中大口徑彈藥自動(dòng)裝筒機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

毛明旭，于曉光，徐志剛，宋琳琳，3

(1.遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110179;3.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159)

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我軍開(kāi)始對(duì)中大口徑彈藥采用筒式包裝［1-2］，這在一定程度上改善了原有木質(zhì)包裝的防腐性差、易受潮生銹、對(duì)庫(kù)房要求條件高、使用時(shí)耗費(fèi)大量人力清潔等缺點(diǎn)。但由于中大口徑彈藥質(zhì)量一般在60 kg以上，現(xiàn)裝配線裝筒工序一般采用人工搬運(yùn)或輔助吊具吊裝，一定程度上造成了工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、裝筒效率低、易刮傷彈體表面和存在火工品跌落隱患等缺點(diǎn)。

中大口徑彈藥自動(dòng)裝筒機(jī)器人是根據(jù)上述問(wèn)題以及兵工自動(dòng)化發(fā)展需求而設(shè)計(jì)的新型設(shè)備，能完成多種型號(hào)、多種尺寸的中大口徑彈藥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝筒［3］。

1 系統(tǒng)組成與特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

中大口徑彈藥自動(dòng)裝筒機(jī)器人由抓取翻轉(zhuǎn)單元、自動(dòng)輔料傳輸單元和外用機(jī)械手組成。其中外用機(jī)械手如圖1所示具有X、Y、Z三個(gè)方向自由度和局部抓取自由度;自動(dòng)輔料傳輸單元可實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)進(jìn)給;抓取翻轉(zhuǎn)單元由下部基座、升降機(jī)構(gòu)、夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)等四部分組成，本文將對(duì)抓取翻轉(zhuǎn)單元進(jìn)行詳細(xì)敘述。

圖1 機(jī)器人外觀

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，待線體上的托盤(pán)發(fā)出到位信號(hào)，抓取翻轉(zhuǎn)單元抓手夾持住托盤(pán)上彈體提升并縮回翻轉(zhuǎn)90°放置在旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)夾緊彈體底部，收到夾緊信號(hào)后，夾手退出并翻轉(zhuǎn)90°，重新前進(jìn)到彈體部位，配合上部夾手、下部托墊以防止火工品套筒過(guò)程發(fā)生傾覆危險(xiǎn)，收到到位信號(hào)后，外用機(jī)械手夾持輔助線體上的套筒并套入彈體，接著夾手下部托墊伸出托起彈體，上面夾手收緊，旋轉(zhuǎn)90°后外用機(jī)械手將彈筒后蓋蓋緊，機(jī)械手最后將套好筒的彈體放回線體，進(jìn)入下一道工序。整套動(dòng)作實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作，節(jié)拍在4 min左右。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)主要特點(diǎn):實(shí)現(xiàn)了火工品裝筒無(wú)人化操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、避免了彈藥表面刮傷、提高了工作效率和本質(zhì)安全度。所用導(dǎo)向均采用導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向精確、可靠、壽命長(zhǎng)。抓手夾持彈藥時(shí)，采用輔助托舉、節(jié)流閥控制、自鎖電機(jī)等措施來(lái)避免設(shè)備運(yùn)行中因停電、斷氣、設(shè)備損壞等造成火工品脫落等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。設(shè)備滿足柔性生產(chǎn)需要，可同時(shí)滿足不同型號(hào)、尺寸火工品裝筒需求。動(dòng)力元件采用防爆電機(jī)、氣缸等，保證了火工品生產(chǎn)的安全性。X向采用西門(mén)子伺服電機(jī)減速機(jī)配以絲杠絲母驅(qū)動(dòng)，使傳動(dòng)更精確，運(yùn)動(dòng)精度更高。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)配合渦輪蝸桿減速器，使旋轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)精度高。機(jī)器人翻轉(zhuǎn)抓手采用氣缸驅(qū)動(dòng)配以齒輪齒條機(jī)構(gòu)，保證了兩爪夾持的同步性，使夾持力更均勻，夾持更可靠。采用西門(mén)子PLC對(duì)各氣壓系統(tǒng)和伺服電機(jī)進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)穩(wěn)定，控制精度高。

2 機(jī)械部分

系統(tǒng)的機(jī)械部分由下部基座、升降機(jī)構(gòu)、夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)等四部分組成如圖2所示。

