管道清洗机器人毕业论文

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 temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and cant be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an i

2、mpact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which cant meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent.Robot and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens l

3、aboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic benefit in enhancing battle effectiveness of the army. Key words： bore cleaning； robot；single chip microcomputer；automationI摘要IAbstractII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31.2.1管道机器人的研究现状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82.2.2自适应机构设计9

4、2.3擦洗功能模块设计112.3.1炮膛擦洗过程分析与研究112.3.2轴向往复式擦洗头设计112.4控制功能模块设计132.4.1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传动机构设计153.1.2连接件设计163.2擦洗功能模块的设计183.2.1旋转式清洗头设计183.3控制系统的设计183.3.1主控制芯片193.3.2 ATmega128介绍203.3.3电机控制技术213.4最小系统电路设计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243.5.2键盘电路253.5.3蜂鸣器电路253.5.4串口通信模块263.6电机控制电路设计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34IV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

5、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l。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

6、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、

7、擦拭体及驱动机构等，驱动电机轴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，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

8、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24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

9、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。与人工视觉相比较，机器视觉的最大优点是精确、快速、可靠，以及数字化。机器视觉涉及图像处理技术、模式识别和人工智能技术、计算机技术等多个领域，这些领域的迅速发展有力的促进了机器视觉技术的进步。数字图像处理技术和模式识别技术是机器视觉的重要组成。自数字计算机问世以来，数字图像处理技术和模式识别技术经过多年的发展和完善，得到了长足的进步和空前的发展，在工程应用上引起了人们极大的重视。图像处理技术包括图像处理和图像分析两个方面。模式识别技术是指用计算机实现人的模式识别能力，其作用和目的是根据某一具体事件的特征，将其正确地归入某一类别。目前机器视觉技术在医疗诊断、各类自动检测与控制、智能机器人等方面得到广泛应用，取得了巨大的经济和社会效益。1.2国内外管道机器人的研究现状和发展方向1.2.1管道机器人的研究现状当前，管道的检测和维护工作多采用管道机器人来完成。管道机器人是一种可沿管道内壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器以及操作装置(CCD传感器、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等)，通过操作人员的控制来进行一系列的管道检测和维修作业。一个完整的管道机器人系统，应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成，其中移动载体是管道检测移动机器人的核心部分。管道检测机器人的工作空间是复杂、封

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