高性能輕質鋁型材控形控性系統自動堆垛裝備技術研究

張 君 ，王 軍 ，楊紅娟 ，黃 勝 ，付永濤 ，柴 星

（1．中國重型機械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2．西北工業大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710072）

高性能輕質鋁型材是重要的輕質高強度結構材料，它的抗拉強度、韌性以及耐腐性都較高，在我國當前社會發展過程中有著較為廣闊的應用前景。近年來，高性能輕質鋁型材被廣泛地應用于高速鐵路、軌道交通、航空航天、新能源汽車、船舶艦艇、核能源以及民用工業等領域，已成為航空工業的主要結構材料之一，有效推動了我國國防事業的發展。

高性能輕質鋁型材是擠壓成形的，鋁合金的擠壓溫度在500℃左右，擠壓出口的溫度在510℃左右[1，2]，擠壓成形的鋁型材進入控形控性輸出系統中，經過牽引、淬火冷卻、拉伸矯直和中斷鋸切[3，4]，成為形狀和性能均滿足要求的高性能輕質鋁型材，大部分鋁型材經過時效處理后就成為最終產品[5]。

高性能輕質鋁型材進入時效爐之前，都是被裝入料筐的，在料筐中被堆成垛，即有規律的把高性能輕質鋁型材碼放在料筐中，形成垛形。在碼放過程中，為了防止高性能輕質鋁型材相互之間接觸而影響其表面質量，采用隔條將高性能輕質鋁型材隔開放置，隔條表面常用耐高溫的毛氈覆蓋。最初是采用人工抬的方式高性能輕質將高性能輕質鋁型材裝入料筐，但隨著高性能輕質鋁型材米重（每米的重量）的不斷增加，人工就很難完成搬運動作，裝框和卸料難度加大，逐漸開始出現采用機械設備裝框和卸料。近年來，自動化技術不斷提高，自動裝框和卸料的裝備技術逐漸發展起來，形成自動堆垛和拆垛裝備技術，先進的擠壓生產線都配有高性能輕質鋁型材自動堆垛裝置[6]。隨著計算機網絡技術和電氣控制系統的發展，智能化工廠在全球范圍內興起，促使高性能輕質鋁型材自動堆垛裝置的應用越來越多[7，8]。

國外的高性能輕質鋁型材控形控性系統自動堆垛和拆垛裝備技術發展的比較早、而且先進。例如意大利的Omav和Cometal公司就建立了先進的堆垛和拆垛裝備技術[5]，國內的中國重型機械研究院股份公司擠壓團隊對此進行多年研究，也形成了先進完整的高性能輕質鋁型材控形控性系統自動堆垛裝備技術，本文著重介紹其形成的關鍵技術和相關應用。

1 自動堆垛裝備技術研究

高性能輕質鋁型材裝筐時，需要堆垛，堆垛是指把物品堆積，或將物品有規律的碼放，形成垛形。對于高性能輕質鋁型材來講，在長度方向尺寸是一致的，即通過鋸切和定尺，把長度一致的一組鋁型材整齊放成一排，即在鋸前輥道之前的儲料平臺上完成的成組放置。而在進行裝筐堆垛時，是把若干組高性能輕質鋁型材沿高度方向整齊碼放。

高性能輕質鋁型材堆垛就是將成組的鋁型材順利的傳遞到堆垛位置，并逐層整齊堆放起來，由于鋁型材表面質量和拆垛的原因，鋁型材每層之間需要用隔條隔離起來。因此隔條的自動發放和鋁型材與隔條一起自動傳遞到堆垛料筐中是高性能輕質鋁合金擠壓控形控性系統自動堆垛的核心關鍵技術。

自動堆垛裝置功能是將鋸切完畢的鋁型材自動裝入料框中。根據鋁型材大小的不同，針對不同規格的生產線，自動堆垛裝置的結構形式也不一樣，經過多年的研究，在16MN～125MN鋁擠壓控形控性生產線中形成了兩種主要結構形式，包括行車輸送型和過橋輸送型。通過隔條自動發放和傳輸系統、鋁型材自動傳輸系統及隔條與鋁型材自動堆垛裝置，實現了鋁型材傳輸的自動化和鋁型材堆垛的自動控制。

