張弦弦，朱全松

(中國兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽 621000)

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基于柔性制造理論火工品小群模自動裝配生產(chǎn)線的實現(xiàn)

張弦弦，朱全松

(中國兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽 621000)

摘要：針對目前國內(nèi)火工品生產(chǎn)廠家在火工品裝配過程中，存在生產(chǎn)線專用性強，生產(chǎn)線和產(chǎn)品生產(chǎn)都是一對一的方式，造成了生產(chǎn)線利用率低下，場地占用率高、同時當產(chǎn)品改進或淘汰后，生產(chǎn)線再利用較難，不適應現(xiàn)階段武器裝備制造多品種、小批量的生產(chǎn)模式等生產(chǎn)現(xiàn)狀的問題。進行分析論證、總結(jié)出了一種可以實現(xiàn)多種火工品生產(chǎn)柔性化裝配生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過工裝模具快速更換、裝藥精度、壓藥壓力快速調(diào)整以及設備布局快速切換等方法來實現(xiàn)多品種、小批量的火工品自動化裝配生產(chǎn)線，填補了國內(nèi)空白，提高了我國火工品的裝藥裝配水平。

關鍵詞：柔性制造；火工品裝配；排列組合生產(chǎn)模式

1國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

火工品，素有“熱兵器心臟”之稱。正因為如此，世界各國都高度重視火工品的科研生產(chǎn)及制造技術的改進。

國內(nèi)的火工品生產(chǎn)技術來源于原蘇聯(lián)，大多采用手工與獨立設備混合生產(chǎn)模式，從20世紀80年代開始，國內(nèi)火工品生產(chǎn)開始不斷進行技術革新，取得了一定成果，部分生產(chǎn)工藝及裝備得到了較大改善，安全性及生產(chǎn)效率有了一定提高，但生產(chǎn)線專用性強，生產(chǎn)線和產(chǎn)品生產(chǎn)都是一對一的方式，造成了生產(chǎn)線利用率低下，場地占用率高。當產(chǎn)品改進或淘汰后，生產(chǎn)線再利用較難。不適應現(xiàn)階段武器裝備制造多品種、小批量的生產(chǎn)模式。同時，我國目前火工品裝配整體水平不高，主要還是采用簡單機械并輔以人工的生產(chǎn)方式，存在較大的安全隱患。

國外(如歐美等發(fā)達國家)的火工品生產(chǎn)線一般都是能適應多種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，柔性化程度高，只需要更換相應的模具和修改對應的參數(shù)就可實現(xiàn)產(chǎn)品的切換。這樣的好處不僅減少生產(chǎn)場地，節(jié)約了大量的資金，更重要的是由于場地和設備的減少，同時操作人員大大減少從而導致了安全隱患的減少。

通過國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀對比，不難發(fā)現(xiàn)，我國火工品生產(chǎn)線設計理念和技術水平同世界發(fā)達國家均存在不少差距，主要問題還是設計理念相對落后，缺乏柔性制造理論。

2必要性分析

針對當前國內(nèi)火工品裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)方式單一，產(chǎn)品適應率低下、場地占用率高、人員操作密集、危險隱患多等問題，以及現(xiàn)在火工品主要以小批量、多品種生產(chǎn)方式，因此在火工品制造中采用柔性化制造方式是必然的，原來的單一化生產(chǎn)模式已不再適應當前復雜的生產(chǎn)方式需要，通過表1，可以明顯看出柔性化自動生產(chǎn)線相對原有的單一化生產(chǎn)線的優(yōu)勢。

表1　新老火工品生產(chǎn)線對比分析

3柔性化制造需求分析

雖然火工品種類繁多，但是其裝配工藝基本大同小異，主要包括裝藥、壓藥、收口、退出等關鍵工序，以某針刺火帽為例，主要流程如圖1所示。

圖1　某火帽裝配工藝流程

通過圖1火帽的裝配工藝流程可以看出，不同火工品裝配的區(qū)別主要在以下方面：

1) 工裝、模具尺寸不一致；

2) 裝藥量及藥劑物理特性有區(qū)別；

3) 壓藥、收口力有區(qū)別；

4) 裝壓藥工序不同。

上述4點為火工品制造的主要區(qū)別，所以要實現(xiàn)火工品柔性制造，生產(chǎn)線必須要能夠?qū)崿F(xiàn)工裝模具快速方便更換、裝藥量及壓藥壓力可以自由調(diào)節(jié)、并且生產(chǎn)線設備可以根據(jù)不同產(chǎn)品的實際生產(chǎn)工藝過程進行動態(tài)組合的功能。

4實施方式

4.1工裝模具快速更換

通過對火工品裝配工藝流程和工藝參數(shù)的分析，設計出采用同一生產(chǎn)平臺，通過更換工裝和控制程序、更改工藝參數(shù)，實現(xiàn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性化火工品自動裝配柔性生產(chǎn)線，從根本上解決了當前火工品裝配制造過程中多品種、小批量生產(chǎn)模式問題。

