劉 洋，徐志剛，郭立新,劉 哲，尹 猛

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一種新型多工位分步自動裝壓藥系統(tǒng)設(shè)計

劉 洋1,2，徐志剛2，郭立新1,劉 哲1,2，尹 猛2

(1.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽，110819；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽，110179)

為解決火工品壓藥過程中勞動強度大、生產(chǎn)不安全、生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計了可針對多產(chǎn)品型號的一種新型多工位分布自動裝壓藥系統(tǒng)，詳細闡述其系統(tǒng)流程、結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計過程和控制系統(tǒng)，為全自動連續(xù)循環(huán)裝壓藥生產(chǎn)提供了一種新思路。

火工品；裝壓藥設(shè)備；自動化；生產(chǎn)；安全

火工品在是導彈中不可缺少的重要零件，如果火工品出現(xiàn)質(zhì)量問題會造成巨大的經(jīng)濟損失。壓藥作為火工品生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的工藝之一，是保證火工品質(zhì)量、可靠性的關(guān)鍵因素[1]。目前，國內(nèi)火工品生產(chǎn)的自動化程度低，仍有很多采用手工作業(yè)。壓藥壓力、加壓速度等重要的工藝參數(shù)受人為因素影響較大，難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性[2-3]。

現(xiàn)在我國對于產(chǎn)品安全生產(chǎn)提出了更高的要求，對于如何提高火工品壓藥過程的自動化程度早已成為了一個熱點課題。為了提高壓藥設(shè)備的自動化程度，筆者設(shè)計了安全性和生產(chǎn)效率更高的一種自動裝壓藥設(shè)備，滿足了實際生產(chǎn)要求，并已成功使用。

1 自動裝壓藥系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)實際要求，對火工品生產(chǎn)流程進行分析，確定的系統(tǒng)流程如圖1所示。

全自動裝壓藥設(shè)備主要由自動稱藥單元、自動上下料單元、自動裝藥單元、自動壓藥單元、監(jiān)視系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。設(shè)備的設(shè)計和制造從總體進行綜合考慮和平衡，應(yīng)做到工藝布局合理，使用可靠、安全，能滿足產(chǎn)品工藝要求。為了安全性考慮，設(shè)備中有相對運動的機構(gòu)和零件，全部采用黑色金屬與有色金屬的搭配，以提高耐磨性及避免產(chǎn)生火花，所有的現(xiàn)場設(shè)備采取防靜電措施。整機采用柔性化設(shè)計，更換產(chǎn)品時通過調(diào)用程序和對上下模具進行調(diào)整更換即可滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)需要。設(shè)備具有良好的人機交互界面，可根據(jù)需要進行參數(shù)設(shè)定、故障診斷和自檢功能?？刂葡到y(tǒng)除能根據(jù)工藝流程完成各工序的全線聯(lián)動外，還能對各工序進行手動或點動控制。設(shè)備出現(xiàn)故障時，具有回原點功能。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖 1 系統(tǒng)流程圖

圖2 自動裝壓藥系統(tǒng)布局圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵單元設(shè)計

2.1 自動稱藥單元

自動稱藥單元在裝藥間，裝藥后，人工將藥盒裝在傳輸小車上。該單元包括真空輸送機、藥粒粗稱裝置、人工復(fù)檢轉(zhuǎn)盤。由于藥粒稱量精度要求較高（高于萬分之五），全自動化稱量技術(shù)很難保證精度和效率，所以該專機采用自動粗稱、人工復(fù)檢、自動加注的工作模式，其設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 稱藥機

藥粒稱量裝置由架體、料斗、定量斗、氣動插板和漏料軌道組成。粗稱采用容積法[4]，料斗的料每次裝滿定量斗后上層氣動插板關(guān)閉分割料斗和定量斗，使定量斗里的藥粒體積固定（略小于每次所需藥量），下層氣動插板打開，藥粒沿軌道漏下至復(fù)檢裝盤上的空料盒。復(fù)檢轉(zhuǎn)盤共有3個工位，每個工位均放置可脫離式料盒。第1個工位為接料位，空料盒在此接滿從粗稱裝置漏料軌道上下落的藥粒；第2個工位為復(fù)檢工位，此工位的高精度電子天平上升將料盒頂起，人工根據(jù)天平讀數(shù)添加藥粒至合格；第3個工位為加料工位，料盒下方的插板打開，藥粒沿軌道被加注在托盤上的藥桶內(nèi)。定量斗可以根據(jù)不同產(chǎn)品所需藥量的不同而更換。

