固體推進(jìn)劑藥柱端面自動(dòng)包覆技術(shù)研究

胡期偉，劉 暢，易小龍，李俊一，于文鵬，王 洋，李 亞，劉 童

(1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；3.湖南航智科技有限公司，湖南 長沙 410007)

固體推進(jìn)劑制成的藥柱性能從根本上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的使用安全性，而端面包覆是影響藥柱燃燒面及燃燒特性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)[1]。目前，主要采用手工涂刷的方式進(jìn)行包覆，容易產(chǎn)生磕碰或靜電，導(dǎo)致藥柱爆燃，造成安全事故。同時(shí)，這種單發(fā)手工操作模式生產(chǎn)效率較低，且依賴操作人員技能水平和熟練程度，容易導(dǎo)致限燃層厚度均勻性不一致，產(chǎn)品質(zhì)量存在波動(dòng)。

使用自動(dòng)包覆技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑藥柱端面的無人、自動(dòng)包覆生產(chǎn)，該技術(shù)依賴于高精度的點(diǎn)膠技術(shù)。美國的Camlot公司等國外點(diǎn)膠設(shè)備供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)超低粘度液體(如純水)到超高粘度膠液(錫膏等)的自動(dòng)化點(diǎn)膠[2]。其多軸點(diǎn)膠設(shè)備使用了軟件標(biāo)定算法對(duì)機(jī)械偏差進(jìn)行補(bǔ)償，保證設(shè)備精度和長期穩(wěn)定性，設(shè)備定位精度可達(dá)40 μm，重復(fù)精度可達(dá)20 μm。在控制程序操作方面，國外設(shè)備在智能化方面極為領(lǐng)先，不同經(jīng)驗(yàn)的人操作帶來的結(jié)果不會(huì)相差很大。國產(chǎn)三軸自動(dòng)化平臺(tái)定位精度較低，同時(shí)，國內(nèi)廠商在點(diǎn)膠閥和點(diǎn)膠機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)方面，不具備技術(shù)優(yōu)勢[3]，不能滿足固體推進(jìn)劑藥柱自動(dòng)包覆生產(chǎn)的要求。

受防靜電、防爆及防火等多重安全因素制約，應(yīng)用于固體推進(jìn)劑藥柱等火工品領(lǐng)域的自動(dòng)點(diǎn)膠設(shè)備研發(fā)較為困難，國內(nèi)暫無標(biāo)準(zhǔn)型專用點(diǎn)膠機(jī)，近年來隨著國內(nèi)武器裝備配套任務(wù)需求的增加，急需研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)包覆系統(tǒng)。

1 藥柱端面自動(dòng)包覆技術(shù)特征

固體推進(jìn)劑藥柱等火工品的生產(chǎn)首先應(yīng)保證生產(chǎn)過程的安全可靠，防止藥柱爆燃危及人身安全，其次是要保證包覆重量精度，確保批次產(chǎn)品點(diǎn)膠重量一致性。藥柱端面自動(dòng)包覆技術(shù)可用于固體推進(jìn)劑藥柱兩端面涂覆膠層自動(dòng)配料/供料、批量化自動(dòng)包覆和刮泡，包覆前后自動(dòng)稱重。其技術(shù)特征包括如下幾點(diǎn)。

1)現(xiàn)場無人化：操作人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，與藥柱等易燃易爆危險(xiǎn)品完全隔離，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人化生產(chǎn)，提高本質(zhì)安全度。

2)生產(chǎn)自動(dòng)化：生產(chǎn)過程中，操作人員只需要將膠液供料桶與設(shè)備連接，并進(jìn)行藥柱上下料以及生產(chǎn)任務(wù)完成后點(diǎn)膠組件的更換清理即可。單發(fā)藥柱的轉(zhuǎn)運(yùn)、點(diǎn)膠、刮泡以及包覆前后的稱重等一系列操作均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3)高精度：固體推進(jìn)劑藥柱的自動(dòng)定位及形狀識(shí)別，并精確控制和調(diào)整點(diǎn)膠重量及點(diǎn)膠速度，以適應(yīng)不同的藥柱涂覆要求，產(chǎn)品包覆點(diǎn)膠精度基于自動(dòng)點(diǎn)膠精度和設(shè)備定位精度，不受人員操作水平影響，批次一致性更好。

