胡期偉，劉 暢，易小龍，李俊一，于文鵬，王 洋，李 亞，劉 童

(1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；3.湖南航智科技有限公司，湖南 長沙 410007)

固體推進劑制成的藥柱性能從根本上決定了發(fā)動機工作的使用安全性，而端面包覆是影響藥柱燃燒面及燃燒特性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)[1]。目前，主要采用手工涂刷的方式進行包覆，容易產(chǎn)生磕碰或靜電，導(dǎo)致藥柱爆燃，造成安全事故。同時，這種單發(fā)手工操作模式生產(chǎn)效率較低，且依賴操作人員技能水平和熟練程度，容易導(dǎo)致限燃層厚度均勻性不一致，產(chǎn)品質(zhì)量存在波動。

使用自動包覆技術(shù)可以實現(xiàn)固體推進劑藥柱端面的無人、自動包覆生產(chǎn)，該技術(shù)依賴于高精度的點膠技術(shù)。美國的Camlot公司等國外點膠設(shè)備供應(yīng)商可以實現(xiàn)超低粘度液體(如純水)到超高粘度膠液(錫膏等)的自動化點膠[2]。其多軸點膠設(shè)備使用了軟件標定算法對機械偏差進行補償，保證設(shè)備精度和長期穩(wěn)定性，設(shè)備定位精度可達40 μm，重復(fù)精度可達20 μm。在控制程序操作方面，國外設(shè)備在智能化方面極為領(lǐng)先，不同經(jīng)驗的人操作帶來的結(jié)果不會相差很大。國產(chǎn)三軸自動化平臺定位精度較低，同時，國內(nèi)廠商在點膠閥和點膠機器人系統(tǒng)開發(fā)方面，不具備技術(shù)優(yōu)勢[3]，不能滿足固體推進劑藥柱自動包覆生產(chǎn)的要求。

受防靜電、防爆及防火等多重安全因素制約，應(yīng)用于固體推進劑藥柱等火工品領(lǐng)域的自動點膠設(shè)備研發(fā)較為困難，國內(nèi)暫無標準型專用點膠機，近年來隨著國內(nèi)武器裝備配套任務(wù)需求的增加，急需研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動包覆系統(tǒng)。

1 藥柱端面自動包覆技術(shù)特征

固體推進劑藥柱等火工品的生產(chǎn)首先應(yīng)保證生產(chǎn)過程的安全可靠，防止藥柱爆燃危及人身安全，其次是要保證包覆重量精度，確保批次產(chǎn)品點膠重量一致性。藥柱端面自動包覆技術(shù)可用于固體推進劑藥柱兩端面涂覆膠層自動配料/供料、批量化自動包覆和刮泡，包覆前后自動稱重。其技術(shù)特征包括如下幾點。

1)現(xiàn)場無人化：操作人員對系統(tǒng)進行遠程控制，與藥柱等易燃易爆危險品完全隔離，實現(xiàn)現(xiàn)場無人化生產(chǎn)，提高本質(zhì)安全度。

2)生產(chǎn)自動化：生產(chǎn)過程中，操作人員只需要將膠液供料桶與設(shè)備連接，并進行藥柱上下料以及生產(chǎn)任務(wù)完成后點膠組件的更換清理即可。單發(fā)藥柱的轉(zhuǎn)運、點膠、刮泡以及包覆前后的稱重等一系列操作均實現(xiàn)自動化。

3)高精度：固體推進劑藥柱的自動定位及形狀識別，并精確控制和調(diào)整點膠重量及點膠速度，以適應(yīng)不同的藥柱涂覆要求，產(chǎn)品包覆點膠精度基于自動點膠精度和設(shè)備定位精度，不受人員操作水平影響，批次一致性更好。

4)高安全性：涉及固體推進劑藥柱等火工品生產(chǎn)，系統(tǒng)的安全設(shè)計是首位考慮的，一般涵蓋機械設(shè)備的安全設(shè)計、電氣防爆設(shè)計、控制系統(tǒng)安全設(shè)計及安全防護設(shè)計等4個部分，綜合考慮防靜電、防爆、防磕碰以及故障響應(yīng)等各個方面，確保設(shè)備運行穩(wěn)定，保證人員操作安全。

2 典型藥柱端面自動包覆系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

典型的藥柱端面自動包覆系統(tǒng)組成及布局如圖1所示，藥柱端面自動包覆系統(tǒng)一般由暫存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、隔爆板、自動門、自動包覆系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)等組成。

