铝材挤压后工序全自动装框生产线研发及应用*

罗有旺，余小圃，顾志辉

（佛山市佛威精密机器有限公司，广东佛山528247）

0 引言

改革开放以来，中国的铝型材产业一直蓬勃发展。产品结构一直以建筑用材为主，但是随着中国工业水平和规模的不断提高，工业用材产量也逐年攀升。在汽车制造、轨道交通、电力、机械装备制造业、电子等行业，对铝型材的需求迅速增加，新产品、新工艺、新用途的铝型材产品不断出现，推动了技术进步和行业持续健康发展。近年来，随着中国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，中国铝型材行业发展迅速，国内企业为了获得更大的投资收益，不断加大生产规模和提升产品质量，促进全行业的产量和消费量的迅猛增长，中国也一跃成为世界较大的铝型材生产基地和消费市场。由于国民经济持续健康平稳的发展，铝型材的需求也越来越大，装备和技术水平也将越来越先进，铝型材的市场具有广阔的发展空间。

近年来，随着经济的增长，生活水平的提高，金属门窗、建筑幕墙、铁路运输设备、汽车和城市轨道交通等行业发展迅速，推动了铝型材行业的快速发展。另外，随着中国大规模的基建投资和工业化进程的推进，铝型材作为建筑领域和机械工业领域重要的应用材料，其应用前景非常广泛，市场空间很大[1]。

目前，在铝型材加工行业中，挤压生产线中产品定尺锯切后，一般是人工将产品由锯床辊道上抬到专用料框中，此方法人力劳动强度大，人工需求量大，且产品质量易受人为因素影响。近年来国内高速发展大截面高线密度的工业铝型材，成品重量大大增加，而且产品类型与形状复杂多样，靠人工搬运是不可能的，再加上现在人工成本高，招工困难，已经无法满足铝材厂生产的需求[2]。

针对迅速增长的铝型材需求和国内铝材生产存在的问题，国内大部分企业都对工厂进行了自动化改造。如何实现铝材的自动化生产，提高生产效率，降低生产成本，已经成为铝材厂最急切解决的问题。因此，受到铝材厂的委托进行挤压生产线后工序自动装框生产线的研发。

1 研究内容和关键技术

本文研究铝材挤压生产线，通过对生产线进行技术改造，研发后工序铝材自动装框机，提高生产效率，减少人工，降低制造成本，实现自动化生产[3-4]。

1.1 主要研究内容

（1）研发4～10 m铝材搬运机械手，实现多种规格的型材自动搬运。

（2）研发框内隔条自动送料机构，实现隔条自动输送及定位。

（3）研发专用的铝材承载料框，实现各种铝材的装运。

（4）研发装框机自动控制系统，与原挤压生产线结合，实现铝材装框自动化生产。

1.2 主要技术参数

（1）装框尺寸（长×宽×高）：5 000 mm×2 200 mm×900 mm。

（2）装框定位精度：±0.5 mm。

（3）移动龙门架行程（X轴，Z轴）：X轴4 700 mm，Z轴1 100 mm。

（4）X、Z轴传动：伺服电机+减速器，齿轮齿条传动。

（5）机械手：气动自动机械手。

（6）隔条传送型式：半自动或全自动传送。

（7）装框节拍：2 min/次。

（8）每次装料质量：150 kg。

（9）控制系统：PLC。

1.3 拟解决的关键问题

（1）铝材搬运机械手如何实现快速搬运铝材。

（2）铝材间隔条如何实现自动输送及自动定位。

（3）整个装框机自动控制及与原挤压生产线系统匹配的问题。

2 技术路线

为了实现本项目，采取了以下的技术路线。

（1）结合铝材厂的实际情况，充分了解设备的要求，设计总体方案。

（2）根据设备的总体要求，找出关键的技术问题，重点攻克该技术问题，可以借鉴国内外相关技术，确定切实可行的方案。

（3）利用先进的设计手段，设计产品立体方案并进行高级运动仿真，根据双方共同评审，评诂是否达到实用要求，反复修改评审论证，满足要求后，再进行产品图纸设计[5-6]。

