高性能轻质铝型材控形控性系统自动堆垛装备技术研究

2021-01-25杨红娟付永涛

锻压装备与制造技术 2020年6期

张君，王军，杨红娟，黄胜，付永涛，柴星

（1．中国重型机械研究院股份公司金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安 710032；2．西北工业大学材料科学与工程学院，陕西西安 710072）

高性能轻质铝型材是重要的轻质高强度结构材料，它的抗拉强度、韧性以及耐腐性都较高，在我国当前社会发展过程中有着较为广阔的应用前景。近年来，高性能轻质铝型材被广泛地应用于高速铁路、轨道交通、航空航天、新能源汽车、船舶舰艇、核能源以及民用工业等领域，已成为航空工业的主要结构材料之一，有效推动了我国国防事业的发展。

高性能轻质铝型材是挤压成形的，铝合金的挤压温度在500℃左右，挤压出口的温度在510℃左右[1，2]，挤压成形的铝型材进入控形控性输出系统中，经过牵引、淬火冷却、拉伸矫直和中断锯切[3，4]，成为形状和性能均满足要求的高性能轻质铝型材，大部分铝型材经过时效处理后就成为最终产品[5]。

高性能轻质铝型材进入时效炉之前，都是被装入料筐的，在料筐中被堆成垛，即有规律的把高性能轻质铝型材码放在料筐中，形成垛形。在码放过程中，为了防止高性能轻质铝型材相互之间接触而影响其表面质量，采用隔条将高性能轻质铝型材隔开放置，隔条表面常用耐高温的毛毡覆盖。最初是采用人工抬的方式高性能轻质将高性能轻质铝型材装入料筐，但随着高性能轻质铝型材米重（每米的重量）的不断增加，人工就很难完成搬运动作，装框和卸料难度加大，逐渐开始出现采用机械设备装框和卸料。近年来，自动化技术不断提高，自动装框和卸料的装备技术逐渐发展起来，形成自动堆垛和拆垛装备技术，先进的挤压生产线都配有高性能轻质铝型材自动堆垛装置[6]。随着计算机网络技术和电气控制系统的发展，智能化工厂在全球范围内兴起，促使高性能轻质铝型材自动堆垛装置的应用越来越多[7，8]。

国外的高性能轻质铝型材控形控性系统自动堆垛和拆垛装备技术发展的比较早、而且先进。例如意大利的Omav和Cometal公司就建立了先进的堆垛和拆垛装备技术[5]，国内的中国重型机械研究院股份公司挤压团队对此进行多年研究，也形成了先进完整的高性能轻质铝型材控形控性系统自动堆垛装备技术，本文着重介绍其形成的关键技术和相关应用。

1 自动堆垛装备技术研究

高性能轻质铝型材装筐时，需要堆垛，堆垛是指把物品堆积，或将物品有规律的码放，形成垛形。对于高性能轻质铝型材来讲，在长度方向尺寸是一致的，即通过锯切和定尺，把长度一致的一组铝型材整齐放成一排，即在锯前辊道之前的储料平台上完成的成组放置。而在进行装筐堆垛时，是把若干组高性能轻质铝型材沿高度方向整齐码放。

高性能轻质铝型材堆垛就是将成组的铝型材顺利的传递到堆垛位置，并逐层整齐堆放起来，由于铝型材表面质量和拆垛的原因，铝型材每层之间需要用隔条隔离起来。因此隔条的自动发放和铝型材与隔条一起自动传递到堆垛料筐中是高性能轻质铝合金挤压控形控性系统自动堆垛的核心关键技术。

自动堆垛装置功能是将锯切完毕的铝型材自动装入料框中。根据铝型材大小的不同，针对不同规格的生产线，自动堆垛装置的结构形式也不一样，经过多年的研究，在16MN～125MN铝挤压控形控性生产线中形成了两种主要结构形式，包括行车输送型和过桥输送型。通过隔条自动发放和传输系统、铝型材自动传输系统及隔条与铝型材自动堆垛装置，实现了铝型材传输的自动化和铝型材堆垛的自动控制。

1.1 高性能轻质铝型材横向传输技术

在堆垛之前，需要将高性能轻质铝型材整齐划一的成组摆放并横向将铝型材传输至堆垛装置处。在传输过程中，需要保证传输皮带有足够的传输力、不划伤铝型材，因此通常采用毛毡带和同步齿形带粘合的传输形式，并用张紧带轮张紧以保证毛毡带有足够的张紧力。如图1所示。