2.2 自動上下料單元

自動上下料單元由手推車、氣動平衡吊、換位軌道、傳輸軌道、傳輸小車、驅(qū)動氣缸組成，其組成如圖4所示。

圖 4 自動上下料單元

圖4中換位導軌可與軌道對接，其作用主要是防止操作人員在工作時正對防爆窗。傳輸小車中有可更換夾具，適用于不同型號的彈體，小車承載能力不小于50kg。托盤通過導桿懸掛在小車中，可沿導桿在豎直方向運動，托盤對彈體有精確定位。藥盒在傳輸小車上有定位銷，以便固定藥盒。傳輸小車結(jié)構(gòu)如圖5所示。運彈小車有3個工位：壓藥位、裝藥位和人工操作位，裝藥位包含擦導套的工位。傳輸小車的驅(qū)動元件安裝在傳輸軌道上，各工作位置由兩個串聯(lián)的氣缸（行程分別為1 200mm和1 600mm）驅(qū)動進行切換。

圖5 傳輸小車

2.3 自動裝藥單元

自動裝藥單元由換位料斗、自動擦套裝置、自動加藥裝置組成。換位料斗和擦導套裝置同時安裝在可Y向移動的基板上。自動擦導套裝置用于每次壓藥后對漏斗口的殘藥進行清理。工作時應(yīng)定期對毛刷進行人工清理。擦導套的工裝可根據(jù)產(chǎn)品不同進行更換。該工裝有直線運動和旋轉(zhuǎn)運動兩個自由度組成，其驅(qū)動由氣缸和電機組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自動擦導套裝置

擦導套裝置工作原理：每次壓藥完成，小車到達擦導套位，擦導套單元工作。首先對導套進行定位，用氣缸壓住導套，既可防轉(zhuǎn)也可防止在擦頭提升時導套會受影響。然后升降氣缸運動下降到位，通過擺動運動對導套進行清理，清理結(jié)束后擦頭返回初始位置。擦頭采用圓柱形結(jié)構(gòu)，工作時末端保持在導套以外，以免清擦過程中可能會有異物掉入導套中。

根據(jù)工藝要求，彈體要最多進行4次壓藥。加藥裝置用于每次壓藥后，按順序向彈體中加藥，準備下一次壓藥。加藥裝置橫跨在傳輸系統(tǒng)上方，使用型材焊接，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證了與傳輸小車結(jié)合時定位準確。藥盒在小車上有定位銷，加藥裝置與藥盒結(jié)合時也采用定位銷相互定位，這樣可以保證在小車出抗爆間前能準確將藥盒放回小車上的原位。每發(fā)彈體第1次到達擦導套位時，加藥裝置將小車上的藥盒抬起，藥盒后有推動氣缸可以使藥盒翻轉(zhuǎn)一定角度，使炸藥從藥盒倒入漏斗，順著漏斗口注入彈體。為了防止藥盒和漏斗中有殘留藥體，藥盒和漏斗都分別加了振動氣缸，并且藥盒內(nèi)表面光滑邊角采用圓弧過渡，藥盒材料選用1Cr18Ni9Ti。藥盒的最大單沖加藥量為1 200cm3。加藥裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 自動加藥裝置

2.4 自動壓藥單元

自動壓藥單元包括500t壓機、換沖轉(zhuǎn)盤、拔沖裝置、擦沖裝置。換沖轉(zhuǎn)盤用于選送每次壓藥所需的沖子。擦沖裝置用于清理沖子上的藥體，擦沖筒內(nèi)有彈性器件，可適應(yīng)不同長度沖子，并配有吸塵器，可進行每日的浮藥清理。換沖轉(zhuǎn)盤靠氣缸驅(qū)動，有6個工位，可放置多種針對不同產(chǎn)品的不同長度的沖子，如圖8所示。轉(zhuǎn)盤的定位原理：先依靠單邊開口的擋塊和帶彈性的擋銷定位，然后靠轉(zhuǎn)盤定位塊將轉(zhuǎn)盤鎖緊。壓藥時壓沖塊頂住沖子，同時，擦沖裝置也在工作，沖子上有十字溝槽，與防轉(zhuǎn)塊配合防止沖子隨擦頭旋轉(zhuǎn)。由于沖子與導套間隙很小，在壓入過程中導套中原有氣體排出時容易引起導套相對彈體發(fā)生向上竄動，在沖子插入導套時拔沖裝置壓緊導套，拔沖時拔沖U型塊由氣缸驅(qū)動，伸出并托住沖子，壓機滑塊上移將沖子拔出，為了測量拔沖力大小，增加6個力傳感器。

