高性能輕質(zhì)鋁型材控形控性系統(tǒng)自動(dòng)堆垛裝備技術(shù)研究

張 君 ，王 軍 ，楊紅娟 ，黃 勝 ，付永濤 ，柴 星

（1．中國重型機(jī)械研究院股份公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2．西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710072）

高性能輕質(zhì)鋁型材是重要的輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，它的抗拉強(qiáng)度、韌性以及耐腐性都較高，在我國當(dāng)前社會(huì)發(fā)展過程中有著較為廣闊的應(yīng)用前景。近年來，高性能輕質(zhì)鋁型材被廣泛地應(yīng)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(yè)等領(lǐng)域，已成為航空工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，有效推動(dòng)了我國國防事業(yè)的發(fā)展。

高性能輕質(zhì)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(jìn)入控形控性輸出系統(tǒng)中，經(jīng)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(zhì)鋁型材，大部分鋁型材經(jīng)過時(shí)效處理后就成為最終產(chǎn)品[5]。

高性能輕質(zhì)鋁型材進(jìn)入時(shí)效爐之前，都是被裝入料筐的，在料筐中被堆成垛，即有規(guī)律的把高性能輕質(zhì)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(zhì)鋁型材相互之間接觸而影響其表面質(zhì)量，采用隔條將高性能輕質(zhì)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(zhì)將高性能輕質(zhì)鋁型材裝入料筐，但隨著高性能輕質(zhì)鋁型材米重（每米的重量）的不斷增加，人工就很難完成搬運(yùn)動(dòng)作，裝框和卸料難度加大，逐漸開始出現(xiàn)采用機(jī)械設(shè)備裝框和卸料。近年來，自動(dòng)化技術(shù)不斷提高，自動(dòng)裝框和卸料的裝備技術(shù)逐漸發(fā)展起來，形成自動(dòng)堆垛和拆垛裝備技術(shù)，先進(jìn)的擠壓生產(chǎn)線都配有高性能輕質(zhì)鋁型材自動(dòng)堆垛裝置[6]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展，智能化工廠在全球范圍內(nèi)興起，促使高性能輕質(zhì)鋁型材自動(dòng)堆垛裝置的應(yīng)用越來越多[7，8]。

國外的高性能輕質(zhì)鋁型材控形控性系統(tǒng)自動(dòng)堆垛和拆垛裝備技術(shù)發(fā)展的比較早、而且先進(jìn)。例如意大利的Omav和Cometal公司就建立了先進(jìn)的堆垛和拆垛裝備技術(shù)[5]，國內(nèi)的中國重型機(jī)械研究院股份公司擠壓團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行多年研究，也形成了先進(jìn)完整的高性能輕質(zhì)鋁型材控形控性系統(tǒng)自動(dòng)堆垛裝備技術(shù)，本文著重介紹其形成的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用。

1 自動(dòng)堆垛裝備技術(shù)研究

高性能輕質(zhì)鋁型材裝筐時(shí)，需要堆垛，堆垛是指把物品堆積，或?qū)⑽锲酚幸?guī)律的碼放，形成垛形。對(duì)于高性能輕質(zhì)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(chǔ)料平臺(tái)上完成的成組放置。而在進(jìn)行裝筐堆垛時(shí)，是把若干組高性能輕質(zhì)鋁型材沿高度方向整齊碼放。

高性能輕質(zhì)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(zhì)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(dòng)發(fā)放和鋁型材與隔條一起自動(dòng)傳遞到堆垛料筐中是高性能輕質(zhì)鋁合金擠壓控形控性系統(tǒng)自動(dòng)堆垛的核心關(guān)鍵技術(shù)。

自動(dòng)堆垛裝置功能是將鋸切完畢的鋁型材自動(dòng)裝入料框中。根據(jù)鋁型材大小的不同，針對(duì)不同規(guī)格的生產(chǎn)線，自動(dòng)堆垛裝置的結(jié)構(gòu)形式也不一樣，經(jīng)過多年的研究，在16MN～125MN鋁擠壓控形控性生產(chǎn)線中形成了兩種主要結(jié)構(gòu)形式，包括行車輸送型和過橋輸送型。通過隔條自動(dòng)發(fā)放和傳輸系統(tǒng)、鋁型材自動(dòng)傳輸系統(tǒng)及隔條與鋁型材自動(dòng)堆垛裝置，實(shí)現(xiàn)了鋁型材傳輸?shù)淖詣?dòng)化和鋁型材堆垛的自動(dòng)控制。

1.1 高性能輕質(zhì)鋁型材橫向傳輸技術(shù)

