小型全自動(dòng)壓藥設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)?

趙元喜，游俊紅，呂志民，何軍勇

（中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053）

小型全自動(dòng)壓藥設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)?

趙元喜，游俊紅，呂志民，何軍勇

（中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053）

介紹一種小型藥柱自動(dòng)壓制設(shè)備的設(shè)計(jì)。該型自動(dòng)壓藥設(shè)備采用全氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過更換模具和部分工裝即可生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，滿足柔性化生產(chǎn)的需要。該設(shè)備由PLC控制，實(shí)現(xiàn)了壓藥工藝過程的自動(dòng)化，可以大大減輕生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)過程中的人員安全。

小型藥柱；全氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)；柔性化；自動(dòng)化；安全生產(chǎn)

1 引 言

在軍工和民爆行業(yè)中火工品的生產(chǎn)離不開壓藥設(shè)備。目前，國內(nèi)工廠小型藥柱的生產(chǎn)普遍采用的是手動(dòng)螺旋壓力機(jī)和杠桿式壓力機(jī)［1］。藥柱壓制過程中的壓藥壓力、加壓速度、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)都會(huì)直接影響到藥柱的質(zhì)量［2］。采用傳統(tǒng)手工壓藥方式是工人憑感覺來保證這些參數(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是產(chǎn)量較大的情況下，手工壓藥方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性，導(dǎo)致良品率低。而且手工壓藥效率低、存在較大的安全隱患［3］。因此，研制一種安全、自動(dòng)化程度高、可靠性好的自動(dòng)壓藥設(shè)備有著非常重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)際意義。

2 前期調(diào)研

在設(shè)計(jì)的初期階段我們進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有制造工藝和生產(chǎn)情況有了比較直觀的了解。目前，小型藥柱的壓藥生產(chǎn)還沒有詳細(xì)的工藝參數(shù)，例如壓藥壓力、加壓速度、保壓時(shí)間等，主要依靠的是多年積累的經(jīng)驗(yàn)，由工人憑感覺保證。

企業(yè)目前的生產(chǎn)工藝流程：裝沖芯→裝模套→稱藥、倒藥→裝墊板→裝上沖→人工壓藥→取下墊板、下沖、沖芯→退模→取藥柱。整個(gè)生產(chǎn)過程全部由人工操作，由2～3人配合完成。在熟練工人的操作下生產(chǎn)的速度最快可以達(dá)到20～25 s／枚，但是由于產(chǎn)品產(chǎn)量較大，工作步驟重復(fù)、繁瑣，采用目前的螺旋壓藥機(jī)壓藥需要操作人員雙手用力扳動(dòng)手輪，消耗體力較大，靠人工難以保持較快的生產(chǎn)節(jié)拍，質(zhì)量也難以保證。而且人工壓藥存在比較大的安全隱患，不利于操作人員的安全。

采用設(shè)備自動(dòng)壓藥方式可將設(shè)備放置在抗爆間內(nèi)，工作人員可在控制室內(nèi)通過監(jiān)控探頭和顯示屏監(jiān)視整個(gè)生產(chǎn)過程，通過觸摸屏可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，整個(gè)制造過程由設(shè)備自動(dòng)完成，無需人工直接參與，實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離。設(shè)備各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間及設(shè)備與抗爆門之間設(shè)有電氣聯(lián)鎖，保證生產(chǎn)安全。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于壓藥設(shè)備是在存在爆炸危險(xiǎn)的場合使用，因此根據(jù)國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備設(shè)計(jì)必須滿足防爆要求。本設(shè)備以壓縮空氣作為動(dòng)力源，由可編程控制器控制。電氣控制元件采用本質(zhì)安全型、隔爆型、密封防爆型元件，符合國家相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)：模具輸送系統(tǒng)工位數(shù)：5工位；單次壓制藥柱數(shù)量：1個(gè)；壓機(jī)最大工作壓力：10 kN；增壓缸工作壓力：0.4 MPa。廠房環(huán)境：供給電源：380 V／220 V±10%；50 Hz±2%；供壓縮空氣：0.4～0.6 MPa；廠房環(huán)境溫度：5～45℃；相對(duì)濕度：≤95%。

