CN101776418A - 炮管内壁擦洗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炮管内壁擦洗机器人，包括清洗模块和驱动模块，两个模块通过螺纹传动机构实现相对伸缩运动，所述清洗模块包括前外壳、滑动板、前步进电机、前复合驱动机构、清洗刷，其中清洗刷安装在前复合驱动机构的输出轴上，前复合驱动机构通过前外壳与加工有中心内螺纹的滑动板相连接，前步进电机设置在前外壳内并用于驱动前复合驱动机构；驱动模块中的后复合驱动机构通过后外壳与电机固定板相连接，后步进电机和移动用步进电机均设置在后外壳内，后步进电机固定在后复合驱动机构上并驱动其运动，移动用步进电机固定在电机固定板上，其输出螺杆轴与清洗模块中滑动板的中心内螺纹相配合。本发明的机器人结构简单、体积和重量较小、安装方便。

Description

炮管内壁擦洗机器人

技术领域

本发明涉及一种可进入炮管内自动擦洗炮管内壁的机械装置，特别是一种在炮管维护保养过程中对炮弹发射后炮管内壁的火药残留物进行高效稳定和定位擦洗的炮管内壁擦洗机器人。

背景技术

由于火炮射击时会有火药发射残留物粘附在炮管内壁上，其主要成分为：铜39.98％、铅18.77％、氯化钾0.43％等。对一些具有螺旋形膛线的火炮炮管来说，这些发射残留物会黏附在内壁的膛线上。如果不及时对炮管内壁进行擦洗，会导致膛线精度降低并在后续的发射过程中容易损坏膛线，从而影响火炮发射时炮弹的旋速和稳定性，降低火炮发射性能与寿命。因此，在火炮集中发射后进入维护保养阶段时，必须对火炮的炮管内壁进行擦洗。目前，各国部队上大多采用多人一起手执末端装有擦洗头的长杆来回运动来进行人工擦洗火炮内壁，以清除内壁上的火药残留物，擦洗效率较低并且由于膛线的存在而导致这种方法很难达到稳定的擦洗效果。

针对这个问题，有必要开发能够代替人工实现炮管内壁擦洗的新设备，来实现对炮管内壁高效稳定的自动擦洗。芬兰米尔弗姆公司公司于2008年公开了一种采用化学——机械清洁炮管的方法和装置(专利公开号：101311663)，通过封闭炮管两端，并在两端架设一套带轮齿条往复驱动装置，拖动一个可在炮管内自由转动的清洗刷来对炮管内壁擦洗，擦洗前还需要在炮管中注入清洗液。这套装置把机械擦洗和化学去垢相结合，能实现对炮管内壁残留物的有效擦洗，但由于需要定位安装炮管两端的带轮齿条装置导致其安装起来相对比较复杂，不能实现对炮管内壁残留物的定位擦洗。在炮管内壁擦洗设备方面，国内外还没有同时具备可实现不需要复杂安装，能实现高效稳定并实现定位擦洗的装置。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种可进入炮管内，对炮弹发射后炮管内壁的火药残留物进行高效稳定和定位擦洗的炮管内壁擦洗机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种炮管内壁擦洗机器人，包括清洗模块和驱动模块，两个模块通过螺纹传动机构实现相对伸缩运动，所述清洗模块包括前外壳、滑动板、前步进电机、前复合驱动机构、清洗刷，其中清洗刷安装在前复合驱动机构的输出轴上，前复合驱动机构通过前外壳与加工有中心内螺纹的滑动板相连接，前步进电机设置在前外壳内并用于驱动前复合驱动机构；驱动模块包括后外壳、后复合驱动机构、后步进电机、移动用步进电机、电机固定板、导向杆，其中后复合驱动机构通过后外壳与电机固定板相连接，所述后步进电机和移动用步进电机均设置在后外壳内，所述后步进电机固定在后复合驱动机构上并驱动其运动，移动用步进电机固定在电机固定板上，其输出螺杆轴与清洗模块中滑动板的中心内螺纹相配合，此螺纹传动机构可驱动清洗模块沿着固定于电机固定板上的导向杆做相对伸缩运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、结构简单、体积和重量较小、安装方便，能代替人工实现对炮管内壁高效的自动擦洗；2、可通过摄像头反馈的信息实现对炮管内壁的定位擦洗，具有擦洗过程可控、擦洗效果稳定可靠的有限。3、由于实现了小型化和自动化，并采用涨紧——松开步进行走方式，在炮管具有一定角度时也能实现自动擦洗，具有适应性强、可满足战场使用要求。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明炮管擦洗机器人本体的机械结构图。

