拆疊框RGV在長桿件領域的設計應用及改進

白新河，李增文

（山西迎才物流設備科技有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

2012年國內首套長桿件鋁型材自動化立體倉庫的研發應用，標志著以鋁型材長桿件為代表的企業邁出了智能化、數字化的第一步。之后隨著鋁加工行業的快速發展，各個企業的年產能快速增長，生產規模逐漸擴大，單純的自動化立體倉庫已經不能滿足企業的發展需求，尤其近兩年建材市場受房地產市場的影響逐年下滑且太陽能面板用邊框需求的逐年增長，很多企業開始向生產工業材轉型，并提高整個工廠的智能化程度，減少人為因素造成的產品性能波動，提高產品質量一致性成為很多鋁加工企業的迫切需求。

由于鋁型材具有截面型式多、長度長（一般在6-8m之間）、加工工藝復雜的特點，一般各個工序之間是通過料框來轉運的，傳統工序之間轉運都是通過人工來完成，不僅工人勞動強度大、效率低、危險性高，而且鋁型材碰傷率高，信息跟蹤錯誤損耗大。2019年廣東某鋁業集團率先嘗試建立智能化、數字化工廠，經過長期交流研討、技術論證，2020年正式開始建立數字化工廠，在規劃設計過程中，針對長桿件的轉運，研發了多種RGV,其中拆疊框RGV 不僅具備傳統RGV的基本特征，可實現一對一、一對多、多對一、多對多任意組合的物料搬運，而且可以實現垂直方向2-4框的疊拆垛，并經過多次優化設計，目前已經是第八代產品了。拆疊框RGV的應用，可滿足長桿件領域多框物料的轉運及拆疊框，不僅節約了勞動成本，而且降低了勞動強度；不僅提高了轉運效率，而且增加了產能；不僅降低了危險性，而且提高了成品率，最重要的是實現了智能化、數字化車間，既提高了企業形象，又達成了企業的雙碳目標。

1 拆疊框RGV研發背景

拆疊框RGV的設計理念是從廣東某鋁加工企業的整廠物流自動化規劃過程中產生的，在擠壓裝框和噴砂上下排都實現自動化的前提下，為了實現整廠物流的自動化，需要解決擠壓裝框后到時效前的疊垛自動化以及時效后到噴砂前的拆垛自動化。經過長期的一線調研和反復的技術論證，研發出了第一代拆疊框RGV，即單工位拆疊框RGV,如圖1（a）所示，并成功應用于生產實踐中，從而幫助用戶完全打通并實現了從擠壓到表處的全過程自動化生產，為下一步的工廠智能化制造奠定了良好基礎。

圖1 拆疊框RGV

2 拆疊框RGV的研發實踐

拆疊框RGV的最大特點是將行走、升降、輸送三個主要功能集成于一體，整機按照一定的順序組合進行往復運動，可實現料框不同組合層數的拆疊垛，其有兩方面的亮點：第一，可實現運行和升降的同步運行，做到效率最大化；第二，一機多用，可作為普通的重載RGV使用，可作為疊框RGV使用，也可作為拆框RGV使用，靈活多樣。

2.1 結構設計

拆疊框RGV的結構主要由金屬結構（含頂架、立柱、底架、輔助結構等）、提升機構、行走機構、載貨臺（含叉臂機構）、輸送機構和電氣裝置組成，如圖1所示。

后期根據實際需求又開發出雙工位拆疊框RGV，結構設計除保留行走機構是一套之外，其余的輸送機構、提升機構和叉臂機構等機構都設計成兩套（如圖1（b）所示）。

2.2 應用工況分析

（1）應用于滿框鋁型材產品進時效爐前的疊垛工況。擠壓裝框完成后，大部分鋁型材要經過時效爐進行時效。為了節約能源，響應國家低碳環保的政策，同時為了提高時效爐的空間利用率并降低時效成本，結合材料特性和時效工藝，通常會將擠壓裝框后的鋁型材滿框疊放3-4層成一垛，以一爐至少4個整垛的形式進行時效處理。

（2）應用于時效后的整垛滿框鋁型材拆垛工況。比如去噴砂或者去表面處理均需要拆成單框，此時該設備就反向動作，將滿框一個一個拆出來送到指定工位。

（3）應用于表處車間返回的整垛空框拆垛工況。要通過拆/疊框RGV的搬運和拆框分發每個擠壓裝框位，如圖2所示，拆/疊框RGV在工序之間的雙向應用，取代了人工搬運、人工拆/疊框，實現了工序之間的全自動化。