1)暫存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)(見圖2)獨立安裝于防爆暫存間內(nèi)，一般由移動送料車、設(shè)備框架組件、藥柱移載機構(gòu)、藥柱轉(zhuǎn)運機構(gòu)和PLC控制器等組成。其主要功能是轉(zhuǎn)運存儲藥柱，通過傳輸機構(gòu)可將藥柱單發(fā)送入自動包覆系統(tǒng)中，也可將包覆完畢的藥柱進行收回暫存。

圖1 典型的藥柱端面自動包覆系統(tǒng)組成及布局

圖2 暫存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

2)自動包覆系統(tǒng)(見圖3)位于防爆操作間內(nèi)，一般由設(shè)備框架組件、藥柱上下料機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝夾平臺、多組分混合/點膠模塊、組合點膠機構(gòu)、防爆稱重平臺以及PLC控制器等組成。其主要功能是進行限燃層料漿的自動配料，對藥柱端面進行自動包覆、自動刮泡，并對藥柱進行精確稱重。

圖3 自動包覆系統(tǒng)

3)為了防止操作間內(nèi)正在生產(chǎn)的藥柱發(fā)生意外爆燃等危險狀況時影響暫存間內(nèi)的大批量藥柱，在操作間和暫存間之間用隔爆板進行隔離，隔爆板上設(shè)置有具備自動門的物料轉(zhuǎn)運窗口，用于操作間和暫存間之間的藥柱轉(zhuǎn)換，活動隔爆板通過直線導(dǎo)軌實現(xiàn)往復(fù)滑動，使用推拉氣缸帶動活動隔爆板開啟和閉合。

4)全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)對組合點膠機構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備、工藝儀表以及相關(guān)區(qū)域進行視頻監(jiān)控，方便操作人員實時監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運行，以及是否有人員誤闖入。

5)遠程控制系統(tǒng)用于操作人員在防爆間外對設(shè)備進行遠程控制和監(jiān)視，單獨放置在另一個工房內(nèi)，與操作現(xiàn)場完全隔離。遠程控制臺可以實現(xiàn)系統(tǒng)全部控制操作，并提供圖文并茂的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)，以及設(shè)備管理、查詢設(shè)備運行狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)和歷史記錄等功能。

2.2 系統(tǒng)工作流程

膠液的配比、混合、除氣等輔助工作在生產(chǎn)開始前預(yù)先完成，系統(tǒng)運行過程中，采用一次上料、連續(xù)包覆的自動工作模式，完成該批次藥柱單個端面的自動包覆流程后，更換下一批次藥柱，再次進行自動包覆操作。

連續(xù)生產(chǎn)時，新藥柱的上料和已包覆完成藥柱的下料可在同一次藥柱轉(zhuǎn)運中完成，以提高生產(chǎn)節(jié)拍。兩托盤藥柱全部包覆完畢后，以同樣的動作流程依次對所有藥柱進行除氣直至本次生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束。整個工藝流程共分為4個部分。

1)系統(tǒng)啟動與上料流程：該工作流程主要完成系統(tǒng)啟動、自檢及藥柱整車上料等人工準備流程。

2)自動點膠流程：該工作流程主要完成藥柱限燃層自動點膠流程，通過藥柱移載機構(gòu)、藥柱轉(zhuǎn)運機構(gòu)以及藥柱上下料機構(gòu)將藥柱從暫存間的送料車轉(zhuǎn)運至包覆間的旋轉(zhuǎn)裝夾平臺上，再使用組合點膠機構(gòu)進行端面點膠包覆。單批次生產(chǎn)采用循環(huán)自動操作方式，連貫完成送料車上全部藥柱的自動點膠操作。

3)自動刮泡流程：與自動點膠流程類似，該工作流程主要完成藥柱限燃層的自動刮泡除氣流程，連貫完成送料車上全部藥柱的自動刮泡操作。

4)藥柱下料流程：該工作流程主要完成藥柱整車下料轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)關(guān)機等人工操作流程。

具體工作流程如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 四軸點膠平臺

在端面自動包覆系統(tǒng)中，為滿足藥柱端面環(huán)形區(qū)域的涂覆，需要四自由度運動機構(gòu)以控制針頭與藥柱的相對姿態(tài)。在涂膠機構(gòu)上一般配備3臺伺服電動機組成三軸模組進行點膠頭定位，并由其中一臺伺服電動機帶動點膠頭沿藥柱徑向移動，另外配備一臺伺服電動機帶動固定在旋轉(zhuǎn)裝夾平臺上的藥柱進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)圓截面點膠涂覆。

