張春元，李貴乾，楊臻，常緒濤

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藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

張春元，李貴乾，楊臻，常緒濤

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

改善藥型端面包覆層現(xiàn)行人工修復(fù)生產(chǎn)率低、安全性差等缺陷。設(shè)計(jì)防爆藥型端面包覆層自動(dòng)化修復(fù)系統(tǒng)，并對(duì)藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成、氣動(dòng)回路和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說明。與傳統(tǒng)的修復(fù)方式相比，藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型包覆層的自動(dòng)化修復(fù)，改善生產(chǎn)人員的工作環(huán)境，減輕生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)針對(duì)生產(chǎn)過程中的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)、半自動(dòng)與調(diào)整等三種工作模式，以便于使用中對(duì)設(shè)備的調(diào)整和日常維護(hù)保養(yǎng)。該方案提高了藥型端面包覆層修復(fù)效率，減少了一線生產(chǎn)人員的數(shù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了生產(chǎn)的安全性。

防爆；端面包覆層；氣動(dòng)回路；PLC控制；自動(dòng)修復(fù)

藥型是一種經(jīng)過螺旋擠壓成型的武器推進(jìn)劑藥柱，藥型經(jīng)包覆后可直接裝入火箭固體發(fā)動(dòng)機(jī)，端面的包覆可以提高藥型的燃燒漸增性[1]。目前藥型端面包覆材料在長期的儲(chǔ)存過程中，包覆層會(huì)產(chǎn)生遷移、脫粘，導(dǎo)致包覆后的推進(jìn)劑壽命大大縮短。為延續(xù)推進(jìn)劑壽命，推進(jìn)劑在儲(chǔ)存一定時(shí)間后需要對(duì)包覆層進(jìn)行修復(fù)和再包覆。由于傳統(tǒng)藥型端面包覆層修復(fù)工藝需要生產(chǎn)人員在車床上對(duì)藥型端面包覆層進(jìn)行修復(fù)，生產(chǎn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，特別是藥型端面包覆層修復(fù)車間會(huì)存在著大量的火藥粉塵顆粒，因此生產(chǎn)車間環(huán)境屬于易燃易爆的粉塵環(huán)境，如發(fā)生爆炸，將會(huì)造成重大生產(chǎn)事故[2-4]。另外，雙基火藥粉塵本身也會(huì)對(duì)生產(chǎn)人員的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的危害。

根據(jù)藥型端面包覆層修復(fù)工藝要求，設(shè)計(jì)了藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的人工修復(fù)方式。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

通過對(duì)現(xiàn)行藥型傳統(tǒng)修復(fù)工藝的分析，確定出藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)工藝路線及修復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。結(jié)構(gòu)組成主要由機(jī)械手、修復(fù)裝置、清洗裝置、端面檢測(cè)裝置及導(dǎo)軌組成，各裝置呈直線排列。整個(gè)修復(fù)系統(tǒng)共有五個(gè)工位，依次為上料工位、修復(fù)工位、端面檢測(cè)工位、清洗工位及卸料工位，且各工位中心在同一軸線上。

機(jī)械手通過導(dǎo)軌下翼緣的限位條實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手共有兩對(duì)機(jī)械手爪，工作時(shí)夾緊藥型的兩頸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，既能實(shí)現(xiàn)上下料，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型的運(yùn)送[5]。機(jī)械手的上下伸縮及機(jī)械手爪的閉合均由氣缸驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手的移動(dòng)由安裝于導(dǎo)軌上的氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。藥型在上料區(qū)域時(shí)由自動(dòng)定心夾具對(duì)藥型進(jìn)行定心，當(dāng)機(jī)械手夾緊藥型后，自動(dòng)定心夾具松開，機(jī)械手手爪夾持藥型兩頸在不同工位間進(jìn)行傳送。為控制機(jī)械手的輸送精度，采用定位機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行定位。導(dǎo)軌材質(zhì)為H型鋼，布置于各工位中心線的上方，并與各工位中心重合。修復(fù)裝置主要由環(huán)形夾緊裝置與面銑刀組成，用來對(duì)藥型端面舊的包覆層進(jìn)行清除。環(huán)形夾緊裝置與藥型之間為面接觸，夾緊力由均布的壓力傳感器控制，在接觸處安裝有聚氨酯橡膠，以防對(duì)藥型夾緊力過大而對(duì)藥型表面造成損傷[6]。銑削工位共有兩對(duì)環(huán)形夾緊裝置及面銑刀，采用雙端面同時(shí)銑削的方式，能夠通過一次銑削，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)藥型端面包覆層的去除。面銑刀的行程控制通過絲杠由氣動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力輸入，刀具的旋轉(zhuǎn)由單向氣動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力輸入。修復(fù)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 修復(fù)裝置結(jié)構(gòu)

