基于柔性制造理論火工品小群模自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)

張弦弦，朱全松

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽(yáng) 621000)

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基于柔性制造理論火工品小群模自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)

張弦弦，朱全松

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽(yáng) 621000)

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)火工品生產(chǎn)廠家在火工品裝配過(guò)程中，存在生產(chǎn)線專用性強(qiáng)，生產(chǎn)線和產(chǎn)品生產(chǎn)都是一對(duì)一的方式，造成了生產(chǎn)線利用率低下，場(chǎng)地占用率高、同時(shí)當(dāng)產(chǎn)品改進(jìn)或淘汰后，生產(chǎn)線再利用較難，不適應(yīng)現(xiàn)階段武器裝備制造多品種、小批量的生產(chǎn)模式等生產(chǎn)現(xiàn)狀的問題。進(jìn)行分析論證、總結(jié)出了一種可以實(shí)現(xiàn)多種火工品生產(chǎn)柔性化裝配生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過(guò)工裝模具快速更換、裝藥精度、壓藥壓力快速調(diào)整以及設(shè)備布局快速切換等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多品種、小批量的火工品自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，提高了我國(guó)火工品的裝藥裝配水平。

關(guān)鍵詞：柔性制造；火工品裝配；排列組合生產(chǎn)模式

1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

火工品，素有“熱兵器心臟”之稱。正因?yàn)槿绱?，世界各?guó)都高度重視火工品的科研生產(chǎn)及制造技術(shù)的改進(jìn)。

國(guó)內(nèi)的火工品生產(chǎn)技術(shù)來(lái)源于原蘇聯(lián)，大多采用手工與獨(dú)立設(shè)備混合生產(chǎn)模式，從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)火工品生產(chǎn)開始不斷進(jìn)行技術(shù)革新，取得了一定成果，部分生產(chǎn)工藝及裝備得到了較大改善，安全性及生產(chǎn)效率有了一定提高，但生產(chǎn)線專用性強(qiáng)，生產(chǎn)線和產(chǎn)品生產(chǎn)都是一對(duì)一的方式，造成了生產(chǎn)線利用率低下，場(chǎng)地占用率高。當(dāng)產(chǎn)品改進(jìn)或淘汰后，生產(chǎn)線再利用較難。不適應(yīng)現(xiàn)階段武器裝備制造多品種、小批量的生產(chǎn)模式。同時(shí)，我國(guó)目前火工品裝配整體水平不高，主要還是采用簡(jiǎn)單機(jī)械并輔以人工的生產(chǎn)方式，存在較大的安全隱患。

國(guó)外(如歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家)的火工品生產(chǎn)線一般都是能適應(yīng)多種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，柔性化程度高，只需要更換相應(yīng)的模具和修改對(duì)應(yīng)的參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的切換。這樣的好處不僅減少生產(chǎn)場(chǎng)地，節(jié)約了大量的資金，更重要的是由于場(chǎng)地和設(shè)備的減少，同時(shí)操作人員大大減少?gòu)亩鴮?dǎo)致了安全隱患的減少。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，我國(guó)火工品生產(chǎn)線設(shè)計(jì)理念和技術(shù)水平同世界發(fā)達(dá)國(guó)家均存在不少差距，主要問題還是設(shè)計(jì)理念相對(duì)落后，缺乏柔性制造理論。

2必要性分析

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)火工品裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)方式單一，產(chǎn)品適應(yīng)率低下、場(chǎng)地占用率高、人員操作密集、危險(xiǎn)隱患多等問題，以及現(xiàn)在火工品主要以小批量、多品種生產(chǎn)方式，因此在火工品制造中采用柔性化制造方式是必然的，原來(lái)的單一化生產(chǎn)模式已不再適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的生產(chǎn)方式需要，通過(guò)表1，可以明顯看出柔性化自動(dòng)生產(chǎn)線相對(duì)原有的單一化生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)。