上图中同步毛毡带是由同步齿形带和毛毡粘合在一起的，毛毡和高性能轻质铝型材接触，可以保证高性能轻质铝型材表面不被划伤，达到保护其外表面的目的，而同步齿形带传动则可以给整个传动系统提供足够的传输力，对于大型铝型材横向传输装置，单根同步带产生的传输力可以达到10t，这样即使铝型材接触同步毛毡带不均匀，也能被顺利的传输。电机减速机3产生的动力由齿轮传动系统2传递给主动同步带轮1，主动同步带轮带动同步毛毡带4转动，由于小同步带轮7在张紧装置作用下绷紧了同步毛毡带，同步毛毡带在支撑梁5上滑动，带动其上面的工业铝型材。上图中的主动同步带轮1和小同步带轮7都是平带轮，在传输过程中因为只有毛毡带和高性能轻质铝型材接触，因此传动过程中同步毛毡带会跑偏，严重的会出现断带情况。

为了解决同步毛毡带跑偏的情况，在同步带中间下部设计了导向柱，同样在支撑梁和两个同步带轮上设计了可以容纳导向柱的导向槽[9]，这样在转动过程中同步毛毡带就不会跑偏，使得传输过程更为平稳。

1.2 隔条自动传输和摆放技术

高性能轻质铝型材被整齐的分组放成一排后，堆垛时需要将每排的铝型材沿垂直方向逐层堆叠起来。考虑到铝型材表面质量的要求和后序拆垛的便利，每层铝型材之间需要采用包裹毛毡的隔条隔开，隔条间距是均匀的，以便堆垛和拆垛的操作，同时考虑到堆垛和拆垛过程的机械结构和机械运动，隔条需较宽于一组铝型材的最大宽度。在堆垛准备技术中，如何把隔条自动且均匀地放置在整个高性能轻质铝型材垛中是核心关键技术。

为此本文研究建立了隔条自动传输和摆放技术[10]，隔条自动发送和摆放装置如图2所示。

图1 高性能轻质铝型材横向传输装置

图2a是隔条自动发送装置，图2b是隔条发送装置将隔条自动摆放在隔条皮带输送机上，图2c是隔条自动输送机。

隔条发送装置是将码放整齐的一排隔条以一定间距逐条发放到隔条传输皮带上，隔条被依次放在同步带2上面，同步带由交流伺服电机驱动，将隔条送往送料轮处，送料轮4和同步带装置安装在机架3上面，送料轮4由另外一个伺服电机驱动。送料轮将隔条发送装置上的隔条间隔性的转运至隔条自动输送皮带机上。隔条输送机是将隔条按照一定的间距（通常为1200mm）平稳摆放至指定位置的装置，隔条的数量和高性能轻质铝型材的长度成正相关。

送料轮主要是将隔条发送装置上的隔条依次送到隔条输送皮带上，送料轮的转动由伺服电机驱动，速度平稳，位置精准，可以将隔条准确的摆放在隔条输送皮带机的皮带上，并尽可能地和皮带的速度匹配。送料轮有4分的，也有6分的，所谓4分就是一个送料轮开4个槽，如图2b所示，每次送料轮子转动90°，而6分就是一个送料轮开6个槽，每次送料轮子转动60°。

为了使送料轮和隔条输送皮带机实现无缝衔接，就需要每次送料轮放在隔条输送皮带上的隔条按照送料轮的节拍运走，关键是要协调好皮带输送机的速度和送料机角速度之间的关系。对于四分的送料机来讲，转动一次角度就是90°，如果皮带输送机在这个时间内刚好运送一个隔条间隔的长度，送料机和皮带输送机就刚好合拍。

一个隔条间隔长度设为L，如果皮带输送机运行速度为v，在单位时间t内，将隔条运送到一个长度，送料机转动的角速度为ω，单位时间转动的角度为θ，对于四分轮，θ为90°，则可以推导出如下公式：

式（3）就是四分轮时送料轮转动角速度和皮带输送机运行速度之间的关系，确定送料轮的转动速度之后，由送料轮的伺服电机控制送料轮；之后按照此关系计算出皮带输送机的运行速度，再由皮带输送机的伺服电机按照计算的速度控制皮带输送机的运行，实现隔条无缝交接和规律摆放。

图2 隔条自动发送和摆放装置示意图

1.3 自动堆垛技术研究

隔条在隔条输送皮带上按照要求间距摆放整齐后，下一步是将隔条和传输皮带上的一组高性能轻质铝型材放在一起并放入垛中，根据高性能轻质铝型材大小的不同，自动堆垛装置也有不同的结构，分别是行车输送型自动堆垛装置和过桥输送型自动堆垛装置。