4)高安全性：涉及固體推進(jìn)劑藥柱等火工品生產(chǎn)，系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)是首位考慮的，一般涵蓋機(jī)械設(shè)備的安全設(shè)計(jì)、電氣防爆設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及安全防護(hù)設(shè)計(jì)等4個(gè)部分，綜合考慮防靜電、防爆、防磕碰以及故障響應(yīng)等各個(gè)方面，確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，保證人員操作安全。

2 典型藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

典型的藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)組成及布局如圖1所示，藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)一般由暫存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、隔爆板、自動(dòng)門、自動(dòng)包覆系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成。

1)暫存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(見圖2)獨(dú)立安裝于防爆暫存間內(nèi)，一般由移動(dòng)送料車、設(shè)備框架組件、藥柱移載機(jī)構(gòu)、藥柱轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)和PLC控制器等組成。其主要功能是轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)藥柱，通過傳輸機(jī)構(gòu)可將藥柱單發(fā)送入自動(dòng)包覆系統(tǒng)中，也可將包覆完畢的藥柱進(jìn)行收回暫存。

圖1 典型的藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)組成及布局

圖2 暫存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

2)自動(dòng)包覆系統(tǒng)(見圖3)位于防爆操作間內(nèi)，一般由設(shè)備框架組件、藥柱上下料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝夾平臺(tái)、多組分混合/點(diǎn)膠模塊、組合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)、防爆稱重平臺(tái)以及PLC控制器等組成。其主要功能是進(jìn)行限燃層料漿的自動(dòng)配料，對(duì)藥柱端面進(jìn)行自動(dòng)包覆、自動(dòng)刮泡，并對(duì)藥柱進(jìn)行精確稱重。

圖3 自動(dòng)包覆系統(tǒng)

3)為了防止操作間內(nèi)正在生產(chǎn)的藥柱發(fā)生意外爆燃等危險(xiǎn)狀況時(shí)影響暫存間內(nèi)的大批量藥柱，在操作間和暫存間之間用隔爆板進(jìn)行隔離，隔爆板上設(shè)置有具備自動(dòng)門的物料轉(zhuǎn)運(yùn)窗口，用于操作間和暫存間之間的藥柱轉(zhuǎn)換，活動(dòng)隔爆板通過直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)往復(fù)滑動(dòng)，使用推拉氣缸帶動(dòng)活動(dòng)隔爆板開啟和閉合。

4)全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)組合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備、工藝儀表以及相關(guān)區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控，方便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，以及是否有人員誤闖入。

5)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)用于操作人員在防爆間外對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視，單獨(dú)放置在另一個(gè)工房內(nèi)，與操作現(xiàn)場完全隔離。遠(yuǎn)程控制臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部控制操作，并提供圖文并茂的數(shù)據(jù)監(jiān)控服務(wù)，以及設(shè)備管理、查詢設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)和歷史記錄等功能。

2.2 系統(tǒng)工作流程

膠液的配比、混合、除氣等輔助工作在生產(chǎn)開始前預(yù)先完成，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，采用一次上料、連續(xù)包覆的自動(dòng)工作模式，完成該批次藥柱單個(gè)端面的自動(dòng)包覆流程后，更換下一批次藥柱，再次進(jìn)行自動(dòng)包覆操作。

連續(xù)生產(chǎn)時(shí)，新藥柱的上料和已包覆完成藥柱的下料可在同一次藥柱轉(zhuǎn)運(yùn)中完成，以提高生產(chǎn)節(jié)拍。兩托盤藥柱全部包覆完畢后，以同樣的動(dòng)作流程依次對(duì)所有藥柱進(jìn)行除氣直至本次生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束。整個(gè)工藝流程共分為4個(gè)部分。

