1 引言
药型罩作为聚能装药的核心部件，能在高能炸药爆轰后形成射流对目标进行侵彻，广泛应用在破甲弹、侵彻弹等武器和石油射孔弹等民品中，其质量直接关系侵彻性能[1]。目前常用药型罩多为粉末药型罩，具有工艺简单、配方灵活、成型性良好、柞堵少等优点[2-4]。其生产过程主要包括金属粉称量、旋压成型、质量检测等工序。目前，各生产工序基本以手工操作为主，整个生产过程存在工序间断、转运繁琐、自动化程度低、生产效率不高、操作人员多、人员劳动强度大且重复操作易产生疲劳可能导致安全事故发生等问题。这种以手工为主的生产方式已不能满足日益增长的供应需求，严重制约了生产能力的进一步提升。
为改进粉末药型罩的生产方式，提高生产效率，减少生产人员及劳动强度，本研究应用工业机器人等技术，开展粉末药型罩生产的自动化和连续一体化研究，突破制约药型罩生产自动化的技术瓶颈，研制了粉末药型罩自动生产系统，实现粉末药型罩全生产流程的自动化、连续一体化。
2 系统组成
粉末药型罩自动生产系统主要由金属粉称量送料装置、旋压成型装置、转运机器人、成品检测装置以及托盘传输线等组成，系统组成如图1所示。
图1 系统组成示意图
Fig.1 System modules
金属粉称量送料装置由定量勺粗加组件、转盘精加组件、称量放料组件、送粉组件等组成，采用两级组合加料方式，实现了金属粉的自动精确称量，以及自动将称好的金属粉送入旋压成型装置中。
旋压成型装置由液压机组件、旋粉组件、模具组件、取罩组件等组成，其作用是自动将称量好的金属粉通过旋压方式压制成药型罩成品，并将成品从模具中取出，送入转运工位。
转运机器人由六轴工业机器人、取罩吸盘等组成，将药型罩成品转运至检测装置以及将检测完的药型罩成品转运至产品托盘摆盘码垛。
成品检测装置由步进组件、壁厚差检测组件、顶厚检测组件等组成，完成壁厚差及顶厚的自动检测。
托盘传输线由空托盘上线组件、传输线、顶升定位组件等组成，完成空托盘的自动上线以及满托盘的自动传输功能。
药型罩自动生产系统集成实现了金属粉自动称量与送粉、自动旋压成形、自动转运、成品质量自动检测、自动下料摆盘等功能，满足了药型罩生产自动化、连续化、一体化的需求。其工作流程如图2所示。
图2 系统工作流程框图
Fig.2 System workflow
人工向料斗中加入金属粉，启动系统后，金属粉称量送料装置先由定量勺组件粗加，再由转盘组件精加，达到设定质量后停止加料，并对所称量的金属粉质量进行判断，不合格剔废，合格则倒入送粉组件中送入自动旋压成型装置中自动旋压成型，取罩组件将药型罩取出，由机器人吸取药型罩送入检测装置中，依次自动完成壁厚差检测和顶厚检测，再由机器人吸取药型罩，根据检测结果，合格品送入合格品托盘码垛，不合格品送入不合格品托盘码垛。托盘码满后，传输线将托盘输送至下线工位由人工取走。自动生产系统实物如图3所示。
图3 自动生产系统实物图
Fig.3 Photo of the automatic production system
3 控制系统的设计与实现
从功能及组成来看，药型罩自动生产系统是一个具有物流、信息集成和自动机械一体的柔性化系统，所有控制单元和自动机械应协调工作。控制系统采用“HMI+PLC+分布式I/O”构成应用、控制和执行3层结构，控制系统结构如图4所示。
图4 控制系统结构框图
Fig.4 Structure of control system
应用层以西门子触摸屏为基础构成紧凑友好的人机交互系统，实现现场调试及监控等功能，为设备的柔性化实现提供保障。
控制层选用西门子S7-1500型号PLC实现整个系统的逻辑控制。采用集中控制方式，完成所有机构的并行工作控制、协调控制、全线故障自诊断和系统运行状态自动监视，并与压机控制系统进行交互，实现对压机的自动控制。人机交互系统与PLC之间采用以太网通讯进行数据交换。
