基于工業機器人的粉末藥型罩自動生產技術研究

岳 顯，史慧芳，齊 銘，錢俊松，李全俊

(中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000)

1 引言

藥型罩作為聚能裝藥的核心部件，能在高能炸藥爆轟后形成射流對目標進行侵徹，廣泛應用在破甲彈、侵徹彈等武器和石油射孔彈等民品中，其質量直接關系侵徹性能[1]。目前常用藥型罩多為粉末藥型罩，具有工藝簡單、配方靈活、成型性良好、柞堵少等優點[2-4]。其生產過程主要包括金屬粉稱量、旋壓成型、質量檢測等工序。目前，各生產工序基本以手工操作為主，整個生產過程存在工序間斷、轉運繁瑣、自動化程度低、生產效率不高、操作人員多、人員勞動強度大且重復操作易產生疲勞可能導致安全事故發生等問題。這種以手工為主的生產方式已不能滿足日益增長的供應需求，嚴重制約了生產能力的進一步提升。

為改進粉末藥型罩的生產方式，提高生產效率，減少生產人員及勞動強度，本研究應用工業機器人等技術，開展粉末藥型罩生產的自動化和連續一體化研究，突破制約藥型罩生產自動化的技術瓶頸，研制了粉末藥型罩自動生產系統，實現粉末藥型罩全生產流程的自動化、連續一體化。

2 系統組成

粉末藥型罩自動生產系統主要由金屬粉稱量送料裝置、旋壓成型裝置、轉運機器人、成品檢測裝置以及托盤傳輸線等組成，系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成示意圖

金屬粉稱量送料裝置由定量勺粗加組件、轉盤精加組件、稱量放料組件、送粉組件等組成，采用兩級組合加料方式，實現了金屬粉的自動精確稱量，以及自動將稱好的金屬粉送入旋壓成型裝置中。

旋壓成型裝置由液壓機組件、旋粉組件、模具組件、取罩組件等組成，其作用是自動將稱量好的金屬粉通過旋壓方式壓制成藥型罩成品，并將成品從模具中取出，送入轉運工位。

轉運機器人由六軸工業機器人、取罩吸盤等組成，將藥型罩成品轉運至檢測裝置以及將檢測完的藥型罩成品轉運至產品托盤擺盤碼垛。

成品檢測裝置由步進組件、壁厚差檢測組件、頂厚檢測組件等組成，完成壁厚差及頂厚的自動檢測。

托盤傳輸線由空托盤上線組件、傳輸線、頂升定位組件等組成，完成空托盤的自動上線以及滿托盤的自動傳輸功能。

藥型罩自動生產系統集成實現了金屬粉自動稱量與送粉、自動旋壓成形、自動轉運、成品質量自動檢測、自動下料擺盤等功能，滿足了藥型罩生產自動化、連續化、一體化的需求。其工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程框圖

人工向料斗中加入金屬粉，啟動系統后，金屬粉稱量送料裝置先由定量勺組件粗加，再由轉盤組件精加，達到設定質量后停止加料，并對所稱量的金屬粉質量進行判斷，不合格剔廢，合格則倒入送粉組件中送入自動旋壓成型裝置中自動旋壓成型，取罩組件將藥型罩取出，由機器人吸取藥型罩送入檢測裝置中，依次自動完成壁厚差檢測和頂厚檢測，再由機器人吸取藥型罩，根據檢測結果，合格品送入合格品托盤碼垛，不合格品送入不合格品托盤碼垛。托盤碼滿后，傳輸線將托盤輸送至下線工位由人工取走。自動生產系統實物如圖3所示。

圖3 自動生產系統實物圖

3 控制系統的設計與實現

從功能及組成來看，藥型罩自動生產系統是一個具有物流、信息集成和自動機械一體的柔性化系統，所有控制單元和自動機械應協調工作。控制系統采用“HMI+PLC+分布式I/O”構成應用、控制和執行3層結構，控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構框圖

