羅有旺，余小圃，顧志輝

（佛山市佛威精密機器有限公司，廣東佛山528247）

0 引言

改革開放以來，中國的鋁型材產(chǎn)業(yè)一直蓬勃發(fā)展。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一直以建筑用材為主，但是隨著中國工業(yè)水平和規(guī)模的不斷提高，工業(yè)用材產(chǎn)量也逐年攀升。在汽車制造、軌道交通、電力、機械裝備制造業(yè)、電子等行業(yè)，對鋁型材的需求迅速增加，新產(chǎn)品、新工藝、新用途的鋁型材產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，推動了技術(shù)進步和行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。近年來，隨著中國大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進程的快速推進，中國鋁型材行業(yè)發(fā)展迅速，國內(nèi)企業(yè)為了獲得更大的投資收益，不斷加大生產(chǎn)規(guī)模和提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進全行業(yè)的產(chǎn)量和消費量的迅猛增長，中國也一躍成為世界較大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費市場。由于國民經(jīng)濟持續(xù)健康平穩(wěn)的發(fā)展，鋁型材的需求也越來越大，裝備和技術(shù)水平也將越來越先進，鋁型材的市場具有廣闊的發(fā)展空間。

近年來，隨著經(jīng)濟的增長，生活水平的提高，金屬門窗、建筑幕墻、鐵路運輸設(shè)備、汽車和城市軌道交通等行業(yè)發(fā)展迅速，推動了鋁型材行業(yè)的快速發(fā)展。另外，隨著中國大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進程的推進，鋁型材作為建筑領(lǐng)域和機械工業(yè)領(lǐng)域重要的應(yīng)用材料，其應(yīng)用前景非常廣泛，市場空間很大[1]。

目前，在鋁型材加工行業(yè)中，擠壓生產(chǎn)線中產(chǎn)品定尺鋸切后，一般是人工將產(chǎn)品由鋸床輥道上抬到專用料框中，此方法人力勞動強度大，人工需求量大，且產(chǎn)品質(zhì)量易受人為因素影響。近年來國內(nèi)高速發(fā)展大截面高線密度的工業(yè)鋁型材，成品重量大大增加，而且產(chǎn)品類型與形狀復(fù)雜多樣，靠人工搬運是不可能的，再加上現(xiàn)在人工成本高，招工困難，已經(jīng)無法滿足鋁材廠生產(chǎn)的需求[2]。

針對迅速增長的鋁型材需求和國內(nèi)鋁材生產(chǎn)存在的問題，國內(nèi)大部分企業(yè)都對工廠進行了自動化改造。如何實現(xiàn)鋁材的自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為鋁材廠最急切解決的問題。因此，受到鋁材廠的委托進行擠壓生產(chǎn)線后工序自動裝框生產(chǎn)線的研發(fā)。

1 研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

本文研究鋁材擠壓生產(chǎn)線，通過對生產(chǎn)線進行技術(shù)改造，研發(fā)后工序鋁材自動裝框機，提高生產(chǎn)效率，減少人工，降低制造成本，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)[3-4]。

1.1 主要研究內(nèi)容

（1）研發(fā)4～10 m鋁材搬運機械手，實現(xiàn)多種規(guī)格的型材自動搬運。

（2）研發(fā)框內(nèi)隔條自動送料機構(gòu)，實現(xiàn)隔條自動輸送及定位。

（3）研發(fā)專用的鋁材承載料框，實現(xiàn)各種鋁材的裝運。

（4）研發(fā)裝框機自動控制系統(tǒng)，與原擠壓生產(chǎn)線結(jié)合，實現(xiàn)鋁材裝框自動化生產(chǎn)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

（1）裝框尺寸（長×寬×高）：5 000 mm×2 200 mm×900 mm。

（2）裝框定位精度：±0.5 mm。

（3）移動龍門架行程（X軸，Z軸）：X軸4 700 mm，Z軸1 100 mm。

（4）X、Z軸傳動：伺服電機+減速器，齒輪齒條傳動。

（5）機械手：氣動自動機械手。

（6）隔條傳送型式：半自動或全自動傳送。

（7）裝框節(jié)拍：2 min/次。

（8）每次裝料質(zhì)量：150 kg。

（9）控制系統(tǒng)：PLC。

1.3 擬解決的關(guān)鍵問題

（1）鋁材搬運機械手如何實現(xiàn)快速搬運鋁材。

（2）鋁材間隔條如何實現(xiàn)自動輸送及自動定位。

（3）整個裝框機自動控制及與原擠壓生產(chǎn)線系統(tǒng)匹配的問題。

2 技術(shù)路線

為了實現(xiàn)本項目，采取了以下的技術(shù)路線。

（1）結(jié)合鋁材廠的實際情況，充分了解設(shè)備的要求，設(shè)計總體方案。

（2）根據(jù)設(shè)備的總體要求，找出關(guān)鍵的技術(shù)問題，重點攻克該技術(shù)問題，可以借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，確定切實可行的方案。

