張 博，虞 波，金豐護(hù)，李作武

（中國兵器工業(yè)第五八研究所彈藥中心，四川 綿陽621000）

0 引言

穿甲燃燒曳光彈彈頭內(nèi)的曳光鋼芯是該彈種的關(guān)重部件，鋼芯內(nèi)裝壓曳光劑作為整個(gè)穿甲燃燒曳光彈裝配生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，顯得異常重要。但現(xiàn)工廠的鋼芯裝壓曳光劑生產(chǎn)一直采用人工輔以簡(jiǎn)易設(shè)備的落后生產(chǎn)方式。生產(chǎn)中混合式藥劑由于被多次擠壓，最終無法保證藥面深度和壓藥密度，從而降低了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能；而另一方面，由于曳光劑混合式藥劑敏感程度較高，在壓藥過程中易發(fā)生壓燃甚至更嚴(yán)重事故，造成人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。

通過大口徑鋼芯全自動(dòng)裝壓曳光劑小群模技術(shù)研究，設(shè)計(jì)了一條穿甲燃燒曳光彈鋼芯全自動(dòng)裝壓曳光劑生產(chǎn)線，其具備安全、自動(dòng)、穩(wěn)定和高效等特點(diǎn)，并提高鋼芯裝壓藥生產(chǎn)的自動(dòng)化程度；徹底實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離并改善操作人員的工作環(huán)境。

1 工作流程和構(gòu)成

主要針對(duì)14.5／12.7mm 和0.50英寸等大口徑穿甲燃燒曳光彈鋼芯全自動(dòng)裝壓曳光劑生產(chǎn)，其工作流程如圖1所示。由主機(jī)和模具傳輸線2部分組成。其中，主機(jī)根據(jù)功能分解為：步進(jìn)機(jī)構(gòu)、上下模具機(jī)械手、鋼芯上料機(jī)、鋼芯有無檢測(cè)機(jī)、稱裝藥機(jī)、壓藥機(jī)、清理端面機(jī)、吸浮藥機(jī)、藥面深度檢測(cè)機(jī)、剔廢機(jī)構(gòu)、涂防潮劑機(jī)及下料機(jī)構(gòu)等。模具傳輸線分解為上模具傳輸線、下模具傳輸線，鋼芯壓曳光劑機(jī)示意圖如圖2所示。

圖1 鋼芯壓曳光劑機(jī)工藝流程

圖2 鋼芯壓曳光劑機(jī)

裝配機(jī)采用基于HMI-PLC平臺(tái)的控制系統(tǒng)，采用集中控制方式完成各專機(jī)并行動(dòng)作控制、全線地協(xié)同控制和人機(jī)交互控制，實(shí)現(xiàn)鋼芯的自動(dòng)裝藥、壓制到質(zhì)量檢測(cè)的全過程自動(dòng)運(yùn)行［1］。

工作原理為：其中部分工位需要人工輔助，主要包括鋼芯準(zhǔn)備、藥劑準(zhǔn)備、模具準(zhǔn)備等幾個(gè)工位。人工將鋼芯放置到鋼芯上料機(jī)的料盤上后，控制系統(tǒng)控制設(shè)備自動(dòng)將鋼芯分組并傳輸?shù)讲竭M(jìn)機(jī)構(gòu)上的下模具中，步進(jìn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋼芯步進(jìn)到每臺(tái)專用設(shè)備位置進(jìn)行裝配，包括鋼芯有無檢測(cè)、上下模具、鋼芯裝藥、鋼芯壓藥、清理端面、吸浮藥、藥面深度檢測(cè)、剔廢和涂防潮劑等工序，最后經(jīng)過下料后輸出成品，完成整個(gè)工序；模具由模具傳輸線及上下模具機(jī)械手協(xié)同完成自動(dòng)循環(huán)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度小群模定容式裝藥

鋼芯裝藥生產(chǎn)過程有著裝藥量小、精度要求高等特點(diǎn)，在振動(dòng)過程中藥劑易發(fā)生分層，裝藥量最大為0.42±10%g，最小僅為0.15±7%g，因此只能采用特制微量計(jì)量板定容式裝藥。在鋼芯小群模定容式振動(dòng)裝藥過程中，首先應(yīng)當(dāng)確保成組產(chǎn)品所裝藥量基本一致，下藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以免藥粉受振結(jié)拱堵塞出料口。同時(shí)，在控制方式上優(yōu)化，對(duì)影響裝藥量和精度的多個(gè)關(guān)鍵因素（諸如料斗內(nèi)藥量、振蕩頻率、振蕩幅度和振蕩時(shí)間）進(jìn)行綜合分析，通過整體誤差分析，使振動(dòng)變量（頻率、幅度和時(shí)間）跟蹤藥量變化，并合理調(diào)度補(bǔ)藥以滿足振動(dòng)最低限度需求。

