時(shí)間里對(duì)炮膛進(jìn)行簡(jiǎn)單的擦洗、上油 ； ③封存與使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的維護(hù)?；鹋趶姆獯鏍顟B(tài)到使用狀態(tài)的擦洗難度和工作量 非常大；不同的擦洗要求，需要不同的擦洗模塊，本文考慮對(duì)炮管擦洗機(jī)器人采用模塊化設(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。 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 ： ①炮管是一種有著特殊內(nèi)表面的管道環(huán)境，膛線的存在給炮管擦洗機(jī)器人的管內(nèi)行走帶來(lái)了一定的困難，也對(duì)機(jī)器人的控制和運(yùn)動(dòng)方式提出了新的要求 ； ②積炭多處于陰陽(yáng)線交界處，難以清洗，必須要設(shè) 計(jì)有針對(duì)性的擦洗模塊。本章將通過(guò)分析管道機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和炮管清洗的特點(diǎn)，結(jié)合炮管對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式和擦洗方式的要求，確定對(duì)炮管內(nèi)膛環(huán)境具有更好適應(yīng)性的運(yùn)動(dòng)方式和有效的擦洗方式，并以此為基礎(chǔ)，分析討論炮管擦洗機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。炮管擦洗機(jī)器人要完成火炮炮膛擦洗保養(yǎng)任務(wù)應(yīng)具備以下幾方面的要求 ： （ 1） 適應(yīng)性強(qiáng)，能進(jìn)行一定口徑范圍內(nèi)炮管的作業(yè) ; （ 2） 結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，符合戰(zhàn)地使用要求 ; （ 3） 清潔速度快，效果好，能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)快速反應(yīng)的要求 ; （ 4） 通用性強(qiáng)，主要部分采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸和更 換 ; （ 5） 可擴(kuò)展性強(qiáng)，可搭載諸如檢測(cè)和維護(hù)等設(shè)備，從而全面實(shí)現(xiàn)炮管的擦洗、檢測(cè)和維護(hù)等功能。 綜合考慮同類管道機(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) 器人提出以下技術(shù)指標(biāo)要求 : （ l） 可適應(yīng)炮管口徑范圍為中 30小 75（ 2） 滿足管徑士 5%的微觀變徑 ; （ 3） 移動(dòng)功能模塊拖動(dòng)力大于等于 400N； （ 4） 行走速度 0 5） 軸向往復(fù)式擦洗摩擦力大于等于 10N; （ 6） 總重量小于 2 炮管擦洗機(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 8 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)器人核心部分。 圖 2 炮管擦洗機(jī)器人總體布局。 清 洗 部 分移 動(dòng) 部 分控 制 部 分圖 2管擦洗機(jī)器人功能部分示意圖 移動(dòng)功能模塊推動(dòng)炮管擦洗機(jī)器人整體前進(jìn)或后退 ;擦洗功能模塊作為炮管擦洗機(jī)器人功能執(zhí)行模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)擦洗、上油作業(yè)，保證擦洗保養(yǎng)效果 ;控制功能模塊接收傳感器信號(hào)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。移動(dòng)功能模塊的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能以及擦洗功能模塊擦洗效果是炮管擦洗機(jī)器人完成任務(wù)的關(guān)鍵。 動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì) 我國(guó)目前裝備的火炮口徑 范圍是 20 至 400多數(shù)為線膛炮。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，同時(shí)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，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)采取自適應(yīng)設(shè)計(jì)。 動(dòng)方式分析與選擇 炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)與所作業(yè)的炮管內(nèi)部情況密切相關(guān)，炮管口徑的大小、截面形狀以及內(nèi)表面的特點(diǎn)都是需要考慮的設(shè)計(jì)因素。炮管口徑越大，對(duì)動(dòng)力源和機(jī)械結(jié)構(gòu)的尺寸約束越小，移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)也可以越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的功能越多 ;炮管口徑越小，對(duì)驅(qū)動(dòng)方式 和機(jī)械結(jié)構(gòu)的空間尺寸約束條件越多，機(jī)械零部件越難以設(shè)計(jì)和加工。 由于管道是一個(gè)特殊的受限工作環(huán)境，研究適合在管道內(nèi)移動(dòng)的各種運(yùn)動(dòng)方式己成為管道檢測(cè)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)器人在管道內(nèi)的各種運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和探索，并研制了相應(yīng)的管道機(jī)器人樣機(jī)。