小口径枪弹包装托轮传输线同步技术

虞　波，张　博，肖　勇，严中清，冉　松，秦回升

(西南自动化研究所弹药中心，四川 绵阳　621000)



【装备理论与装备技术】

小口径枪弹包装托轮传输线同步技术

虞波，张博，肖勇，严中清，冉松，秦回升

(西南自动化研究所弹药中心，四川 绵阳621000)

为实现一种组合式枪弹自动包装生产线满足多种系列枪弹包装需求，通过采用电子凸轮技术，应用TwinCAT软件对托轮线送弹程序进行编程，实现了弹体在下弹、传送过程中的实时同步；并可柔性调节弹体装盒数量，适应不同弹种不同装盒要求。

拨弹滚轮；托轮线；电子凸轮控制；枪弹包装本文引用格式：虞波，张博，肖勇，等.小口径枪弹包装托轮传输线同步技术[J].兵器装备工程学报，2016(9):11-15.

当前，世界范围内的新军事变革促进了未来战争形态的变化，枪弹包装是军队面临战争快速反应的重要物资载体，同时也是枪弹连续化、自动化生产不可缺少的一部分[1]。枪弹包装的“三化”，即通用化、系列化、标准化对枪弹的存储、管理以及使用有着重要的意义[2]。由于缺乏先进自动化包装技术的支撑，国内枪弹包装绝大部分仍采用手工加单机的组合生产模式。设备多、人员密集、工人劳动强度大，包装品质往往取决于操作人员的技能熟练度，而且包装环节枪弹成品在线量大，人机混杂，也使得安全生产控制面临严峻挑战[3,4]。

本文基于多品种小口径枪弹包装工艺及成套装备的全流程包装自动化的要求，提出了针对多品种小口径枪弹的组合式枪弹自动包装生产线，其主要功能是根据用户需求满足A国军标和B国军标X.Xmm、X.XXmm、Xmm系列枪弹包装相关标准要求。自动包装生产线采用电子凸轮控制的托轮传输同步控制技术，克服了拨弹滚轮与托轮线不同步而造成的弹体卡滞、装盒数量错误的缺陷，实现了弹体在下弹、传送过程中实时同步，柔性调节弹体装盒数量，从而适应多品种小口径枪弹的包装要求，实现在一台专机上满足不同弹种多种装盒方式的要求，为枪弹包装自动化、柔性化生产提供了新的思路[5-8]。

1　设计思想

满足不同生产企业现有多口径、多型号产品包装生产需求，并具备可持续扩展能力以适应新产品开发要求，是生产线总体构型设计首要面对的难题。

自动化生产线研发目标是需要适应至少7种不同系列的枪弹弹种，其中最大弹种的长度尺寸是最小弹种长度的5倍以上。不同弹种的自身特性和包装工艺的差异性，对设计的影响主要体现在“上料”到“纸盒装入铁匣”这段工序设备上。若采用一种传输线同时适应以上弹种，会使得研发难度、研发周期、设备成本大大增加。

本文所设计的小口径枪弹包装生产线采用“一种构型、多种型号、模块组合”的设计思想：

1) “一种构型”：由于“水平包装类枪弹”包装工艺流程最为复杂，以此类型枪弹包装工艺流程为主要研究对象形成枪弹包装线基本构型；通过微调机构配合程序设置实现该类产品柔性共线。