此外，料斗采用減壓板來保證計(jì)量板開孔上方密度變化的均勻性，合理調(diào)度補(bǔ)藥以保證料斗內(nèi)藥料維持在一定高度范圍內(nèi)，皆為有效確保裝藥精度的措施。經(jīng)過小批量自動(dòng)直接裝曳光劑的生產(chǎn)，證明裝藥量的控制是可行的，保證了裝藥鋼芯的裝藥密度。

2.2 小群模壓藥壓力平衡

鋼芯自動(dòng)壓藥生產(chǎn)過程有著壓力精度要求高、生產(chǎn)效率較低等特點(diǎn)，由于半成品自身機(jī)加各尺寸（諸如內(nèi)孔深度、內(nèi)孔直徑、尖部錐度等）一致性不佳，導(dǎo)致鋼芯成組壓藥時(shí)易產(chǎn)生外徑尺寸增大、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。因此，成組鋼芯壓藥生產(chǎn)最重要的是在保證多發(fā)產(chǎn)品受力的一致性和壓力精度。對(duì)整個(gè)壓藥過程的受力和整體誤差進(jìn)行了分析，首先從控制算法和方式上保證壓力的精度，然后從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使多發(fā)壓力基本達(dá)到平衡。通過采用壓力匹配器對(duì)其進(jìn)行平衡，以克服誤差造成的壓力影響，避免鋼芯在壓藥過程中變形發(fā)脹。

鋼芯自動(dòng)壓藥的生產(chǎn)，最重要的參數(shù)就是藥面深度和壓藥密度。由于藥粉在壓合過程中產(chǎn)生塑性變形易發(fā)生燃爆，要具有防爆性能，只能采用氣液伺服。但氣液伺服可控性比直流DC伺服和交流AC伺服差，特別是在動(dòng)態(tài)性能和位置重復(fù)精度等方面更差，易產(chǎn)生振蕩和大的超調(diào)。為了達(dá)到壓藥密度和壓藥深度的要求，必須保證壓藥的壓力，采用全閉環(huán)全數(shù)字氣液伺服技術(shù)和采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，并對(duì)壓合過程中壓力實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

2.3 新涂防潮劑方式

針對(duì)以前項(xiàng)目中出現(xiàn)的防潮劑易干堵塞噴槍的現(xiàn)象，采用用涂防潮劑桿蘸膠點(diǎn)涂方式。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備因故障暫?；蛭锪鬟^程中，涂防潮劑桿浸于膠盒的膠液中，保證桿頭膠液不干。

2.4 裝配機(jī)各單元節(jié)拍最優(yōu)配置

自動(dòng)裝配線在設(shè)計(jì)過程中存在著許多矛盾，特別是各個(gè)工序的運(yùn)動(dòng)部件之間的相互關(guān)系、動(dòng)作順序和動(dòng)作時(shí)間等等。繪制工作時(shí)序圖是解決這些矛盾的重要途徑。裝配線的工作時(shí)序圖如圖3所示。T為裝配線的一個(gè)完整循環(huán)周期，即一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍；t1為物流時(shí)間，步進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn)過程時(shí)間，小于1.5s；t2為專機(jī)最大工作時(shí)間，指經(jīng)過動(dòng)作優(yōu)化后，與步進(jìn)機(jī)構(gòu)下降、后退過程屬于串行工作過程的最大時(shí)間。

圖3 鋼芯壓曳光劑機(jī)工作時(shí)序

根據(jù)50發(fā)／min的設(shè)計(jì)節(jié)拍要求，在設(shè)計(jì)方案采用8發(fā)／組的前提下，每個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍T（1組）約為9s，則要求專機(jī)的最大工作時(shí)間t2不大于6.5s（T－Tt）。

鋼芯壓曳光劑生產(chǎn)線的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)分析，下上模具機(jī)械手、下料、剔廢機(jī)構(gòu)的工序較多，而壓藥機(jī)有保壓時(shí)間，單機(jī)生產(chǎn)節(jié)拍最長(zhǎng)。

下上模具機(jī)械手由抓取上模具2s，移動(dòng)上模具至放上模具位置、移動(dòng)檢測(cè)板至鋼芯上方1.5s，放上模具、檢測(cè)鋼芯是否斷裂1.5s，機(jī)械手及檢測(cè)板回位1s，該專機(jī)的最大工作時(shí)間T2不大于6s，小于6.5s的設(shè)計(jì)指標(biāo)上限。

