大口径钢芯全自动装压曳光剂小群模技术

张 博，虞 波，金丰护，李作武

（中国兵器工业第五八研究所弹药中心，四川 绵阳621000）

0 引言

穿甲燃烧曳光弹弹头内的曳光钢芯是该弹种的关重部件，钢芯内装压曳光剂作为整个穿甲燃烧曳光弹装配生产过程中最为关键的生产工序，显得异常重要。但现工厂的钢芯装压曳光剂生产一直采用人工辅以简易设备的落后生产方式。生产中混合式药剂由于被多次挤压，最终无法保证药面深度和压药密度，从而降低了产品的质量和性能；而另一方面，由于曳光剂混合式药剂敏感程度较高，在压药过程中易发生压燃甚至更严重事故，造成人员伤亡和巨大的财产损失。

通过大口径钢芯全自动装压曳光剂小群模技术研究，设计了一条穿甲燃烧曳光弹钢芯全自动装压曳光剂生产线，其具备安全、自动、稳定和高效等特点，并提高钢芯装压药生产的自动化程度；彻底实现人机隔离并改善操作人员的工作环境。

1 工作流程和构成

主要针对14.5／12.7mm 和0.50英寸等大口径穿甲燃烧曳光弹钢芯全自动装压曳光剂生产，其工作流程如图1所示。由主机和模具传输线2部分组成。其中，主机根据功能分解为：步进机构、上下模具机械手、钢芯上料机、钢芯有无检测机、称装药机、压药机、清理端面机、吸浮药机、药面深度检测机、剔废机构、涂防潮剂机及下料机构等。模具传输线分解为上模具传输线、下模具传输线，钢芯压曳光剂机示意图如图2所示。

图1 钢芯压曳光剂机工艺流程

图2 钢芯压曳光剂机

装配机采用基于HMI-PLC平台的控制系统，采用集中控制方式完成各专机并行动作控制、全线地协同控制和人机交互控制，实现钢芯的自动装药、压制到质量检测的全过程自动运行［1］。

工作原理为：其中部分工位需要人工辅助，主要包括钢芯准备、药剂准备、模具准备等几个工位。人工将钢芯放置到钢芯上料机的料盘上后，控制系统控制设备自动将钢芯分组并传输到步进机构上的下模具中，步进机构带动钢芯步进到每台专用设备位置进行装配，包括钢芯有无检测、上下模具、钢芯装药、钢芯压药、清理端面、吸浮药、药面深度检测、剔废和涂防潮剂等工序，最后经过下料后输出成品，完成整个工序；模具由模具传输线及上下模具机械手协同完成自动循环。

2 关键技术

2.1 高精度小群模定容式装药

钢芯装药生产过程有着装药量小、精度要求高等特点，在振动过程中药剂易发生分层，装药量最大为0.42±10%g，最小仅为0.15±7%g，因此只能采用特制微量计量板定容式装药。在钢芯小群模定容式振动装药过程中，首先应当确保成组产品所装药量基本一致，下药结构进行优化，以免药粉受振结拱堵塞出料口。同时，在控制方式上优化，对影响装药量和精度的多个关键因素（诸如料斗内药量、振荡频率、振荡幅度和振荡时间）进行综合分析，通过整体误差分析，使振动变量（频率、幅度和时间）跟踪药量变化，并合理调度补药以满足振动最低限度需求。

此外，料斗采用减压板来保证计量板开孔上方密度变化的均匀性，合理调度补药以保证料斗内药料维持在一定高度范围内，皆为有效确保装药精度的措施。经过小批量自动直接装曳光剂的生产，证明装药量的控制是可行的，保证了装药钢芯的装药密度。

2.2 小群模压药压力平衡

钢芯自动压药生产过程有着压力精度要求高、生产效率较低等特点，由于半成品自身机加各尺寸（诸如内孔深度、内孔直径、尖部锥度等）一致性不佳，导致钢芯成组压药时易产生外径尺寸增大、产品质量下降等问题。因此，成组钢芯压药生产最重要的是在保证多发产品受力的一致性和压力精度。对整个压药过程的受力和整体误差进行了分析，首先从控制算法和方式上保证压力的精度，然后从机械结构方面对其进行改进，使多发压力基本达到平衡。通过采用压力匹配器对其进行平衡，以克服误差造成的压力影响，避免钢芯在压药过程中变形发胀。

