中大口徑彈藥自動裝筒機器人關鍵技術研究

毛明旭，于曉光，徐志剛，宋琳琳，3

(1.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051;2.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110179;3.沈陽理工大學，沈陽 110159)

20世紀90年代以來，我軍開始對中大口徑彈藥采用筒式包裝［1-2］，這在一定程度上改善了原有木質包裝的防腐性差、易受潮生銹、對庫房要求條件高、使用時耗費大量人力清潔等缺點。但由于中大口徑彈藥質量一般在60 kg以上，現裝配線裝筒工序一般采用人工搬運或輔助吊具吊裝，一定程度上造成了工人勞動強度高、裝筒效率低、易刮傷彈體表面和存在火工品跌落隱患等缺點。

中大口徑彈藥自動裝筒機器人是根據上述問題以及兵工自動化發展需求而設計的新型設備，能完成多種型號、多種尺寸的中大口徑彈藥實現自動化裝筒［3］。

1 系統組成與特點

1.1 系統組成

中大口徑彈藥自動裝筒機器人由抓取翻轉單元、自動輔料傳輸單元和外用機械手組成。其中外用機械手如圖1所示具有X、Y、Z三個方向自由度和局部抓取自由度;自動輔料傳輸單元可實現物料自動進給;抓取翻轉單元由下部基座、升降機構、夾持翻轉機構、旋轉夾持機構等四部分組成，本文將對抓取翻轉單元進行詳細敘述。

圖1 機器人外觀

系統運行時，待線體上的托盤發出到位信號，抓取翻轉單元抓手夾持住托盤上彈體提升并縮回翻轉90°放置在旋轉夾持機構上，旋轉夾持機構夾緊彈體底部，收到夾緊信號后，夾手退出并翻轉90°，重新前進到彈體部位，配合上部夾手、下部托墊以防止火工品套筒過程發生傾覆危險，收到到位信號后，外用機械手夾持輔助線體上的套筒并套入彈體，接著夾手下部托墊伸出托起彈體，上面夾手收緊，旋轉90°后外用機械手將彈筒后蓋蓋緊，機械手最后將套好筒的彈體放回線體，進入下一道工序。整套動作實現無人化操作，節拍在4 min左右。

1.2 系統特點

系統主要特點:實現了火工品裝筒無人化操作，降低勞動強度、避免了彈藥表面刮傷、提高了工作效率和本質安全度。所用導向均采用導軌滑塊機構，導向精確、可靠、壽命長。抓手夾持彈藥時，采用輔助托舉、節流閥控制、自鎖電機等措施來避免設備運行中因停電、斷氣、設備損壞等造成火工品脫落等危險事故的發生。設備滿足柔性生產需要，可同時滿足不同型號、尺寸火工品裝筒需求。動力元件采用防爆電機、氣缸等，保證了火工品生產的安全性。X向采用西門子伺服電機減速機配以絲杠絲母驅動，使傳動更精確，運動精度更高。翻轉機構旋轉采用伺服電機配合渦輪蝸桿減速器，使旋轉更平穩，旋轉精度高。機器人翻轉抓手采用氣缸驅動配以齒輪齒條機構，保證了兩爪夾持的同步性，使夾持力更均勻，夾持更可靠。采用西門子PLC對各氣壓系統和伺服電機進行控制，控制系統穩定，控制精度高。

2 機械部分

系統的機械部分由下部基座、升降機構、夾持翻轉機構、旋轉夾持機構等四部分組成如圖2所示。

圖2 抓取翻轉單元

2.1 基座

基座通過六組可調地腳固定在地面上，基座上固有兩條導軌，導軌一端通過楔塊來調整導軌的變形量，導軌兩端設有防撞塊，以防止因誤操作造成設備撞壞或脫軌;X方向的驅動采用固定在基座上的防爆伺服電機帶動減速器配合絲杠絲母驅動［4］。其結構如圖3所示。

圖3 基座

2.2 升降機構

升降機構下端固有4個導向滑塊，與基座上的導軌相配合;升降機構上固有4根圓導軌，為翻轉機構起到Z方向導向作用，4個直線軸承固連在翻轉基座上與圓導軌相配合;由于單個氣缸行程不足以滿足所述翻轉機座Z軸行程，采用兩組雙氣缸串聯為翻轉機構Z方向運動提供動力。如圖4所示。

2.3 夾持翻轉機構

夾持翻轉機構可實現彈的抓取與翻轉，其翻轉的驅動方式為固定在翻轉基座上的防爆電機減速機通過傳動軸帶動翻轉;兩夾手通過導軌滑塊機構導向，驅動方式為氣缸驅動，中間采用齒輪齒條傳動，以保證兩夾手抱緊與張開時的同步性和夾緊力的均勻性，兩夾手內側設有尼龍托墊，當彈翻轉后起支撐作用。夾持翻轉基座上方固有頂部保護夾爪，防止彈套筒時彈藥傾覆，當彈翻轉后可收緊氣缸，起夾持作用;夾持翻轉基座下方固有彈底旋轉托盤，當彈藥裝筒完成后，可托起彈體起到下方固定作用;當完成所需動作，在其他動作時，彈底旋轉托盤通過氣缸縮回，如圖5所示。

圖4 升降機構

圖5 夾持翻轉機構

2.4 旋轉夾持機構

旋轉夾持機構固定在基座上，旋轉夾持機構由上部氣動卡盤和下部步進電機減速機組成，當彈被夾持翻轉成豎直并完全進入卡盤后，卡盤進氣收縮，夾緊彈體底部，進而配合外用機械手完成套筒。套筒后，如需在彈筒上噴一維碼或二維碼標識，電機通過減速機減速可使彈體勻速旋轉，進而輔助噴碼機完成標碼噴識。如圖6所示。

圖6 旋轉夾持機構

3 控制部分

3.1 系統硬件設計

控制系統應用上位工控機、PLC的典型控制方式，PLC選用西門子S7-1500PLC系列。所有控制線路均采用防爆管件及接頭，現場采用防爆控制箱。

分系統主要包括X方向伺服電機、旋轉伺服電機、升降氣缸、步進電機、夾緊氣缸、輔助夾持氣缸、彈底托盤氣缸等［5］。系統接線圖如圖7所示。

3.2 系統軟件設計

系統運行流程圖如圖8所示。

3.3 通訊

本系統工控機和PLC之間采用專用的通訊電纜，工控機側借用RS-232標準接口，PLC側借用編程口。主要完成運行參數的設定以及分系統運行狀態的傳送。

3.4 組態軟件

組態軟件可根據不同火工品裝筒工藝需要，任意組態人機界面信息，可編程能力強，能直觀有效的給用戶系統提供運行信息［6-8］。本系統的組態界面主要提供以下信息:X向伺服電機、旋轉伺服電機、升降氣缸、步進電機、夾緊氣缸、輔助夾持氣缸、彈底托盤氣缸等的運行狀態，裝筒總數的數據統計等。

圖7 控制系統接線圖

圖8 系統運行流程

4 結論

本機器人已投入使用，實現了無人化操作，完全替代了原來的人工裝筒，且運行良好;不僅提高了工作效率和本質安全度，降低了勞動強度，還避免了因人為操作造成的火工品表面劃傷以及傾覆等危險事故的發生。提高了戰時彈藥保障質量和效率，開創彈藥保障的新局面。

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