执行层采用现场总线和端子相结合的方式，实现包括伺服电机、传感器、电磁阀、按钮和指示灯等元器件与PLC之间控制信号的经济、稳定、紧凑的传输。
4 关键技术
4.1 多粉种金属粉自动定量称重技术
粉末药型罩所用粉末一般是由铜、钨等金属粉末按照一定的质量比和粒度比并添加一定量的粘合剂混合而成，在自然状态下流散性较好[4-5]。为保证药型罩的质量，称量金属粉时要严格控制每一发金属粉质量的误差范围，需要提高称量精度。同时为提升生产效率，在确保精度的前提下还需提高称量速度。除此之外，金属粉的混合均匀度也会对药型罩成品质量产生影响，称量过程中还应保证粉末的混合均匀度。
根据上述称量要求，开展多粉种金属粉自动定量称重技术的研究。金属粉定量称重过程是一个动态的过程，要准确计量金属粉质量使其尽量接近设定的标准值，就需要使动态称重过程向静态或稳态过程趋近。可将加料计量过程分为2个阶段：粗加料阶段和精加料阶段。前者影响定量称重的速度，后者影响称重的准确度。确定合理的粗精加比例是提高称量精度和速度的关键因素[6-8]。
基于上述分析，采用电子动态称量技术，设计了金属粉自动称量装置，如图5所示。选用具有称量精准、动态响应快、稳定速度快等特点的精密电子称作为称量衡器，确保称量的准确性及效率。在装置加料方式的设计上，为最大程度保证金属粉的均匀度，采取粗加与精加结合的2级加料方式，粗加为定容式加料，模拟人工加料过程，通过定量勺实现粗加，加料时定量勺伸出，在料斗内翻转一次，装满金属粉末，刮平后倒入称量杯中，这种方式避免了混合金属粉自身过多的运动，能最大程度地保持金属粉的混合均匀度。精加为转盘式加料，金属粉在转盘上均匀铺布，转盘带动金属粉转动，在加料口通过刮板阻挡金属粉形成堆积，并将边缘处的金属粉挤出转盘落入称量斗中实现精加。
图5 金属粉自动定量称重装置结构示意图
Fig.5 Structure of automatic quantitative weighing device for metal powder
转盘式精加通过调节转盘转速控制精加速度。精加过程是一个减速称量过程，即实际质量越接近设定质量，转盘转动越慢，从而达到精确称量的目的。转盘实时转速计算公式如下:
r=r0×k×(w设-w)
(1)
式中：r为转盘转速；r0为基准转速；k为调整系数；w设为设定称量值；w为实时称量值。
基准转速r0为常数，但由于不同型号金属粉的密度、流散性等物理性质存在差异，故设置调整系数，通过改变调整系数大小，来调节精加转盘的基准转速，满足不同粉种称量需求。再根据设定质量与实际质量的差值计算出转盘转速。由于质量差值不断减小，计算得到的转速也不断减小，转盘转动越慢，精加量就越少，称量就越精确。直至实时称量值达到设定值，转盘停止转动，精加过程结束。
在加料策略上，采取“粗加为主、精加补充”的加料方式，粗加与精加的比例可调节，一般将粗加量设定到称量值的95%及以上，剩余量由精加补齐，这种加料方式可最大程度的保证金属粉的混合均匀度并且兼顾称量效率。同时可通过更换不同容积规格的定量勺调节粗加量，通过调节转盘转速控制精加速度和精加量，以兼容不同粉种及质量药型罩的称量要求，实现柔性化生产。
为减少称量加料过程中装置壁面的粉末附着，称量料杯采用圆锥形设计，尽量减小锥角，防止角度过大导致堆料；增加了料杯内壁面的光洁度，减小摩擦因数，可减小放料阻力，增加放料流畅性。同时，在放料时，放料气缸会对料杯产生一定的振击效果，可破坏堆料状态，有效减少粉尘附着，利于金属粉末放料。采取以上措施后，经测试：在称量加料过程中，料杯中未出现堆料现象，仅在壁面附着有少许粉末，其量保持稳定，未出现累积落料现象。对成品进行复称，质量均合格，与系统记录的称量值相比，误差在0.1 g内，符合工艺要求。