2) “多种型号”：为满足第二系列枪弹的包装要求，在基本型号基础上发展新型号。基本构型不变，局部放大尺寸，通过微调机构配合程序设置以适应大尺寸枪弹共线的需求。

3) “模块组合”：将部分无法实现兼容的零部件设计成标准接口模块，通过模块更换、组合满足“垂直插入包装类”和“直接装入铁匣类”枪弹的包装要求。

2　方案设计

2.1工艺流程

成品枪弹由人工装入定向排序装置上供料漏斗，调整供料漏斗与旋转盘间的高度差实现供料速度的初步控制，通过上料花盘利用离心力实现成品枪弹沿圆周有序排布，并在出口处利用重力定向，顺序排布进入蛇形料道；成品枪弹通过蛇形料道顺序排布在托轮输送线上，托轮输送线步进运动(步进位数按不同要求设定)，在第一工作位由交错换向装置实现成品枪弹选择性调头，在第二工作位由装盒机械手利用真空吸取产品，并将产品并紧装入纸盒；在成品枪弹定位输送的同时，纸盒成品上料同步进行，在传送中完成盒盖、盒舌折平，装弹完成纸盒由输送线送入装铁匣模块。多品种小口径枪弹包装工艺流程如图1所示。

图1　多品种小口径枪弹包装工艺流程

2.2枪弹包装同步技术总体方案设计

成品枪弹由上料花盘通过旋转利用离心力实现成品枪弹沿圆周有序排布，并在出口处利用重力定向顺序排布进入上料滑道。通过控制拨弹滚轮与托轮线同步运动，将成品弹整齐排布在托轮线上。枪弹包装托轮线方案如图2所示。

1.上料花盘;2.纸盒;3.上料滑道;4.拨弹滚轮;5.托轮线

由于拨弹滚轮与托轮线配合精度要求较高，如果不能实现实时同步，就有可能将拨弹滚轮上拨下的弹堆放在前一发弹上面，当拨弹滚轮再次运动时就会造成卡弹现象。而且如果不能实现同步运动，也会对下道工序造成不能准确定位的问题。同时考虑到不同弹种有着不同装盒要求，每层弹的装弹数都有所不同。

不同枪弹的装盒方式如表1所示。

表1　不同枪弹的装盒排列方式

为了兼容各个弹种的不同装盒要求，本系统采用托轮线每运行15发弹为一次步进工位，控制拨弹滚轮的运动，实现每步工位上放5发弹、10发弹、13发弹及14发弹的装盒要求。这就需要拨弹滚轮在托轮线运行的不同位置启停。如果按照常规伺服控制，在较小的位移上不断启停，势必造成机械冲击，而且很难实现同步。

2.3托轮传输线的设计与控制原理

由于采用常规伺服控制系统会存在启停、同步性差的现象。对于多品种小口径枪弹包装传输线，一般可以采用电子齿轮或电子凸轮进行弹体实时同步控制。对比电子齿轮与电子凸轮，电子齿轮控制的主从轴位置是线性关系，而电子凸轮控制的主从轴位置可以实现任意线性或者非线性关系。托轮传输线同步控制示意图如图3。

图3　托轮传输线同步控制示意图

采用电子凸轮的多品种小口径枪弹包装传输线的优势：

1) 电子凸轮在停歇期，残余振动较小，而且由于步进电机没有累积误差，所以采用电子凸轮的枪弹包装传输线定位精度比传统机械定位精度要高。

2) 电子凸轮减少了凸轮和从动件等机械部件无相关的制造装配误差、动态磨损，因此能获得比机械凸轮系统较高精度。

3) 电子凸轮的轨迹可根据枪弹数量来制定加速度光滑、连续的电子凸轮参数，实现主轴和从轴之间非线性的位置对应关系，从而实现复杂的运动轨迹。且凸轮曲线修改方便，易实现多品种、无冲击、柔性化的装弹需求。

4) 电子凸轮具有无火花、系统本安等优点，可适用于在防爆敏感的环境条件下[9]。

通过电子凸轮控制拨弹滚轮与托轮线，可实现不同弹种不同装盒要求，定位精度高，设备运行速度快，平稳，无冲击。同时设备的柔性化大大增加，只需简单地更改下不同的凸轮表就可以满足不同弹种的装盒要求。