图2为本发明炮管擦洗机器人复合驱动机构的机械结构图。

图3为本发明炮管擦洗机器人系统结构图。

具体实施方式

结合图1，本发明的炮管内壁擦洗机器人，包括清洗模块和驱动模块，两个模块通过螺纹传动机构实现相对伸缩运动，所述清洗模块包括前外壳1、滑动板8、前步进电机10、前复合驱动机构11、清洗刷12，其中清洗刷12安装在前复合驱动机构11的输出轴上，前复合驱动机构11通过前外壳1与加工有中心内螺纹孔的滑动板8相连接，前步进电机10设置在前外壳1内并用于驱动前复合驱动机构11；驱动模块包括后外壳2、后复合驱动机构3、后步进电机4、移动用步进电机5、电机固定板6、导向杆7，其中后复合驱动机构3通过后外壳2与电机固定板6相连接，所述后步进电机4和移动用步进电机5均设置在后外壳2内，所述后步进电机4固定在后复合驱动机构3上并驱动其运动，移动用步进电机5固定在电机固定板6上，其输出螺杆轴与清洗模块中滑动板8的中心内螺纹孔相配合，此螺纹传动机构可驱动清洗模块沿着固定于电机固定板6上的导向杆7做相对伸缩运动。

结合图2，本发明炮管内壁擦洗机器人中前复合驱动机构11与后复合驱动机构3结构相同，均包括张紧橡胶块13、固定圆筒14、顶杆15、压缩弹簧16、凸轮17、传动轴18、支撑轮架19、支持轮20和导向座21；传动轴18和凸轮17位于固定圆筒14内，在凸轮17轴心靠近其驱动电机的一侧开有深度为1/2凸轮厚度的带有凸起拨块的圆弧孔，在凸轮17轴心远离其驱动电机的一侧开有深度为1/2凸轮厚度通孔，上述圆弧孔的直径大于通孔的直径，凸轮17通过该通孔空套于传动轴18上，凸轮圆弧孔上的凸起拨块与传动轴18圆周上设置的凸起拨块相对应，传动轴18中心孔与步进电机的输出轴相连接，传动轴18可通过其圆周上的凸起拨块带动凸轮17上的凸起拨块从而带动凸轮17转动，该凸轮具有互成120度的三对顶点与最低点；固定圆筒14外圆周上分别安装有互成120度的三个导向座21和有互成120度的三个支撑轮架19，支撑轮架19上安装有支持轮20且三个支持轮能同时与待擦洗的炮管内壁接触，导向座21上加工有长方形的通孔，张紧橡胶块13的一端设置在此通孔内并以该通孔作为移动导向孔，其末端与顶杆15相连接，该顶杆贯穿固定圆筒14的筒壁并与凸轮17外轮廓面相接触，顶杆15上加工有台阶面，该台阶面和固定圆筒14之间设置压缩弹簧16，该顶杆可在凸轮17外轮廓面和压缩弹簧16的共同作用下实现伸出或缩回动作。

前外壳1外侧设置有互成120度的三个摄像头9。相邻的导向座21与支撑轮架19之间的角度为60度。

参照图1和图2，本发明炮管内壁擦洗机器人的运动方式包括：前复合驱动机构11上张紧橡胶块13的伸出缩回动作、后复合驱动机构3上张紧橡胶块13的伸出缩回动作、前复合驱动机构11上清洗刷12的正反往复转动和前复合驱动机构11和后复合驱动机构3之间的相对伸缩运动。

其中，前复合驱动机构11上张紧橡胶块13的伸出缩回动作与后复合驱动机构3上张紧橡胶块13的伸出缩回动作原理相同，其具体实现方法如下：由于在初始状态下凸轮17外轮廓线的最低点与顶杆15相接触并且传动轴18上的凸起拨块与凸轮17上的凸起拨块相接触，当前步进电机10顺时针(正对电机输出轴来看)转动60度则可带动传动轴18和凸轮17一起转过60度，凸轮17外轮廓线从最低点走到顶点，从而推动三对互成120的顶杆15和张紧橡胶块13向外伸出并张紧在炮管内壁；当前步进电机10顺时针继续转动60度同样可带动传动轴18和凸轮17一起继续转过60度，凸轮17外轮廓线从顶点走到最低点，压缩弹簧16会推动三对互成120的顶杆15和张紧橡胶块13向内缩回并离开炮管内壁。

