高效穩(wěn)定的火工品壓藥工藝控制系統(tǒng)

趙凱，朱全松，吳斌，王國英，肖靜

（西南自動化研究所彈藥自動裝藥研究應(yīng)用中心，四川綿陽621000）

高效穩(wěn)定的火工品壓藥工藝控制系統(tǒng)

趙凱，朱全松，吳斌，王國英，肖靜

（西南自動化研究所彈藥自動裝藥研究應(yīng)用中心，四川綿陽621000）

針對傳統(tǒng)壓藥機(jī)低效率問題，提出了一種高效率的火工品壓藥控制系統(tǒng)方案；由比例閥、氣液增力缸、壓力分配器和PLC控制器構(gòu)成的成組式火工品壓藥控制系統(tǒng)，不僅極大地提高了壓藥效率，而且通過控制系統(tǒng)確保了由壓力分配器輸出的4個壓頭的壓藥壓力的一致性和穩(wěn)定性。

氣液增力缸；電氣比例閥；壓力分配器

火工品是彈藥中最小的爆炸元件，具有體積小、精度高、藥劑敏感性高的特點［1］。壓藥是火工品生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的工藝之一。壓藥密度及其一致性對火工品的爆炸性能、輸出功能有著直接的影響［4］，其中壓藥壓力、加壓速度、保壓時間等重要工藝參數(shù)又直接影響壓藥密度。目前國內(nèi)火工品生產(chǎn)廠家多數(shù)采用手工或半自動生產(chǎn)方式，其中壓藥裝置不能保證各個針刺火帽受到的壓力均勻一致，也無法實現(xiàn)各壓藥壓力在線檢測及實時控制壓藥壓力，并且生產(chǎn)率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，為提高火工品生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，以針刺火帽產(chǎn)品為例，提出了一個高效穩(wěn)定的自動壓藥控制系統(tǒng)方案。

1 壓藥系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，該壓藥機(jī)由線性緩沖機(jī)構(gòu)、壓力匹配器、頂升機(jī)構(gòu)、氣液增力缸為驅(qū)動的壓力機(jī)構(gòu)、壓力傳感器組、退模機(jī)構(gòu)等組成。其工作過程如下：頂升機(jī)構(gòu)動作，將模具頂升一定高度、氣液增力缸動作驅(qū)動升降加壓機(jī)構(gòu)帶動壓力均衡機(jī)構(gòu)及壓頭下降，壓頭進(jìn)入裝藥模接觸藥劑開始壓藥。壓力分配器的4個壓頭作用于帶有一組4個工件的模具上，并保持4個工件壓力的均衡性。該壓藥系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的單壓頭壓藥方式，采用一組4個工件的壓藥方式，極大地提高了壓藥效率。

圖1 壓藥機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)圖

2 壓藥控制原理

控制原理如圖2所示，壓頭輸出的沖壓力大小由氣液增力缸通過電氣比例閥調(diào)節(jié)輸入到氣液增力缸的壓縮空氣的壓力控制。氣液增力缸通過氣液壓力轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，輸出與壓縮空氣壓力成比例的沖壓力，作用于壓力分配器，并由壓力分配器將沖壓力平均分配到1組4發(fā)模板上的每發(fā)工件上，使每發(fā)工件承受的壓力一致。通過壓力傳感器組實時檢測每個工件被施加的沖壓力。根據(jù)氣液增力缸氣液壓力比例轉(zhuǎn)換關(guān)系，控制電氣比例閥輸出設(shè)定的沖壓力對應(yīng)的壓縮空氣壓力，以滿足壓機(jī)對壓藥壓力的要求。

圖2 成組式壓藥控制原理

3 壓藥機(jī)關(guān)鍵部件的選型

由圖1和圖2可知，構(gòu)成高效壓藥機(jī)的關(guān)鍵部件包括氣液增力缸、電氣比例閥和壓力分配器。氣液增力缸作為施加壓藥壓力的關(guān)鍵部件，其氣液轉(zhuǎn)換性能和線性度是PLC控制器能夠穩(wěn)定控制的決定性因素，電氣比例閥則是PLC控制器控制壓力的必不可少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而壓力分配器對4個壓頭的壓力輸出的均衡性保證了該壓藥機(jī)的高效率。