在堆垛之前，需要將高性能輕質(zhì)鋁型材整齊劃一的成組擺放并橫向?qū)X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(zhì)鋁型材接觸，可以保證高性能輕質(zhì)鋁型材表面不被劃傷，達(dá)到保護(hù)其外表面的目的，而同步齒形帶傳動(dòng)則可以給整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)提供足夠的傳輸力，對(duì)于大型鋁型材橫向傳輸裝置，單根同步帶產(chǎn)生的傳輸力可以達(dá)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(jī)減速機(jī)3產(chǎn)生的動(dòng)力由齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)2傳遞給主動(dòng)同步帶輪1，主動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)同步毛氈帶4轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，帶動(dòng)其上面的工業(yè)鋁型材。上圖中的主動(dòng)同步帶輪1和小同步帶輪7都是平帶輪，在傳輸過程中因?yàn)橹挥忻珰謳Ш透咝阅茌p質(zhì)鋁型材接觸，因此傳動(dòng)過程中同步毛氈帶會(huì)跑偏，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)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(shè)計(jì)了導(dǎo)向柱，同樣在支撐梁和兩個(gè)同步帶輪上設(shè)計(jì)了可以容納導(dǎo)向柱的導(dǎo)向槽[9]，這樣在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中同步毛氈帶就不會(huì)跑偏，使得傳輸過程更為平穩(wěn)。

1.2 隔條自動(dòng)傳輸和擺放技術(shù)

高性能輕質(zhì)鋁型材被整齊的分組放成一排后，堆垛時(shí)需要將每排的鋁型材沿垂直方向逐層堆疊起來?？紤]到鋁型材表面質(zhì)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(shí)考慮到堆垛和拆垛過程的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，隔條需較寬于一組鋁型材的最大寬度。在堆垛準(zhǔn)備技術(shù)中，如何把隔條自動(dòng)且均勻地放置在整個(gè)高性能輕質(zhì)鋁型材垛中是核心關(guān)鍵技術(shù)。

為此本文研究建立了隔條自動(dòng)傳輸和擺放技術(shù)[10]，隔條自動(dòng)發(fā)送和擺放裝置如圖2所示。

圖1 高性能輕質(zhì)鋁型材橫向傳輸裝置

圖2a是隔條自動(dòng)發(fā)送裝置，圖2b是隔條發(fā)送裝置將隔條自動(dòng)擺放在隔條皮帶輸送機(jī)上，圖2c是隔條自動(dòng)輸送機(jī)。

隔條發(fā)送裝置是將碼放整齊的一排隔條以一定間距逐條發(fā)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(jī)驅(qū)動(dòng)，將隔條送往送料輪處，送料輪4和同步帶裝置安裝在機(jī)架3上面，送料輪4由另外一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。送料輪將隔條發(fā)送裝置上的隔條間隔性的轉(zhuǎn)運(yùn)至隔條自動(dòng)輸送皮帶機(jī)上。隔條輸送機(jī)是將隔條按照一定的間距（通常為1200mm）平穩(wěn)擺放至指定位置的裝置，隔條的數(shù)量和高性能輕質(zhì)鋁型材的長度成正相關(guān)。

送料輪主要是將隔條發(fā)送裝置上的隔條依次送到隔條輸送皮帶上，送料輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度平穩(wěn)，位置精準(zhǔn)，可以將隔條準(zhǔn)確的擺放在隔條輸送皮帶機(jī)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(gè)送料輪開4個(gè)槽，如圖2b所示，每次送料輪子轉(zhuǎn)動(dòng)90°，而6分就是一個(gè)送料輪開6個(gè)槽，每次送料輪子轉(zhuǎn)動(dòng)60°。

為了使送料輪和隔條輸送皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)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(jié)拍運(yùn)走，關(guān)鍵是要協(xié)調(diào)好皮帶輸送機(jī)的速度和送料機(jī)角速度之間的關(guān)系。對(duì)于四分的送料機(jī)來講，轉(zhuǎn)動(dòng)一次角度就是90°，如果皮帶輸送機(jī)在這個(gè)時(shí)間內(nèi)剛好運(yùn)送一個(gè)隔條間隔的長度，送料機(jī)和皮帶輸送機(jī)就剛好合拍。

一個(gè)隔條間隔長度設(shè)為L，如果皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度為v，在單位時(shí)間t內(nèi)，將隔條運(yùn)送到一個(gè)長度，送料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θ，對(duì)于四分輪，θ為90°，則可以推導(dǎo)出如下公式：

式（3）就是四分輪時(shí)送料輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和皮帶輸送機(jī)運(yùn)行速度之間的關(guān)系，確定送料輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度之后，由送料輪的伺服電機(jī)控制送料輪；之后按照此關(guān)系計(jì)算出皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行速度，再由皮帶輸送機(jī)的伺服電機(jī)按照計(jì)算的速度控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)隔條無縫交接和規(guī)律擺放。

