管道清洗机器人-毕业论文.docx

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1、摘要火炮在发射后会在身管内残留大量的物质，这些物质受高温、高压的与管壁黏贴非常牢固极不易清除，会导致身管内壁的腐蚀，进而影响炮的准确性、可靠性并影响身管的使用寿命。这些残留物主要依靠人工和机械的方法清除，设备笨重、智能化程度低，士兵劳动强度大，效率低，且清不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。清洗机器人，该机器人与火炮身管构成一个柔性统，可实现清洗的智能化及管内状况的可视化，不仅极大地减轻士兵的劳动而且可以有效提高火炮身管的维护保养水平和寿命，对提高部队战斗力具的军事和经济效益，具有广阔的应用前景。关键词：管道清洗机器人单片机自动控制AbstractDue to high tempe

2、rature and pressure, the remaining substances in the bore afterthe gun is launched will adhere to the bore firmly and cant be removed easily, whichwill result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability ofthe gun launching as well as its operating life. These substances

3、 are removed withmanual and mechanical cleaning mainly, which cant meet and accommodate with thecampaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, lowintelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaningextent.Robot and bore achieves in intell

4、igentization of cleaning and visualizationof inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advancesmaintenance level and operating life of bore as welL It is of bright future in expansiveapplication and of great military and economic benefit in enhancing battleeffectiv

5、eness of the army.Key words： bore cleaning； robot； single chip microcomputer； automation摘要Abstract第一章绪论11.1 课题研究背景及关键技术11.1.1 课题的研究背景11.1.2 课题的关键技术21.2 国内外管道机器人的研究现状和发展方向31.2.2管道机器人的发展方向51.3 课题的研究意义5第二章炮管擦洗机器人总体方案设计72.1 需求分析与设计思路72.2 移动功能模块设计82.2.1 运动方式分析与选择8222 |_|v I * 92.3 擦洗功能模块设计112.3.1 炮膛擦洗过程分

6、析与研究112.3.2 轴向往复式擦洗头设计112.4 控制功能模块设计2.4.1 主控制系统132.4.2 传感器132.4.3 驱动系统13第三章管道清洗机器人详细设计153.1 移动功能模块设计与分析153.1.1 彳专I 卜 153.1.2 连接件设计163.2 擦洗功能模块的设计18321旋转式清洗头设计183.3 *21 U11 - 183.3.1 主控制芯片193.3.2 ATmegal28 介绍203.3.3 电机控制技术213 l_L 星VI 233.4.1 时钟/复位模块设计233.4.2 电源模块设计233.5人机接口电路设计243.5.1 LCD显示模块243.5.3

7、蜂鸣器电路253.5.4 串口通信模块263 6l_L小01l_L是I- 26第四章系统软件设计284.1 系统软件架构284.1.1 PWM调速程序设计28结论315.1 论文总结315.2 工作展望31参考文献32致谢33附录34第一章绪论1.1 课题研究背景及关键技术1.1.1 课题的研究背景现代国防工业日新月异，武器装备制造及维护的技术水平直接决定了国家的军事实力。火炮是重要的武器装备，身管是火炮的重要组成部分，身管依靠火药在药室内剧烈燃烧而产生的高温高压气体以一定方式一定速度发射弹丸，并赋予弹丸初速度、射向以及飞行时的稳定性。它的工作条件是极为恶劣和苛刻的，它不仅要承受高温高压火药气

8、体的作用，还要接受高速运动弹丸的作用。火炮的结构和性能很大程度上决定了火炮系统的战斗性能，身管质量直接影响着使用安全，射击效果和火炮寿命川。火炮在发射过程中不仅会在炮膛内残余大量的物质,而且火炮炮弹带与身管内壁间亦会产生大量的粘附物，这些物质受高温、高压的作用与管壁黏贴的非常牢固，尤其是线膛炮的“阴线”角落位置的残留物，极不容易清除，对火炮身管寿命产生很大的影响，当“积留”超过一定程度后，极易产生炸管等事故。为了提高火炮的性能和使用寿命，大型火炮在启封、发射炮弹后和封存时都需要进行一定的清洗工作。首先，启封时需要清除防锈油，以保证火炮的正常工作。其次，在发射炮弹后需要进行炮膛清洗，因为弹丸运动

