鋁材擠壓后工序全自動裝框生產線研發及應用*

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，中國的鋁型材產業一直蓬勃發展。產品結構一直以建筑用材為主，但是隨著中國工業水平和規模的不斷提高，工業用材產量也逐年攀升。在汽車制造、軌道交通、電力、機械裝備制造業、電子等行業，對鋁型材的需求迅速增加，新產品、新工藝、新用途的鋁型材產品不斷出現，推動了技術進步和行業持續健康發展。近年來，隨著中國大規模的基建投資和工業化進程的快速推進，中國鋁型材行業發展迅速，國內企業為了獲得更大的投資收益，不斷加大生產規模和提升產品質量，促進全行業的產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基地和消費市場。由于國民經濟持續健康平穩的發展，鋁型材的需求也越來越大，裝備和技術水平也將越來越先進，鋁型材的市場具有廣闊的發展空間。

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

目前，在鋁型材加工行業中，擠壓生產線中產品定尺鋸切后，一般是人工將產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，且產品質量易受人為因素影響。近年來國內高速發展大截面高線密度的工業鋁型材，成品重量大大增加，而且產品類型與形狀復雜多樣，靠人工搬運是不可能的，再加上現在人工成本高，招工困難，已經無法滿足鋁材廠生產的需求[2]。

針對迅速增長的鋁型材需求和國內鋁材生產存在的問題，國內大部分企業都對工廠進行了自動化改造。如何實現鋁材的自動化生產，提高生產效率，降低生產成本，已經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線后工序自動裝框生產線的研發。

1 研究內容和關鍵技術

本文研究鋁材擠壓生產線，通過對生產線進行技術改造，研發后工序鋁材自動裝框機，提高生產效率，減少人工，降低制造成本，實現自動化生產[3-4]。

1.1 主要研究內容

（1）研發4～10 m鋁材搬運機械手，實現多種規格的型材自動搬運。

（2）研發框內隔條自動送料機構，實現隔條自動輸送及定位。

（3）研發專用的鋁材承載料框，實現各種鋁材的裝運。

（4）研發裝框機自動控制系統，與原擠壓生產線結合，實現鋁材裝框自動化生產。

1.2 主要技術參數

（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）裝框節拍：2 min/次。

（8）每次裝料質量：150 kg。

（9）控制系統：PLC。

1.3 擬解決的關鍵問題

（1）鋁材搬運機械手如何實現快速搬運鋁材。

（2）鋁材間隔條如何實現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線系統匹配的問題。

2 技術路線

為了實現本項目，采取了以下的技術路線。

（1）結合鋁材廠的實際情況，充分了解設備的要求，設計總體方案。

（2）根據設備的總體要求，找出關鍵的技術問題，重點攻克該技術問題，可以借鑒國內外相關技術，確定切實可行的方案。

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

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

該項目詳細的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

3 技術方案

鋁材自動裝框機是一款專門針對擠壓生產線最后裝框工序配套的裝備，該裝備主要是用于把鋁棒經擠壓機、牽引機、拉直機、成品鋸生產出來的鋁材裝框轉運[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、機械手、自動送隔條系統、料框等組成。其中機架是支承組件，X軸傳動機構及移動橫梁裝于其上，移動橫梁可沿著X軸導軌前后搬運鋁材，橫梁上裝有2個固定滑座，滑座設有導軌滑塊，導軌裝在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。為了實現自動裝框的要求，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品區域，完成了鋁材裝框轉運。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 關鍵技術方案

3.2.1 搬運機械手

研發4～10 m鋁材搬運機械手，如圖4所示，實現多種規格的型材快速自動搬運。技術方案如下[9-10]。

圖4 機械手結構

（1）應用數控機床傳動的原理，設計XZ二軸傳動系統：通過電機、減速器、齒輪、齒條、導軌，實現雙邊X軸驅動；通過電機、減速器、傳動軸、齒輪、齒條、導軌實現中間單驅Z三軸驅動，機械手最高運動速度可達30 m/min，其傳動結構如圖5~7所示[11-12]。

圖5 X軸傳動

圖6 Z軸傳動

圖7 雙工位機械手結構

（2）設計雙工位夾緊裝置，通過氣缸作為鎖緊動力，實現雙工位前后夾緊隔條。

（3）設計了高強度、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

研發隔條自動送料機構，如圖9所示，實現隔條自動輸送及定位。技術方案如下。

圖9 隔條輸送機構

（1）設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置取料擋板，實現間隔取隔條。

（2）輸送帶旁邊配置隔條位置檢測裝置，實現隔條位置自動定位。

（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

研發專用的鋁材承載料框，如圖10所示，實現各種鋁材的裝運。技術方案如下：采用框架式焊接鋼結構，根據鋁材搬運機械手搬運的要求及隔條位置的要求，設計專用的料框；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 料框結構

3.2.4 裝框機自動控制系統

研發裝框機自動控制系統，如圖11所示，與原擠壓生產線結合，實現鋁材裝框自動化生產。技術方案：結合原擠壓生產線的動作要求，增加連接部位的檢測裝置，驅動鋁材裝框機各個部分的動作，配合原來的工作節拍，實現自動化控制。具體的實現方法：采用集中管理與分布控制相結合模式，結合PLC、工業以太網及現場總線技術，將整個裝框自動生產線系統的網絡架構設計為三級結構形式，由下到上依次為現場分散控制級、過程主控制級、監控管理級。通過該網絡架構把現場的分散控制單元、主控單元以及上位監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控系統來滿足實現系統功能的需要。

圖11 自動控制系統原理

現場分散控制級是數據的直接提供和接受單元，其設備包括PLC的數據采集單元、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控系統的核心，用來收集現場分散控制級上傳的數據和信號、通過執行用戶程序來進行數據計算、回路調節、邏輯控制等，并把程序運行和計算的結果傳送到下一級。監控管理級用來對整個系統進行監控和調度，實現整個系統生產過程的實時監控、數據管理、數據分析、報表打印等，同時可以連接企業內部局域網以及外部互聯網，實現生產和過程自動化與企業信息化管理系統的無縫結合。

3.3 應用效果

通過上面的技術方案，研發出自動裝框生產線產品，并通過多家鋁材廠使用，獲得客戶的好評，達到了研發的目的。

4 結束語

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