花炮自动化生产线关键机械结构设计与性能优化

摘要：传统花炮生产以人工作业为主，存在危险性高、效率低下等问题，自动化生产是行业发展的必然要求。对此，总结了花炮传统生产工艺面临的问题，阐述了花炮自动化生产的意义，分析了花炮自动化生产线整机功能及系统布局，探讨了花炮关键机械结构设计与性能优化实践，包括传输系统设计与效率优化、控制系统集成与协同优化、装药机构设计与安全性优化、封装机构设计与密封性改善及引线安装机构设计与可靠性提升。

关键词：花炮；自动化生产线；机械结构设计；性能优化

中图分类号：TQ560.5 文献标志码：B 文章编号：2096-5699（2025）06-0095-3

花炮是一个劳动密集型产业，在生产过程中存在一定的安全隐患。近年来随着智能制造的普及，花炮生产部分工序用机器代替，但是自动化程度依然较低，引线安装、装药等工序缺乏安全有效的专用机械，而现有研究也多集中于单个环节的机械改造，缺乏适用于花炮全过程的完整机械方案。因此，花炮自动生产线关键机械结构设计与优化是提升花炮行业技术先进性，提高安全可靠水平、促进产业转型升级的必要条件 [1]。

1  花炮传统生产工艺面临的问题

花炮传统生产工艺具有典型的劳动密集型特征，整个生产过程高度依赖人工操作，工序较为烦琐。花炮传统生产工艺流程包含配药、装药、压药、引线安装、封装等多个环节，各环节之间缺乏有效的机械衔接，主要依靠人工搬运和手动操作完成工序转换，导致生产效率低下。人工操作不仅使生产节奏放缓，还在火工药剂处理过程中存在显著的安全隐患，特别是在装药、压药等涉及危险品的工序中，操作人员面临一定的安全风险。同时，花炮传统生产工艺对操作人员的熟练程度和经验积累要求较高，但由于人为因素的不确定性，生产过程中的质量稳定性难以保证，不同批次产品之间容易出现质量差异。

2  花炮自动化生产的意义

花炮自动化生产通过人机隔离，从根本上改善了作业环境的安全状况，大幅降低了事故发生的可能性。机械重复操作保证了花炮产品质量的一致性，消除了人为因素导致的质量波动。连续化生产模式显著提升了作业效率，使生产能力得到质的飞跃。这些优势共同构成花炮生产向自动化转型的内在动力，推动行业从劳动密集型向技术密集型转变，为产业升级和技术进步提供坚实基础。此外，自动化生产不仅解决了安全与效率问题，还为行业标准化、规模化发展创造了必要条件。

3  花炮自动化生产线整机功能及系统布局

3.1  花炮自动化生产线总体架构与功能划分

在总体架构方面，花炮自动化生产线采用模块式设计，采取连续流程生产。生产线按花炮生产流程布置，形成一条闭合完整的生产线。考虑安全隔离，区分危险工序和非危险工序，并设置隔断装置。整条产线采用中控系统控制，用一台工业总线连接，实现模块的信息交换与协同控制。机械设备结构采用可靠式设计，关键部位采用备份设计以实现连续运转，物料采用自动化输送。在功能模块划分方面，花炮自动生产线功能模块的划分依据是工艺流程的逻辑顺序和机械的可行度。整条生产线是由多个模块组成，每个模块各负责一种工艺，各模块之间存在连接关系 [2]。具体而言，物料模块负责药物的自动供给、药物的计量，实现物料的准确输送，安全可靠；装药模块实现药物的自动装药、压实，通过精密计量设备，实现装药自动化和精细化；引线模块能够确保引线的精确定位；封装模块实现产品自动装袋和密封，保证产品的稳定封存；传输模块将各工位之间互联，实现各工序间的有序传递；控制模块是对整个生产系统的控制，确保生产自动化 [3]。