1.1 高性能輕質鋁型材橫向傳輸技術

在堆垛之前，需要將高性能輕質鋁型材整齊劃一的成組擺放并橫向將鋁型材傳輸至堆垛裝置處。在傳輸過程中，需要保證傳輸皮帶有足夠的傳輸力、不劃傷鋁型材，因此通常采用毛氈帶和同步齒形帶粘合的傳輸形式，并用張緊帶輪張緊以保證毛氈帶有足夠的張緊力。如圖1所示。

上圖中同步毛氈帶是由同步齒形帶和毛氈粘合在一起的，毛氈和高性能輕質鋁型材接觸，可以保證高性能輕質鋁型材表面不被劃傷，達到保護其外表面的目的，而同步齒形帶傳動則可以給整個傳動系統提供足夠的傳輸力，對于大型鋁型材橫向傳輸裝置，單根同步帶產生的傳輸力可以達到10t，這樣即使鋁型材接觸同步毛氈帶不均勻，也能被順利的傳輸。電機減速機3產生的動力由齒輪傳動系統2傳遞給主動同步帶輪1，主動同步帶輪帶動同步毛氈帶4轉動，由于小同步帶輪7在張緊裝置作用下繃緊了同步毛氈帶，同步毛氈帶在支撐梁5上滑動，帶動其上面的工業鋁型材。上圖中的主動同步帶輪1和小同步帶輪7都是平帶輪，在傳輸過程中因為只有毛氈帶和高性能輕質鋁型材接觸，因此傳動過程中同步毛氈帶會跑偏，嚴重的會出現斷帶情況。

為了解決同步毛氈帶跑偏的情況，在同步帶中間下部設計了導向柱，同樣在支撐梁和兩個同步帶輪上設計了可以容納導向柱的導向槽[9]，這樣在轉動過程中同步毛氈帶就不會跑偏，使得傳輸過程更為平穩。

1.2 隔條自動傳輸和擺放技術

高性能輕質鋁型材被整齊的分組放成一排后，堆垛時需要將每排的鋁型材沿垂直方向逐層堆疊起來。考慮到鋁型材表面質量的要求和后序拆垛的便利，每層鋁型材之間需要采用包裹毛氈的隔條隔開，隔條間距是均勻的，以便堆垛和拆垛的操作，同時考慮到堆垛和拆垛過程的機械結構和機械運動，隔條需較寬于一組鋁型材的最大寬度。在堆垛準備技術中，如何把隔條自動且均勻地放置在整個高性能輕質鋁型材垛中是核心關鍵技術。

為此本文研究建立了隔條自動傳輸和擺放技術[10]，隔條自動發送和擺放裝置如圖2所示。

圖1 高性能輕質鋁型材橫向傳輸裝置

圖2a是隔條自動發送裝置，圖2b是隔條發送裝置將隔條自動擺放在隔條皮帶輸送機上，圖2c是隔條自動輸送機。

隔條發送裝置是將碼放整齊的一排隔條以一定間距逐條發放到隔條傳輸皮帶上，隔條被依次放在同步帶2上面，同步帶由交流伺服電機驅動，將隔條送往送料輪處，送料輪4和同步帶裝置安裝在機架3上面，送料輪4由另外一個伺服電機驅動。送料輪將隔條發送裝置上的隔條間隔性的轉運至隔條自動輸送皮帶機上。隔條輸送機是將隔條按照一定的間距（通常為1200mm）平穩擺放至指定位置的裝置，隔條的數量和高性能輕質鋁型材的長度成正相關。

送料輪主要是將隔條發送裝置上的隔條依次送到隔條輸送皮帶上，送料輪的轉動由伺服電機驅動，速度平穩，位置精準，可以將隔條準確的擺放在隔條輸送皮帶機的皮帶上，并盡可能地和皮帶的速度匹配。送料輪有4分的，也有6分的，所謂4分就是一個送料輪開4個槽，如圖2b所示，每次送料輪子轉動90°，而6分就是一個送料輪開6個槽，每次送料輪子轉動60°。