（3）利用先進的設(shè)計手段，設(shè)計產(chǎn)品立體方案并進行高級運動仿真，根據(jù)雙方共同評審，評詁是否達到實用要求，反復(fù)修改評審論證，滿足要求后，再進行產(chǎn)品圖紙設(shè)計[5-6]。

（4）按照圖紙進行制造樣機，并進行單機組裝調(diào)試，所有動作滿足要求后，再裝配到生產(chǎn)線上，結(jié)合生產(chǎn)線進行調(diào)試，直到達到使用要求。

該項目詳細的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3 技術(shù)方案

鋁材自動裝框機是一款專門針對擠壓生產(chǎn)線最后裝框工序配套的裝備，該裝備主要是用于把鋁棒經(jīng)擠壓機、牽引機、拉直機、成品鋸生產(chǎn)出來的鋁材裝框轉(zhuǎn)運[7-8]。

3.1 總體方案

自動裝框機主要由裝框機架、移動橫梁、XZ三軸傳動機構(gòu)、機械手、自動送隔條系統(tǒng)、料框等組成。其中機架是支承組件，X軸傳動機構(gòu)及移動橫梁裝于其上，移動橫梁可沿著X軸導(dǎo)軌前后搬運鋁材，橫梁上裝有2個固定滑座，滑座設(shè)有導(dǎo)軌滑塊，導(dǎo)軌裝在Z軸立柱上，Z軸立柱下端固定有機械手安裝架，安裝架上裝有10個機械手，每前后兩個機械手夾位在同一直線上，可同時夾起一條隔條，機械手可隨Z軸立柱一起上下運動，托起位于待搬運區(qū)的多排鋁材，機械手可沿XZ軸上下、前后移動把鋁材放進鋁材進料框內(nèi)。為了實現(xiàn)自動裝框的要求，該項目總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案

自動裝框機主要動作流程為：待搬運鋁材到位，自動送隔條系統(tǒng)把隔條自動輸送到待搬運鋁材下方，機械手快速定位，并自動抓取隔條，抬升隔條連同鋁材一起抬升，橫梁往外移動，定位于料框上方，機械手下移，把鋁材放進料框，松開夾手，機械手復(fù)位，準備搬運鋁材進料框第二層，直到搬運滿料框，料框自動運送到需求產(chǎn)品區(qū)域，完成了鋁材裝框轉(zhuǎn)運。該項目具體的工作流程如圖3所示。

圖3 自動裝框工作流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.2.1 搬運機械手

研發(fā)4～10 m鋁材搬運機械手，如圖4所示，實現(xiàn)多種規(guī)格的型材快速自動搬運。技術(shù)方案如下[9-10]。

圖4 機械手結(jié)構(gòu)

（1）應(yīng)用數(shù)控機床傳動的原理，設(shè)計XZ二軸傳動系統(tǒng)：通過電機、減速器、齒輪、齒條、導(dǎo)軌，實現(xiàn)雙邊X軸驅(qū)動；通過電機、減速器、傳動軸、齒輪、齒條、導(dǎo)軌實現(xiàn)中間單驅(qū)Z三軸驅(qū)動，機械手最高運動速度可達30 m/min，其傳動結(jié)構(gòu)如圖5~7所示[11-12]。

圖5 X軸傳動

圖6 Z軸傳動

圖7 雙工位機械手結(jié)構(gòu)

（2）設(shè)計雙工位夾緊裝置，通過氣缸作為鎖緊動力，實現(xiàn)雙工位前后夾緊隔條。

（3）設(shè)計了高強度、表面噴塑隔條，如圖8所示，既達到了一次可搬運一排鋁材的目的，又保證了鋁材不損傷。

圖8 隔條

3.2.2 隔條自動送料機構(gòu)