钢芯自动压药的生产，最重要的参数就是药面深度和压药密度。由于药粉在压合过程中产生塑性变形易发生燃爆，要具有防爆性能，只能采用气液伺服。但气液伺服可控性比直流DC伺服和交流AC伺服差，特别是在动态性能和位置重复精度等方面更差，易产生振荡和大的超调。为了达到压药密度和压药深度的要求，必须保证压药的压力，采用全闭环全数字气液伺服技术和采用神经网络进行控制，并对压合过程中压力实现在线实时检测和控制。

2.3 新涂防潮剂方式

针对以前项目中出现的防潮剂易干堵塞喷枪的现象，采用用涂防潮剂杆蘸胶点涂方式。当出现设备因故障暂停或物流过程中，涂防潮剂杆浸于胶盒的胶液中，保证杆头胶液不干。

2.4 装配机各单元节拍最优配置

自动装配线在设计过程中存在着许多矛盾，特别是各个工序的运动部件之间的相互关系、动作顺序和动作时间等等。绘制工作时序图是解决这些矛盾的重要途径。装配线的工作时序图如图3所示。T为装配线的一个完整循环周期，即一个生产节拍；t1为物流时间，步进机构前进过程时间，小于1.5s；t2为专机最大工作时间，指经过动作优化后，与步进机构下降、后退过程属于串行工作过程的最大时间。

图3 钢芯压曳光剂机工作时序

根据50发／min的设计节拍要求，在设计方案采用8发／组的前提下，每个生产节拍T（1组）约为9s，则要求专机的最大工作时间t2不大于6.5s（T－Tt）。

钢芯压曳光剂生产线的调试经验及设计分析，下上模具机械手、下料、剔废机构的工序较多，而压药机有保压时间，单机生产节拍最长。

下上模具机械手由抓取上模具2s，移动上模具至放上模具位置、移动检测板至钢芯上方1.5s，放上模具、检测钢芯是否断裂1.5s，机械手及检测板回位1s，该专机的最大工作时间T2不大于6s，小于6.5s的设计指标上限。

下料剔废机构由模具挡停升降1.5s，钢芯顶出进入产品转移板2s，产品转移板移至下料位置1.5 s，下料1s，产品转移板回位1s，剔废、下料可与产品转移板回位、模具挡停升降、钢芯顶出进入产品转移板并行，故该专机单独工作时间t2不大于5s，小于6.5s的设计指标上限。

压药机选用压制速度较高的气液增力缸作为压力输出设备，其快速行程（往返）所需时间不大于2.5s，压制时间达4s，满足最大3s的保压时间。

2.5 防爆防静电安全技术

装配机在生产中会使用曳光药剂、过渡药剂以及引燃药剂等多种药剂。静电放电或静电场作用导致燃烧、爆炸、损坏电子设备、妨碍生产和通讯、影响产品质量及静电电击造成的事故。为了达到钢芯压曳光剂机的防爆、防燃等级（dⅡBT4级）和静电危险场所相关等级要求，对静电危害、静电危险环境和最小引燃能量进行分析和实验，并按相关标准进行防静电和防爆安全技术研究。保证最高表面温度不超过该环境内爆炸危险物质的引燃温度。生产过程中所装药剂为由基本曳光剂、传火过渡剂和引燃剂组成，3次压药过程中都有压燃的可能性。但最危险的是第3次压药，此时钢芯内药量最大且药剂敏感程度高。

2.6 物流技术

物流系统是设备的重要组成部分，它承担设备的钢芯和上下模具进行安全、可靠的上下料、传输和分拣，因而对物流系统的传输速率和安全技术进行研究。物流系统由步进机构、上钢芯机构和上下模具传输线等组成。

2.7 信息集成技术

信息集成技术的主要研究内容是，人机交互，实时工况监视和故障自诊断。采用HMI＋PLC构建2层结构控制平台，分别实现对应用级和现场控制级的控制，基于触摸屏的HMI界面实现人机交互功能和实时工况监视功能；基于PLC的现场控制层完成对全线所有自动机械并行工作控制、各专机之间的协调控制和各专机的智能诊断。