前复合驱动机构11上清洗刷12的正反往复转动的具体实现方法如下：在前复合驱动机构11完成伸出或缩回动作时，保持凸轮17不动而控制前步进电机10逆时针转动一个小于360度的角度直至传动轴18上的凸起拨块与凸轮17上的凸起拨块从另一个方向相接触，然后立即停止步进电机10并开始顺时针转动相同的角度直至传动轴18上的凸起拨块与凸轮17上的凸起拨块按原方向相接触，由此保持凸轮17不动而带动安装于传动轴18上的清洗刷12完成一次正反往复转动，整个擦洗炮管内壁的过程中清洗刷12不断重复进行这种正反往复转动。从而在前复合驱动机构上用一个步进电机实现张紧橡胶块13的伸出缩回动作和清洗刷12的正反往复转动，在实现机器人运动方式的同时减少了驱动电机数目。

前复合驱动机构11和后复合驱动机构3之间的相对伸缩运动的具体实现方法如下：由于前复合驱动机构11和后复合驱动机构3上的三个张紧橡胶块13都具有伸出张紧炮管内壁或缩回离开炮管内壁的运动功能，当后复合驱动机构3上的张紧橡胶块13伸出并张紧炮管内壁而前复合驱动机构11上的三个张紧橡胶块13都缩回并离开炮管内壁时，可控制移动用步进电机5转动来驱动滑动块8移动并带动前复合驱动机构11沿导向杆7向前伸出或缩回，从而实现前复合驱动机构11相对于后复合驱动机构3的相对伸缩运动；同理，当前复合驱动机构11上的张紧橡胶块13伸出并张紧炮管内壁而后复合驱动机构3上的三个张紧橡胶块13都缩回并离开炮管内壁时，可控制移动用步进电机5转动来驱动滑动块8移动并带动前复合驱动机构11沿导向杆7向前伸出或缩回，从而实现后复合驱动机构3相对于前复合驱动机构11的伸缩运动。上述前复合驱动机构11和后复合驱动机构3之间的相对伸缩运动用于实现机器人在炮管内的步进式移动。由于采用这种步进式移动方式，该炮管擦洗机器人在炮管处于与水平面有一定夹角时仍然可在炮管内进行移动并擦洗炮管内壁。

结合图3，本发明的系统构成包括机器人本体、清洗液储存瓶、工控机及显示器、三个摄像头及配套的多通道图像采集卡、数据采集卡、三个步进电机及其驱动器、机器人运行方向控制手柄和运行速度控制手柄构成。在进行炮管内壁擦洗作业时的工作流程包括如下步骤：

首先，把机器人放入炮管内，设定机器人的初始运动速度，由软件控制机器人的后复合驱动机构3上的张紧橡胶块13伸出，张紧并相对固定在炮管内壁上，前复合驱动机构3上的张紧橡胶块13处于缩回状态，由前复合驱动机构3上的三个支撑轮20支撑在炮管内壁；

接着，控制机器人的前复合驱动机构上的清洗刷12开始正反往复转动，同时移动用步进电机5开始转动，推动整个前复合驱动机构11向前运动，实现清洗刷12边前进边旋转的复合擦洗运动，此时通过手动控制流量控制阀从而使适量清洗液流到清洗刷上，以提高擦洗质量；在前复合驱动机构11向前擦洗一段设定距离(小于移动用步进电机5驱动的螺母的最大行程)后，停止清洗刷12的正反往复转动；

其次，控制前复合驱动机构11上的前步进电机10顺时针转动，带动凸轮转动60度，顶出前复合驱动机构11上的张紧橡胶块13并让其相对固定在炮管内壁上；控制后复合驱动机构3松开上面的张紧橡胶块13，让后复合驱动机构3上的三个支撑轮20支撑在炮管内壁；

然后，再次控制移动用步进电机5转动，通过固定在前复合驱动机构11上的滑动块8来拖动后复合驱动机构3向前移动一段设定距离后，停止移动用步进电机5的转动并控制机器人的后复合驱动机构3上的张紧橡胶块13伸出，张紧并相对固定在炮管内壁上，前复合驱动机构3上的张紧橡胶块13处于缩回状态，由前复合驱动机构3上的三个支撑轮20支撑在炮管内壁，机器人又恢复到初始状态可以重复进行下一段距离的炮管内壁擦洗。

按照上面几个步骤，采用步进移动和正反往复转动相结合的复合擦洗方式，可对炮管内壁火药残留物进行擦洗；同时在整个擦洗过程中通过互成120分布的三个摄像头9获得擦洗后的炮管内壁图像，由操作人员判断擦洗效果并控制机器人运行方向和速度实施定点擦洗。