下料剔廢機(jī)構(gòu)由模具擋停升降1.5s，鋼芯頂出進(jìn)入產(chǎn)品轉(zhuǎn)移板2s，產(chǎn)品轉(zhuǎn)移板移至下料位置1.5 s，下料1s，產(chǎn)品轉(zhuǎn)移板回位1s，剔廢、下料可與產(chǎn)品轉(zhuǎn)移板回位、模具擋停升降、鋼芯頂出進(jìn)入產(chǎn)品轉(zhuǎn)移板并行，故該專機(jī)單獨(dú)工作時(shí)間t2不大于5s，小于6.5s的設(shè)計(jì)指標(biāo)上限。

壓藥機(jī)選用壓制速度較高的氣液增力缸作為壓力輸出設(shè)備，其快速行程（往返）所需時(shí)間不大于2.5s，壓制時(shí)間達(dá)4s，滿足最大3s的保壓時(shí)間。

2.5 防爆防靜電安全技術(shù)

裝配機(jī)在生產(chǎn)中會(huì)使用曳光藥劑、過渡藥劑以及引燃藥劑等多種藥劑。靜電放電或靜電場(chǎng)作用導(dǎo)致燃燒、爆炸、損壞電子設(shè)備、妨礙生產(chǎn)和通訊、影響產(chǎn)品質(zhì)量及靜電電擊造成的事故。為了達(dá)到鋼芯壓曳光劑機(jī)的防爆、防燃等級(jí)（dⅡBT4級(jí)）和靜電危險(xiǎn)場(chǎng)所相關(guān)等級(jí)要求，對(duì)靜電危害、靜電危險(xiǎn)環(huán)境和最小引燃能量進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防靜電和防爆安全技術(shù)研究。保證最高表面溫度不超過該環(huán)境內(nèi)爆炸危險(xiǎn)物質(zhì)的引燃溫度。生產(chǎn)過程中所裝藥劑為由基本曳光劑、傳火過渡劑和引燃劑組成，3次壓藥過程中都有壓燃的可能性。但最危險(xiǎn)的是第3次壓藥，此時(shí)鋼芯內(nèi)藥量最大且藥劑敏感程度高。

2.6 物流技術(shù)

物流系統(tǒng)是設(shè)備的重要組成部分，它承擔(dān)設(shè)備的鋼芯和上下模具進(jìn)行安全、可靠的上下料、傳輸和分揀，因而對(duì)物流系統(tǒng)的傳輸速率和安全技術(shù)進(jìn)行研究。物流系統(tǒng)由步進(jìn)機(jī)構(gòu)、上鋼芯機(jī)構(gòu)和上下模具傳輸線等組成。

2.7 信息集成技術(shù)

信息集成技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容是，人機(jī)交互，實(shí)時(shí)工況監(jiān)視和故障自診斷。采用HMI＋PLC構(gòu)建2層結(jié)構(gòu)控制平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的控制，基于觸摸屏的HMI界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能和實(shí)時(shí)工況監(jiān)視功能；基于PLC的現(xiàn)場(chǎng)控制層完成對(duì)全線所有自動(dòng)機(jī)械并行工作控制、各專機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制和各專機(jī)的智能診斷。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 小群模成組式壓力匹配平衡技術(shù)

鋼芯自動(dòng)壓藥生產(chǎn)壓力精度要求高，而半成品自身機(jī)加一致性差（諸如內(nèi)孔深度、內(nèi)孔直徑、尖部錐度等），從而導(dǎo)致鋼芯成組壓藥時(shí)易產(chǎn)生外徑尺寸增大、產(chǎn)品質(zhì)量下降等問題。在小群模成組鋼芯壓藥生產(chǎn)中最重要的就是保證多發(fā)產(chǎn)品受力的一致性和壓力精度，因此對(duì)小群模成組壓藥過程的受力和誤差整體進(jìn)行了研究，然后從控制算法和方式上保證壓力的精度，并從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)采用壓力匹配設(shè)計(jì)，使多發(fā)壓力基本達(dá)到平衡。

采用液壓壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)通過壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中的大小油缸的組合和連接，按照液壓平衡原理對(duì)小群模成組鋼芯壓藥過程中由于產(chǎn)品一致性和裝藥量所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以克服由于誤差造成的壓力影響，避免鋼芯在壓藥過程中變形發(fā)脹。在壓力匹配同時(shí)采用全閉環(huán)全數(shù)字氣液伺服技術(shù)和采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，并對(duì)壓合過程中壓力實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

