一种航天火工装置用含能柱状材料自动加工及检测装置的制作方法

本发明涉及一种航天火工装置用含能柱状材料自动加工及检测装置，属于航天火工装置装配领域。

背景技术：

含能柱状材料是一种典型的航天火工装置固体小火箭的主装药，为固态物质。工作时，点火器点燃点火药盒，再通过点火药盒点燃含能柱状材料，含能柱状材料燃烧产生高温高压的燃气，把化学能转化为热能，燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排除从而产生推力推动导弹或火箭向前飞行。含能柱状材料广泛应用于航天飞行器的各个领域，发挥着举足轻重的作用。

现阶段，其主要采用手工方式在普通车床上进行加工，加工完成后采用游标卡尺进行检测，主要存在以下问题：

1)含能柱状材料加工过程存在安全隐患，本质安全性不高，同时还存在职业健康隐患。含能柱状材料为含能非金属材料，受工艺方式限制，车削过程中只能采用控制切削参数的方式进行温度控制。

2)含能柱状材料加工效率低。

在生产过程中，为控制含能柱状材料加工质量，同时兼顾安全性，导致含能柱状材料加工效率不高；同时，切削含能柱状材料时升温产生有毒有害气体、粉尘使得操作者产生不适，故目前操作人员每天仅能工作不到4小时，生产任务紧急时，只能依靠轮班、加班及紧急抽调人员操作才能勉强满足现场量产的需求。

3)含能柱状材料检测手段落后。

含能柱状材料加工完成后，由于含能柱状材料在固体小火箭中的重要性，需全数检测其尺寸。目前，首件加工完成后，将含能柱状材料放置于温度(20～35)℃条件下保温2h后，采用游标卡尺测量内、外径及长度的手工方式全数测量含能柱状材料尺寸，合格后才允许继续加工。一批含能柱状材料加工完成后，同样需放置于温度(20～35)℃条件下静置2h后，对含能柱状材料进行检测。采用手工检测的方式已不能满足日益增长的生产需求，急需解决手工检测效率低、检测手段落后的问题。

4)含能柱状材料加工过程由于温升易产生变形。

含能柱状材料在车削加工过程中，车削加工时车削摩擦力必然使得含能柱状材料升温，而由于含能柱状材料粘弹体蠕变特性，温度上升使含能柱状材料尺寸产生变形，加工时间越长，产生的累积温升越大，从而导致含能柱状材料尺寸变形量越大，使得含能柱状材料加工尺寸与预计的加工尺寸值有明显差异，可相差0.2mm左右，加工过程的温升导致变形量已超过含能柱状材料本身部分尺寸的公差。现阶段仅能通过采用经验丰富的操作者进行加工。每批加工前，需采用工艺件进行工艺试车，试车完成后在(20～35)℃温度下静置两小时后再测量含能柱状材料尺寸，合格后才允许继续加工，但含能柱状材料最终尺寸在加工过程中难于量化控制，存在全批超差的风险。

综上，航天火工装置用含能柱状材料存在本质安全性不高，加工效率低，检测手段落后，容易发生变形超差等问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对目前航天火工装置用含能柱状材料加工过程中存在的本质安全性不高，加工效率低，检测手段落后，容易发生变形超差等不足，提出了采用自动加工方式进行加工及检测，不仅使得加工一致性得到了保证，提高了加工及检测效率，降低了劳动强度，还从根本上实现了人机隔离，杜绝了操作安全风险。