结合图1、图2和图3，本发明炮管内壁擦洗机器人实现的主要功能包括：步进式移动、张紧橡胶块13的伸出与收缩动作以及清洗刷12的转动，由三个步进电机进行控制。主要通过工控机上的运动控制卡分别控制三个步进电机来实现。整个炮管内壁擦洗机器人控制系统的构成如下表1所示。

表1炮管内壁擦洗机器人控制系统的主要构成

部件名称	配置及指标	功能备注
			工控机	集成主板；350W；Intel2.8G；KingStonRAM512M；硬盘ST80G；DVD-RW Combo光驱，光电鼠标套件	控制
显示器	17寸LCD	屏幕显示

部件名称	配置及指标	功能备注
			步进电机	三相步进电机	运动驱动(共3个)
运动控制卡	三轴步进电机运动控制卡	用于精确转角控制
			控制软件	1套	控制与操作界面

Claims (4)

1.一种炮管内壁擦洗机器人，其特征在于，包括清洗模块和驱动模块，两个模块通过螺纹传动机构实现相对伸缩运动，所述清洗模块包括前外壳[1]、滑动板[8]、前步进电机[10]、前复合驱动机构[11]、清洗刷[12]，其中清洗刷[12]安装在前复合驱动机构[11]的输出轴上，前复合驱动机构[11]通过前外壳[1]与加工有中心内螺纹孔的滑动板[8]相连接，前步进电机[10]设置在前外壳[1]内并用于驱动前复合驱动机构[11]；驱动模块包括后外壳[2]、后复合驱动机构[3]、后步进电机[4]、移动用步进电机[5]、电机固定板[6]、导向杆[7]，其中后复合驱动机构[3]通过后外壳[2]与电机固定板[6]相连接，所述后步进电机[4]和移动用步进电机[5]均设置在后外壳[2]内，所述后步进电机[4]固定在后复合驱动机构[3]上并驱动其运动，移动用步进电机[5]固定在电机固定板[6]上，其输出螺杆轴与清洗模块中滑动板[8]的中心内螺纹孔相配合，此螺纹传动机构可驱动清洗模块沿着固定于电机固定板[6]上的导向杆[7]做相对伸缩运动。

2.根据权利要求1所述的炮管内壁擦洗机器人，其特征在于，前复合驱动机构[11]与后复合驱动机构[3]结构相同，均包括张紧橡胶块[13]、固定圆筒[14]、顶杆[15]、压缩弹簧[16]、凸轮[17]、传动轴[18]、支撑轮架[19]、支持轮[20]和导向座[21]；传动轴[18]和凸轮[17]位于固定圆筒[14]内，在凸轮[17]轴心靠近其驱动电机的一侧开有深度为1/2凸轮厚度的带有凸起拨块的圆弧孔，在凸轮[17]轴心远离其驱动电机的一侧开有深度为1/2凸轮厚度通孔，上述圆弧孔的直径大于通孔的直径，凸轮[17]通过该通孔空套于传动轴[18]上，凸轮圆弧孔上的凸起拨块与传动轴[18]圆周上设置的凸起拨块相对应，传动轴[18]中心孔与步进电机的输出轴相连接，传动轴[18]可通过其圆周上的凸起拨块带动凸轮[17]上的凸起拨块从而带动凸轮[17]转动，该凸轮具有互成120度的三对顶点与最低点；固定圆筒[14]外圆周上分别安装有互成120度的三个导向座[21]和有互成120度的三个支撑轮架[19]，支撑轮架[19]上安装有支持轮[20]，导向座[21]上加工有长方形的通孔，张紧橡胶块[13]的一端设置在此通孔内并以该通孔作为移动导向孔，其末端与顶杆[15]相连接，该顶杆贯穿固定圆筒[14]的筒壁并与凸轮[17]外轮廓面相接触，顶杆[15]上加工有台阶面，该台阶面和固定圆筒[14]之间设置压缩弹簧[16]，该顶杆可在凸轮[17]外轮廓面和压缩弹簧[16]的共同作用下实现伸出或缩回动作。

3.根据权利要求1或2所述的炮管内壁擦洗机器人，其特征在于，前外壳[1]外侧设置有互成120度的三个摄像头[9]。

4.根据权利要求2所述的炮管内壁擦洗机器人，其特征在于，相邻的导向座[21]与支撑轮架[19]之间的角度为60度。

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