1)系統(tǒng)啟動(dòng)與上料流程：該工作流程主要完成系統(tǒng)啟動(dòng)、自檢及藥柱整車上料等人工準(zhǔn)備流程。

2)自動(dòng)點(diǎn)膠流程：該工作流程主要完成藥柱限燃層自動(dòng)點(diǎn)膠流程，通過藥柱移載機(jī)構(gòu)、藥柱轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)以及藥柱上下料機(jī)構(gòu)將藥柱從暫存間的送料車轉(zhuǎn)運(yùn)至包覆間的旋轉(zhuǎn)裝夾平臺(tái)上，再使用組合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)進(jìn)行端面點(diǎn)膠包覆。單批次生產(chǎn)采用循環(huán)自動(dòng)操作方式，連貫完成送料車上全部藥柱的自動(dòng)點(diǎn)膠操作。

3)自動(dòng)刮泡流程：與自動(dòng)點(diǎn)膠流程類似，該工作流程主要完成藥柱限燃層的自動(dòng)刮泡除氣流程，連貫完成送料車上全部藥柱的自動(dòng)刮泡操作。

4)藥柱下料流程：該工作流程主要完成藥柱整車下料轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)關(guān)機(jī)等人工操作流程。

具體工作流程如圖4所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 四軸點(diǎn)膠平臺(tái)

在端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)中，為滿足藥柱端面環(huán)形區(qū)域的涂覆，需要四自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以控制針頭與藥柱的相對(duì)姿態(tài)。在涂膠機(jī)構(gòu)上一般配備3臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)組成三軸模組進(jìn)行點(diǎn)膠頭定位，并由其中一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)點(diǎn)膠頭沿藥柱徑向移動(dòng)，另外配備一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)裝夾平臺(tái)上的藥柱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)圓截面點(diǎn)膠涂覆。

圖4 典型彈射藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)工作流程

機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示：基于藥柱上下料機(jī)構(gòu)的X、Y、Z三軸模組，將組合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)(內(nèi)置激光測距模塊、視覺定位模塊、限燃層點(diǎn)膠頭等)搭載在三軸機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)組合點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)的空間精確定位。再為藥柱的裝夾平臺(tái)增加伺服旋轉(zhuǎn)功能(第四自由度)，點(diǎn)膠針頭在上下料機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下在藥柱端面上沿藥柱徑向移動(dòng)，配合藥柱的旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)藥柱端面的快速全面涂覆。

圖5 四自由度組合點(diǎn)膠實(shí)現(xiàn)原理示意圖

3.2 視覺定位識(shí)別技術(shù)

使用視覺識(shí)別技術(shù)可以使包覆系統(tǒng)更智能化，提高點(diǎn)膠精度[4]。以某典型的藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)配備2套視覺定位識(shí)別模塊，2臺(tái)定位識(shí)別相機(jī)分別安裝在暫存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的藥柱移載機(jī)構(gòu)和自動(dòng)包覆系統(tǒng)的藥柱上下料機(jī)構(gòu)上。視覺識(shí)別工作流程如圖6所示。

圖6 視覺識(shí)別工作流程示意圖

1)暫存定位識(shí)別模塊。

a.主要功能：判斷當(dāng)前托盤工位內(nèi)是否有藥柱，對(duì)托盤內(nèi)的每一發(fā)藥柱進(jìn)行精確定位，確定移載機(jī)構(gòu)藥柱夾爪的夾取位置，實(shí)現(xiàn)藥柱自動(dòng)定位、形狀識(shí)別。

b.工作模式：藥柱移載機(jī)構(gòu)到達(dá)待抓取的藥柱拍照位置后，暫存PLC控制器給中控臺(tái)的視覺識(shí)別軟件發(fā)送流程觸發(fā)信號(hào)，暫存定位視覺程序觸發(fā)后給CCD相機(jī)發(fā)送當(dāng)前藥柱拍照命令，軟件獲取照片后進(jìn)行分析處理，計(jì)算得到藥柱的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)信息后再回傳給PLC控制器，PLC控制器計(jì)算得到移載機(jī)構(gòu)夾爪的目標(biāo)位置后進(jìn)行下一步抓取動(dòng)作。