圖2 工藝流程圖

拆疊框RGV的應用實現了多臺擠壓機裝框位對應多臺時效爐的滿框疊垛，以滿足不同合金的材料按照時效工藝分別疊垛進行時效處理的需求。

雙工位拆疊框RGV更是一臺拆疊垛車可以同時裝載兩垛滿框或兩垛空框，或者一垛滿框和一垛空框。左邊工位負責疊滿框，右邊工位負責拆空框，提升機構和叉臂機構能保證左右工位各自獨立運行，互不干擾。這樣在擠壓機裝框位能快速地接走滿框并發放空框，收滿框和發空框的效率有了極大提高。

2.3 應用效果分析

拆疊框RGV的推廣應用具備較好的效果，同時帶來了客觀的經濟效益。

（1）解放了人力，解決了人工操作叉車夠不著的問題，消除了人工操作普通行車進行拆疊垛作業的危險因素、摘掛鉤難度問題和安全隱患，同時大幅降低了人力成本。

（2）提高了搬運和拆疊垛效率，提高了生產力。

（3）減少了人為干預的因素，使得物料信息的傳遞更加及時和準確，方便生產計劃的快速制定、更改和保障生產計劃的實時、有效實施。

拆疊框RGV與其他同類型設備，比如智能行車、固定拆疊垛機等設備相比，具有良好的經濟性和高度的靈活性，可以根據作業區域分段、分區配備，也可以跨區作業。根據工藝需求進行布置，一軌單車、一軌雙車、一軌多車，車和車之間安全避讓，兼顧效率，非常適合在長桿件以料框為載體的工廠物流布局中推廣使用。

2.4 應用案例分析

圖3為一個折疊框RGV的應用案例。在此項目中，有4臺2 000t擠壓機、5臺時效爐和4臺噴砂機，日產160t，單框產品平均約300kg，折合框數為533 框/天，平均每小時產能：擠壓裝框24框（折合6垛），同時分發空框24框（折合6垛）。50m的跨度，滿框或空框將近5min拆疊一垛。

圖3 拆疊框RGV的應用布局圖

對比可知，按照4臺2 000t擠壓機計算，時效爐前后各配置1臺單工位拆疊框RGV，可節省工人15人，每年可節省工資支出150萬元，以及15人的保險和福利費用（不包含工傷支出），設備投資節省2輛叉車、2臺行車，當年就可以回本；除此之外，還有一些隱性的收益，運輸效率可提高316%，物料碰傷數降低95.6%，最重要的是可以將產能提高到280t/天，產能提高了75%；工人的勞動強度變低，作業危險性更小，幸福指數大幅度上升。如果按照7臺擠壓機計算，推薦使用雙工位拆疊垛RGV經濟性更好，綜合收益將會在現有基礎上翻倍。

3 拆疊框RGV的改進設計

第一代拆疊框RGV是為了解決以料框為載體的長桿件的拆疊框和轉運而設計開發的，在設備研發過程中進行了反復驗證計算并進行試制，空負載試驗，且滿足各項預定動作。該設備在交付使用過程中，由于存在一些不確定的使用因素，需要進一步改進。

3.1 料框高度變大帶來提升高度加大提出設計改進需求

第一代拆疊框RGV是基于高度為700mm的料框疊放4層而設計的，提升機構的結構特征決定了其具有局限性，同時為了優化減速電機的箱體選型采用該結構，如圖4所示。

圖4 拆疊框RGV提升機構1主要組成

拆疊框RGV的提升機構工作原理是由一個主動卷筒驅動四個從動卷筒，帶動分別纏繞在四個從動卷筒的四根鏈條同步升降，從而實現兩個載貨臺的同步升降。此種結構的優點是升降同步性好，理論上可通過調整組合卷筒的半徑比來降低減速電機的負載扭矩，降低成本；缺點是當提升高度增加或者料框高度增加時，載貨臺的升降工作行程就會增加，現有的主動卷筒直徑?760、從動卷筒直徑?420，無法滿足需要，必須通過以下兩方面來增加升降行程。

加大從動卷筒的直徑。其缺點一是在負載和主動卷筒直徑不變的情況下，會增加負載扭矩，進而會增大提升電機的輸出額定扭矩；二是在料框寬度不大的情況下，限制頂架的布局空間，從動卷筒的直徑會受到限制。

加大從動卷筒的旋轉角度α。由于α=β，主動卷筒的旋轉角度β也會相應的增加，關鍵是在轉到極限位時，主動鏈條將不和主動卷筒相切，主動鏈條的角度和受力將發生較大變化，影響鏈條和卷筒連接件的使用壽命。