圖4 典型彈射藥柱端面自動包覆系統(tǒng)工作流程

機構(gòu)實現(xiàn)原理如圖5所示：基于藥柱上下料機構(gòu)的X、Y、Z三軸模組，將組合點膠機構(gòu)(內(nèi)置激光測距模塊、視覺定位模塊、限燃層點膠頭等)搭載在三軸機械手上，實現(xiàn)組合點膠機構(gòu)的空間精確定位。再為藥柱的裝夾平臺增加伺服旋轉(zhuǎn)功能(第四自由度)，點膠針頭在上下料機構(gòu)的驅(qū)動下在藥柱端面上沿藥柱徑向移動，配合藥柱的旋轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)藥柱端面的快速全面涂覆。

圖5 四自由度組合點膠實現(xiàn)原理示意圖

3.2 視覺定位識別技術(shù)

使用視覺識別技術(shù)可以使包覆系統(tǒng)更智能化，提高點膠精度[4]。以某典型的藥柱端面自動包覆系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)配備2套視覺定位識別模塊，2臺定位識別相機分別安裝在暫存轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的藥柱移載機構(gòu)和自動包覆系統(tǒng)的藥柱上下料機構(gòu)上。視覺識別工作流程如圖6所示。

圖6 視覺識別工作流程示意圖

1)暫存定位識別模塊。

a.主要功能：判斷當前托盤工位內(nèi)是否有藥柱，對托盤內(nèi)的每一發(fā)藥柱進行精確定位，確定移載機構(gòu)藥柱夾爪的夾取位置，實現(xiàn)藥柱自動定位、形狀識別。

b.工作模式：藥柱移載機構(gòu)到達待抓取的藥柱拍照位置后，暫存PLC控制器給中控臺的視覺識別軟件發(fā)送流程觸發(fā)信號，暫存定位視覺程序觸發(fā)后給CCD相機發(fā)送當前藥柱拍照命令，軟件獲取照片后進行分析處理，計算得到藥柱的準確位置坐標信息后再回傳給PLC控制器，PLC控制器計算得到移載機構(gòu)夾爪的目標位置后進行下一步抓取動作。

2)包覆定位識別模塊。

a.主要功能：對藥柱進行位置和輪廓識別，檢驗其定心裝夾以及芯孔保護堵頭安裝是否到位；拍攝并檢驗藥柱端面圖像，檢查端面漏涂情況等生產(chǎn)工藝關(guān)鍵點，用于輔助人工糾錯。

b.工作模式：藥柱上下料機構(gòu)到達旋轉(zhuǎn)裝夾平臺上方拍照位置后，包覆PLC控制器給中控臺的視覺識別軟件發(fā)送流程觸發(fā)信號，包覆識別視覺程序觸發(fā)后給CCD相機發(fā)送拍照命令，軟件獲取照片后進行分析處理再回傳給PLC控制器，PLC控制器得到定心裝夾以及芯孔保護堵頭安裝到位信號后進行下一步的點膠動作。

3.3 點膠機構(gòu)設(shè)計

對于藥柱端面等圓形截面的點膠涂覆工作，一般采取步進同心圓或螺旋線式噴涂方式，點膠涂覆過程如圖7所示。點膠機構(gòu)的設(shè)計是影響藥柱涂覆效果的關(guān)鍵因素，主要涉及點膠閥配置與點膠頭設(shè)計等2個方面。

圖7 點膠涂覆過程示意圖

1)點膠閥配置。

點膠閥分為接觸式和非接觸式兩類，而接觸式涂膠又主要分為時間壓力式、螺桿泵式和活塞泵式。點膠閥配置主要依據(jù)所涂覆膠液粘度和點膠量。

a.時間壓力式：使用氣動截止閥和壓力桶組合點膠，涂膠量主要決定于截止閥開閥時間和供料壓力，一般應(yīng)用于中低粘度且粘度在使用時間內(nèi)保持恒定的膠液。

b.螺桿泵式：使用螺桿點膠閥與壓力桶組合點膠。在涂膠過程中需要保持恒定氣壓，并通過螺紋泵定子和轉(zhuǎn)子的相互擠壓作用來擠出膠水，調(diào)整螺旋速度和時間可以控制點膠量。螺桿泵式適用膠水的粘度范圍較廣，但點膠精度仍受膠液粘度變化影響，不適用于使用過程中粘度會發(fā)生劇烈變化的膠液。

c.活塞泵式：使用活塞泵與壓力桶組合點膠，是一種等體積的點膠方式，適用于中高粘度流體。涂膠過程中用氣壓讓膠液流入針頭，并通過活塞的擠壓作用進行定速涂覆。此方式需要根據(jù)膠液粘度與沿程阻力，選擇活塞泵與供膠管路長度。如果沿程阻力過大，可能會損傷活塞泵。

d.噴射式(非接觸式)：使用噴射閥與壓力桶組合點膠，采用恒壓方式讓膠液擠到點膠頭空腔中，通過馬達驅(qū)動撞針上下往復(fù)運動將膠水噴射涂覆[5]。此方式點膠單點重量小，適合狹窄空間點膠，單點重復(fù)精度高，效率比接觸式點膠高。