4.2裝藥藥量調(diào)整

a) 群模式裝藥

對于流散性好、密度均勻的藥劑一般采用群模式計量板定容式裝藥，對于不同的裝藥量可以通過更換計量板來實現(xiàn)裝藥量的調(diào)整，如圖2所示。

圖2　群模稱裝藥機機械結(jié)構(gòu)原理圖

設備由裝藥料斗、振動機構(gòu)、計量板加藥機構(gòu)等組成。工作時首先裝有工件的模板傳輸?shù)皆摴の?，計量板加藥機構(gòu)中的計量板動作，完成加藥。

振動機構(gòu)在計量板裝藥和放藥時振動輔助藥劑流動；裝藥料斗中存藥量控制在安全規(guī)定藥量范圍內(nèi)，一般不超過200g，并設置有藥量檢測機構(gòu)實時檢測藥劑消耗量。當料斗內(nèi)藥劑存量低于下限時，設備自動通知操作人員進行藥劑增補。補藥時，人工將藥杯放置于抗爆間內(nèi)的補藥平臺上。啟動補藥動作，隔爆門自動關閉，稱裝藥上方的多自由度自動補藥機械手動作夾持住藥杯完成補藥。

b) 單發(fā)裝藥模式

對于流散性差、敏感度高的火工藥劑，在裝藥過程中一般都是采用勺型裝藥的方式進行裝藥，勺型裝藥機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—防爆步進機構(gòu)；2—加藥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；3—藥勺擺動機構(gòu)；4—藥勺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；5—盛藥碗；6—藥碗旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；7—刮藥機構(gòu)圖3　勺型裝藥機結(jié)構(gòu)原理圖

工作原理及過程如下：藥碗旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動藥碗作勻速轉(zhuǎn)動，其目的是防止藥勺在舀藥時劃出藥坑，影響加藥。藥勺擺動機構(gòu)帶動藥勺進行舀藥，刮藥機構(gòu)將藥勺表面的浮藥刮掉，確保藥劑計量準確。然后加藥旋轉(zhuǎn)機構(gòu)動作帶動藥勺運動到模具上方，藥勺旋轉(zhuǎn)機構(gòu)動作帶動藥勺翻轉(zhuǎn)，將藥劑倒入模具，完成加藥。對于不同產(chǎn)品生產(chǎn)，可通過更換藥勺來實現(xiàn)裝藥藥量的調(diào)整。

4.3壓藥壓力、收口力調(diào)整

在火工品制造過程中，壓藥和收口設備結(jié)構(gòu)和原理大致相同，只是對應的模具不同。

a) 群模式壓藥、收口機構(gòu)設計

對于壓藥精度要求相對低的群模式壓藥，一般采用群模式壓機，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　群模壓藥機原理圖

設備由機架、壓頭、升降機構(gòu)、氣液增力缸、壓力分配器等組成。工作時首先裝有工件的模板傳送到位，氣液增力缸動作驅(qū)動升降機構(gòu)下降，壓頭分別進入工件內(nèi)腔壓藥并保壓。壓力傳感器進行壓力值實時采集，控制系統(tǒng)對壓力進行開、閉環(huán)結(jié)合控制，確保整體壓力一致性。多個壓頭與升降機構(gòu)之間有壓力分配機構(gòu)，可以均衡多個壓頭的壓力。

b) 單發(fā)壓藥、收口機構(gòu)設計

對于壓藥收口精度要求高的火工品裝配，為了達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，并對壓合過程中的壓力實現(xiàn)在線實時檢測和控制。其硬件原理框圖如圖5所示。

圖5　伺服位移和壓力控制器原理框圖

由圖5可知，全閉環(huán)全數(shù)字液壓伺服系統(tǒng)是由執(zhí)行元件液壓缸、本安型油壓傳感器、D/A轉(zhuǎn)換接口和A/D轉(zhuǎn)換接口組成。其壓力控制框圖如圖6示。

圖6　全閉環(huán)全數(shù)字壓力控制框圖

由圖6可知，通過對輸出壓力值的設定，可以實現(xiàn)壓力的精確控制，從而實現(xiàn)對不同產(chǎn)品的壓藥收口。

4.4設備智能動態(tài)組合

不同的火工品裝配除了裝藥藥量、壓藥壓力等工藝參數(shù)不同外，裝配的工序也不盡相同。對于不同工序火工品的裝配生產(chǎn)，通過將生產(chǎn)線設備進行自由組合，以及通過人機界面設定設備工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)不同工序火工品之間裝配生產(chǎn)。圖7是以5裝5壓火工品裝配生產(chǎn)線為例，說明設備智能動態(tài)組合的優(yōu)越性。