3 技术创新

3.1 小群模成组式压力匹配平衡技术

钢芯自动压药生产压力精度要求高，而半成品自身机加一致性差（诸如内孔深度、内孔直径、尖部锥度等），从而导致钢芯成组压药时易产生外径尺寸增大、产品质量下降等问题。在小群模成组钢芯压药生产中最重要的就是保证多发产品受力的一致性和压力精度，因此对小群模成组压药过程的受力和误差整体进行了研究，然后从控制算法和方式上保证压力的精度，并从机械结构方面对其进行改进采用压力匹配设计，使多发压力基本达到平衡。

采用液压压力补偿机构通过压力补偿机构中的大小油缸的组合和连接，按照液压平衡原理对小群模成组钢芯压药过程中由于产品一致性和装药量所产生的误差进行补偿，以克服由于误差造成的压力影响，避免钢芯在压药过程中变形发胀。在压力匹配同时采用全闭环全数字气液伺服技术和采用神经网络进行控制，并对压合过程中压力实现在线实时检测和控制。

3.2 采用神经网络的脉冲发生器自排气控制

由于生产线工艺要求装药量精度较高且误差范围较小，一般防爆电子秤无法满足精度要求；而高精度电子秤又无法满足恶劣的工业生产环境，称量精度和准确性易受各种因素干扰和影响，群模式的布局方式也难以实现，因此4次装药都采用计量板定容装药法。为了确保计量板定容装药法装药的精度，对料斗和计量板采用振动法，控制振荡频率、振荡幅度和振荡时间，使计量板内的药料密度均匀和在放料时不产生遗留。

而由脉冲发生器、气动膜片缸以及振动机构等所组成的振动装药机构作为小群模装药机的主要执行机构，其性能对整个装药过程和装药精度都有着至关重要的影响。由于药剂流散性和精度等问题要求振动频率较高，脉冲发生器在频繁换向振动后，会在与气动膜片缸之间存在一定残留气压，导致气动膜片缸无法起振，最终导致无法装药或装药精度受到影响。通过神经网络对振动装药过程中脉冲发生器自排气过程的控制，使得脉冲发生器在残留气压未造成管路堵塞前便能够自动将气体排出，以保证装药精度。

3.3 小群模压药压力精度控制和自调整技术

为了保证压药过程的安全问题，采用了全闭环全数字气液伺服技术，但气液伺服可控性较差，特别是在动态性能和位置重复精度等方面则更差。所以为了达到压药密度和药面深度的要求，采用神经网络和参考模型的混合结构对压药压力进行控制［2］。采用这种混合结构，形成互补，能很好地控制的稳定性和收敛性，能很好地控制压药压力的稳定性和收敛性，解决了压药压力精度和生产节拍之间的矛盾。

生产线为了满足要求，达到高效特点，一改过去单发单压的生产方式，创新采用小群模的压药方式（即一个生产周期内每次压药8发产品）。但实际生产过程中由于产品自身机加各尺寸（诸如内孔深度、内孔直径和尖部锥度等）一致性较差和药剂颗粒均匀程度较差等原因，从而导致压药过程中8发产品受力不均，以致产品外径尺寸发胀变形，甚至出现断裂和燃烧等严重影响生产安全的问题。因此，在对整个压药过程的受力分析和整体误差分析后，决定从机械和控制两方面对其进行改进。采用压力匹配器，在一定程度上改善了压药过程中压力的分配问题，使8发产品所受压力基本达到平衡。

4 结束语

小群模式全自动直接装压药生产工艺，有效地保证了相关弹种的生产，确保了产品的质量，使其能够稳定、大批量的生产以装备部队。且全自动化的生产过程提高了生产效率，多项先进技术的研制应用成功的确保了全线长时间的稳定性和可靠性，小群模式的生产方式和先进高速的物流系统保证了生产率，完全满足武器装备现代化和战时动员的需要。而全线系统最优配置，合理地配置了生产资源，保证了产品的质量，提升了该弹种的生产能力。

［1］ 朱全松，虞波.某枪弹自动柔性装配生产线的实现［C］／／2012年度技术交流会论文集，2012，119-121.

［2］ 徐亮.基于PLC的冲击力控制系统［J］.兵工自动化，2013（4）：62-64.