4.2 工业机器人自动转运及码垛技术
要实现粉末药型罩的自动化连续化生产，实现产品在各工位间按流程自动转运是关键。当药型罩压制成型并被取出后，应将压制的成品送入检测装置中进行壁厚差和顶厚检测，并根据检测结果进行判定，若为合格品，则送入合格品托盘中摆放；若为不合格品，则送入不合格品托盘中摆放。
为兼顾生产流程及效率要求，基于工业机器人实现生产过程中药型罩在各工位间的自动转运及摆盘码垛。工业机器人是面向工业生产任务的多关节操作臂或多自由度机械手，具有种类多、定位精度高、响应速度快等特点，在20世纪60年代开始应用于工业生产中，经过多年发展，现在机器人产品已经非常成熟，具有很好的可靠性和安全性，是制造业中重要的自动化装备，在汽车、家电等生产领域内广泛应用[9-10]。
选用六轴工业机器人完成药型罩成品在生产过程中的转运与摆盘码垛。六轴工业机器人具有移动速度快、重复精度高、集成度高、移动灵活、安装简单、占用空间小等特点，适用于本设备工况。在六轴工业机器人手腕部安装真空吸盘，在转运与摆盘码垛过程中，吸盘吸取药型罩成品，机器人按设定路径进行移动，到位后由吸盘吸取或放下产品。
在粉末药型罩自动生产中，机器人共需运行3条路径：路径1为将完成压制的药型罩从送罩机构的取罩工位转运至检测装置的上料工位；路径2是将完成检测的被系统判定为合格品的药型罩从检测装置下料工位运送至合格品托盘按设定顺序进行摆盘码垛；路径3是将完成检测的被系统判定为不合格品的药型罩从检测装置下料工位运送至不合格品托盘按设定顺序进行摆盘码垛，如图6所示。
图6 机器人工作范围及路径示意图
Fig.6 Working range and path of the robot
工业机器人为循环工作模式，一个工作循环流程为：压机完成一发药型罩的压制后，由取罩及送罩组件将药型罩送至取罩工位，取罩工位检测到有产品时，机器人从原点为开始动作，先移动至取罩工位吸取药型罩，然后沿路径1放入检测上料工位中，然后机器人移动到检测下料工位吸取完成检测的药型罩，若检测结果为合格，则机器人沿路径2将药型罩送到合格品托盘中并按顺序摆盘；若检测结果为不合格，则机器人沿路径3将药型罩送到不合格品托盘中按顺序摆盘，完成后机器人回到原点位。取罩工位发出成品检测到位信号，机器人开始下一个工作循环。
4.3 壁厚差自动检测技术
药型罩成品的壁厚差值是判断成品是否合格的关键检测项。药型罩壁厚差是指药型罩在同一高度上的壁厚变化值，一般生产工艺要求压制的药型罩成品壁厚差不大于0.04 mm。要精确检测药型罩的壁厚差，须将药型罩旋转一周，检测出壁厚变化值，从而得到壁厚差。设计了如图7所示的壁厚差检测装置进行药型罩成品壁厚差检测。
图7 壁厚差自动检测装置结构示意图
Fig.7 Structure of wall thickness difference automatic detection device
壁厚差检测装置采用接触式检测方法，通过检测药型罩旋转一周过程中壁厚的变化情况，再由软件计算出壁厚差值。根据药型罩的锥形外形，外托座口部内侧采取倒角设计，倒角角度与药型罩锥角一致，可对药型罩自动找正，防止倾斜，确保药型罩轴线与转轴轴线同轴。药型罩放入外托座内后，步进电机通过同步带轮及同步带，驱动转轴旋转，从而带动托座及药型罩旋转。检测气缸伸出，两侧安装臂带动传感器及测头等沿变距块下移，在下移过程中两边测头间距逐渐减小，直至两边测头与药型罩内外壁分别接触。随着药型罩的转动，两边测头随着药型罩壁厚变化而产生相应细微位移，通过杠杆放大作用，带动顶头产生位移，传感器测针与顶头接触，顶头移动时，传感器测针也产生相应位移，从而得到变化量。