研發(fā)隔條自動送料機構(gòu)，如圖9所示，實現(xiàn)隔條自動輸送及定位。技術(shù)方案如下。

圖9 隔條輸送機構(gòu)

（1）設(shè)計前后端隔條輸送帶，兩輸送帶都采用電機，減速機帶動輸送帶傳輸隔條，前端輸送帶主要起備料作用，后端輸送帶主要是送隔條到鋁材下方并自動定位隔條位置，兩輸送帶間連接部分通過在前端輸送帶設(shè)置取料擋板，實現(xiàn)間隔取隔條。

（2）輸送帶旁邊配置隔條位置檢測裝置，實現(xiàn)隔條位置自動定位。

（3）隔條輸送帶起始端輸送帶可配置自動上料機器人，自動抓取隔條上料。

3.2.3 專用鋁材承載料框

研發(fā)專用的鋁材承載料框，如圖10所示，實現(xiàn)各種鋁材的裝運。技術(shù)方案如下：采用框架式焊接鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋁材搬運機械手搬運的要求及隔條位置的要求，設(shè)計專用的料框；另外，料框下面配置運載小車，每次裝完框，可自動運走料框和送入新的料框。

圖10 料框結(jié)構(gòu)

3.2.4 裝框機自動控制系統(tǒng)

研發(fā)裝框機自動控制系統(tǒng)，如圖11所示，與原擠壓生產(chǎn)線結(jié)合，實現(xiàn)鋁材裝框自動化生產(chǎn)。技術(shù)方案：結(jié)合原擠壓生產(chǎn)線的動作要求，增加連接部位的檢測裝置，驅(qū)動鋁材裝框機各個部分的動作，配合原來的工作節(jié)拍，實現(xiàn)自動化控制。具體的實現(xiàn)方法：采用集中管理與分布控制相結(jié)合模式，結(jié)合PLC、工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線技術(shù)，將整個裝框自動生產(chǎn)線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計為三級結(jié)構(gòu)形式，由下到上依次為現(xiàn)場分散控制級、過程主控制級、監(jiān)控管理級。通過該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把現(xiàn)場的分散控制單元、主控單元以及上位監(jiān)控計算機等連接成一個可靠的、模塊化的、分布式全自動包裝監(jiān)控系統(tǒng)來滿足實現(xiàn)系統(tǒng)功能的需要。

圖11 自動控制系統(tǒng)原理

現(xiàn)場分散控制級是數(shù)據(jù)的直接提供和接受單元，其設(shè)備包括PLC的數(shù)據(jù)采集單元、輸出控制單元、具有通訊功能檢測器等。過程主控制級是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心，用來收集現(xiàn)場分散控制級上傳的數(shù)據(jù)和信號、通過執(zhí)行用戶程序來進行數(shù)據(jù)計算、回路調(diào)節(jié)、邏輯控制等，并把程序運行和計算的結(jié)果傳送到下一級。監(jiān)控管理級用來對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控和調(diào)度，實現(xiàn)整個系統(tǒng)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、報表打印等，同時可以連接企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)以及外部互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)生產(chǎn)和過程自動化與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的無縫結(jié)合。

3.3 應(yīng)用效果

通過上面的技術(shù)方案，研發(fā)出自動裝框生產(chǎn)線產(chǎn)品，并通過多家鋁材廠使用，獲得客戶的好評，達到了研發(fā)的目的。

4 結(jié)束語

鋁材擠壓后工序全自動裝框生產(chǎn)線研發(fā)及應(yīng)用，有效地解決了鋁型材成品在據(jù)切后的裝框人力勞動強度高、鋁型材裝框時易損傷的問題。設(shè)備操作簡單，自動化程度高，結(jié)合擠壓生產(chǎn)線，可實現(xiàn)鋁材自動化生產(chǎn)；設(shè)備具有智能化，可以實現(xiàn)多品種小批量共線生產(chǎn)；設(shè)備生產(chǎn)效率高，與原來生產(chǎn)節(jié)拍相比，可提高生產(chǎn)效率30%。目前，鋁材自動裝框機已經(jīng)成為了成熟產(chǎn)品，創(chuàng)造了良好的效益。實踐證明，鋁材自動裝框機在鋁材生產(chǎn)線上應(yīng)用是可行的，可大大提高生產(chǎn)效率，減少人工，降低制造成本，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，是值得推廣應(yīng)用的。