圖2 抓取翻轉(zhuǎn)單元

2.1 基座

基座通過(guò)六組可調(diào)地腳固定在地面上，基座上固有兩條導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一端通過(guò)楔塊來(lái)調(diào)整導(dǎo)軌的變形量，導(dǎo)軌兩端設(shè)有防撞塊，以防止因誤操作造成設(shè)備撞壞或脫軌;X方向的驅(qū)動(dòng)采用固定在基座上的防爆伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器配合絲杠絲母驅(qū)動(dòng)［4］。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基座

2.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)下端固有4個(gè)導(dǎo)向滑塊，與基座上的導(dǎo)軌相配合;升降機(jī)構(gòu)上固有4根圓導(dǎo)軌，為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起到Z方向?qū)蜃饔茫?個(gè)直線軸承固連在翻轉(zhuǎn)基座上與圓導(dǎo)軌相配合;由于單個(gè)氣缸行程不足以滿足所述翻轉(zhuǎn)機(jī)座Z軸行程，采用兩組雙氣缸串聯(lián)為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)Z方向運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。如圖4所示。

2.3 夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)彈的抓取與翻轉(zhuǎn)，其翻轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式為固定在翻轉(zhuǎn)基座上的防爆電機(jī)減速機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)翻轉(zhuǎn);兩夾手通過(guò)導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)方式為氣缸驅(qū)動(dòng)，中間采用齒輪齒條傳動(dòng)，以保證兩夾手抱緊與張開(kāi)時(shí)的同步性和夾緊力的均勻性，兩夾手內(nèi)側(cè)設(shè)有尼龍托墊，當(dāng)彈翻轉(zhuǎn)后起支撐作用。夾持翻轉(zhuǎn)基座上方固有頂部保護(hù)夾爪，防止彈套筒時(shí)彈藥傾覆，當(dāng)彈翻轉(zhuǎn)后可收緊氣缸，起夾持作用;夾持翻轉(zhuǎn)基座下方固有彈底旋轉(zhuǎn)托盤(pán)，當(dāng)彈藥裝筒完成后，可托起彈體起到下方固定作用;當(dāng)完成所需動(dòng)作，在其他動(dòng)作時(shí)，彈底旋轉(zhuǎn)托盤(pán)通過(guò)氣缸縮回，如圖5所示。

圖4 升降機(jī)構(gòu)

圖5 夾持翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.4 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)固定在基座上，旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)由上部氣動(dòng)卡盤(pán)和下部步進(jìn)電機(jī)減速機(jī)組成，當(dāng)彈被夾持翻轉(zhuǎn)成豎直并完全進(jìn)入卡盤(pán)后，卡盤(pán)進(jìn)氣收縮，夾緊彈體底部，進(jìn)而配合外用機(jī)械手完成套筒。套筒后，如需在彈筒上噴一維碼或二維碼標(biāo)識(shí)，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)減速可使彈體勻速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而輔助噴碼機(jī)完成標(biāo)碼噴識(shí)。如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)

3 控制部分

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)應(yīng)用上位工控機(jī)、PLC的典型控制方式，PLC選用西門(mén)子S7-1500PLC系列。所有控制線路均采用防爆管件及接頭，現(xiàn)場(chǎng)采用防爆控制箱。

分系統(tǒng)主要包括X方向伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、升降氣缸、步進(jìn)電機(jī)、夾緊氣缸、輔助夾持氣缸、彈底托盤(pán)氣缸等［5］。系統(tǒng)接線圖如圖7所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖8所示。

3.3 通訊

本系統(tǒng)工控機(jī)和PLC之間采用專用的通訊電纜，工控機(jī)側(cè)借用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，PLC側(cè)借用編程口。主要完成運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定以及分系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的傳送。

3.4 組態(tài)軟件

組態(tài)軟件可根據(jù)不同火工品裝筒工藝需要，任意組態(tài)人機(jī)界面信息，可編程能力強(qiáng)，能直觀有效的給用戶系統(tǒng)提供運(yùn)行信息［6-8］。本系統(tǒng)的組態(tài)界面主要提供以下信息:X向伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、升降氣缸、步進(jìn)電機(jī)、夾緊氣缸、輔助夾持氣缸、彈底托盤(pán)氣缸等的運(yùn)行狀態(tài)，裝筒總數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

圖7 控制系統(tǒng)接線圖

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程

4 結(jié)論

本機(jī)器人已投入使用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作，完全替代了原來(lái)的人工裝筒，且運(yùn)行良好;不僅提高了工作效率和本質(zhì)安全度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還避免了因人為操作造成的火工品表面劃傷以及傾覆等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。提高了戰(zhàn)時(shí)彈藥保障質(zhì)量和效率，開(kāi)創(chuàng)彈藥保障的新局面。

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