2)點膠頭設(shè)計。

主要的點膠針頭類型包括TT針頭、PP針頭、圓形金屬針頭、矩形金屬針頭以及毛刷針頭等。各類針頭應(yīng)用的場合不一致，需根據(jù)膠液粘度和生產(chǎn)節(jié)拍進行對比測試，針頭規(guī)格選擇不合適會出現(xiàn)涂覆質(zhì)量問題。

a.對于固體推進劑藥柱等火工品，金屬針頭可能存在磕碰發(fā)火的風(fēng)險，需謹慎使用。

b.對于某些與藥柱端面粘附能力較差的膠液類型，可能會存在漏涂的問題?？筛鶕?jù)具體情況選擇有涂抹作用的毛刷針頭，點膠時毛刷會對出膠口的膠液進行刮平處理，保證膠液能粘附在藥柱端面。

4 應(yīng)用情況

以某型號固體發(fā)動機彈射藥柱為例，基于視覺技術(shù)，結(jié)合四軸點膠平臺與螺桿泵涂膠方式，開發(fā)了某型藥柱端面自動涂覆系統(tǒng)，解決了當前階段的迫切需求。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)限燃層膠液三組分自動配料混合、真空除氣、產(chǎn)品自動定位和自動涂膠，可以實現(xiàn)批量化自動端面包覆，主要指標如下。

1)四軸點膠平臺：三軸模組重復(fù)定位精度≤30 μm，旋轉(zhuǎn)夾爪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為55～140 r/min。

2)藥柱夾取位置識別定位精度優(yōu)于±0.1 mm，堵頭識別準確率為100%。

3)工序操作人員由6人減至2人，生產(chǎn)效率提升6倍。

4)藥面直徑覆蓋30～200 mm，藥柱高度覆蓋80～300 mm，其他藥柱規(guī)格可進行工裝定制。

5)工序可一批次生產(chǎn)多發(fā)產(chǎn)品(100 mm直徑可一次生產(chǎn)36發(fā))。

6)生產(chǎn)節(jié)拍：端面包覆藥柱≥36發(fā)/30 min(以藥面直徑φ100 mm為準)。

7)適用于常見膠液，粘度≤300 Pa·s(常溫)。

8)包覆環(huán)節(jié)質(zhì)量可靠，表面膠液涂覆均勻，中心孔防護到位，端面無漏涂、殼體內(nèi)壁不流掛膠、外壁不滴膠。

9)刮泡環(huán)節(jié)質(zhì)量可靠，刮泡后表面無氣泡。

10)系統(tǒng)安全可靠，滿足Ⅱ類危險場所防爆要求，防爆等級為Exd ⅡB T4，防護等級為IP55。

使用該系統(tǒng)自動化生產(chǎn)與人工生產(chǎn)對比見表1。

表1 自動生產(chǎn)與人工生產(chǎn)對比

5 結(jié)語

固體推進劑藥柱端面包覆是影響藥柱燃燒面及燃燒特性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，基于藥柱端面自動包覆系統(tǒng)，操作人員無需在生產(chǎn)過程中與藥柱進行面對面手工操作，與易燃易爆危險品完全隔離，保證生產(chǎn)過程人員安全。開發(fā)高精度的藥柱端面自動包覆系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)包括四軸點膠平臺設(shè)計、視覺定位識別技術(shù)以及點膠機構(gòu)設(shè)計。四軸點膠平臺的重復(fù)定位精度、視覺定位精度和點膠閥/點膠頭的設(shè)計選型直接決定端面限燃層膠液自動化涂覆的均勻性與質(zhì)量。除固體推進劑藥柱端面涂覆領(lǐng)域，該技術(shù)可在襯層涂膠/噴膠、固體發(fā)動機點火藥盒的粘接、藥柱粘接等工藝環(huán)節(jié)的自動涂膠/噴膠領(lǐng)域進行推廣和應(yīng)用。