一種禮炮炮管自動清洗的裝置

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鋼刷頭、自適應往復擦洗頭和自適應全驅動六輪行走機構三大部分組成，分別由獨立的電機進行驅動，由單片機統(tǒng)一控制三大部分協(xié)調工作，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。禮炮炮管如不經常擦拭，則易導致炮管易銹蝕或卷入雜質，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

本文結合炮管的結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，提高炮管擦拭的質量。（3）通過自適應六輪全驅動行走機構、自適應旋轉鋼刷頭、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 機械結構設計

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

2.2.1 六輪全驅動行走機構

六個行走輪腳可以繞著機架上的軸做一定角度的旋轉并設有旋轉限位塊，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壁，從而使移動機構在可適應炮管口徑范圍內保持恒定的拖動力。

2.2.2 自適應導向清潔

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

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

（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，其設計結構能很好的捕捉炮管內部的螺線凹槽，給機器人的旋轉運動提供數(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)內核，便于主控制器協(xié)調多個系統(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 結語

縱觀國內外管道機器人的研究狀況，目前關于管內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，目前國內已經投入使用的管道機器人主要用于空調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：高速旋轉清洗，通過鋼刷高速旋轉將積炭刮松，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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