自動(dòng)壓藥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由增壓缸提供壓制藥柱時(shí)所需的壓力。沖頭作為模具上沖與氣液增壓缸的連接件，通過旋轉(zhuǎn)沖頭可以調(diào)整壓制藥柱的高度。工作臺(tái)上布置有壓藥工序的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括取藥柱機(jī)械手、下沖頂出氣缸、清擦及下沖復(fù)位氣缸等。取藥柱機(jī)械手用于抓取壓制完成的藥柱并放入收納盒中；下沖頂出氣缸用于壓藥后的退模動(dòng)作；下沖復(fù)位氣缸用于取藥柱后清擦模腔并將模具下沖復(fù)位。

壓藥動(dòng)作順序：清擦模具→計(jì)量裝藥→壓藥→沖頭復(fù)位→下沖頂出→取藥柱→清擦模腔并將下沖復(fù)位。

圖1 自動(dòng)壓藥機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

3.1 分度轉(zhuǎn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用回轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)分度器帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)五個(gè)工位的精確定位?；剞D(zhuǎn)氣缸作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過單向軸承和同步帶驅(qū)動(dòng)分度器做單向間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)氣缸提供轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力，分度器保證了工作轉(zhuǎn)盤作精確分度運(yùn)動(dòng)。

（1）分度器定位誤差校核：

選用分度器定位誤差45″

圓周方向定位誤差：

帶型L，節(jié)距：pb＝9.525

小帶輪轉(zhuǎn)速：n1＝60 r／min

小帶輪齒數(shù)：z1＝14

小帶輪節(jié)圓直徑：

帶速：

大帶輪齒數(shù)：z2＝20

大帶輪節(jié)圓直徑：d2＝60.64 mm

初定中心距：

初定帶的節(jié)線長度：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇同步帶型號(hào)140L075同步帶輪14L075F、20L075F。

3.2 容積計(jì)量裝置設(shè)計(jì)

容積計(jì)量是依靠定容積的方式對(duì)原料進(jìn)行計(jì)量。相對(duì)于稱量方式，該方法計(jì)量速度快、一致性好，非常適用于小型藥柱的自動(dòng)化生產(chǎn)。

容積計(jì)量裝置的工作原理如圖2所示，初始狀態(tài)下，氣缸處于縮回位置，藥粒存放在料斗中，并從料斗落入計(jì)量裝置的滑塊腔內(nèi)；工作開始后，氣缸伸出推動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，藥粒落入計(jì)量板上的計(jì)量孔中；而后氣缸復(fù)位，動(dòng)作到位后，藥粒從計(jì)量裝置落入正下方的模腔中，完成一次計(jì)量動(dòng)作。通過微調(diào)螺釘可對(duì)落藥量作微小調(diào)整，以達(dá)到滿足生產(chǎn)要求的最佳藥量?；瑝K的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)落藥量也有一定影響，可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)氣缸上的調(diào)速接頭調(diào)節(jié)滑塊的運(yùn)動(dòng)速度。

對(duì)于工廠目前生產(chǎn)的兩種藥柱的藥量可通過以

下公式計(jì)算。

圖2 容積計(jì)量裝置工作原理圖

（1）藥柱I

藥柱最大質(zhì)量：

藥柱最小質(zhì)量：

壓藥前藥粒最大高度：

壓藥前藥粒最小高度：

（2）藥柱II

藥柱最大質(zhì)量：

藥柱最小質(zhì)量：

壓藥前藥粒最大高度：

壓藥前藥粒最小高度：

式中：ρ為藥粒真密度，g／mm3；ρ′為藥粒假密度，g／mm3。

工作時(shí)，計(jì)量裝置的動(dòng)作存在滑動(dòng)摩擦，為避免動(dòng)作過程中由于摩擦和沖擊產(chǎn)生靜電及火花而導(dǎo)致藥劑引燃的危險(xiǎn)，計(jì)量裝置的所有零件都采用金屬材料，通過機(jī)架可靠接地，并且兩個(gè)相接觸的摩擦面分別采用了黑色和有色金屬材料。該計(jì)量裝置適用于流散性好的顆粒狀藥劑計(jì)量，不適用于黏著性大的藥劑和容易產(chǎn)生吸附的粉狀藥。