1.3.1 行车输送型自动堆垛装置

行车输送型自动堆垛装置由隔条发送装置、隔条摆放装置、装框装置、料框及料框运送装置五部分组成，通过各部分之间的配合完成对铝型材的自动堆垛工作。

行车输送型自动堆垛装置的结构如图3所示，其中装框装置设置在隔条摆放装置与料框上方，主要包括装框支架和装框车两大部分。装框支架为大跨度龙门架结构，装框车跨于其上。装框车上安装有可以垂直升降的机械臂，同时装框车在动力装置驱动下可在装框支架上水平移动，可以往复移动于料框与锯后辊道挑料之间。料框位于料框运送装置上方等待机械臂将整层的型材连同隔条一起逐层放下。

图3 行车输送型堆垛装置结构示意图

堆垛时，锯后辊道挑料将成排的铝型材摆放到隔条摆放装置正上方，同时隔条摆放装置将隔条运输到位后，装框车机械臂下降，抓紧整层铝型材下的隔条后上升，进而将放置于锯后辊道挑料上的铝型提升离开锯后辊道挑料后，装框车水平移动将铝型材运送至料框正上方，然后机械臂下降将整层的铝型材与隔条放置于料框内，机械臂再上升返回并水平移动到隔条摆放装置正上方，进而完成一层铝型材的自动堆垛工艺。

经过数次的上述动作周期过程，料框内装满铝型材后，料框运送装置沿料框长度方向运送满载料框离开装框装置正下方，以方便料框的起吊运输，从而完成一个料框的完整堆垛工作；同时另一空料框由料框运送装置从另一端运送至装框装置正下方，准备进行下一料框的自动堆垛，从而完成一个堆垛循环。

1.3.2 过桥输送型自动堆垛装置

过桥输送型自动堆垛装置由隔条发送装置、隔条摆放装置、隔条上升装置、过桥装置、隔条下降装置和料框等部分组成，通过各部分之间的配合完成对铝型材的自动堆垛工作。

过桥输送型自动堆垛装置的结构如图4所示，在隔条摆放装置2的下方有隔条上升装置3，主要作用是将摆放好的隔条5推升至指定位置，并在过桥4缩回后，将隔条5放置于过桥4侧面的隔条板上。

图4 过桥输送型堆垛装置结构示意图

过桥输送型堆垛装置的隔条发送装置1与隔条摆放装置2的结构和工作原理与行车输送型堆垛装置相同。

过桥装置是同步运送铝型材和隔条的装置，主要包括气缸、支架、动力装置、输送带及隔条板等部分。过桥缩回到指定位置后，隔条上升装置下降，隔条则被放置于过桥装置的隔条板上。之后过桥装置伸出。

隔条上升装置下降前在最高位置，这时放置于隔条上升装置支架上的隔条上表面要比过桥上表面高。

挑料装置将铝型材运送至过桥上后，动力装置驱动输送带运送铝型材至1隔条上方。

隔条下降装置作用为将隔条及其上面的铝型材托起，待过桥缩回后将隔条及铝型材一同放入料框。

堆垛时，锯后辊道挑料将成排的铝型材运送码放到隔条上升装置正上方，同时隔条摆放装置将隔条运输到位；然后隔条上升装置的支架在推力油缸的作用下升起，进而带动支撑臂将上方的隔条及铝型材一同抬高脱离锯后辊道挑料上表面；过桥装置缩回，隔条上升装置的支架下降，将铝型材放置在过桥上表面，将隔条放置在过桥侧面的隔条支架上；过桥装置伸出，将隔条和铝型材移动到料框正上方，隔条下降装置的支架在推力油缸的作用下升起，进而带动支撑臂将上方的隔条及铝型材一同抬高脱离过桥装置上表面；待过桥装置缩回后，在推力油缸作用下，支架下降，将隔条与铝型材放置于料框内。隔条下降装置的摆臂油缸可以驱动支撑臂进行张开回收动作，进而在完成一次堆垛后可以避开隔条进行下一次的堆垛工序。

2 自动堆垛装备技术研究应用

本文阐述的铝型材自动堆垛装备技术已成功应用于多台套的高性能轻质铝合金挤压控形控性系统中，极大地提高了生产线的自动化水平和生产效率。如图5所示为应用于土耳其Formal铝业公司30MN双动铝挤压生产线的行车输送型自动堆垛装置，图6所示为应用于中铝萨帕40MN高端智能铝挤压生产线的过桥输送型自动堆垛装置。