由于设备安装时拨弹滚轮下弹点距离下一工位距离为19发弹位置，因此一般需要设置初放弹和正常步进两个凸轮表。

1)A国标纸盒

以X.XXmm枪弹为例，每盒装弹为14X8+13，即每盒中有8层为14发弹，第9层为13发弹。其中每层弹需要交错排列。

初放弹凸轮控制示意图如图4。

图4　托轮线A国标初放弹凸轮控制示意图

正常步进14发弹凸轮控制示意图如图5。

图5　托轮线A国标正常步进14发弹凸轮控制示意图

正常步进13发弹凸轮控制示意图如图6。

图6　托轮线A国标正常步进13发弹凸轮控制示意图

2)B国标纸盒

以X.XXmm枪弹为例，每盒装弹为5X3，即每盒中有3层为5发弹。每层弹不需要交错排列。

初放弹凸轮控制示意图如图7。

图7　托轮线B国标初放弹凸轮控制示意图

正常步进5发弹凸轮控制示意图如图8。

图8　托轮线B国标正常步进5发弹凸轮控制示意图

3　软件设计

3.1TwinCAT System Manager软件系统

TwinCATSystemManager软件系统由实时环境和在开发环境中执行控制程序实时系统组成，用于编程、诊断和系统配置[10]。可通过Microsoft的接口访问TwinCAT的数据或执行命令，使托轮传输线同步控制具有良好的人机界面，能够直观进行参数设定，便于操作人员在隔爆间远程操控。

3.2传输线同步控制策略

多品种小口径枪弹包装传输线同步系统采用模块化的设计思路，控制系统采用PAC系统+现场I/O模块方式，现场控制系统采用德国倍福PAC，现场I/O模块作为各个组成部分的信号采集与输出控制装置，通过EtherCAT总线耦合器与PAC相连。多品种小口径枪弹包装传输线同步系统结构如图9所示。

图9　多品种小口径枪弹包装传输线同步系统结构

同步控制系统分为3层体系结构。

第一层为应用层。包括LCD触摸屏，操作按钮，指示灯等。主要负责人机交互，包括工作方式选择、工作状态显示、生产过程调度、生产参数设置、生产状态查询、故障报警及故障部位提示等功能。

第二层为现场控制系统。考虑到本系统高速可靠的特点，满足以后扩展需要，采用PAC控制器作为主控制器，并根据生产线需要进行功能模块扩展。现场控制系统的配置包括：控制器、扩展模块(I/O扩展)、信号采集(工件状态、密封压力检测)等。主控制器+扩展模块的方式实现整个生产线生产过程控制，并且将状态反馈回人机交互界面。

第三层为现场设备。包括各种执行器(电机、电磁阀等)，现场信号采集传感器(光纤传感器、位移传感器)等。

下面以TwinCATSystemManager软件系统以及倍福伺服电机为例简述托轮传输线同步控制的实现。TwinCATSystemManager系统软件通过NC轴控制系统实现对托轮线的同步控制。

14X8+13-A国凸轮表设计如图10所示，5X3-B国凸轮表设计如图11所示。

图10　A国标放弹凸轮表设计

图11　B国标放弹凸轮表设计

3.3传输线同步程序设计

托轮线和滚轮采用倍福伺服电机驱动，分别定义为3轴和1轴，其中3轴为主轴，1轴为从轴，托轮线按需求送弹排列时，滚轮同步移动。

在倍福TwinCATPLCControl软件中，使用语句表编程，托轮线送弹程序部分代码如下。

……

CASEnStepOF

……

4:ACamTableID:= 2; (*凸轮表号*)

bCoupleAct:=TRUE; (*耦合*)

IFCouple.bEndFlagIn=TRUETHEN

nStep:=5;

END_IF

5:AServe31Dis:= 7.5;(*移动距离*)

bMasterMoveAct:=TRUE;(*移动*)

IFMasterMove.bEndFlag=TRUETHEN

nStep:=6;

END_IF;

6:bMasterMoveAct:=FALSE;

bCoupleAct:=FALSE;(*解耦*)

IFCouple.bEndFlagOut=TRUETHEN

nStep:=7;

END_IF;