藥型經(jīng)銑削后需要對(duì)所銑削后的端面進(jìn)行清掃，去除端面殘留的藥屑，以提高端面質(zhì)量檢測(cè)精度，避免殘留的藥屑對(duì)藥型端面包覆的影響。清掃后的藥屑由空氣負(fù)壓吸走，并經(jīng)收集后統(tǒng)一處理。清洗工作由毛刷來完成，驅(qū)動(dòng)元件采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。毛刷材質(zhì)為碳纖維，毛刷與藥型端面直接接觸，兩者之間相互摩擦，同時(shí)，碳纖維毛刷可將摩擦所產(chǎn)生的靜電通過安裝盤直接導(dǎo)入地下。毛刷通過螺栓與安裝盤相連，為可拆卸式，可定期更換。工作時(shí)，毛刷旋轉(zhuǎn)軸在氣動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)氣缸驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)。通過在直線導(dǎo)軌上設(shè)置定位元件可對(duì)氣缸行程做精確限位。

檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)經(jīng)銑削之后的藥型是否滿足藥型端面再包覆的要求，檢測(cè)的主要參數(shù)包括銑削后的藥型長度、內(nèi)外徑尺寸及端面平行度等參數(shù)。藥型長度的檢測(cè)采用新型激光測(cè)距儀來測(cè)量；藥型端面內(nèi)外徑尺寸的檢測(cè)采用CCD檢測(cè)儀，檢測(cè)速度快，精度高，并且可調(diào)；藥型端面平行度的檢測(cè)采用能將高度變化轉(zhuǎn)變?yōu)榻嵌茸兓闹本€度位差角度測(cè)量儀來測(cè)量[7-10]。檢測(cè)后的結(jié)果可以在計(jì)算機(jī)終端顯示，并可對(duì)不合格藥型進(jìn)行報(bào)警。在藥型兩端各分布有一套端面檢測(cè)裝置。

2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

由于生產(chǎn)環(huán)境為易燃易爆的高危環(huán)境，安全性是首要考慮的因素，所以整個(gè)系統(tǒng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式，以惰性氣體作為工作介質(zhì)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)相比，具有安全、清潔以及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并且在工作時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行元件不會(huì)產(chǎn)生電火花，溫升也比較小，特別適合于頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合[11-12]。該氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，各裝置驅(qū)動(dòng)元件使用一套供氣設(shè)備來供氣，各支路壓力根據(jù)驅(qū)動(dòng)元件壓力要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)各裝置驅(qū)動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)參數(shù)的控制可通過改變各支路氣動(dòng)系統(tǒng)中工作氣體的方向以及流速等實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械手在軌道上的運(yùn)動(dòng)由雙向氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力輸入，機(jī)械手爪的閉合動(dòng)作和上下位置的調(diào)節(jié)由氣缸作為動(dòng)力輸入。面銑刀絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙向氣動(dòng)馬達(dá)作為驅(qū)動(dòng)元件，面銑刀與主軸之間為螺紋連接，主軸采用單向氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以防止主軸反轉(zhuǎn)影響刀頭的緊固。面銑刀氣動(dòng)馬達(dá)控制電磁閥的流量和壓力通過采用伺服式電磁閥來進(jìn)行控制[13]?？紤]到端面包覆層銑削車間為粉塵環(huán)境，所以控制系統(tǒng)電磁閥均采用防爆式氣動(dòng)電磁閥[14-15]。環(huán)形夾緊裝置、端面包覆層面銑刀等裝置為對(duì)稱分布，為了保證機(jī)構(gòu)工作時(shí)動(dòng)作一致，采用對(duì)稱分布裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)為同一分支回路。為便于后期的調(diào)試工作，氣動(dòng)系統(tǒng)各支路的氣壓與流量均可調(diào)。氣動(dòng)原理如圖2所示。

1.氣源2.儲(chǔ)氣罐3.氣動(dòng)三聯(lián)件4.溢流閥5.單向節(jié)流閥6.軌道定位氣缸7.環(huán)形夾緊裝置驅(qū)動(dòng)氣缸8環(huán)形夾緊裝置定位氣缸9.面銑刀氣動(dòng)馬達(dá)10.修復(fù)裝置絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)11.機(jī)械手定位夾緊機(jī)構(gòu)氣缸12.機(jī)械手驅(qū)動(dòng)馬達(dá)13.機(jī)械手提升氣缸14.機(jī)械手夾緊氣缸15.清洗裝置氣動(dòng)馬達(dá)16.檢測(cè)裝置定位氣缸