按照管道機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)的動(dòng)力源，可分為被動(dòng)式和主動(dòng) 9 式，其中被動(dòng)式是利用管道內(nèi)介質(zhì)的壓力差驅(qū)動(dòng)，在管道內(nèi)只能單向運(yùn)動(dòng)，適應(yīng)單一的管道直徑，運(yùn)動(dòng)速度不易控制 ;主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式的管道檢測(cè)機(jī)器人具備動(dòng)力能源供給裝置，在管道內(nèi)具有自主行 走能力，其運(yùn)動(dòng)速度可控。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和驅(qū)動(dòng)方式的不同，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式、多足式和蠕動(dòng)式等四種主要方式 。各種行走方式都有其自身的優(yōu)越性和局限性。 表 2列了上述四種行走方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn) 行走方式 運(yùn)動(dòng)機(jī)理 優(yōu)缺點(diǎn) 輪式 驅(qū)動(dòng)輪緊壓在管道內(nèi)壁上，在封閉力的作用下，機(jī)器人的各驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間產(chǎn)生附著力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在管道內(nèi)前后運(yùn)動(dòng) 該運(yùn)動(dòng)方式具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、牽引力大、行走速度快、運(yùn)動(dòng)部件可靠性高、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合大、中口徑的管道，是管道機(jī)器人實(shí)際工程應(yīng)用最多的一種的方式 履帶式 靠履帶卷繞時(shí)管道內(nèi)壁對(duì)履帶產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)機(jī)器人載體在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的。 該運(yùn)動(dòng)方式有效的解決了驅(qū)動(dòng)力－正壓力－附著力之間的矛盾，是一種在惡劣管道環(huán)境下有效的運(yùn)動(dòng)方式，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)彎性能差，應(yīng)此用用于大管徑 多足式 模仿多足昆蟲的行走方式和行走步態(tài) 該行走方式有較好的動(dòng)作靈活性，理論上可以適合各種形狀的管道，但其較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，使得機(jī)器人在步態(tài)規(guī)劃和關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制等方面存在一定難度，且牽引能力有限，不易攜帶檢測(cè)維護(hù)裝置，不適合長(zhǎng)距離 拖纜作業(yè) 蠕動(dòng)式 模仿蚯蚓、尺蠖、 毛蟲等蟲類的變形蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理 該行走方式行走效率低，導(dǎo)致機(jī)器人行走不連續(xù)，而且更換支撐部分時(shí)易產(chǎn)生機(jī)身不穩(wěn)定現(xiàn)象，難以滿足管道工程中“迅速完成作業(yè)”的需要。 由表 2知，因線膛炮炮管口徑較小，不宜采用履帶式運(yùn)動(dòng)方式，且炮管擦 洗 機(jī)器人對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拖動(dòng)力有比較高的要求，故不宜采用多足式和蠕動(dòng)式行走方式，因此，炮管擦洗機(jī)器人采用輪式行走方式。 適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)不同直徑炮管的擦洗，炮管擦洗機(jī)器人需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，其主要作用有 ： ①在不同直徑的管道中能張開或收縮，使機(jī)器人能在各種直徑的管 道中行走作業(yè) ； ②可以提供附加正壓力增加機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁間的壓力， 改善機(jī)器人的牽引性能。 能夠適應(yīng)不同管徑的預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)主要有彈簧預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、蝸桿蝸輪預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)、升降機(jī)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)和絲杠螺母副預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)四種，其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖 2示。下面對(duì)每種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明和分析。 