……END_CASE;

……

(*1轴3轴按凸轮表耦合*)

Couple(EN:=TRUE,bCoupleMode:=bCoupleAct,MasterScale:=0.5,SlaveScale:=1,AxisMaster:=AXIS_REF[3],AxisSlave:=AXIS_REF[1],nCamTableID:=ACamTableID);

(*1轴3轴按设定距离同步移动*)

MasterMove(EN:=TRUE,bStartFlag:=bMasterMoveAct,Distance:=AServe31Dis,Velocity:=5,bDir:=TRUE,IsAbsolute:=FALSE,DI_LimitSwitch:=FALSE,Axis:=AXIS_REF[3]);

4　结论

本文所涉及的小口径枪弹包装生产线采用电子凸轮控制技术，通过电子凸轮控制拨弹滚轮与托轮线，可实现拨弹滚轮与托轮线任意线性或者非线性关系同步运动，能够更好地将成品弹整齐排布在托轮线上，实现不同弹种不同的装盒要求，有定位精度高，设备运行速度快，平稳，无冲击，从而使国内首条全线防爆防静电多品种小口径枪弹实现完全自动化、柔性化的包装作业。

[1]马云富.我国弹药装药装配技术现状及发展对策[J].兵工自动化，2009(9)：1-3,14.

[2]张方宇.我国弹药生产技术和装备发展现状及发展对策初探[J].兵工自动化，2008(4)：1-4,7.

[3]余海勇，曾云翔，史慧芳，周霞.机枪弹弹头连续成型技术[J].四川兵工学报，2011(3)：7-8,12.

[4]黄权，虞波.数字技术在某枪弹生产线合膛工序中的应用[J].兵工自动化，2010(4)：52-53.

[5]刘学鹏，郝晓红，张东升，黄晓东.电子凸轮控制器设计[J].四川兵工学报，2013(5)：87-90.

[6]田相克.PMAC多轴运动控制器研究[D].兰州：兰州理工大学，2004.

[7]董伟良.凸轮的变异研究和电子凸轮发展[J].上海应用技术学院学报(自然科学版)，2004(3)：190-194.

[8]JUNQINGWANG,TSU-CHINTSAO.Repetitivecontroloflineartimevaryingsystemswithapplicationtoelectroniccammotioncontrol[J].TheAmericanControlConference,2004： 3794-3799.

[9]张海滨，李建伟.电子凸轮在煤矿提升系统中的应用[J].机械工程与自动化，2015(1)：196-197.

[10]孔丽丽.基于EtherCAT波高数据采集系统的研究[D].大连：大连理工大学，2009.

(责任编辑周江川)

RollerandTLSynchronizationTechnologyinSmall-CaliberBulletPackaging

YUBo,ZHANGBo,XIAOYong,YANZhong-qing,RANSong,QINHui-sheng

(CenterofAmmunition,SouthwestAutomationResearchInstitute,Mianyang621000,China)

Inordertomeetthedemandofvariousseriesofbulletpackingbasedonassembledbulletautomaticpackaginglines,thetechnologyofelectroniccamwasadopted,andprogrammingoftherollertransmissionwasrealizedusingthesoftwarecalledTwinCAT,whichachievesreal-timesynchronizationofbulletproductsinfeedingandtransport.Besides,thenumberofbulletproductscanbeflexibletoadjust,andthediversityofthedifferenttypesofbulletproductspackagingrequirementsweregotten.

bulletpokeroller;rollertransmissionline;electroniccamcontrol;bulletpacking

2016-04-11；

2016-04-28

虞波(1966—)，男，高级工程师，主要从事弹药工艺装备研究。

10.11809/scbgxb2016.09.003

format:YUBo,ZHANGBo,XIAOYong,YANZhong-qing,RANSong,etal.RollerandTLSynchronizationTechnologyinSmall-CaliberBulletPackaging[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):11-15.

TJ205

A

2096-2304(2016)09-0011-05