旋入式底火防过拧装配控制技术

2015-07-01刘锡朋舒泽胜赵建抒史慧芳石义官

兵器装备工程学报 2015年4期

刘锡朋，舒泽胜，刘彬，赵建抒，史慧芳，石义官

(中国兵器工业第五八研究所弹药自动装药研究应用中心，四川绵阳 621000)

旋入式底火由于连接可靠、密封性好等优势在大、小口径炮弹等国防领域中有着广泛的应用。在装配过程中为了保证底火与弹体可靠连接，需要对拧紧过程尤其是终紧阶段的拧紧扭矩值进行控制。如果终紧扭矩太小不能将底火可靠嵌入弹体;扭矩过大则会将产生“过拧”现象，即由于拧紧头输出扭力大于底火和拧紧工装所能承受的扭力而导致拧紧工装折断及从底火拧紧坑中跳出划伤底火、将底火拧鼓包等故障［1-2］。

目前，在旋入式底火的拧紧装配过程中除去人工扭紧装配之外，在机械式拧紧装配过程中普遍采用普通异步电机、步进电机等进行恒功率输出驱动，结合扭矩传感器实时反馈对拧紧头输出扭矩进行控制或通过扭力限制器对输出扭矩进行限制。使用效果表明，上述工作方式的终紧阶段输出扭力控制精度在10% ～15%左右或更差，不能满足优于5%、甚至更高精度的需求，也在很大程度上限制了旋入式底火自动拧装配紧设备的普及应用。

通过对采用上述控制方式造成的底火过拧现象进行分析，找出造成该现象的根本原因，并在此基础上设计新的控制方案，通过提高装配过程，尤其是终紧阶段拧紧头输出扭矩控制精度以解决旋入式底火拧紧装配中存在的“过拧”现象。

1 旋入式底火“过拧”过程分析

在上述目前常用的旋入式底火的拧紧装配控制方式的基本原理为:在检测到的扭矩值小于控制值时拧紧驱动系统以恒功率输出，此时的输出扭矩值会远大于工艺设定的终紧扭矩值;当拧紧扭矩达到工艺设定的控制值Tc时立即停止拧紧。理论上，要达到设定的终紧扭矩控制精度，只要当检测扭矩值在如图1 所示Tc-THL范围内，即在t2到t3的Δt 时间范围内将执行机构停止或将其输出扭矩降低至THL以下即可，也可以说要达到给定的扭矩控制精度要求输出扭矩控制环的响应周期小于Δt。

而在实际应用中，由于在拧紧过程的终紧阶段，即如图1所示的t2以后阶段，由于具有压缩性的铅圈已经压到位，底火进一步旋入将是与弹体的直接接触。此时，在单位旋入给进时间内拧入产生的反作用力剧增，导致从拧紧扭矩达到工艺设定的控制值Tc的t2时刻到扭矩控制精度上限值的THL的t3时刻的时间间隔Δt 非常短，该值一般小于20 ms。而由扭矩传感器、基于PLC 平台的扭矩控制器和采用异步电机或步进电机等构成的执行机构组成的控制回路的响应时间远大于20 ms，导致在t3时候之后输出扭矩远超出扭矩控制精度上限值THL，最终产生“过拧”现象。

综上所述，产生“过拧”现象的根本原因在于扭矩控制回路的响应周期大于负载扭矩的变化周期，响应速度太慢。另外，执行机构在终紧阶段的扭矩输出值相对过大也是产生“过拧”现象的一个直接原因。

2 防过拧的拧紧过程扭矩实时限幅控制方案

为满足系统的扭矩控制环路高响应速度要求，基于微妙级扭矩控制周期的伺服系统控制平台完成对拧紧过程扭矩的实时闭环控制;同时，将终紧阶段的输出扭矩值Tset设定在工艺设定扭矩控制值Tc和扭矩控制精度上限值的THL之间，如图2 所示，以从根源上避免“过拧”现象的发生［3-4］。

图2 基于实时限扭矩控制的拧紧过程拧紧头输出扭矩趋势曲线

3 试验结果及分析

基于上述方案重新构建的拧紧扭矩控制平台和控制思路，对某型旋入式底火进行了以20 N·m 为终紧扭矩目标值的拧紧装配试验，试验结果如图3 和表1 所示。

续表

在拧紧装配过程中，首先电机扭矩先急剧上升至设定扭矩，在拧紧轴速度上升到设定值后，电机扭矩下降并基本维持在克服底火旋入过程的阻力上，此时及以后的电机扭矩基本等同于拧紧头输出扭矩。由图3、表1 数据可知，在终紧阶段拧紧扭矩经过急剧上升后平稳控制在20.425 N·m，扭矩控制精度优于±2.6%，满足改型底火的终紧扭矩±5%的控制精度要求;最终扭矩波动幅度小于0.5%，无显著“过拧”超调。