表1　新老火工品生產(chǎn)線對(duì)比分析

3柔性化制造需求分析

雖然火工品種類繁多，但是其裝配工藝基本大同小異，主要包括裝藥、壓藥、收口、退出等關(guān)鍵工序，以某針刺火帽為例，主要流程如圖1所示。

圖1　某火帽裝配工藝流程

通過(guò)圖1火帽的裝配工藝流程可以看出，不同火工品裝配的區(qū)別主要在以下方面：

1) 工裝、模具尺寸不一致；

2) 裝藥量及藥劑物理特性有區(qū)別；

3) 壓藥、收口力有區(qū)別；

4) 裝壓藥工序不同。

上述4點(diǎn)為火工品制造的主要區(qū)別，所以要實(shí)現(xiàn)火工品柔性制造，生產(chǎn)線必須要能夠?qū)崿F(xiàn)工裝模具快速方便更換、裝藥量及壓藥壓力可以自由調(diào)節(jié)、并且生產(chǎn)線設(shè)備可以根據(jù)不同產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合的功能。

4實(shí)施方式

4.1工裝模具快速更換

通過(guò)對(duì)火工品裝配工藝流程和工藝參數(shù)的分析，設(shè)計(jì)出采用同一生產(chǎn)平臺(tái)，通過(guò)更換工裝和控制程序、更改工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性化火工品自動(dòng)裝配柔性生產(chǎn)線，從根本上解決了當(dāng)前火工品裝配制造過(guò)程中多品種、小批量生產(chǎn)模式問題。

4.2裝藥藥量調(diào)整

a) 群模式裝藥

對(duì)于流散性好、密度均勻的藥劑一般采用群模式計(jì)量板定容式裝藥，對(duì)于不同的裝藥量可以通過(guò)更換計(jì)量板來(lái)實(shí)現(xiàn)裝藥量的調(diào)整，如圖2所示。

圖2　群模稱裝藥機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖

設(shè)備由裝藥料斗、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)量板加藥機(jī)構(gòu)等組成。工作時(shí)首先裝有工件的模板傳輸?shù)皆摴の?，?jì)量板加藥機(jī)構(gòu)中的計(jì)量板動(dòng)作，完成加藥。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)在計(jì)量板裝藥和放藥時(shí)振動(dòng)輔助藥劑流動(dòng)；裝藥料斗中存藥量控制在安全規(guī)定藥量范圍內(nèi)，一般不超過(guò)200g，并設(shè)置有藥量檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)藥劑消耗量。當(dāng)料斗內(nèi)藥劑存量低于下限時(shí)，設(shè)備自動(dòng)通知操作人員進(jìn)行藥劑增補(bǔ)。補(bǔ)藥時(shí)，人工將藥杯放置于抗爆間內(nèi)的補(bǔ)藥平臺(tái)上。啟動(dòng)補(bǔ)藥動(dòng)作，隔爆門自動(dòng)關(guān)閉，稱裝藥上方的多自由度自動(dòng)補(bǔ)藥機(jī)械手動(dòng)作夾持住藥杯完成補(bǔ)藥。

b) 單發(fā)裝藥模式

對(duì)于流散性差、敏感度高的火工藥劑，在裝藥過(guò)程中一般都是采用勺型裝藥的方式進(jìn)行裝藥，勺型裝藥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—防爆步進(jìn)機(jī)構(gòu)；2—加藥旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3—藥勺擺動(dòng)機(jī)構(gòu)；4—藥勺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5—盛藥碗；6—藥碗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；7—刮藥機(jī)構(gòu)圖3　勺型裝藥機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

工作原理及過(guò)程如下：藥碗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)藥碗作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其目的是防止藥勺在舀藥時(shí)劃出藥坑，影響加藥。藥勺擺動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)藥勺進(jìn)行舀藥，刮藥機(jī)構(gòu)將藥勺表面的浮藥刮掉，確保藥劑計(jì)量準(zhǔn)確。然后加藥旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作帶動(dòng)藥勺運(yùn)動(dòng)到模具上方，藥勺旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作帶動(dòng)藥勺翻轉(zhuǎn)，將藥劑倒入模具，完成加藥。對(duì)于不同產(chǎn)品生產(chǎn)，可通過(guò)更換藥勺來(lái)實(shí)現(xiàn)裝藥藥量的調(diào)整。