本发明的技术解决方案是：

一种航天火工装置用含能柱状材料自动加工及检测装置；

包括检测模块、机器人模块和上下料模块；

检测模块包含位于检测平台上的测头、顶塞、v形块、挡板和第一滑轨；

v形块其上放置含能柱状材料，由至少两个v形结构组成，v形结构间隔大于机器人模块的双v形夹爪宽度；

挡板作为量具初始位基准；

位于v形块上方的测头为球头结构，测头与位移传感器相连，测得测头在垂直于检测平台方向运动的位移，获得含能柱状材料直径；

第一滑轨与v型块的v形面中心线平行，顶塞置于第一滑轨上，与位移传感器连接，顶塞沿第一滑轨运动，获得含能柱状材料长度；

机器人模块用于夹取含能柱状材料；

上下料模块包括不合格品收集箱、合格品收集箱、上料滑台、机械手、下料滑台、储料盒、第二滑轨和第三滑轨；

第二滑轨和第三滑轨垂直设置；

机械手可沿第三滑轨滑动，以夹持含能柱状材料；

上料滑台与下料滑台分别置于两个平行的第二滑轨上，上料滑台及下料滑台均采用v型块方式放置含能柱状材料，上料滑台及下料滑台可相对第二滑轨运动。

工作时，机械手夹持储料盒中的待加工含能柱状材料放入上料滑台中，上料滑台携带待加工含能柱状材料进入待料区，机器人模块夹持待加工含能柱状材料送入加工车床车削，加工后机器人模块夹持加工后含能柱状材料送入检测模块，经检测模块判断后，将合格与不合格指令传递给机械手，机器人模块将已检测的含能柱状材料送入下料滑台，机械手根据接收到信号将已检测的含能柱状材料放入相应的不合格品收集箱或合格品收集箱中，机械手将合格品收集箱中的已检测的含能柱状材料夹持放入储料盒中。

车削时，可以一次车削完毕待加工含能柱状材料的外圆及端面；也可以先按照整个流程先加工待加工含能柱状材料的外圆，再按照整个流程加工待加工含能柱状材料的端面。

v型块的v形面与挡板垂直，垂直度不大于0.01mm。

机器人模块包括六轴机器人、双v形夹爪和顶杆，双v形夹爪与顶杆螺接于六轴机器人上，双v形夹爪的v形面尺寸与含能柱状材料外径相匹配，以夹取含能柱状材料。

不合格品收集箱、合格品收集箱、机械手、上料滑台、下料滑台在零点时位于同一直线上，且直线度误差不大于5mm。

还包括胀芯顶套，胀芯顶套位于顶塞尾部，加工含能柱状材料时，顶在含能柱状材料端面上。

车削按照预先设定的工艺参数进行，工艺参数包括背吃刀量、进给速度、转速、含能柱状材料变形量、风冷的风量及报警温度。

储料盒内部宽度可调节，且内部宽度大于含能柱状材料长度。

通过气缸带动往复运动翻转机构翻转实现含能柱状材料的自动上料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了采用自动加工方式进行加工及检测，不仅使得加工一致性得到了保证，提高了加工及检测效率，降低了劳动强度，还从根本上实现了人机隔离，杜绝了操作安全风险；

(2)原加工过程中工艺参数由操作人员根据经验定，采用自动加工装置后，需提供的工艺参数为背吃刀量、进给速度、转速、含能柱状材料变形量、风冷的风量及报警温度。通过工艺手段及计算，获取了各工艺参数，一次输入含能柱状材料加工参数后，以后批次加工中均可保证随时调用；

(3)本发明通过选取某含能柱状材料进行对比测试的试验结果进行分析，本发明在工程范围内可行。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明检测模块结构图；

图3为本发明v型块结构图；

图4为本发明机器人模块结构图；

图5为本发明双v形夹爪及顶杆结构图；

图6为本发明上下料模块结构图；

图7为本发明储料盒结构图；

图8为本发明翻转架构结构图；

图9为本发明上料滑台及下料滑台结构图；

图10为本发明典型含能柱状材料结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种航天火工装置用含能柱状材料自动加工及检测装置，含能柱状材料形状如图10所示，