在进行壁厚差检测时，电机带动药型罩转动，内外测头夹住产品，旋转1周的同时，内外测头随壁厚变化，传感器读数也随之变化。假设在旋转1周的过程中，内外检测传感器均分别采集了n组数据，内壁数据为a1、a2、…、an，外壁为b1、b2、…、bn。采取如下算法计算壁厚差。
将内外壁传感器读取的第1组数据作为基准值，将之后检测的每组数据分别与基准值作比较，并计算出相对于基准值的变化量，用变化值的最大值与最小值相减即为测量的壁厚差值。
将a1、b1作为基准值，则第1个内壁比较值为：
A1=a2-a1
(2)
第1个外壁比较值为：
B1=b2-b1
(3)
则第2组检测数据相对于第一次的变化值为：
ΔS1=A1+B1=(a2-a1)+(b2-b1)
(4)
变换式(4)得到：
ΔS1=(a2+b2)-(a1+b1)
(5)
可见，第2组检测的壁厚变化值即为第2次检测数据之和减去基准检测数据之和。
由此可得，第n次检测的壁厚相对于基准壁厚的变化值为：
ΔSn=(an+bn)-(a1+b1)
(6)
在一个检测周期内，壁厚变化最大值为：
ΔSmax=max(ΔS1,ΔS2,…,ΔSn)
(7)
壁厚变化最小值为：
ΔSmin=min(ΔS1,ΔS2,…,ΔSn)
(8)
则壁厚差值：
ΔS=ΔSmax-ΔSmin
(9)
根据上述算法编写壁厚差自动检测程序，并进行测试对比试验，即将同一批药型罩分别进行自动检测和人工检测，对比检测结果，如表1所示。
表1 壁厚差检测结果对比
Table 1 Comparison of detection results of wall thickness difference
序号自动检测值/mm人工检测值/mm合格性(≤0.04 mm)10.0240.02合格20.0280.02合格30.0210.015合格40.0130.01合格50.0250.02合格60.0220.02合格70.0140.01合格80.0220.015合格90.0310.02合格100.0270.02合格
对比结果表明：壁厚差自动检测结果与人工检测结果一致，两者差值在工艺允许范围内。
5 应用效果
药型罩自动生产系统已成功应用于某厂的药型罩生产中，累计完成了万余发各型号药型罩的生产任务，生产效率达到20 秒/发，生产现场仅需1名巡视人员。所生产的多种药型罩经抽验靶试，各项数据全部合格。表2为部分型号药型罩抽验靶试数据。
表2 抽验靶试数据表
Table 2 Sample data of targeting test
型号钢靶穿深/mm合格值靶试值孔径/mm合格值靶试值靶试结果型号Ⅰ1801951214.0合格型号Ⅱ1802171415.8合格型号Ⅲ1001201415.1合格型号Ⅳ3003251011.0合格型号Ⅴ1802101010.5合格型号Ⅵ25030099.6合格型号Ⅶ25028033.7合格
6 结论
1) 本文基于工业机器人等研制了药型罩自动生产系统，系统集成了金属粉自动称量、自动旋压成型、药型罩自动质量检测、自动物流转运及成品码垛等功能，实现了粉末药型罩全生产流程的自动化和连续一体化。
2) 系统已成功应用于实际生产中，应用效果表明：该系统将生产效率提高至20 秒/发，操作人员由4人减至1人，且只需进行生产巡视工作，完成补粉和取盘，劳动强度大幅降低。系统还提高了生产安全性，并满足了柔性化生产需求，具有较好的推广前景。
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