10 蝸 桿渦 輪驅(qū) 動(dòng) 輪彈 簧連 桿驅(qū) 動(dòng) 輪a） 蝸輪蝸桿預(yù)緊支撐 機(jī) 構(gòu)示意圖 b） 升降機(jī)預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 支 撐 桿推 桿螺 母絲桿絲桿螺母預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 d） 彈簧預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)示意圖 圖 2徑機(jī)構(gòu)示意圖 （ l） 蝸輪蝸桿預(yù)緊變徑方式 連桿一端與蝸輪軸鉸接，另一端與驅(qū)動(dòng)輪軸鉸接，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿，帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪撐開或者放低，以達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，所示。該方法可以實(shí)現(xiàn)較大范圍變徑，但所需驅(qū)動(dòng)力較大，一般較少使用。 （ 2） 升降機(jī)預(yù)緊變徑方 式 其工作原理是利用平行連桿原理，通過(guò)在其中某個(gè)連桿的一端作用一定大小和方向的力使升降機(jī)機(jī)構(gòu)升起或者回落，從而使驅(qū)動(dòng)輪也跟著升起或者回落，以達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖 所示。采用升降機(jī)預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是在軸向和徑向結(jié)構(gòu)比較緊湊，使機(jī)器人的空間尺寸大大縮小，其缺點(diǎn)是當(dāng)管道直徑較大時(shí)所需的推動(dòng)力較大，對(duì)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的要求較高。 （ 3） 絲杠螺母預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐桿一端和驅(qū)動(dòng)輪軸鉸接，另一端 11 鉸接在固定支點(diǎn)處，推桿一端與支撐桿鉸接，另一端鉸接在螺母上，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng) 絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來(lái)回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)支撐桿繞固定支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的，如圖 2所示。該方法空間布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需驅(qū)動(dòng)力較小，但缺點(diǎn)是不緊湊。 （ 4） 彈簧預(yù)緊變徑方式 其工作原理是通過(guò)改變彈簧預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)支撐輪的徑向距離，達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，如圖 所示。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要外加動(dòng)力源，在小范圍內(nèi)具有自適應(yīng)能力。 根據(jù)以上分析，本機(jī)構(gòu)已采用彈簧預(yù)緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，且采用單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)、可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，且在 不同管徑可產(chǎn)生恒定拖動(dòng)力的特點(diǎn)。 洗功能模塊設(shè)計(jì) 膛擦洗過(guò)程分析與研究 不同的擦洗任務(wù)階段，需要不同的擦拭技術(shù)，不同的擦拭技術(shù)，需要不同的擦拭功能模塊。根據(jù)擦洗任務(wù)的不同，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。 普通擦洗頭可直接采用現(xiàn)在部隊(duì)使用的擦洗頭，不需要另 外設(shè)計(jì)。同時(shí)，機(jī)器人在對(duì)炮膛進(jìn)行清理或上油時(shí)，需要較快的速度完成任務(wù)，而且所需的擦洗摩擦力較小所以軸向往復(fù)式擦洗頭所需提供的摩擦力只需大于 10N 即可 。 向往復(fù)式擦洗頭設(shè)計(jì) 可實(shí)現(xiàn)往復(fù)式擦洗功能的機(jī)構(gòu)主要有電磁 杠螺母機(jī)構(gòu)、和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)三種，其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖 2示。每種方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明和分析。 12 電 磁鐵彈 簧電 機(jī)螺 母絲 桿a）電磁－彈簧式 b） 絲桿－螺母式 c）曲柄滑塊式曲 柄滑 塊滑 塊圖 2種軸向往復(fù)式機(jī)構(gòu)示意圖 （ 1）電磁－ 彈簧往復(fù)式機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖 2所示。電磁鐵通電，使磁鐵靠近電磁鐵，彈簧拉長(zhǎng) ;電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧拉力下遠(yuǎn)離電磁鐵或者電磁鐵通電，排斥磁鐵遠(yuǎn)離電磁鐵，彈簧壓縮 ;電磁鐵斷電，磁鐵在彈簧的彈力下靠近電磁鐵。此方法的優(yōu)點(diǎn)是易于控制，缺點(diǎn)是當(dāng)外部所需摩擦力較大時(shí)，電磁鐵和磁鐵體積較大，而且電磁力為非線性力，有效作用距離較短。 （ 2）絲杠－ 螺 母往復(fù)式機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖 2所示。工作原理如下 :電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母在絲杠上做往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于分析和設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是絲杠過(guò)長(zhǎng)，剛度變差，易產(chǎn)生變形。 （ 3） 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖 2所示。作為四桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要分支，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)在各種直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)調(diào)整曲柄滑塊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的長(zhǎng)度，可以改變滑塊的位移、運(yùn)動(dòng)速度和加速度，對(duì)于有特殊運(yùn)動(dòng)要求的場(chǎng)合還可以按照一定的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜 。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)，一方面需要考慮對(duì)擦洗距離和擦洗摩擦力的要求，另一方面又要考慮炮管口徑機(jī)構(gòu)各零件尺寸上帶來(lái)的限制。根據(jù)對(duì)以上三種往復(fù)式機(jī)構(gòu)的分析，本文選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向往復(fù)式擦洗功能，示意圖如圖 2示。 13 電 機(jī)變 位 齒 輪渦輪蝸桿擦 洗 頭炮 管 內(nèi) 壁圖 2向往復(fù)擦洗頭示意圖 制功能模塊設(shè)計(jì) 通過(guò)前面兩節(jié)的分析，初步完成了炮管擦洗機(jī)器人移動(dòng)功能模塊和擦洗功能塊的設(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)器人必須有相應(yīng)的控制系 統(tǒng)。 控制系統(tǒng) 目前使用較多的控制器是 可編程邏輯控制器（簡(jiǎn)稱 和單片機(jī)， 0 世紀(jì) 70 年代以來(lái)以微處理器為核心，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制裝置。由于它具有功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。 單片機(jī)是以一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)，面向控制領(lǐng)域，而且價(jià)格便宜。 隨著近年來(lái)單片機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一批新型高性能單片機(jī) 是其典型代表。而其中的 是其中的高 端產(chǎn)品。 感器 傳感器是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，一般可分為內(nèi)部和外部?jī)深悅鞲衅?。所謂內(nèi)部傳感器是完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機(jī)器人不可缺少的基本元件。外部傳感器取決于機(jī)器人所要完成的任務(wù)，如檢測(cè)、維修等就需要有觸覺傳感器 ;為了在狹窄空間作業(yè)，又不能碰撞外界其他物體，就需要接近傳感器等。通常的外部傳感器有力傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器等。 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。 動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，現(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、 液 壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)快 14 速活，不污染環(huán)境，適合在惡劣工況條件下工作等特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓縮氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時(shí)還需緩沖或制動(dòng)裝置，低速時(shí)不易控制，速度、置控制難于達(dá)到精確值。 液壓驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)具有重量輕、慣量小、 傳動(dòng)平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，污染環(huán)境并影響機(jī)器性能，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大， 主要適用于中、大型機(jī)器人。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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)，適用于中、小型機(jī)器人。 采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，負(fù)荷 內(nèi)的中、小型機(jī)器人， 絕大部分采用了電動(dòng)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，炮管擦洗機(jī)器人采用電動(dòng)方式進(jìn)行 驅(qū)動(dòng)。 