動(dòng)作順序是：機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到上料區(qū)，軌道定位氣缸6動(dòng)作→機(jī)械手提升氣缸13動(dòng)作，機(jī)械手爪下降到指定位置處→機(jī)械手驅(qū)動(dòng)氣缸14動(dòng)作，機(jī)械手爪抓取藥型→機(jī)械手提升氣缸13縮回至指定高度→軌道定位氣缸6釋放，機(jī)械手氣動(dòng)馬達(dá)12動(dòng)作，將藥型輸送到修復(fù)工序→軌道定位氣缸6動(dòng)作，環(huán)形夾緊裝置定位氣缸8動(dòng)作，藥型定位→環(huán)形夾緊裝置驅(qū)動(dòng)氣缸7動(dòng)作，夾緊藥型→端面修復(fù)裝置氣動(dòng)馬達(dá)9動(dòng)作，盤型銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)→修復(fù)裝置絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10動(dòng)作，帶動(dòng)刀盤進(jìn)給，銑削藥型→銑削后的藥型輸送到清洗工位，定位氣缸6動(dòng)作，氣動(dòng)馬達(dá)15動(dòng)作，清洗藥型→定位氣缸6釋放，清洗后的藥型輸送到檢測(cè)工位→檢測(cè)合格后的藥型送入卸料工位，不合格的藥型聲光報(bào)警→結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于PLC環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，適合在粉塵環(huán)境中使用，且硬件軟件開發(fā)量少、成本較低，因此選用PLC作為本系統(tǒng)控制器。PLC輸入點(diǎn)主要為氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)、限位開關(guān)和傳感器信號(hào)以及手動(dòng)輸入開關(guān)等，輸出點(diǎn)為各裝置電磁閥、指示燈、蜂鳴器等元件[16]。PLC通過對(duì)輸入映射區(qū)內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行提取，內(nèi)部處理器再將輸入信號(hào)處理后輸出到輸出映射區(qū)，最后通過輸出電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥、指示燈、蜂鳴器等控制，從而實(shí)現(xiàn)藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)。

藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)控制方式有自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式和調(diào)整模式。在自動(dòng)模式下，自動(dòng)修復(fù)生產(chǎn)線按照預(yù)先設(shè)置的程序運(yùn)行，此模式為藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)生產(chǎn)線自動(dòng)化修復(fù)常規(guī)模式；在半自動(dòng)模式下，生產(chǎn)人員通過操作手柄可實(shí)現(xiàn)對(duì)藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)生產(chǎn)線單臺(tái)設(shè)備的循環(huán)控制；調(diào)整模式下可以控制各裝置的各個(gè)動(dòng)作，方便對(duì)藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)生產(chǎn)線的調(diào)試和對(duì)生產(chǎn)時(shí)故障的排除?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

1）該設(shè)備為非標(biāo)設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)方法的一種應(yīng)用，該設(shè)計(jì)方法對(duì)以后非標(biāo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的參考意義，并對(duì)軍工企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2）通過設(shè)計(jì)專用的環(huán)形夾具對(duì)藥型進(jìn)行夾持，解決了現(xiàn)有夾持對(duì)藥型表面造成損傷的問題?？刂葡到y(tǒng)所采用電磁閥均采用防爆式氣動(dòng)電磁閥，極大提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

3）該系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)氣缸的行程實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格藥型進(jìn)行端面修復(fù)，適用性較強(qiáng)。此外，該端面包覆層自動(dòng)修復(fù)生產(chǎn)線除了適合藥型端面包覆層修復(fù)外，還可以應(yīng)用在其他易燃易爆、輻射等惡劣環(huán)境的生產(chǎn)工作。

4）通過對(duì)藥型端面包覆層自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了藥型端面包覆層修復(fù)效率，減少了一線生產(chǎn)人員的數(shù)量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了生產(chǎn)的安全性。

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Scheme Design of Automatic Repair System for Propellant’s End-face Coating

ZHANG Chun-yuanLI Gui-qianYANG ZhenCHANG Xu-tao

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

To solve shortcomings of artificial repairing of the Propellant’s end-face coating.An automatic repairing system was designed for Propellant’s end-face coating, and the mechanical structure, the pneumatic circuit and the PLC control system of the system was described in details.Compared with the traditional artificial repairing, the automatic repairing system of the Propellant’s coating can realize automatic repair of the Propellant’s coating, improve working environment of production staff, reduce labor intensity of production personnel, and improve production efficiency. At the same time, according to the actual demands in the production process, three working modes of automatic, semi-automatic and adjustment were designed to adjust the equipment and have routine maintenance.The scheme improves the repairing efficiency of medicine type end bread cladding repairing efficiency, reduces the number of first-line production staff, reduces the labor intensity and ensures the safety of the production.

explosion-proof; end-face coating; pneumatic circuit; PLC control; automatic repairing

TJ410.3

A

1672-9242(2018)03-0057-04

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.012

2017-11-02；

2017-11-29

張春元（1965—），男，山西清徐人，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)楹娇沼詈街圃旃に嚺c裝備設(shè)計(jì)、制造。