4.3壓藥壓力、收口力調(diào)整

在火工品制造過(guò)程中，壓藥和收口設(shè)備結(jié)構(gòu)和原理大致相同，只是對(duì)應(yīng)的模具不同。

a) 群模式壓藥、收口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于壓藥精度要求相對(duì)低的群模式壓藥，一般采用群模式壓機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　群模壓藥機(jī)原理圖

設(shè)備由機(jī)架、壓頭、升降機(jī)構(gòu)、氣液增力缸、壓力分配器等組成。工作時(shí)首先裝有工件的模板傳送到位，氣液增力缸動(dòng)作驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)下降，壓頭分別進(jìn)入工件內(nèi)腔壓藥并保壓。壓力傳感器進(jìn)行壓力值實(shí)時(shí)采集，控制系統(tǒng)對(duì)壓力進(jìn)行開、閉環(huán)結(jié)合控制，確保整體壓力一致性。多個(gè)壓頭與升降機(jī)構(gòu)之間有壓力分配機(jī)構(gòu)，可以均衡多個(gè)壓頭的壓力。

b) 單發(fā)壓藥、收口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于壓藥收口精度要求高的火工品裝配，為了達(dá)到壓藥密度和壓藥深度的要求，必須保證壓藥的壓力，采用全閉環(huán)全數(shù)字氣液伺服技術(shù)，并對(duì)壓合過(guò)程中的壓力實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。其硬件原理框圖如圖5所示。

圖5　伺服位移和壓力控制器原理框圖

由圖5可知，全閉環(huán)全數(shù)字液壓伺服系統(tǒng)是由執(zhí)行元件液壓缸、本安型油壓傳感器、D/A轉(zhuǎn)換接口和A/D轉(zhuǎn)換接口組成。其壓力控制框圖如圖6示。

圖6　全閉環(huán)全數(shù)字壓力控制框圖

由圖6可知，通過(guò)對(duì)輸出壓力值的設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)壓力的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同產(chǎn)品的壓藥收口。

4.4設(shè)備智能動(dòng)態(tài)組合

不同的火工品裝配除了裝藥藥量、壓藥壓力等工藝參數(shù)不同外，裝配的工序也不盡相同。對(duì)于不同工序火工品的裝配生產(chǎn)，通過(guò)將生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行自由組合，以及通過(guò)人機(jī)界面設(shè)定設(shè)備工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同工序火工品之間裝配生產(chǎn)。圖7是以5裝5壓火工品裝配生產(chǎn)線為例，說(shuō)明設(shè)備智能動(dòng)態(tài)組合的優(yōu)越性。

圖7某火工品裝壓藥流程

通過(guò)圖7可以看出，通過(guò)參數(shù)設(shè)置，生產(chǎn)線可以實(shí)現(xiàn)所有裝壓藥工序≤5的火工品生產(chǎn)，上述設(shè)備通過(guò)排列組合計(jì)算，一共有

種排列組合方式。

根據(jù)生產(chǎn)的工藝與環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)的需要，每臺(tái)單機(jī)均采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)以及物流傳輸系統(tǒng)，同時(shí)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)IO接口，生產(chǎn)線中的單機(jī)可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)生產(chǎn)和多臺(tái)自由組合生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)需要?？刂平Y(jié)構(gòu)原理圖如圖8所示。

圖8　單機(jī)控制原理圖

為了適應(yīng)小批量多品種生產(chǎn)的現(xiàn)狀，更換不同的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，由于工藝規(guī)定的不同，必須對(duì)設(shè)備不同的組合或者是單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。當(dāng)重新組合專機(jī)搭建新的生產(chǎn)線的時(shí)候，必須要考慮各個(gè)專機(jī)的生產(chǎn)一致性和協(xié)調(diào)性，首先要對(duì)每臺(tái)單機(jī)的工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將工作時(shí)間最長(zhǎng)的單機(jī)作為系統(tǒng)基準(zhǔn)節(jié)拍時(shí)間，其他單機(jī)工作時(shí)間作出相應(yīng)的補(bǔ)償，其原理圖如圖9所示。