3.3 模具的設(shè)計(jì)

模具是保證壓藥質(zhì)量的關(guān)鍵部件。模具由上沖、下沖及陰模組成。本設(shè)備每種產(chǎn)品配有五套模具，上沖安裝于氣液增壓缸頂桿端部、下沖安裝在陰模中，模具安裝在工作轉(zhuǎn)盤上各工位處，由圓螺母鎖緊固定。模具的尺寸可通過以下公式計(jì)算得出［4］：

（1）陰模尺寸計(jì)算

①陰模高度h陰＝h0＋h1＋h2

式中：h0為松裝高度，mm；，其中：h0＝ρkH／ρ0，ρk為藥柱密度，g／cm3；ρ0為松裝藥密度，g／cm3；H為藥柱高度，mm；h1為下沖模定位高度，mm（一般為10～15 mm）；h2為導(dǎo)向部高度，mm；②陰模內(nèi)徑

式中：D為藥柱直徑公稱尺寸，mm；δn為藥柱直徑公差，mm；c為壓制后藥柱尺寸脹大量，mm；fm為浸蠟層厚度，mm；（通常取0.15mm）；由于藥柱存在脹大現(xiàn)象，設(shè)計(jì)模具時(shí)陰模內(nèi)徑應(yīng)適當(dāng)縮小。

③陰模外徑

（2）模沖尺寸計(jì)算

①模沖高度h沖＝h陰＋h5＋1～2

式中：h陰為陰模高度，mm；h5為模沖凸緣高度，mm。②模沖外徑D沖＝dcp－e平均

式中：dcp為陰模內(nèi)徑平均值，mm；e平均為配合間隙的平均值，mm。

4 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要由各種氣動(dòng)執(zhí)行元件、電磁閥、空氣調(diào)理組合、輸氣管路及接頭等組成。由空氣壓縮泵提供壓縮氣源，利用壓縮空氣的壓力和由PLC控制的電磁閥來保證各執(zhí)行元件準(zhǔn)確完成每個(gè)工位的相關(guān)動(dòng)作，系統(tǒng)需保持0.4～0.6 MPa的工作壓力。空氣調(diào)理組合用來過濾空氣中的水和雜質(zhì)、給氣動(dòng)元件加潤滑油、調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

本設(shè)備采用全氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，無需配置液壓站和防爆電機(jī)，系統(tǒng)造價(jià)低、占用空間小、采用壓縮空氣作動(dòng)力源避免了液壓油泄露產(chǎn)生的環(huán)境污染。

5 結(jié) 語

本設(shè)備制造調(diào)試完成后，在公司加工基地進(jìn)行了多次運(yùn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)小型藥柱的自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍不大于20秒／枚，并且可以滿足多種產(chǎn)品柔性化生產(chǎn)的要求。

該設(shè)備安全性高，通用性強(qiáng)，大大的提高了生產(chǎn)效率，在壓藥領(lǐng)域必然有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 杜云峰，陳敏慧，華齊慶，等.新型氣動(dòng)壓藥機(jī)的研究［J］.新技術(shù)新工藝，2011（6）：1.

［2］ 孫彥云.火工品壓藥工藝自動(dòng)化與實(shí)現(xiàn)研究［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（18）：1.

［3］ 張學(xué)舜，畢可俊，張 勝，等.火工品壓藥設(shè)備機(jī)電一體化研究［J］.火工品，2001（3）：1.

［4］ 溫士武姚蘭英.裝藥工程［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2008.

Design and Development of Minitype Explosive Pressing Device

ZHAO Yuan－xi，YOU Jun－h(huán)ong，LV Zhi－min，HE Jun－yong

（China Wuzhou Engineering Group，Beijing 100053，China）

A kind of minitype explosive pressing device design is introduced in this paper.The pneumatic drive device is con?trolled by PLC，it can produce different kind of product by only switch mold and workpiece.This device realized produce auto?matically and flexibility.The device obviously improves the quality of product and working efficiency，and ensures the personnel safety in the process of production.

minitype explosive；pneumatic drive；flexiblility；automatically；product safety

TH122

A

1007－4414（2013）04－0124－03

2013－05－26

趙元喜（1981－），男，山東煙臺(tái)人，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。