3.1 沖壓力設(shè)備

1）氣液增力缸選型。根據(jù)火工品壓藥壓力的要求，需要大約9 kN的沖壓力，雖然液壓系統(tǒng)可以滿足防爆及壓力指標(biāo)要求，但基于成本和對環(huán)境污染及控制精度的考慮，采用tox公司提供的line-Q系列氣液增力缸。該氣液增力缸由壓縮空氣驅(qū)動，并且具有自動啟動氣液增壓力行程的功能。即活塞桿（模具）在總行程范圍內(nèi)任意位置上遇到阻力（工件），氣液增壓的力行程即可自動開始。調(diào)整力行程轉(zhuǎn)換節(jié)流控制閥即可調(diào)整力行程轉(zhuǎn)換的時間。當(dāng)力行程轉(zhuǎn)換節(jié)流控制閥關(guān)閉時，不產(chǎn)生力行程。在性能方面，該氣液增力缸可在狹小的工作空間中施加出巨大的液壓沖壓力，而無需昂貴的液壓系統(tǒng)，并且無污染，安全可靠，使用壽命長，同時該氣液增力缸在下止點配置有終位液壓緩沖裝置，因而工作噪音極低。此外，空氣耗量極少，排氣噪音也極低，無需處理舊油，無漏油污染，無液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)噪音。在能耗方面，與傳統(tǒng)的氣缸或液壓缸沖壓驅(qū)動相比，采用該氣液增力缸最多可節(jié)省90%的能量，因為僅在力行程需要氣液增壓的全力沖壓，而快進(jìn)行程和返回行程耗能極微。

2）Tox氣液增力缸工作原理。Tox氣液增力缸通過3個行程完成增壓力的過程。即快進(jìn)行程、力行程和返回行程。其工作原理如圖3所示。

圖3 氣液增力缸工作原理

在快進(jìn)行程，主控閥a動作，工作活塞1在快進(jìn)行程中伸出，直到在任意位置遇到外阻（工件）。外阻將控制力行程控制閥d打開。在力行程，增壓活塞2封閉高壓油腔5，并增壓使其內(nèi)油壓最高達(dá)到400 bar。此油壓作用于工作活塞桿1后端面，實現(xiàn)沖壓的力行程。在返回行程，轉(zhuǎn)換主控閥a后，力行程控制閥d自動排掉空間e內(nèi)的空氣。工作活塞1和增壓活塞2返回到靜止?fàn)顟B(tài)。通過上述3個行程完成一次壓藥過程。

3.2 壓力輸出部件

根據(jù)氣液增力缸控制原理可知，氣液增力缸輸入的壓縮空氣壓力與輸出的油壓和沖壓力構(gòu)成分段線性的比例關(guān)系，為此，選用比例閥控制作為氣液增力缸驅(qū)動源的壓縮空氣的壓力。通過對壓縮空氣壓力的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對氣液增力缸的沖壓力的自動控制。

1）比例閥選型。電氣比例閥通過電信號控制氣壓力，可以實現(xiàn)氣壓力的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和程序控制，對于SMC ITV系列電氣比例閥有以下特點：

·靈敏度高、性能好。保護(hù)等級為IP65。電纜方向有直線型和直角型。

·SMC ITV0000系列為薄型（僅15 mm），輕（100 g），體積小，重量輕，響應(yīng)快（無負(fù)載時為0.1 s）。結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。

·SMC ITV2000/ITV3000系列為正壓型，設(shè)定壓力范圍有3擋。在平衡狀態(tài)時耗氣量為0。在不加壓狀態(tài)下，可進(jìn)行零位調(diào)整和滿位調(diào)整；在加壓狀態(tài)下若斷電，能暫時保持輸出壓力不變。

·與斷續(xù)控制相比，系統(tǒng)簡化，元件大大減少

·使用功率小，發(fā)熱少，噪聲低

根據(jù)以上特點以及所選氣液增力缸要求及壓藥精度要求，選用SMC公司的ITV3000系列的電氣比例閥。該產(chǎn)品可針對輸入信號進(jìn)行最小壓力和最大壓力的調(diào)節(jié)，能以最小壓力的0～50%（F.S）。