為了使送料輪和隔條輸送皮帶機實現無縫銜接，就需要每次送料輪放在隔條輸送皮帶上的隔條按照送料輪的節拍運走，關鍵是要協調好皮帶輸送機的速度和送料機角速度之間的關系。對于四分的送料機來講，轉動一次角度就是90°，如果皮帶輸送機在這個時間內剛好運送一個隔條間隔的長度，送料機和皮帶輸送機就剛好合拍。

一個隔條間隔長度設為L，如果皮帶輸送機運行速度為v，在單位時間t內，將隔條運送到一個長度，送料機轉動的角速度為ω，單位時間轉動的角度為θ，對于四分輪，θ為90°，則可以推導出如下公式：

式（3）就是四分輪時送料輪轉動角速度和皮帶輸送機運行速度之間的關系，確定送料輪的轉動速度之后，由送料輪的伺服電機控制送料輪；之后按照此關系計算出皮帶輸送機的運行速度，再由皮帶輸送機的伺服電機按照計算的速度控制皮帶輸送機的運行，實現隔條無縫交接和規律擺放。

圖2 隔條自動發送和擺放裝置示意圖

1.3 自動堆垛技術研究

隔條在隔條輸送皮帶上按照要求間距擺放整齊后，下一步是將隔條和傳輸皮帶上的一組高性能輕質鋁型材放在一起并放入垛中，根據高性能輕質鋁型材大小的不同，自動堆垛裝置也有不同的結構，分別是行車輸送型自動堆垛裝置和過橋輸送型自動堆垛裝置。

1.3.1 行車輸送型自動堆垛裝置

行車輸送型自動堆垛裝置由隔條發送裝置、隔條擺放裝置、裝框裝置、料框及料框運送裝置五部分組成，通過各部分之間的配合完成對鋁型材的自動堆垛工作。

行車輸送型自動堆垛裝置的結構如圖3所示，其中裝框裝置設置在隔條擺放裝置與料框上方，主要包括裝框支架和裝框車兩大部分。裝框支架為大跨度龍門架結構，裝框車跨于其上。裝框車上安裝有可以垂直升降的機械臂，同時裝框車在動力裝置驅動下可在裝框支架上水平移動，可以往復移動于料框與鋸后輥道挑料之間。料框位于料框運送裝置上方等待機械臂將整層的型材連同隔條一起逐層放下。

圖3 行車輸送型堆垛裝置結構示意圖

堆垛時，鋸后輥道挑料將成排的鋁型材擺放到隔條擺放裝置正上方，同時隔條擺放裝置將隔條運輸到位后，裝框車機械臂下降，抓緊整層鋁型材下的隔條后上升，進而將放置于鋸后輥道挑料上的鋁型提升離開鋸后輥道挑料后，裝框車水平移動將鋁型材運送至料框正上方，然后機械臂下降將整層的鋁型材與隔條放置于料框內，機械臂再上升返回并水平移動到隔條擺放裝置正上方，進而完成一層鋁型材的自動堆垛工藝。

經過數次的上述動作周期過程，料框內裝滿鋁型材后，料框運送裝置沿料框長度方向運送滿載料框離開裝框裝置正下方，以方便料框的起吊運輸，從而完成一個料框的完整堆垛工作；同時另一空料框由料框運送裝置從另一端運送至裝框裝置正下方，準備進行下一料框的自動堆垛，從而完成一個堆垛循環。

1.3.2 過橋輸送型自動堆垛裝置

過橋輸送型自動堆垛裝置由隔條發送裝置、隔條擺放裝置、隔條上升裝置、過橋裝置、隔條下降裝置和料框等部分組成，通過各部分之間的配合完成對鋁型材的自動堆垛工作。

過橋輸送型自動堆垛裝置的結構如圖4所示，在隔條擺放裝置2的下方有隔條上升裝置3，主要作用是將擺放好的隔條5推升至指定位置，并在過橋4縮回后，將隔條5放置于過橋4側面的隔條板上。