2)包覆定位識(shí)別模塊。

a.主要功能：對(duì)藥柱進(jìn)行位置和輪廓識(shí)別，檢驗(yàn)其定心裝夾以及芯孔保護(hù)堵頭安裝是否到位；拍攝并檢驗(yàn)藥柱端面圖像，檢查端面漏涂情況等生產(chǎn)工藝關(guān)鍵點(diǎn)，用于輔助人工糾錯(cuò)。

b.工作模式：藥柱上下料機(jī)構(gòu)到達(dá)旋轉(zhuǎn)裝夾平臺(tái)上方拍照位置后，包覆PLC控制器給中控臺(tái)的視覺識(shí)別軟件發(fā)送流程觸發(fā)信號(hào)，包覆識(shí)別視覺程序觸發(fā)后給CCD相機(jī)發(fā)送拍照命令，軟件獲取照片后進(jìn)行分析處理再回傳給PLC控制器，PLC控制器得到定心裝夾以及芯孔保護(hù)堵頭安裝到位信號(hào)后進(jìn)行下一步的點(diǎn)膠動(dòng)作。

3.3 點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于藥柱端面等圓形截面的點(diǎn)膠涂覆工作，一般采取步進(jìn)同心圓或螺旋線式噴涂方式，點(diǎn)膠涂覆過程如圖7所示。點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響藥柱涂覆效果的關(guān)鍵因素，主要涉及點(diǎn)膠閥配置與點(diǎn)膠頭設(shè)計(jì)等2個(gè)方面。

圖7 點(diǎn)膠涂覆過程示意圖

1)點(diǎn)膠閥配置。

點(diǎn)膠閥分為接觸式和非接觸式兩類，而接觸式涂膠又主要分為時(shí)間壓力式、螺桿泵式和活塞泵式。點(diǎn)膠閥配置主要依據(jù)所涂覆膠液粘度和點(diǎn)膠量。

a.時(shí)間壓力式：使用氣動(dòng)截止閥和壓力桶組合點(diǎn)膠，涂膠量主要決定于截止閥開閥時(shí)間和供料壓力，一般應(yīng)用于中低粘度且粘度在使用時(shí)間內(nèi)保持恒定的膠液。

b.螺桿泵式：使用螺桿點(diǎn)膠閥與壓力桶組合點(diǎn)膠。在涂膠過程中需要保持恒定氣壓，并通過螺紋泵定子和轉(zhuǎn)子的相互擠壓作用來擠出膠水，調(diào)整螺旋速度和時(shí)間可以控制點(diǎn)膠量。螺桿泵式適用膠水的粘度范圍較廣，但點(diǎn)膠精度仍受膠液粘度變化影響，不適用于使用過程中粘度會(huì)發(fā)生劇烈變化的膠液。

c.活塞泵式：使用活塞泵與壓力桶組合點(diǎn)膠，是一種等體積的點(diǎn)膠方式，適用于中高粘度流體。涂膠過程中用氣壓讓膠液流入針頭，并通過活塞的擠壓作用進(jìn)行定速涂覆。此方式需要根據(jù)膠液粘度與沿程阻力，選擇活塞泵與供膠管路長度。如果沿程阻力過大，可能會(huì)損傷活塞泵。

d.噴射式(非接觸式)：使用噴射閥與壓力桶組合點(diǎn)膠，采用恒壓方式讓膠液擠到點(diǎn)膠頭空腔中，通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)撞針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)將膠水噴射涂覆[5]。此方式點(diǎn)膠單點(diǎn)重量小，適合狹窄空間點(diǎn)膠，單點(diǎn)重復(fù)精度高，效率比接觸式點(diǎn)膠高。