應用層以西門子觸摸屏為基礎構成緊湊友好的人機交互系統，實現現場調試及監控等功能，為設備的柔性化實現提供保障。

控制層選用西門子S7-1500型號PLC實現整個系統的邏輯控制。采用集中控制方式，完成所有機構的并行工作控制、協調控制、全線故障自診斷和系統運行狀態自動監視，并與壓機控制系統進行交互，實現對壓機的自動控制。人機交互系統與PLC之間采用以太網通訊進行數據交換。

執行層采用現場總線和端子相結合的方式，實現包括伺服電機、傳感器、電磁閥、按鈕和指示燈等元器件與PLC之間控制信號的經濟、穩定、緊湊的傳輸。

4 關鍵技術

4.1 多粉種金屬粉自動定量稱重技術

粉末藥型罩所用粉末一般是由銅、鎢等金屬粉末按照一定的質量比和粒度比并添加一定量的粘合劑混合而成，在自然狀態下流散性較好[4-5]。為保證藥型罩的質量，稱量金屬粉時要嚴格控制每一發金屬粉質量的誤差范圍，需要提高稱量精度。同時為提升生產效率，在確保精度的前提下還需提高稱量速度。除此之外，金屬粉的混合均勻度也會對藥型罩成品質量產生影響，稱量過程中還應保證粉末的混合均勻度。

根據上述稱量要求，開展多粉種金屬粉自動定量稱重技術的研究。金屬粉定量稱重過程是一個動態的過程，要準確計量金屬粉質量使其盡量接近設定的標準值，就需要使動態稱重過程向靜態或穩態過程趨近。可將加料計量過程分為2個階段：粗加料階段和精加料階段。前者影響定量稱重的速度，后者影響稱重的準確度。確定合理的粗精加比例是提高稱量精度和速度的關鍵因素[6-8]。

基于上述分析，采用電子動態稱量技術，設計了金屬粉自動稱量裝置，如圖5所示。選用具有稱量精準、動態響應快、穩定速度快等特點的精密電子稱作為稱量衡器，確保稱量的準確性及效率。在裝置加料方式的設計上，為最大程度保證金屬粉的均勻度，采取粗加與精加結合的2級加料方式，粗加為定容式加料，模擬人工加料過程，通過定量勺實現粗加，加料時定量勺伸出，在料斗內翻轉一次，裝滿金屬粉末，刮平后倒入稱量杯中，這種方式避免了混合金屬粉自身過多的運動，能最大程度地保持金屬粉的混合均勻度。精加為轉盤式加料，金屬粉在轉盤上均勻鋪布，轉盤帶動金屬粉轉動，在加料口通過刮板阻擋金屬粉形成堆積，并將邊緣處的金屬粉擠出轉盤落入稱量斗中實現精加。

圖5 金屬粉自動定量稱重裝置結構示意圖

轉盤式精加通過調節轉盤轉速控制精加速度。精加過程是一個減速稱量過程，即實際質量越接近設定質量，轉盤轉動越慢，從而達到精確稱量的目的。轉盤實時轉速計算公式如下:

r=r0×k×(w設-w)

(1)

式中：r為轉盤轉速；r0為基準轉速；k為調整系數；w設為設定稱量值；w為實時稱量值。

基準轉速r0為常數，但由于不同型號金屬粉的密度、流散性等物理性質存在差異，故設置調整系數，通過改變調整系數大小，來調節精加轉盤的基準轉速，滿足不同粉種稱量需求。再根據設定質量與實際質量的差值計算出轉盤轉速。由于質量差值不斷減小，計算得到的轉速也不斷減小，轉盤轉動越慢，精加量就越少，稱量就越精確。直至實時稱量值達到設定值，轉盤停止轉動，精加過程結束。

在加料策略上，采取“粗加為主、精加補充”的加料方式，粗加與精加的比例可調節，一般將粗加量設定到稱量值的95%及以上，剩余量由精加補齊，這種加料方式可最大程度的保證金屬粉的混合均勻度并且兼顧稱量效率。同時可通過更換不同容積規格的定量勺調節粗加量，通過調節轉盤轉速控制精加速度和精加量，以兼容不同粉種及質量藥型罩的稱量要求，實現柔性化生產。