3.2  花炮自动化生产线设备布局与产线规划

在设备布局方面，花炮自动化生产线设备布局遵循分区明确与距离充分原则 [4-5]。危险工序设备（如物理设备、防火防爆设备）应与总仓库区严格分离，以保障作业安全。设备间距需确保事故不相互波及，并且要按照检修需求留有一定的检修空间。此外，针对粉尘污染较大的设备（如药剂混合机），可将其布置在最小频率风向的上风侧，以减少污染。在生产线规划方面，设计应遵循人机分离、机物分离原则，减少人员、物料的干扰 [6]。生产线要有可靠的防爆隔爆措施。例如：人工添加药物工序要采用抗爆间室隔离；药物运输要有独立专用通道，并与生产线有可靠防护屏障隔离。

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4  花炮关键机械结构设计与性能优化实践

4.1  传输系统设计与效率优化

传输系统作为整个花炮自动化生产线的传输枢纽，其设计对整个生产线的效率及稳定性影响至关重要 [7]。传输系统设计要确保工序间运输准确、稳定，没有节拍混乱，为提高生产效率提供重要条件及前提。以花炮引线安装工位与花炮封装工位之间的传输衔接为例，传统输送方式为人工搬运，传输效率低，节拍不定。新型传输装置是以伺服控制带为柔性输送装置，加装视觉定位装置，在引线安装完毕后可立即接收到引线到位信号，将花炮半成品半料以设定的输送速度输送至花炮的包装工位，传输过程中，光电传感器可实时检测物料的位置，到达花炮的包装工位后由定位装置停靠到位，位置允差为±0.5 mm[8]。同时，变频调速可以根据前后工位的生产状态自动调整，避免物料的掉料、掉线。优化后的传输系统有效提高了整体产线的速度。通过定位、变频调速，使两工序间无缝隙对接，解决了传统生产节拍不定的问题。这种设置不仅能保障生产的顺利进行，还能为生产线自动化奠定良好的基础。

4.2  控制系统集成与协同优化

控制系统集成、协调控制、优化整合是花炮自动生产线的核心 [9]。将各系统的控制系统有效集成、协调控制，形成控制集成中枢，实现全线的集中智能控制，确保整条线设备工作协调性、智能性，解决设备匹配、节奏协调、生产同步性等问题，助力生产有序高效。例如，装药模块与压药模块的同步控制，两个模块的控制器不同，动作时序不同，利用PROFINET 构建控制网，将两个模块的 PLC 控制器与主控系统连接在一起。主控系统通过装药模块的完成信号实时计算压药模块的开始时间，在装药机械手完成装料并离开作业现场后压药模块开始作业，将压头下降时间控制在0.5秒，通过压力传感器计算检测压药压力值，若发现压力异常时，则主控系统及时改变下一模块参数。两个模块在动作时序上减少了2.3秒，并避免了压药模块作业现场出现时序不当造成的掉料现象。此外，控制系统利用智能调度，达到了不同模块功能协调统一控制的目的，实现了高利用率、高产能性，提升了生产线抵抗事故的能力，为花炮生产提供了有效的技术支持。

4.3  装药机构设计与安全性优化

装药机构是花炮生产中最危险环节之一，其合理性直接决定生产的可靠性和安全性。为提升安全性，可通过优化机械设计与强化防护设计，实现人与药物的有效隔离，消除人工装药的安全隐患，既保护操作人员，又保证装药的准确度与均匀度，为自动化连续生产奠定了坚实基础。装药机构采用全自动防爆装填计量舱体，配备双闸门隔离系统，由304不锈钢（厚度6 mm）一体焊接而成，内部维持微负压环境（-50 Pa 相对真空），有效防止药物外泄。装药机构中的螺杆计量装置采用陶瓷材质，由电机驱动，每旋转720° 进药量为0.001 g。当花炮筒就位后，上闸门开启，计量螺杆旋转进药；随后下闸门开启，药物落入容器底板，两道闸门交替关闭并互锁，确保容器始终处于密闭状态。此外，机构还配备红外探头与压力仪，实时监控容器内部状况，一旦发现异常，立即触发氮气灭火系统。实践证明，安装全自动装药机构，装药精度在±0.5% 以内，每半小时装药50次，连续装药2 d未发现异常。装药机构的安全生产解决了花炮生产最突出的安全问题。通过全密闭防爆设计、监控系统等应用，消除了爆炸风险和人药接触隐患，真正实现了装药作业本质安全、工艺精准，为花炮自动装药奠定了可靠的技术基础，提升了安全生产水平。