包括检测模块、机器人模块和上下料模块,

如图2所示，检测模块包含位于检测平台上的测头11、顶塞14、v形块16、挡板17和第一滑轨19，v型块16的v形面与挡板17垂直，垂直度不大于0.01mm。还包括胀芯顶套13，胀芯顶套13位于顶塞14尾部，加工含能柱状材料外圆时时，使用两个胀芯顶套13小外圆分别插入含能柱状材料两端的内孔中，并顶紧顶含能柱状材料端面，所述胀芯顶套小外圆与含能柱状材料内孔相匹配，小外圆直径小于含能柱状材料内孔下限值0.02mm以内。

如图3所示，v形块16其上放置含能柱状材料31，由至少两个v形结构组成，v形结构间隔大于机器人模块的双v形夹爪41宽度；

挡板17作为量具初始位基准；

位于v形块16上方的测头11为球头结构，测头11与位移传感器相连，测得测头11在垂直于检测平台方向运动的位移，获得含能柱状材料直径；

第一滑轨19与v型块16的v形面中心线平行，顶塞14置于第一滑轨19上，与位移传感器连接，顶塞14沿第一滑轨19运动，获得含能柱状材料长度；

机器人模块用于夹取含能柱状材料，如图4、图5所示，机器人模块包括六轴机器人43、双v形夹爪41和顶杆42，双v形夹爪41与顶杆42螺接于六轴机器人43上，双v形夹爪41的v形面尺寸与含能柱状材料外径相匹配，以夹取含能柱状材料。

上下料模块包括不合格品收集箱21、合格品收集箱22、上料滑台23、机械手24、下料滑台25、储料盒26、第二滑轨27和第三滑轨28；

第二滑轨27和第三滑轨28垂直设置；

机械手24可沿第三滑轨28滑动，以夹持含能柱状材料；

如图6、图9所示，上料滑台23与下料滑台25分别置于两个平行的第二滑轨27上，上料滑台23及下料滑台25均采用v型块方式放置含能柱状材料，上料滑台23及下料滑台25可相对第二滑轨27运动。不合格品收集箱21、合格品收集箱22、机械手24、上料滑台23、下料滑台25在零点时位于同一直线上，且直线度误差不大于5mm。

工作时，机械手24夹持储料盒26中的待加工含能柱状材料放入上料滑台23中，上料滑台23携带待加工含能柱状材料进入待料区，机器人模块夹持待加工含能柱状材料送入加工车床车削，车削按照预先设定的工艺参数进行，工艺参数包括背吃刀量、进给速度、转速、含能柱状材料变形量、风冷的风量及报警温度。

加工后机器人模块夹持加工后含能柱状材料送入检测模块，经检测模块判断后，将合格与不合格指令传递给机械手24，机器人模块将已检测的含能柱状材料送入下料滑台25，机械手24根据接收到信号将已检测的含能柱状材料放入相应的不合格品收集箱21或合格品收集箱22中，机械手24将合格品收集箱22中的已检测的含能柱状材料夹持放入储料盒26中。

车削时，可以一次车削完毕待加工含能柱状材料的外圆及端面；也可以先按照整个流程先加工待加工含能柱状材料的外圆，再按照整个流程加工待加工含能柱状材料的端面。

储料盒26内部宽度可调节，且内部宽度大于含能柱状材料长度。

如图7、图8所示，通过气缸53带动往复运动翻转机构52翻转实现含能柱状材料的自动上料。

如图1所示，本发明一种航天火工装置用含能柱状材料自动加工及检测装置，分布车削的工作步骤如下：

(a)加工前，建立加工数据库，数据库中存储了各种需要加工的含能柱状材料的代号以及相应工艺参数，工艺参数主要包含但不局限于背吃刀量、进给速度、转速、含能柱状材料变形量、风冷的风量及报警温度等；