2)點(diǎn)膠頭設(shè)計(jì)。

主要的點(diǎn)膠針頭類型包括TT針頭、PP針頭、圓形金屬針頭、矩形金屬針頭以及毛刷針頭等。各類針頭應(yīng)用的場合不一致，需根據(jù)膠液粘度和生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行對(duì)比測試，針頭規(guī)格選擇不合適會(huì)出現(xiàn)涂覆質(zhì)量問題。

a.對(duì)于固體推進(jìn)劑藥柱等火工品，金屬針頭可能存在磕碰發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，需謹(jǐn)慎使用。

b.對(duì)于某些與藥柱端面粘附能力較差的膠液類型，可能會(huì)存在漏涂的問題?？筛鶕?jù)具體情況選擇有涂抹作用的毛刷針頭，點(diǎn)膠時(shí)毛刷會(huì)對(duì)出膠口的膠液進(jìn)行刮平處理，保證膠液能粘附在藥柱端面。

4 應(yīng)用情況

以某型號(hào)固體發(fā)動(dòng)機(jī)彈射藥柱為例，基于視覺技術(shù)，結(jié)合四軸點(diǎn)膠平臺(tái)與螺桿泵涂膠方式，開發(fā)了某型藥柱端面自動(dòng)涂覆系統(tǒng)，解決了當(dāng)前階段的迫切需求。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)限燃層膠液三組分自動(dòng)配料混合、真空除氣、產(chǎn)品自動(dòng)定位和自動(dòng)涂膠，可以實(shí)現(xiàn)批量化自動(dòng)端面包覆，主要指標(biāo)如下。

1)四軸點(diǎn)膠平臺(tái)：三軸模組重復(fù)定位精度≤30 μm，旋轉(zhuǎn)夾爪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為55～140 r/min。

2)藥柱夾取位置識(shí)別定位精度優(yōu)于±0.1 mm，堵頭識(shí)別準(zhǔn)確率為100%。

3)工序操作人員由6人減至2人，生產(chǎn)效率提升6倍。

4)藥面直徑覆蓋30～200 mm，藥柱高度覆蓋80～300 mm，其他藥柱規(guī)格可進(jìn)行工裝定制。

5)工序可一批次生產(chǎn)多發(fā)產(chǎn)品(100 mm直徑可一次生產(chǎn)36發(fā))。

6)生產(chǎn)節(jié)拍：端面包覆藥柱≥36發(fā)/30 min(以藥面直徑φ100 mm為準(zhǔn))。

7)適用于常見膠液，粘度≤300 Pa·s(常溫)。

8)包覆環(huán)節(jié)質(zhì)量可靠，表面膠液涂覆均勻，中心孔防護(hù)到位，端面無漏涂、殼體內(nèi)壁不流掛膠、外壁不滴膠。

9)刮泡環(huán)節(jié)質(zhì)量可靠，刮泡后表面無氣泡。

10)系統(tǒng)安全可靠，滿足Ⅱ類危險(xiǎn)場所防爆要求，防爆等級(jí)為Exd ⅡB T4，防護(hù)等級(jí)為IP55。

使用該系統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)與人工生產(chǎn)對(duì)比見表1。

表1 自動(dòng)生產(chǎn)與人工生產(chǎn)對(duì)比

5 結(jié)語

固體推進(jìn)劑藥柱端面包覆是影響藥柱燃燒面及燃燒特性的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，基于藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)，操作人員無需在生產(chǎn)過程中與藥柱進(jìn)行面對(duì)面手工操作，與易燃易爆危險(xiǎn)品完全隔離，保證生產(chǎn)過程人員安全。開發(fā)高精度的藥柱端面自動(dòng)包覆系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)包括四軸點(diǎn)膠平臺(tái)設(shè)計(jì)、視覺定位識(shí)別技術(shù)以及點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。四軸點(diǎn)膠平臺(tái)的重復(fù)定位精度、視覺定位精度和點(diǎn)膠閥/點(diǎn)膠頭的設(shè)計(jì)選型直接決定端面限燃層膠液自動(dòng)化涂覆的均勻性與質(zhì)量。除固體推進(jìn)劑藥柱端面涂覆領(lǐng)域，該技術(shù)可在襯層涂膠/噴膠、固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥盒的粘接、藥柱粘接等工藝環(huán)節(jié)的自動(dòng)涂膠/噴膠領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。