圖7某火工品裝壓藥流程

通過圖7可以看出，通過參數(shù)設置，生產(chǎn)線可以實現(xiàn)所有裝壓藥工序≤5的火工品生產(chǎn)，上述設備通過排列組合計算，一共有

種排列組合方式。

根據(jù)生產(chǎn)的工藝與環(huán)境和實際生產(chǎn)的需要，每臺單機均采用獨立的控制系統(tǒng)以及物流傳輸系統(tǒng)，同時提供相應的數(shù)據(jù)IO接口，生產(chǎn)線中的單機可實現(xiàn)單臺生產(chǎn)和多臺自由組合生產(chǎn)，以實現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需要?？刂平Y(jié)構(gòu)原理圖如圖8所示。

圖8　單機控制原理圖

為了適應小批量多品種生產(chǎn)的現(xiàn)狀，更換不同的產(chǎn)品進行生產(chǎn)時，由于工藝規(guī)定的不同，必須對設備不同的組合或者是單臺設備進行生產(chǎn)。當重新組合專機搭建新的生產(chǎn)線的時候，必須要考慮各個專機的生產(chǎn)一致性和協(xié)調(diào)性，首先要對每臺單機的工作時間進行統(tǒng)計，將工作時間最長的單機作為系統(tǒng)基準節(jié)拍時間，其他單機工作時間作出相應的補償，其原理圖如圖9所示。

由于生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式是流水生產(chǎn)模式，當生產(chǎn)線上的某臺單機發(fā)生故障的時候，必須及時通知故障單機前面所有單機停止生產(chǎn)，以避免生產(chǎn)線上的在制品的積壓如圖10所示。

圖9　單機節(jié)拍補償原理圖

圖10　系統(tǒng)故障處理流程圖

所以每臺專機在設計控制系統(tǒng)時，必須要考慮同其他專機的數(shù)據(jù)接口，以保證專機之間的數(shù)據(jù)通訊，其原理如圖11所示。

圖11　單機數(shù)據(jù)交換

為保證生產(chǎn)線每臺設備都可以單獨進行使用，生產(chǎn)線每臺單機分別采用獨立的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC觸摸屏方式，其本機自帶的開入、開出點，配以模入輸出模塊，負責對現(xiàn)場儀表信號的采集和執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行，并將生產(chǎn)狀態(tài)反饋回人機界面?？刂破靼惭b在各專機的防爆控制盒內(nèi)，通過操作操作面板上的按鈕實現(xiàn)對各專機的控制，這樣的裝配方式實現(xiàn)了機械設備和控制系統(tǒng)集成在一起，便于設備的運輸和搬運，避免設備移位時需要重復接線。

人機交互界面包括控制柜面板和手動操作盒?？刂泼姘迳嫌杏|摸屏、電源開關、模式選擇旋鈕、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕、報警指示燈、運行指示燈、停止指示燈、電源指示燈等，方便現(xiàn)場人員對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。手動操作盒上有啟動按鈕和停止按鈕，方便人工移動調(diào)試。模式選擇旋鈕有兩個狀態(tài)選擇：調(diào)試和生產(chǎn)。當選擇在調(diào)試位置時，系統(tǒng)不進行上料有無彈殼的判斷，直接連續(xù)運轉(zhuǎn)，也可以進行點動和單次操作。當選擇在生產(chǎn)位置時，系統(tǒng)按照工藝要求進行不合格品剔除和生產(chǎn)條件監(jiān)控、故障停機。

現(xiàn)場傳感器、氣缸和電機等輸入輸出信號通過控制器本機I/O點和擴展I/O點連入至CPU模塊上。

5結(jié)語

通過模具快速更換、裝藥藥量自動調(diào)節(jié)、壓藥及收口力調(diào)整以及設備智能動態(tài)等方法，可以快速實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品的切換，實現(xiàn)了柔性制造，解決了目前我國火工品制造存在的生產(chǎn)線產(chǎn)品生產(chǎn)單一化、利用率低下，場地占用率高、人員密集、自動化水平落后、安全隱患大、以及當產(chǎn)品改進或淘汰后，生產(chǎn)線再進行利用較難等問題。

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Realization of Initiating Device Small Population Module Automatic Assembly

Line Based on Flexible Manufacturing Theory

ZHANG Xuan-xuan, ZHU Quan-Song

(No.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

Abstract:In initiating device assembly process of domestic initiating device factory, the assembling line is only used for one product, so its production efficiency is low and its land occupation area is large. When the product is improved or eliminated, this line is hard to be reused for multi-types manufacturing and small batch production mode. so the flexible assembly line is designed to realize multi-types manufacturing and small batch production by fast replacing module, adjusting charging precision and pressure and changing over the layout. The assembly line is advanced in domestic market and can be used to improve domestic assembly efficiency.

Keywords:flexible manufacturing; initiating device assembling; arrangement and combination production mode

收稿日期：2014-03-24

中圖分類號：TH165

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0168-04

作者簡介：張弦弦(1980-)，女，四川綿陽人，工程師，工學學士，主要從事軍工數(shù)字化技術研究。