2）電氣比例閥控制原理。如圖4所示為SMC ITV3000系列電氣比例閥動作原理圖，圖5為ITV3000電氣比例閥控制框圖。其控制原理如下：輸入信號（input signal）增大，供氣電磁閥1變?yōu)镺N狀態(tài)，排氣電磁閥2變?yōu)镺FF狀態(tài)，則供氣壓力通過閥1進(jìn)入先導(dǎo)室3，先導(dǎo)室壓力上升，氣壓力作用在膜片4的上方，則和膜片4相連的供氣閥5便開啟，部分供氣壓力成為輸出壓力，此輸出壓力通過傳感器7反饋至控制回路8。在這里，與目標(biāo)值進(jìn)行快速比較修正，直到輸出壓力與輸入電信號成一定比例為止，從而得到輸出壓力與輸入電信號的變化成比例變化。

3）穩(wěn)定壓藥精度的控制技術(shù)。雖然通過電氣比例閥可以使輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與輸入量之間存在一定的比例關(guān)系，本系統(tǒng)中比例閥可輸出與沖壓力相對應(yīng)的氣壓力，即只要根據(jù)設(shè)定的沖壓力要求，控制電氣比例閥輸出對應(yīng)的壓縮空氣壓力值即可。此時控制方式為開環(huán)控制，這種方式對于具有穩(wěn)定供應(yīng)的壓縮空氣來說，可以保證控制精度達(dá)到規(guī)定的要求，但由于壓縮空氣供應(yīng)通常具有不穩(wěn)定性，因此，即使電氣比例閥輸出了規(guī)定的壓力值，如果不對輸出的壓力值進(jìn)行反饋監(jiān)控，例如，當(dāng)輸入的壓縮空氣壓力值小于所要求的值時，即使電氣比例閥通過控制系統(tǒng)輸出了規(guī)定的要求值，使閥門開度達(dá)到規(guī)定值，但并沒有規(guī)定的實際流量輸出，也無法控制氣液增力缸輸出規(guī)定的沖壓力。因此，為保證壓藥精度，必須確保供應(yīng)的壓縮空氣壓力值的穩(wěn)定性，為此，在壓縮空氣輸入端增加一個壓力傳感器實時監(jiān)測壓縮空氣壓力值，當(dāng)壓力值低于設(shè)定值時，不允許對工件進(jìn)行壓藥控制，從而保證了壓藥精度的穩(wěn)定性和可靠性。

圖4 電氣比例閥動作原理

圖5 電氣比例閥控制框圖

3.3 壓力分配器

由圖1和圖2可知，壓力分配器可實現(xiàn)對多個工件的壓力分配，使成組式壓藥成為可能。通過提高壓力分配器制造過程中的加工精度，使每個壓頭所受摩擦力及活塞桿截面積一致，從而使每個工件所承受的壓藥壓力相同，確保壓力分配器在受到總壓力時能夠保持均衡。

4 結(jié)論

通過上述對構(gòu)成壓藥控制各設(shè)備的選型以及對所選型設(shè)備的控制技術(shù)的研究，保證了壓藥控制的高效穩(wěn)定性和可靠性，為PLC控制器實現(xiàn)壓藥力的高精度控制提供了堅實的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯周江川）

High Efficiency and High Stability Pressing Process Control System of Loading Materials for Initiating Explosive Device

ZHAO Kai，ZHU Quan-Song，WU Bin，WANG Guo-ying，XIAO Jing
（Ammunition Center，Southwest Automation Research Institute，Mianyang 621000，China）

Aiming at solving the low efficiency of traditional press process of loading materials for initiating explosive device，we proposed a new high efficiency pressing process control system of loading materials for initiating explosive device.The group pressing process control system of loading materials for initiating explosive device consisting of proportional pressure valve and pneumatic hydraulic cylinder and pressure distributor not only raises the pressing efficiency but also holds consistency and stability of four pressing by pressure distributor output.

pneumatic hydraulic cylinder；proportional pressure valve；pressure distributor

趙凱，朱全松，吳斌，等.高效穩(wěn)定的火工品壓藥工藝控制系統(tǒng)［J］.四川兵工學(xué)報，2015（11）：8-10.

format：ZHAO Kai，ZHU Quan-Song，WU Bin，et al.High Efficiency and High Stability Pressing Process Control System of Loading Materials for Initiating Explosive Device［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：8-10.

TJ45

A

1006-0707（2015）11-0008-04

10.11809/scbgxb2015.11.003

2015-06-23

國防基礎(chǔ)科研項目（C1020110001）

趙凱（1963—），女，高級工程師，碩士，主要從事自動控制技術(shù)應(yīng)用研究。