圖8 換沖轉(zhuǎn)盤

在壓藥過程中，沖子需要與導套對中，由于氣缸行程誤差為0~2mm，所以需要沖子與導套是柔性對中。本設(shè)計中掛沖工裝和沖子圓錐配合，在導向部分有一定間隙，導套內(nèi)徑有圓倒角，當壓藥時沖子接觸到導套時，沖子上竄，沖子順著導套的倒角滑入導套，當沖子和導套完全對中后沖子上端頂住壓沖塊，完成壓藥動作。在拔沖后需要在換沖轉(zhuǎn)盤上能夠快速自動回正。掛沖工裝應(yīng)選擇合理的尺寸，防止沖子在工裝上受到的水平方向約束力較小，在轉(zhuǎn)盤急起急停的過程中沖子的狀態(tài)發(fā)生改變且無法回位。因此，設(shè)計了如圖9所示的結(jié)構(gòu)。

圖9 掛沖工裝

圖9中工裝和沖頭結(jié)合圓錐面的角度為30°，可以增大沖頭受到的水平方向的約束力，并且在沖頭晃動時更容易恢復(fù)到豎直狀態(tài)。工裝和沖頭結(jié)合圓錐面的導向長度約28mm（3種型號的產(chǎn)品略有不同，但均在26~28mm），目的也是使沖頭更容易保持豎直狀態(tài)，以及產(chǎn)生晃動后迅速回位。在加工過程中保證工裝和沖頭結(jié)合圓錐面的表面粗糙度，減小它們之間的摩擦系數(shù)，使沖頭在晃動后更容易回位。安裝過程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動氣缸的節(jié)流閥，使轉(zhuǎn)盤的啟停盡量柔和，從而減小沖頭的晃動。

3 控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-300系列可編程控制器，采用315-2DP型CPU實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)處理，并且提供PROFIBUS-DP、MPI總線接口。SIMATIC S7-300可編程序控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。各單獨的模塊之間可以組合以用于擴展，抗干擾的能力強。上位機通過工控機輔以西門子組態(tài)軟件WINCC，可以輸入系統(tǒng)運行必要的參數(shù)，實時顯示系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，并提高系統(tǒng)診斷和故障排除速度，使操作者直觀地通過圖形控制監(jiān)視系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)（見圖10）通過S7-300 系列PLC控制以下幾個部分，其中主要包括油站控制單元、防爆指令單元、現(xiàn)場傳感器、步進電機驅(qū)動單元、氣缸驅(qū)動單元，同時，通過MPI總線協(xié)議與上位機之間進行數(shù)據(jù)交換。

圖10 控制系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語

本研究開發(fā)了一種新型多工位分步自動裝壓藥系統(tǒng)。原生產(chǎn)過程是人工結(jié)合壓機進行壓藥，勞動強度大，裝藥精度不高。所研制的多工位分步自動裝壓藥系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在抗爆間外一次稱量，抗爆間內(nèi)多步自動壓裝成型，可進行自動循環(huán)連續(xù)壓藥生產(chǎn)。

壓藥過程實現(xiàn)了各裝藥壓力的實時監(jiān)測與協(xié)調(diào)控制，保證壓力精度，避免壓力過大將藥劑引爆，或壓力過小而使產(chǎn)品不合格，確保了“機”的安全。壓藥實現(xiàn)了完全自動化生產(chǎn)，達到了抗爆間內(nèi)外完全人機隔離，并且選用的是防爆元器件，實現(xiàn)了“人”的安全。該分步自動壓藥系統(tǒng)在實現(xiàn)本質(zhì)安全生產(chǎn)的同時將壓藥生產(chǎn)效率提高了近兩倍，合格率達到了99%以上。

[1] 吳學易.雙向壓藥工藝在傳爆藥柱生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].火工品, 1996(4):7-12.

[2] 張學舜,畢可俊,張勝,呂仙陽.火工品壓藥設(shè)備機電一體化研究[J]. 火工品,2001(3):13-15.

[3] 裴晉平.粉體真空輸送在固體制劑生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計, 2009, 30(1): 17-21.

[4] 何川,孔淼,劉彬.傳火藥柱自動化裝壓藥設(shè)備[J].兵工自動化,2016(10):91-93.

Design on A New Type of Multi Station Automatic Filling and Pressing System for Explosive

LIU Yang1,2, XU Zhi-gang2,GUO Li-xin1,LIU Zhe1,2,YIN Meng2

（1.College of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang,110819; 2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, 110179）

In order to reduce the labor intensity and improve the safety and the efficiency of the loading process for initiating explosive device, a new type of multi station automatic filling and pressing system, which can be used for different types of products, was developed. The system structure, principle, design process and control system were described in detail. This paper provides a new idea for the automatic continuous circulation filling and pressing production for explosive.

Initiating explosive device；Filling and pressing machine；Automatic；Production；Safety

1003-1480（2017）03-0057-04

TJ450.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.015

2017-03-29

劉洋（1991 -），男，在讀碩士研究生，主要從事高端武器系統(tǒng)智能制造研究。