圖4 過橋輸送型堆垛裝置結構示意圖

過橋輸送型堆垛裝置的隔條發送裝置1與隔條擺放裝置2的結構和工作原理與行車輸送型堆垛裝置相同。

過橋裝置是同步運送鋁型材和隔條的裝置，主要包括氣缸、支架、動力裝置、輸送帶及隔條板等部分。過橋縮回到指定位置后，隔條上升裝置下降，隔條則被放置于過橋裝置的隔條板上。之后過橋裝置伸出。

隔條上升裝置下降前在最高位置，這時放置于隔條上升裝置支架上的隔條上表面要比過橋上表面高。

挑料裝置將鋁型材運送至過橋上后，動力裝置驅動輸送帶運送鋁型材至1隔條上方。

隔條下降裝置作用為將隔條及其上面的鋁型材托起，待過橋縮回后將隔條及鋁型材一同放入料框。

堆垛時，鋸后輥道挑料將成排的鋁型材運送碼放到隔條上升裝置正上方，同時隔條擺放裝置將隔條運輸到位；然后隔條上升裝置的支架在推力油缸的作用下升起，進而帶動支撐臂將上方的隔條及鋁型材一同抬高脫離鋸后輥道挑料上表面；過橋裝置縮回，隔條上升裝置的支架下降，將鋁型材放置在過橋上表面，將隔條放置在過橋側面的隔條支架上；過橋裝置伸出，將隔條和鋁型材移動到料框正上方，隔條下降裝置的支架在推力油缸的作用下升起，進而帶動支撐臂將上方的隔條及鋁型材一同抬高脫離過橋裝置上表面；待過橋裝置縮回后，在推力油缸作用下，支架下降，將隔條與鋁型材放置于料框內。隔條下降裝置的擺臂油缸可以驅動支撐臂進行張開回收動作，進而在完成一次堆垛后可以避開隔條進行下一次的堆垛工序。

2 自動堆垛裝備技術研究應用

本文闡述的鋁型材自動堆垛裝備技術已成功應用于多臺套的高性能輕質鋁合金擠壓控形控性系統中，極大地提高了生產線的自動化水平和生產效率。如圖5所示為應用于土耳其Formal鋁業公司30MN雙動鋁擠壓生產線的行車輸送型自動堆垛裝置，圖6所示為應用于中鋁薩帕40MN高端智能鋁擠壓生產線的過橋輸送型自動堆垛裝置。

圖5 30MN鋁擠壓機生產線的行車輸送型自動堆垛裝置

圖6 40MN高端智能鋁擠壓生產線的過橋輸送型自動堆垛裝置

通過自動堆垛裝置、料筐傳輸系統和隔條傳輸系統，實現了高性能輕質鋁型材生產過程的自動堆垛，減少人工勞動，提高高性能輕質鋁合金擠壓控形控性系統的自動化水平，同時也提高鋁擠壓生產成材率，降低生產成本，為用戶創造良好的經濟效益。

3 結論

應用于中鋁薩帕40MN高端智能鋁擠壓生產線的過橋輸送型自動堆垛裝置和應用于土耳其Formal鋁業公司30MN鋁擠壓機生產線的行車輸送型自動堆垛裝置分別于2019年10月、12月順利投產，結合其他推廣應用和生產實踐表明：

（1）采用防跑偏同步毛氈帶的工業鋁型材橫向傳輸技術效果良好，保證了高性能輕質鋁型材生產過程的可靠、無損和平穩橫向傳輸。

（2）研發的隔條自動傳輸和擺放技術，實現了隔條的自動發放，為高性能輕質鋁型材生產過程的連續自動堆垛提供了條件，達到生產線連續自動隔條發放的目的。

（3）行車輸送型自動堆垛裝置和過橋輸送型自動堆垛裝置是兩種不同結構和原理的技術形式，但均可高效、可靠、自動地完成高性能輕質鋁型材堆垛工作。

（4）兩種自動堆垛技術的應用，實現了高性能輕質鋁型材生產過程的自動堆垛，提高了設備的自動化水平，減少了人工勞動，同時也提高了鋁擠壓生產的成材率，極大地提高了生產線的生產效率，降低了生產成本，產生了良好的經濟效益。