15 第三章 管道清洗機(jī)器人詳細(xì)設(shè)計(jì) 在前兩章對(duì)清洗機(jī)器人進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本章主要對(duì)個(gè)部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體包括：移動(dòng)功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)與分析和 擦洗功能模塊的機(jī)械設(shè)計(jì)。通過(guò)本章對(duì)炮管清洗機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)?？蛇M(jìn)一步明確此炮管清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能，為機(jī)器人加工制作打下基礎(chǔ)。 動(dòng)功能模塊設(shè)計(jì)與分析 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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)的設(shè)計(jì)主要包括蝸輪蝸桿，傳動(dòng)齒輪系和行走輪的設(shè)計(jì)： 預(yù)緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括彈簧，滾珠絲桿副，調(diào)節(jié)大齒輪和調(diào) 節(jié)小齒輪的設(shè)計(jì)。 動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)蝸桿傳遞到三個(gè)渦輪上，渦輪通過(guò)傳動(dòng)齒輪最終將動(dòng)力傳遞驅(qū)動(dòng)輪上 ，在動(dòng)力的整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中，蝸輪蝸桿是最關(guān)鍵的零件。 （ 1） 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì) 根據(jù) 分析選擇電機(jī) 石墨電刷 機(jī) （ 2） 傳動(dòng)比的選定 此設(shè)計(jì)在機(jī)器人有較大速度的前提下進(jìn)行，因此先預(yù)計(jì)最終速度在 50mm/s。初選車輪直徑 d=12此時(shí)車輪的角速度及減速后最終的角速度 為： ω = 60 v/ (π× d)＝ （ 3 因?yàn)殡姍C(jī)的初速度為 5050r/傳動(dòng)比公式： i = 5050/ω得 ｉ＝ 5050/i=因?yàn)槲仐U蝸輪能獲得較大的單級(jí)傳動(dòng)比 ,故結(jié)構(gòu)緊湊。在傳遞動(dòng)力時(shí) ,傳動(dòng)比一般為 8～ 100 ,常用范圍為 15～50 。用于分度機(jī)構(gòu)中 ,傳動(dòng)比可達(dá)幾百 ,甚至到 1 000 。因此傳動(dòng)比完全由蝸桿蝸輪來(lái)實(shí)現(xiàn) ,即取蝸桿蝸輪的傳動(dòng)比 i= 20 ,由于空間尺寸受很大的限制 ,本設(shè)計(jì)采用 3 個(gè)參數(shù)完全一樣的齒輪來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。 故最終實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)比的傳遞 ,而且解決了受空間限制的問(wèn)題。 選擇蝸桿傳動(dòng)類型 選擇材料蝸桿 45鋼 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定作用在 輪上的轉(zhuǎn)矩 ,估取效率 2=實(shí)載荷系數(shù) k 因?yàn)楣ぷ鬏d荷較穩(wěn)定 ， 故取載荷分布不均勻系數(shù) k＝ 定彈性影響系數(shù) z=160定接觸系數(shù) 定接觸用力 268力循環(huán)次數(shù) N=16 壽命系數(shù) 14算中心矩 a＝ 中心矩ａ＝ 20i＝ 60 m=力角 20蝸桿直徑系數(shù) q＝ 桿的分度圓直徑的＝ 7r＝ 6， i＝ 60 ｚ＝ 1計(jì)算ｄ 2＝ 12。 （ 3） 傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì) 根據(jù)分析，傳動(dòng)齒輪系的 3個(gè)齒輪 參數(shù)一樣，考慮到齒輪所傳遞的扭矩大小，設(shè)計(jì)結(jié)果如下齒輪材料用 35制處理，硬度 255～ 286 齒數(shù)ｚ＝ 18，模數(shù)ｍ＝ 寬 2心距Ａ＝ 48度圓直徑ｄ1＝ 48核彎曲疲勞強(qiáng)度均可滿足要求。 （ 4） 驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì) 為了使驅(qū)動(dòng)輪與管壁能夠 產(chǎn)生足夠的摩擦力，采用橡膠作為驅(qū)動(dòng)輪的材料，橡膠與 鋼的靜摩擦系數(shù)為 無(wú)潤(rùn)滑條件下的動(dòng)摩擦系數(shù) 為 對(duì)驅(qū)動(dòng)輪半徑進(jìn)行選擇時(shí)，由于要求機(jī)器人恩能夠擦洗得炮管直徑為 50~100，由于連桿與軸線夾角的計(jì)算公式可知，渦輪蝸桿的中心矩和驅(qū)動(dòng)輪半徑之和所應(yīng)小于所 能適應(yīng)的炮管半徑的最小值，蝸桿渦輪的中心矩為 驅(qū)動(dòng)輪半徑應(yīng)小于 12，又因?yàn)閭鲃?dòng)齒輪的齒頂圓直徑為 9以驅(qū)動(dòng)輪直徑小于 20大于 10，才能保證傳動(dòng)齒輪不會(huì)與管壁接觸， 再根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走速度 要 要 求，該行走機(jī)構(gòu)的速度是 0~9