4.4  封装机构设计与密封性改善

封装机构设计与封口密封性设计，直接影响花炮产品的保质期和使用可靠性，科学的封口设计可防止外界潮气的浸湿和火药腐蚀，保证货物存储稳定性及可靠性。封装机构采用全自动热压封装，其为复合铝箔材料，并配备恒温控制系统，由加热系统、压力系统及冷却系统协同构成。加热系统运用 PID 加热技术，温度精准控制在（180±2）℃；压力系统采用气液增压装置，压力范围设定为0.5~0.7 MPa；冷却系统则通过两级风冷设计，确保在4秒内将加热温度快速降至40 ℃以下。在此恒温恒压环境下，铝箔材料与炮筒端面紧密融合，形成均匀密封层，厚度稳定达到0.3 mm。该机构通过优化设计，花炮产品在温度40 ℃、湿度90% 的严苛环境下保存30 d 后，火药含水率仅上升0.2%，密封效果高达99.9%。实际生产中，其热压封装效率可达50件 /min，连续运行200 h 后工艺参数仍无需调整，展现出卓越的稳定性和可靠性，显著提高了花炮产品的密封品质。综合而言，封装机构借助对温度、压力的精准控制及复合铝箔材料的应用，彻底解决了传统手工封装存在的密封不严、易受潮等问题，在保障产品质量长期稳定的同时，大幅提高了生产效率，为花炮自动化生产提供了坚实的技术支撑，对推动花炮行业质量升级具有积极意义。

4.5  引线安装机构设计与可靠性提升

引线安装机构设计对花炮产品质量和使用安全可靠具有直接影响。引线安装机构设计可靠体现在花炮产品引线安装到位、固定可靠、不易脱位等方面。全自动引线安装机构采用机器视觉定位伺服压装方式，机器视觉系统采用高清晰度相机拍取花炮端面，通过软件分析安装位置，安装精度控制在0.05 mm 范围之内；安装机臂采用三轴伺服压装，机臂末端加装自适应夹持器，可安装大小不同的引线；压装方式为旋转压入，采用渐进式压入，压装过程中由压力传感器实时检测压装力，控制压装力范围为12~15 N。同时，引线安装机构后端采用激光检测工位，对安装好的引线进行三维扫描，检测引线安装深度和高度，引线安装高度偏差大于0.2 mm，直接分拣剔除。从实际检测效果看，全自动引线安装机构的安装成功率为99.98%，安装速度为65个 /min，连续工作250 h 卡死率为零。引线安装机构可靠性提升的解决方案，解决了引线安装质量不高的问题。采用高精度机器视觉相机定位、压装，保证了引线安装的准确性和连续性。这种设计在降低不良品率的同时，也提高了生产效率，为花炮自动化生产带来了技术保证和质量保障。

5  结束语

花炮自动生产线机械设计和运行性能研究从根本上解决花炮生产安全运行问题。围绕传输系统、控制系统、装药机构、封装机构及引线安装机构等方面，实施创新设计，以实现各工序紧密衔接，在保证生产运行安全前提下，提高生产效率和生产质量。未来应进一步研究智能检测、柔性制造等方面的机械设计和运行性能，为推动花炮产业高质量发展提供动力。

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作者：程东华 高秋阁  作者单位：商丘工学院