(b)利用步骤(a)的工艺参数，对含能柱状材料进行加工准备；

(c)调节储料盒宽度，使得储料盒与含能柱状材料长度相匹配，然后将含能柱状放入储料盒中；储料盒中自动上料机构将含能柱状材料通过自动翻转进入上料区域；

(d)机械手将储料盒中的含能柱状材料装夹，然后机械手横移将含能柱状材料放入上料滑台的v形槽区域；上料滑台将含能柱状材料通过传输机构运送至待料区；

(e)六轴机器人气缸带动双v形夹爪夹持待料区的含能柱状材料中部，送入数控车床弹簧夹头中，送入长度占含能柱状材料的40％，六轴机器人松开含能柱状材料，移动至含能柱状材料位于外侧的端面，六轴机器人带动位于双v形夹爪侧面的推杆向含能柱状材料运动，推动含能柱状材料向弹簧夹头内侧运动，直至位于与六轴机器人上的推杆上的压力传感器报警，此时弹簧夹头夹紧含能柱状材料；

(f)数控车床自动运行，车削含能柱状材料端面，留余量1mm；

(g)数控车停车，松开弹簧夹头，六轴机器人气缸带动双v形夹爪夹持含能柱状材料往弹簧夹头外侧滑动，含能柱状材料露出长度40％，六轴机器人松开含能柱状材料，重新夹持含能柱状材料的中部，从弹簧夹头拔出含能柱状材料，旋转180°后重复步骤“e”中含能柱状材料送入数控车床弹簧夹头步骤，数控车床自动运行，车削含能柱状材料端面至要求值；

(h)重复步骤“(g)”中取出含能柱状材料步骤，将含能柱状材料送入待检测区的v形槽中；

(i)伺服电机带动位于v形槽尾部的顶塞顶紧含能柱状材料，自动判定该含能柱状材料加工长度是否合格，检测完成后，六轴机器人将含能柱状材料夹持送入位于待料区下料滑台的v形槽；

(j)下料滑台带动含能柱状材料向收料区滑动；

(k)机械手将含能柱状材料抓起，若在步骤(i)中判定为“合格”则放入合格品箱，若在步骤(i)中判定为“不合格”则放入不合格品箱；

(l)将位于合格品箱的料盒转入储料盒，重复步骤“(c)、(d)”；

(m)六轴机器人气缸带动双v形夹爪夹持位于待检测区平台尾部的胀芯顶套，送入数控车床弹簧夹头中，弹簧夹头夹紧胀芯顶套，六轴机器人松开胀芯顶套；

(n)六轴机器人气缸带动双v形夹爪夹夹持位于待料区的含能柱状材料，并将其内孔插入胀芯顶套，同时，位于含能柱状材料的尾部的另一胀芯顶套在伺服电机带动下向含能柱状材料运动，顶紧含能柱状材料，六轴机器人松开含能柱状材料并归位；

(o)数控车床开始加工含能柱状材料的外圆，加工完成后停车；

(p)六轴机器人气缸带动双v形夹爪夹持含能柱状材料，将含能柱状材料送入待检测区v形块，位于v型块顶部的测头下落，测得含能柱状材料一端的外径值，测头回升，六轴机器人带动含能柱状材料提升，气缸带动双v形夹爪旋转180°后下落，直至含能柱状材料落入待检测区v形块，此时测头下落，测得含能柱状材料的另一端外径值，以两端外径值均在公差范围内为合格，否则判定为不合格；检测完成后，六轴机器人将含能柱状材料夹持送入位于待料区下料滑台的v形槽；

(r)重复步骤“(j)”、“(k)”，完成含能柱状材料加工。

以所述方法选取某含能柱状材料进行试验，试验结果见表1。

表1验证试验结果

采用本发明针对目前航天火工装置用含能柱状材料加工过程中存在的本质安全性不高，加工效率低，检测手段落后，容易发生变形超差等不足，提出了采用自动加工方式进行加工及检测，不仅使得加工一致性得到了保证，提高了加工及检测效率1倍以上，单件加工时间大概10分钟，常规手动单件半小时以上，大大节省了时间，降低了劳动强度，还从根本上实现了人机隔离，杜绝了操作安全风险，能够很好的在工程上得到运用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。