圖2 隔條自動(dòng)發(fā)送和擺放裝置示意圖

1.3 自動(dòng)堆垛技術(shù)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(zhì)鋁型材放在一起并放入垛中，根據(jù)高性能輕質(zhì)鋁型材大小的不同，自動(dòng)堆垛裝置也有不同的結(jié)構(gòu)，分別是行車輸送型自動(dòng)堆垛裝置和過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置。

1.3.1 行車輸送型自動(dòng)堆垛裝置

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

行車輸送型自動(dòng)堆垛裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中裝框裝置設(shè)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(jié)構(gòu)，裝框車跨于其上。裝框車上安裝有可以垂直升降的機(jī)械臂，同時(shí)裝框車在動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)下可在裝框支架上水平移動(dòng)，可以往復(fù)移動(dòng)于料框與鋸后輥道挑料之間。料框位于料框運(yùn)送裝置上方等待機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖

堆垛時(shí)，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(shí)隔條擺放裝置將隔條運(yùn)輸?shù)轿缓螅b框車機(jī)械臂下降，抓緊整層鋁型材下的隔條后上升，進(jìn)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(dòng)將鋁型材運(yùn)送至料框正上方，然后機(jī)械臂下降將整層的鋁型材與隔條放置于料框內(nèi)，機(jī)械臂再上升返回并水平移動(dòng)到隔條擺放裝置正上方，進(jìn)而完成一層鋁型材的自動(dòng)堆垛工藝。

經(jīng)過數(shù)次的上述動(dòng)作周期過程，料框內(nèi)裝滿鋁型材后，料框運(yùn)送裝置沿料框長度方向運(yùn)送滿載料框離開裝框裝置正下方，以方便料框的起吊運(yùn)輸，從而完成一個(gè)料框的完整堆垛工作；同時(shí)另一空料框由料框運(yùn)送裝置從另一端運(yùn)送至裝框裝置正下方，準(zhǔn)備進(jìn)行下一料框的自動(dòng)堆垛，從而完成一個(gè)堆垛循環(huán)。

1.3.2 過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置

過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置由隔條發(fā)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(duì)鋁型材的自動(dòng)堆垛工作。

過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置的結(jié)構(gòu)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(cè)面的隔條板上。

圖4 過橋輸送型堆垛裝置結(jié)構(gòu)示意圖

過橋輸送型堆垛裝置的隔條發(fā)送裝置1與隔條擺放裝置2的結(jié)構(gòu)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(yùn)送鋁型材和隔條的裝置，主要包括氣缸、支架、動(dòng)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(shí)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(yùn)送至過橋上后，動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)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(shí)，鋸后輥道挑料將成排的鋁型材運(yùn)送碼放到隔條上升裝置正上方，同時(shí)隔條擺放裝置將隔條運(yùn)輸?shù)轿唬蝗缓蟾魲l上升裝置的支架在推力油缸的作用下升起，進(jìn)而帶動(dòng)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(cè)面的隔條支架上；過橋裝置伸出，將隔條和鋁型材移動(dòng)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(jìn)而帶動(dòng)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(nèi)。隔條下降裝置的擺臂油缸可以驅(qū)動(dòng)支撐臂進(jìn)行張開回收動(dòng)作，進(jìn)而在完成一次堆垛后可以避開隔條進(jìn)行下一次的堆垛工序。

2 自動(dòng)堆垛裝備技術(shù)研究應(yīng)用

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

圖5 30MN鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線的行車輸送型自動(dòng)堆垛裝置

圖6 40MN高端智能鋁擠壓生產(chǎn)線的過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置

通過自動(dòng)堆垛裝置、料筐傳輸系統(tǒng)和隔條傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的自動(dòng)堆垛，減少人工勞動(dòng)，提高高性能輕質(zhì)鋁合金擠壓控形控性系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，同時(shí)也提高鋁擠壓生產(chǎn)成材率，降低生產(chǎn)成本，為用戶創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

應(yīng)用于中鋁薩帕40MN高端智能鋁擠壓生產(chǎn)線的過橋輸送型自動(dòng)堆垛裝置和應(yīng)用于土耳其Formal鋁業(yè)公司30MN鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線的行車輸送型自動(dòng)堆垛裝置分別于2019年10月、12月順利投產(chǎn)，結(jié)合其他推廣應(yīng)用和生產(chǎn)實(shí)踐表明：

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

（2）研發(fā)的隔條自動(dòng)傳輸和擺放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了隔條的自動(dòng)發(fā)放，為高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的連續(xù)自動(dòng)堆垛提供了條件，達(dá)到生產(chǎn)線連續(xù)自動(dòng)隔條發(fā)放的目的。

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

（4）兩種自動(dòng)堆垛技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的自動(dòng)堆垛，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平，減少了人工勞動(dòng)，同時(shí)也提高了鋁擠壓生產(chǎn)的成材率，極大地提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。