鋁材擠壓后工序全自動(dòng)裝框生產(chǎn)線研發(fā)及應(yīng)用*

羅有旺，余小圃，顧志輝

（佛山市佛威精密機(jī)器有限公司，廣東佛山528247）

0 引言

改革開放以來(lái)，中國(guó)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(guó)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(jī)械裝備制造業(yè)、電子等行業(yè)，對(duì)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(dòng)了技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。近年來(lái)，隨著中國(guó)大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，中國(guó)鋁型材行業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)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(jìn)全行業(yè)的產(chǎn)量和消費(fèi)量的迅猛增長(zhǎng)，中國(guó)也一躍成為世界較大的鋁型材生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場(chǎng)。由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康平穩(wěn)的發(fā)展，鋁型材的需求也越來(lái)越大，裝備和技術(shù)水平也將越來(lái)越先進(jìn)，鋁型材的市場(chǎng)具有廣闊的發(fā)展空間。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，生活水平的提高，金屬門窗、建筑幕墻、鐵路運(yùn)輸設(shè)備、汽車和城市軌道交通等行業(yè)發(fā)展迅速，推動(dòng)了鋁型材行業(yè)的快速發(fā)展。另外，隨著中國(guó)大規(guī)模的基建投資和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，鋁型材作為建筑領(lǐng)域和機(jī)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(chǎng)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(dòng)強(qiáng)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(lái)國(guó)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(yùn)是不可能的，再加上現(xiàn)在人工成本高，招工困難，已經(jīng)無(wú)法滿足鋁材廠生產(chǎn)的需求[2]。

針對(duì)迅速增長(zhǎng)的鋁型材需求和國(guó)內(nèi)鋁材生產(chǎn)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)都對(duì)工廠進(jìn)行了自動(dòng)化改造。如何實(shí)現(xiàn)鋁材的自動(dòng)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(wèn)題。因此，受到鋁材廠的委托進(jìn)行擠壓生產(chǎn)線后工序自動(dòng)裝框生產(chǎn)線的研發(fā)。

1 研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

本文研究鋁材擠壓生產(chǎn)線，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，研發(fā)后工序鋁材自動(dòng)裝框機(jī)，提高生產(chǎn)效率，減少人工，降低制造成本，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[3-4]。

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

（1）研發(fā)4～10 m鋁材搬運(yùn)機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格的型材自動(dòng)搬運(yùn)。

（2）研發(fā)框內(nèi)隔條自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)隔條自動(dòng)輸送及定位。

（3）研發(fā)專用的鋁材承載料框，實(shí)現(xiàn)各種鋁材的裝運(yùn)。

（4）研發(fā)裝框機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，與原擠壓生產(chǎn)線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋁材裝框自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

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

（2）裝框定位精度：±0.5 mm。

（3）移動(dòng)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(dòng)：伺服電機(jī)+減速器，齒輪齒條傳動(dòng)。

（5）機(jī)械手：氣動(dòng)自動(dòng)機(jī)械手。

（6）隔條傳送型式：半自動(dòng)或全自動(dòng)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(wèn)題

（1）鋁材搬運(yùn)機(jī)械手如何實(shí)現(xiàn)快速搬運(yùn)鋁材。

（2）鋁材間隔條如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸送及自動(dòng)定位。

（3）整個(gè)裝框機(jī)自動(dòng)控制及與原擠壓生產(chǎn)線系統(tǒng)匹配的問(wèn)題。

2 技術(shù)路線

為了實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目，采取了以下的技術(shù)路線。

（1）結(jié)合鋁材廠的實(shí)際情況，充分了解設(shè)備的要求，設(shè)計(jì)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(wèn)題，重點(diǎn)攻克該技術(shù)問(wèn)題，可以借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)，確定切實(shí)可行的方案。

（3）利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)產(chǎn)品立體方案并進(jìn)行高級(jí)運(yùn)動(dòng)仿真，根據(jù)雙方共同評(píng)審，評(píng)詁是否達(dá)到實(shí)用要求，反復(fù)修改評(píng)審論證，滿足要求后，再進(jìn)行產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)[5-6]。

（4）按照?qǐng)D紙進(jìn)行制造樣機(jī)，并進(jìn)行單機(jī)組裝調(diào)試，所有動(dòng)作滿足要求后，再裝配到生產(chǎn)線上，結(jié)合生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試，直到達(dá)到使用要求。

該項(xiàng)目詳細(xì)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(dòng)裝框機(jī)是一款專門針對(duì)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(jī)、牽引機(jī)、拉直機(jī)、成品鋸生產(chǎn)出來(lái)的鋁材裝框轉(zhuǎn)運(yùn)[7-8]。

3.1 總體方案

自動(dòng)裝框機(jī)主要由裝框機(jī)架、移動(dòng)橫梁、XZ三軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、自動(dòng)送隔條系統(tǒng)、料框等組成。其中機(jī)架是支承組件，X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及移動(dòng)橫梁裝于其上，移動(dòng)橫梁可沿著X軸導(dǎo)軌前后搬運(yùn)鋁材，橫梁上裝有2個(gè)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(jī)械手安裝架，安裝架上裝有10個(gè)機(jī)械手，每前后兩個(gè)機(jī)械手夾位在同一直線上，可同時(shí)夾起一條隔條，機(jī)械手可隨Z軸立柱一起上下運(yùn)動(dòng)，托起位于待搬運(yùn)區(qū)的多排鋁材，機(jī)械手可沿XZ軸上下、前后移動(dòng)把鋁材放進(jìn)鋁材進(jìn)料框內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝框的要求，該項(xiàng)目總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案