由于生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式是流水生產(chǎn)模式，當(dāng)生產(chǎn)線上的某臺(tái)單機(jī)發(fā)生故障的時(shí)候，必須及時(shí)通知故障單機(jī)前面所有單機(jī)停止生產(chǎn)，以避免生產(chǎn)線上的在制品的積壓如圖10所示。

圖9　單機(jī)節(jié)拍補(bǔ)償原理圖

圖10　系統(tǒng)故障處理流程圖

所以每臺(tái)專機(jī)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮同其他專機(jī)的數(shù)據(jù)接口，以保證專機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，其原理如圖11所示。

圖11　單機(jī)數(shù)據(jù)交換

為保證生產(chǎn)線每臺(tái)設(shè)備都可以單獨(dú)進(jìn)行使用，生產(chǎn)線每臺(tái)單機(jī)分別采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC觸摸屏方式，其本機(jī)自帶的開入、開出點(diǎn)，配以模入輸出模塊，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，并將生產(chǎn)狀態(tài)反饋回人機(jī)界面?？刂破靼惭b在各專機(jī)的防爆控制盒內(nèi)，通過(guò)操作操作面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)各專機(jī)的控制，這樣的裝配方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)集成在一起，便于設(shè)備的運(yùn)輸和搬運(yùn)，避免設(shè)備移位時(shí)需要重復(fù)接線。

人機(jī)交互界面包括控制柜面板和手動(dòng)操作盒?？刂泼姘迳嫌杏|摸屏、電源開關(guān)、模式選擇旋鈕、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕、報(bào)警指示燈、運(yùn)行指示燈、停止指示燈、電源指示燈等，方便現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。手動(dòng)操作盒上有啟動(dòng)按鈕和停止按鈕，方便人工移動(dòng)調(diào)試。模式選擇旋鈕有兩個(gè)狀態(tài)選擇：調(diào)試和生產(chǎn)。當(dāng)選擇在調(diào)試位置時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行上料有無(wú)彈殼的判斷，直接連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)和單次操作。當(dāng)選擇在生產(chǎn)位置時(shí)，系統(tǒng)按照工藝要求進(jìn)行不合格品剔除和生產(chǎn)條件監(jiān)控、故障停機(jī)。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器、氣缸和電機(jī)等輸入輸出信號(hào)通過(guò)控制器本機(jī)I/O點(diǎn)和擴(kuò)展I/O點(diǎn)連入至CPU模塊上。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模具快速更換、裝藥藥量自動(dòng)調(diào)節(jié)、壓藥及收口力調(diào)整以及設(shè)備智能動(dòng)態(tài)等方法，可以快速實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品的切換，實(shí)現(xiàn)了柔性制造，解決了目前我國(guó)火工品制造存在的生產(chǎn)線產(chǎn)品生產(chǎn)單一化、利用率低下，場(chǎng)地占用率高、人員密集、自動(dòng)化水平落后、安全隱患大、以及當(dāng)產(chǎn)品改進(jìn)或淘汰后，生產(chǎn)線再進(jìn)行利用較難等問題。

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Realization of Initiating Device Small Population Module Automatic Assembly

Line Based on Flexible Manufacturing Theory

ZHANG Xuan-xuan, ZHU Quan-Song

(No.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

Abstract:In initiating device assembly process of domestic initiating device factory, the assembling line is only used for one product, so its production efficiency is low and its land occupation area is large. When the product is improved or eliminated, this line is hard to be reused for multi-types manufacturing and small batch production mode. so the flexible assembly line is designed to realize multi-types manufacturing and small batch production by fast replacing module, adjusting charging precision and pressure and changing over the layout. The assembly line is advanced in domestic market and can be used to improve domestic assembly efficiency.

Keywords:flexible manufacturing; initiating device assembling; arrangement and combination production mode

收稿日期：2014-03-24

中圖分類號(hào)：TH165

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0168-04

作者簡(jiǎn)介：張弦弦(1980-)，女，四川綿陽(yáng)人，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事軍工數(shù)字化技術(shù)研究。