為減少稱量加料過程中裝置壁面的粉末附著，稱量料杯采用圓錐形設計，盡量減小錐角，防止角度過大導致堆料；增加了料杯內壁面的光潔度，減小摩擦因數，可減小放料阻力，增加放料流暢性。同時，在放料時，放料氣缸會對料杯產生一定的振擊效果，可破壞堆料狀態，有效減少粉塵附著，利于金屬粉末放料。采取以上措施后，經測試：在稱量加料過程中，料杯中未出現堆料現象，僅在壁面附著有少許粉末，其量保持穩定，未出現累積落料現象。對成品進行復稱，質量均合格，與系統記錄的稱量值相比，誤差在0.1 g內，符合工藝要求。

4.2 工業機器人自動轉運及碼垛技術

要實現粉末藥型罩的自動化連續化生產，實現產品在各工位間按流程自動轉運是關鍵。當藥型罩壓制成型并被取出后，應將壓制的成品送入檢測裝置中進行壁厚差和頂厚檢測，并根據檢測結果進行判定，若為合格品，則送入合格品托盤中擺放；若為不合格品，則送入不合格品托盤中擺放。

為兼顧生產流程及效率要求，基于工業機器人實現生產過程中藥型罩在各工位間的自動轉運及擺盤碼垛。工業機器人是面向工業生產任務的多關節操作臂或多自由度機械手，具有種類多、定位精度高、響應速度快等特點，在20世紀60年代開始應用于工業生產中，經過多年發展，現在機器人產品已經非常成熟，具有很好的可靠性和安全性，是制造業中重要的自動化裝備，在汽車、家電等生產領域內廣泛應用[9-10]。

選用六軸工業機器人完成藥型罩成品在生產過程中的轉運與擺盤碼垛。六軸工業機器人具有移動速度快、重復精度高、集成度高、移動靈活、安裝簡單、占用空間小等特點，適用于本設備工況。在六軸工業機器人手腕部安裝真空吸盤，在轉運與擺盤碼垛過程中，吸盤吸取藥型罩成品，機器人按設定路徑進行移動，到位后由吸盤吸取或放下產品。

在粉末藥型罩自動生產中，機器人共需運行3條路徑：路徑1為將完成壓制的藥型罩從送罩機構的取罩工位轉運至檢測裝置的上料工位；路徑2是將完成檢測的被系統判定為合格品的藥型罩從檢測裝置下料工位運送至合格品托盤按設定順序進行擺盤碼垛；路徑3是將完成檢測的被系統判定為不合格品的藥型罩從檢測裝置下料工位運送至不合格品托盤按設定順序進行擺盤碼垛，如圖6所示。

圖6 機器人工作范圍及路徑示意圖

工業機器人為循環工作模式，一個工作循環流程為：壓機完成一發藥型罩的壓制后，由取罩及送罩組件將藥型罩送至取罩工位，取罩工位檢測到有產品時，機器人從原點為開始動作，先移動至取罩工位吸取藥型罩，然后沿路徑1放入檢測上料工位中，然后機器人移動到檢測下料工位吸取完成檢測的藥型罩，若檢測結果為合格，則機器人沿路徑2將藥型罩送到合格品托盤中并按順序擺盤；若檢測結果為不合格，則機器人沿路徑3將藥型罩送到不合格品托盤中按順序擺盤，完成后機器人回到原點位。取罩工位發出成品檢測到位信號，機器人開始下一個工作循環。

4.3 壁厚差自動檢測技術

藥型罩成品的壁厚差值是判斷成品是否合格的關鍵檢測項。藥型罩壁厚差是指藥型罩在同一高度上的壁厚變化值，一般生產工藝要求壓制的藥型罩成品壁厚差不大于0.04 mm。要精確檢測藥型罩的壁厚差，須將藥型罩旋轉一周，檢測出壁厚變化值，從而得到壁厚差。設計了如圖7所示的壁厚差檢測裝置進行藥型罩成品壁厚差檢測。