自動(dòng)裝框機(jī)主要?jiǎng)幼髁鞒虨椋捍徇\(yùn)鋁材到位，自動(dòng)送隔條系統(tǒng)把隔條自動(dòng)輸送到待搬運(yùn)鋁材下方，機(jī)械手快速定位，并自動(dòng)抓取隔條，抬升隔條連同鋁材一起抬升，橫梁往外移動(dòng)，定位于料框上方，機(jī)械手下移，把鋁材放進(jìn)料框，松開夾手，機(jī)械手復(fù)位，準(zhǔn)備搬運(yùn)鋁材進(jìn)料框第二層，直到搬運(yùn)滿料框，料框自動(dòng)運(yùn)送到需求產(chǎn)品區(qū)域，完成了鋁材裝框轉(zhuǎn)運(yùn)。該項(xiàng)目具體的工作流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)裝框工作流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.2.1 搬運(yùn)機(jī)械手

研發(fā)4～10 m鋁材搬運(yùn)機(jī)械手，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格的型材快速自動(dòng)搬運(yùn)。技術(shù)方案如下[9-10]。

圖4 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

（1）應(yīng)用數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)XZ二軸傳動(dòng)系統(tǒng)：通過(guò)電機(jī)、減速器、齒輪、齒條、導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)雙邊X軸驅(qū)動(dòng)；通過(guò)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸、齒輪、齒條、導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)中間單驅(qū)Z三軸驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手最高運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)30 m/min，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5~7所示[11-12]。

圖5 X軸傳動(dòng)

圖6 Z軸傳動(dòng)

圖7 雙工位機(jī)械手結(jié)構(gòu)

（2）設(shè)計(jì)雙工位夾緊裝置，通過(guò)氣缸作為鎖緊動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)雙工位前后夾緊隔條。

（3）設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度、表面噴塑隔條，如圖8所示，既達(dá)到了一次可搬運(yùn)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(dòng)送料機(jī)構(gòu)

研發(fā)隔條自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)隔條自動(dòng)輸送及定位。技術(shù)方案如下。

圖9 隔條輸送機(jī)構(gòu)

（1）設(shè)計(jì)前后端隔條輸送帶，兩輸送帶都采用電機(jī)，減速機(jī)帶動(dòng)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(dòng)定位隔條位置，兩輸送帶間連接部分通過(guò)在前端輸送帶設(shè)置取料擋板，實(shí)現(xiàn)間隔取隔條。

（2）輸送帶旁邊配置隔條位置檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)隔條位置自動(dòng)定位。

（3）隔條輸送帶起始端輸送帶可配置自動(dòng)上料機(jī)器人，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)各種鋁材的裝運(yùn)。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(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)的要求及隔條位置的要求，設(shè)計(jì)專用的料框；另外，料框下面配置運(yùn)載小車，每次裝完框，可自動(dòng)運(yùn)走料框和送入新的料框。

圖10 料框結(jié)構(gòu)

3.2.4 裝框機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

研發(fā)裝框機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖11所示，與原擠壓生產(chǎn)線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鋁材裝框自動(dòng)化生產(chǎn)。技術(shù)方案：結(jié)合原擠壓生產(chǎn)線的動(dòng)作要求，增加連接部位的檢測(cè)裝置，驅(qū)動(dòng)鋁材裝框機(jī)各個(gè)部分的動(dòng)作，配合原來(lái)的工作節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。具體的實(shí)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(chǎng)總線技術(shù)，將整個(gè)裝框自動(dòng)生產(chǎn)線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)為三級(jí)結(jié)構(gòu)形式，由下到上依次為現(xiàn)場(chǎng)分散控制級(jí)、過(guò)程主控制級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)。通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)把現(xiàn)場(chǎng)的分散控制單元、主控單元以及上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)等連接成一個(gè)可靠的、模塊化的、分布式全自動(dòng)包裝監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)滿足實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的需要。

圖11 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理

現(xiàn)場(chǎng)分散控制級(jí)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(cè)器等。過(guò)程主控制級(jí)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，用來(lái)收集現(xiàn)場(chǎng)分散控制級(jí)上傳的數(shù)據(jù)和信號(hào)、通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、回路調(diào)節(jié)、邏輯控制等，并把程序運(yùn)行和計(jì)算的結(jié)果傳送到下一級(jí)。監(jiān)控管理級(jí)用來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表打印等，同時(shí)可以連接企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)以及外部互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化與企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的無(wú)縫結(jié)合。

3.3 應(yīng)用效果

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

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁材擠壓后工序全自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度高、鋁型材裝框時(shí)易損傷的問(wèn)題。設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，結(jié)合擠壓生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)鋁材自動(dòng)化生產(chǎn)；設(shè)備具有智能化，可以實(shí)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(lái)生產(chǎn)節(jié)拍相比，可提高生產(chǎn)效率30%。目前，鋁材自動(dòng)裝框機(jī)已經(jīng)成為了成熟產(chǎn)品，創(chuàng)造了良好的效益。實(shí)踐證明，鋁材自動(dòng)裝框機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，是值得推廣應(yīng)用的。