3.2 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的脈沖發(fā)生器自排氣控制

由于生產(chǎn)線工藝要求裝藥量精度較高且誤差范圍較小，一般防爆電子秤無法滿足精度要求；而高精度電子秤又無法滿足惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，稱量精度和準(zhǔn)確性易受各種因素干擾和影響，群模式的布局方式也難以實(shí)現(xiàn)，因此4次裝藥都采用計(jì)量板定容裝藥法。為了確保計(jì)量板定容裝藥法裝藥的精度，對(duì)料斗和計(jì)量板采用振動(dòng)法，控制振蕩頻率、振蕩幅度和振蕩時(shí)間，使計(jì)量板內(nèi)的藥料密度均勻和在放料時(shí)不產(chǎn)生遺留。

而由脈沖發(fā)生器、氣動(dòng)膜片缸以及振動(dòng)機(jī)構(gòu)等所組成的振動(dòng)裝藥機(jī)構(gòu)作為小群模裝藥機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能對(duì)整個(gè)裝藥過程和裝藥精度都有著至關(guān)重要的影響。由于藥劑流散性和精度等問題要求振動(dòng)頻率較高，脈沖發(fā)生器在頻繁換向振動(dòng)后，會(huì)在與氣動(dòng)膜片缸之間存在一定殘留氣壓，導(dǎo)致氣動(dòng)膜片缸無法起振，最終導(dǎo)致無法裝藥或裝藥精度受到影響。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)振動(dòng)裝藥過程中脈沖發(fā)生器自排氣過程的控制，使得脈沖發(fā)生器在殘留氣壓未造成管路堵塞前便能夠自動(dòng)將氣體排出，以保證裝藥精度。

3.3 小群模壓藥壓力精度控制和自調(diào)整技術(shù)

為了保證壓藥過程的安全問題，采用了全閉環(huán)全數(shù)字氣液伺服技術(shù)，但氣液伺服可控性較差，特別是在動(dòng)態(tài)性能和位置重復(fù)精度等方面則更差。所以為了達(dá)到壓藥密度和藥面深度的要求，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和參考模型的混合結(jié)構(gòu)對(duì)壓藥壓力進(jìn)行控制［2］。采用這種混合結(jié)構(gòu)，形成互補(bǔ)，能很好地控制的穩(wěn)定性和收斂性，能很好地控制壓藥壓力的穩(wěn)定性和收斂性，解決了壓藥壓力精度和生產(chǎn)節(jié)拍之間的矛盾。

生產(chǎn)線為了滿足要求，達(dá)到高效特點(diǎn)，一改過去單發(fā)單壓的生產(chǎn)方式，創(chuàng)新采用小群模的壓藥方式（即一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)每次壓藥8發(fā)產(chǎn)品）。但實(shí)際生產(chǎn)過程中由于產(chǎn)品自身機(jī)加各尺寸（諸如內(nèi)孔深度、內(nèi)孔直徑和尖部錐度等）一致性較差和藥劑顆粒均勻程度較差等原因，從而導(dǎo)致壓藥過程中8發(fā)產(chǎn)品受力不均，以致產(chǎn)品外徑尺寸發(fā)脹變形，甚至出現(xiàn)斷裂和燃燒等嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全的問題。因此，在對(duì)整個(gè)壓藥過程的受力分析和整體誤差分析后，決定從機(jī)械和控制兩方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。采用壓力匹配器，在一定程度上改善了壓藥過程中壓力的分配問題，使8發(fā)產(chǎn)品所受壓力基本達(dá)到平衡。

4 結(jié)束語

小群模式全自動(dòng)直接裝壓藥生產(chǎn)工藝，有效地保證了相關(guān)彈種的生產(chǎn)，確保了產(chǎn)品的質(zhì)量，使其能夠穩(wěn)定、大批量的生產(chǎn)以裝備部隊(duì)。且全自動(dòng)化的生產(chǎn)過程提高了生產(chǎn)效率，多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的研制應(yīng)用成功的確保了全線長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性和可靠性，小群模式的生產(chǎn)方式和先進(jìn)高速的物流系統(tǒng)保證了生產(chǎn)率，完全滿足武器裝備現(xiàn)代化和戰(zhàn)時(shí)動(dòng)員的需要。而全線系統(tǒng)最優(yōu)配置，合理地配置了生產(chǎn)資源，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提升了該彈種的生產(chǎn)能力。

［1］ 朱全松，虞波.某槍彈自動(dòng)柔性裝配生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)［C］／／2012年度技術(shù)交流會(huì)論文集，2012，119-121.

［2］ 徐亮.基于PLC的沖擊力控制系統(tǒng)［J］.兵工自動(dòng)化，2013（4）：62-64.