9、脱落的残余物（成分办主要是铜、锌、铅、铝、铝氧化物等）以及膛内火药燃烧残留物如烟灰等石墨残余物会钻附在火炮身管的内壁，这些残余物容易导致火炮身管内壁发生腐蚀，进而影响炮弹发射的准确性、可靠性，影响火炮的使用寿命。最后，在火炮封存时需要清洗炮膛内壁并涂抹防锈油，以防止封存后火炮炮膛内壁腐蚀。因此，在火炮的启封、发射后和封存时进行清洗工作是必不可少的。在炮管生产厂或修复厂，目前采用的是一种拉杆式清洗机床，通过电机和连杆机构带动拉杆实现往复直线运动，拉杆与炮管等长，拉杆上安装了清洁用的毛刷，该设备实现了火炮身管擦洗的自动化工作，但必须将炮管从坦克上拆下运至修复厂才能使用，设备占地面积大、重量大，移动

10、不便，无法在部队营地和野外使用。目前在部队都是通过数名战士推拉通条来进行炮膛擦洗工作，不仅耗费人力，效率低，且清洁程度不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。通过国内外相关炮管清洗与管道清洗技术方面的专利与文献的检索，结合国内现有炮管擦拭设备的实际应用调研，现有关于炮管擦拭的方法、装置和专利，在实际应用中均存在一定的不足。如专利号CN86207922便携式擦炮设备，主要由少齿插销轴式行星机构卷扬筒组成，靠人力驱动卷扬筒和钢丝绳来牵引专用擦炮塞子经过整个炮膛进行擦拭，该办法自动化程度低。申请号200410024477.x专利自动擦炮机，包括驱动电机及控制器、擦拭体及驱动机构等，驱动电机轴

11、通过齿轮组连接的拉绳纹筒，通过两个电机的转向控制，拉绳拖拽着擦拭体在炮膛内往返擦洗，该方法若电机控制不当容易导致拉绳脱钩，另外需要两台直流电机导致设备重量较大。申请号200710139419.5的专利“一种步进式擦炮机器人及其使用方法”，采用步进电机提供驱动力，螺杆和内螺纹筒进行步伐式前进或后退，该方法机构较复杂。因此，采用机器人来擦洗炮管。1.1.2 课题的关键技术本课题关键技术包括机械设计技术、自动控制技术、机器视觉技术等。（1）机械设计技术机械设计技术是智能炮管清洗机器人设计的基础，是其它技术应用的前提，机械结构、加工等的优劣直接决定机器人的性能。经典的机械技术借助于计算机辅助设计技术，

12、以及在此基础上同时采用人工智能与专家系统等，已经形成新一代机械制造技术。当前机械设计技术朝着面向市场、面向生态与环境要求、面向制造和经营管理需求的方向发展。在机械工程领域，往往根据机械设计理论、方法和标准、规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机技术自动优化方案。（2）自动控制技术自动控制技术是指在无人直接参与的状况下，利用附加装置（自动控制装置）使生产过程或生产机械（被控对象）自动地按照某种规律（控制目标）工作，使被控对象的一个或几个物理量（如温度、压力、流量、位移和转速等）或加工工艺按照预定要求变化的技术。它包含了自动控制系统中所有元器件的构造原

13、理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识;自动控制系统的分析与综合;控制用计算机（能作数字运算和逻辑运算的控制机）的构造原理和实现方法。自动控制技术发展迅速，应用广泛。是自动化领域的重要组成部分。（3）机器视觉技术飞机器视觉技术是近几十年发展起来的一种智能技术，机器视觉是一门新兴的学科，自上世纪八十年代以来，机器视觉的研究经历了从实验室研究到实际应用的发展阶段。从简单的二值图像处理到高分辨率、多灰度的图像处理，从普通的二维信息处理到三维视觉机理以及模型和算法的研究都取得了很大的进展。随着半导体行业的自动化水平的飞速提升，不断促进着机器视觉系统的实用化研究。机器视觉的定义是利用一个用以代替人眼的图像传感器，获取目标物体的图像，然后将此图像转换为一个数据矩阵，并利用一台用于代替人脑的计算机来分析图像并完成一个与视觉有关的任务。机器视觉系统一般采用CCD传感器摄取检测图像并转化为数字信号，再利用先进的计算机硬件与软件技术对数字图像信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图像的特征值，并由此实现模式识别等功能。然后再根据其结果显示图象，输出数据，发出指令，配合执行机构完成位置调整,信息筛选，数据统计等自动化流程。与人工视觉相