因此，為了使拆疊框RGV適合于不同行業的使用需求，使升降高度適合不同高度尺寸的料框，必須對提升機構的結構進行優化，如圖5所示。

圖5 拆疊框RGV提升機構2主要組成

該結構和提升機構1相比較，具有以下優點：

（1）定滑輪和載貨臺動滑輪配合使用，每根鋼絲繩受力是起升載荷的1/8；

（2）采用直徑更小的卷筒，使得負載扭矩更小；

（3）可調整鏈輪1和鏈輪2的速比來降低減速電機的輸出額定扭矩，結構更緊湊；

（4）可通過調整卷筒直徑或長度來改變升降行程；

（5）驅動裝置采用雙出軸雙鏈輪結構形式，使得傳動更平穩，升降更穩定。

提升機構2不僅結構簡單，生產工藝成本低，而且使用故障率低，設備維護成本低，目前已在多個項目上應用，無故障記錄。

3.2 人工參與造成的誤操作引發機械故障提出對轉臂機構的設計改進需求

拆疊框RGV載貨臺的叉臂機構是整套設備的關鍵機構之一，其利用了曲柄連桿機構的工作原理，將旋轉運動轉換為直線往復運動，將直線往復運動又轉換為擺動，如圖6所示。其優點是結構簡單，易維護；缺點是料框雙向輸送時，在項目調試初期，由于手動操作或半自動操作情況比較多，操作人員的熟練度不夠，當擺臂在位置1時，由于誤操作，料框從站點上沿A向向RGV輸送時，會造成料框撞擊擺臂的情況，此時由于中間驅動裝置是帶抱閘的，且選用的減速機外殼是鋁制品，沿A向撞擊的能量傳到中間減速電機后無法釋放，會造成減速機地腳安裝孔破裂。

圖6 拆疊框RGV叉臂機構1主要組成

叉臂機構1這種結構在完全自動化模式運行下故障率比較低，且由于結構簡單，易維護，用戶反饋使用情況良好，為了延續這種結構的優勢，對這一結構進行了局部優化，吸取了貨叉限扭力器的設計思路，將驅動裝置輸出軸端的回轉臂設計成了帶扭力限制器的機構，如圖7所示。

圖7 帶扭力限制器的回轉臂

改進后的結構，當擺臂受到順著擺臂運動軌跡方向的撞擊力時，扭力限制器會因為受到超出設定扭力的扭矩而打滑，從而避免減速機地腳安裝孔受力斷裂。但是當擺臂受到逆著擺臂運行軌跡方向的撞擊力時，作用在電機輸出軸上的力不是一個扭力，而是一個沿徑向的力，也會對電機地腳安裝孔產生一個大的破壞力，可靠性只能做到50%，同樣存在故障的風險。

為了從根本上解決當擺臂受撞擊力時減速電機地腳安裝孔斷裂的問題，需要尋找一種當擺臂受到撞擊力時，撞擊力在擺臂處卸載掉而不會傳遞給減速電機。圖8這種結構不僅解決了減速電機受輸送方向撞擊力的影響，而且解決了當擺臂伸叉過程中受阻時，減速電機因過載而損壞的問題，便很好地解決了這一問題。

圖8 拆疊框RGV叉臂機構2主要組成

叉臂機構2 主要由叉臂、齒輪齒條傳動副、傳動軸、扭力限制器、減速電機等組成，減速電機通過傳動軸驅動齒輪齒條傳動，從而實現叉臂的伸縮運動。

在設備使用過程中，當叉臂受到A向或者B向的撞擊力時，力會傳遞到叉臂兩側的滑塊上，進而傳遞到載貨臺結構件上；當叉臂伸出的過程中，受到C向的運動阻力時，扭力會超出扭力限制器的設定值，聯軸器打滑，進而避免減速電機過載損壞。

改進以后的提升結構支持提升高度或料框高度理論上可以任意大，通過調整卷筒直徑和長度輕松實現。改進以后的叉臂機構徹底杜絕了人工誤操作造成的碰撞對減速箱底座的損壞。

4 改進后的拆疊框RGV

到目前為止，拆疊框RGV已經應用到第八代產品（如圖9所示），按照工位分類：有單工位拆疊框RGV、雙工位拆疊框RGV；按照疊框層數：有三層、四層拆疊框RGV，可實現不同層數，單雙工位不同組合的設計。第八代拆疊框RGV，自重10t，負載8t，總高度5.1m，長度7.2m，由于其體積大，自重重，我們形象的稱其為“巨無霸”，主要應用于運輸距離遠，長桿件料的實框和空框的拆疊框整垛搬運，效率高、性能穩定，易維護且維護成本低，性價比高，各種機型已在佛山堅美、浙江華釔、中創、羅普斯金、今飛等鋁加工企業應用，效果良好。

圖9 第八代拆疊框RGV