圖7 壁厚差自動檢測裝置結構示意圖

壁厚差檢測裝置采用接觸式檢測方法，通過檢測藥型罩旋轉一周過程中壁厚的變化情況，再由軟件計算出壁厚差值。根據藥型罩的錐形外形，外托座口部內側采取倒角設計，倒角角度與藥型罩錐角一致，可對藥型罩自動找正，防止傾斜，確保藥型罩軸線與轉軸軸線同軸。藥型罩放入外托座內后，步進電機通過同步帶輪及同步帶，驅動轉軸旋轉，從而帶動托座及藥型罩旋轉。檢測氣缸伸出，兩側安裝臂帶動傳感器及測頭等沿變距塊下移，在下移過程中兩邊測頭間距逐漸減小，直至兩邊測頭與藥型罩內外壁分別接觸。隨著藥型罩的轉動，兩邊測頭隨著藥型罩壁厚變化而產生相應細微位移，通過杠桿放大作用，帶動頂頭產生位移，傳感器測針與頂頭接觸，頂頭移動時，傳感器測針也產生相應位移，從而得到變化量。

在進行壁厚差檢測時，電機帶動藥型罩轉動，內外測頭夾住產品，旋轉1周的同時，內外測頭隨壁厚變化，傳感器讀數也隨之變化。假設在旋轉1周的過程中，內外檢測傳感器均分別采集了n組數據，內壁數據為a1、a2、…、an，外壁為b1、b2、…、bn。采取如下算法計算壁厚差。

將內外壁傳感器讀取的第1組數據作為基準值，將之后檢測的每組數據分別與基準值作比較，并計算出相對于基準值的變化量，用變化值的最大值與最小值相減即為測量的壁厚差值。

將a1、b1作為基準值，則第1個內壁比較值為：

A1=a2-a1

(2)

第1個外壁比較值為：

B1=b2-b1

(3)

則第2組檢測數據相對于第一次的變化值為：

ΔS1=A1+B1=(a2-a1)+(b2-b1)

(4)

變換式(4)得到：

ΔS1=(a2+b2)-(a1+b1)

(5)

可見，第2組檢測的壁厚變化值即為第2次檢測數據之和減去基準檢測數據之和。

由此可得，第n次檢測的壁厚相對于基準壁厚的變化值為：

ΔSn=(an+bn)-(a1+b1)

(6)

在一個檢測周期內，壁厚變化最大值為：

ΔSmax=max(ΔS1,ΔS2,…,ΔSn)

(7)

壁厚變化最小值為：

ΔSmin=min(ΔS1,ΔS2,…,ΔSn)

(8)

則壁厚差值：

ΔS=ΔSmax-ΔSmin

(9)

根據上述算法編寫壁厚差自動檢測程序，并進行測試對比試驗，即將同一批藥型罩分別進行自動檢測和人工檢測，對比檢測結果，如表1所示。

表1 壁厚差檢測結果對比

對比結果表明：壁厚差自動檢測結果與人工檢測結果一致，兩者差值在工藝允許范圍內。

5 應用效果

藥型罩自動生產系統已成功應用于某廠的藥型罩生產中，累計完成了萬余發各型號藥型罩的生產任務，生產效率達到20 秒/發，生產現場僅需1名巡視人員。所生產的多種藥型罩經抽驗靶試，各項數據全部合格。表2為部分型號藥型罩抽驗靶試數據。

表2 抽驗靶試數據表

6 結論

1) 本文基于工業機器人等研制了藥型罩自動生產系統，系統集成了金屬粉自動稱量、自動旋壓成型、藥型罩自動質量檢測、自動物流轉運及成品碼垛等功能，實現了粉末藥型罩全生產流程的自動化和連續一體化。

2) 系統已成功應用于實際生產中，應用效果表明：該系統將生產效率提高至20 秒/發，操作人員由4人減至1人，且只需進行生產巡視工作，完成補粉和取盤，勞動強度大幅降低。系統還提高了生產安全性，并滿足了柔性化生產需求，具有較好的推廣前景。