（4）按照图纸进行制造样机，并进行单机组装调试，所有动作满足要求后，再装配到生产线上，结合生产线进行调试，直到达到使用要求。

该项目详细的技术路线如图1所示。

图1 技术路线

3 技术方案

铝材自动装框机是一款专门针对挤压生产线最后装框工序配套的装备，该装备主要是用于把铝棒经挤压机、牵引机、拉直机、成品锯生产出来的铝材装框转运[7-8]。

3.1 总体方案

自动装框机主要由装框机架、移动横梁、XZ三轴传动机构、机械手、自动送隔条系统、料框等组成。其中机架是支承组件，X轴传动机构及移动横梁装于其上，移动横梁可沿着X轴导轨前后搬运铝材，横梁上装有2个固定滑座，滑座设有导轨滑块，导轨装在Z轴立柱上，Z轴立柱下端固定有机械手安装架，安装架上装有10个机械手，每前后两个机械手夹位在同一直线上，可同时夹起一条隔条，机械手可随Z轴立柱一起上下运动，托起位于待搬运区的多排铝材，机械手可沿XZ轴上下、前后移动把铝材放进铝材进料框内。为了实现自动装框的要求，该项目总体方案如图2所示。

图2 总体方案

自动装框机主要动作流程为：待搬运铝材到位，自动送隔条系统把隔条自动输送到待搬运铝材下方，机械手快速定位，并自动抓取隔条，抬升隔条连同铝材一起抬升，横梁往外移动，定位于料框上方，机械手下移，把铝材放进料框，松开夹手，机械手复位，准备搬运铝材进料框第二层，直到搬运满料框，料框自动运送到需求产品区域，完成了铝材装框转运。该项目具体的工作流程如图3所示。

图3 自动装框工作流程

3.2 关键技术方案

3.2.1 搬运机械手

研发4～10 m铝材搬运机械手，如图4所示，实现多种规格的型材快速自动搬运。技术方案如下[9-10]。

图4 机械手结构

（1）应用数控机床传动的原理，设计XZ二轴传动系统：通过电机、减速器、齿轮、齿条、导轨，实现双边X轴驱动；通过电机、减速器、传动轴、齿轮、齿条、导轨实现中间单驱Z三轴驱动，机械手最高运动速度可达30 m/min，其传动结构如图5~7所示[11-12]。

图5 X轴传动

图6 Z轴传动

图7 双工位机械手结构

（2）设计双工位夹紧装置，通过气缸作为锁紧动力，实现双工位前后夹紧隔条。

（3）设计了高强度、表面喷塑隔条，如图8所示，既达到了一次可搬运一排铝材的目的，又保证了铝材不损伤。

图8 隔条

3.2.2 隔条自动送料机构

研发隔条自动送料机构，如图9所示，实现隔条自动输送及定位。技术方案如下。

图9 隔条输送机构

（1）设计前后端隔条输送带，两输送带都采用电机，减速机带动输送带传输隔条，前端输送带主要起备料作用，后端输送带主要是送隔条到铝材下方并自动定位隔条位置，两输送带间连接部分通过在前端输送带设置取料挡板，实现间隔取隔条。

（2）输送带旁边配置隔条位置检测装置，实现隔条位置自动定位。

（3）隔条输送带起始端输送带可配置自动上料机器人，自动抓取隔条上料。

3.2.3 专用铝材承载料框

研发专用的铝材承载料框，如图10所示，实现各种铝材的装运。技术方案如下：采用框架式焊接钢结构，根据铝材搬运机械手搬运的要求及隔条位置的要求，设计专用的料框；另外，料框下面配置运载小车，每次装完框，可自动运走料框和送入新的料框。

图10 料框结构

3.2.4 装框机自动控制系统

研发装框机自动控制系统，如图11所示，与原挤压生产线结合，实现铝材装框自动化生产。技术方案：结合原挤压生产线的动作要求，增加连接部位的检测装置，驱动铝材装框机各个部分的动作，配合原来的工作节拍，实现自动化控制。具体的实现方法：采用集中管理与分布控制相结合模式，结合PLC、工业以太网及现场总线技术，将整个装框自动生产线系统的网络架构设计为三级结构形式，由下到上依次为现场分散控制级、过程主控制级、监控管理级。通过该网络架构把现场的分散控制单元、主控单元以及上位监控计算机等连接成一个可靠的、模块化的、分布式全自动包装监控系统来满足实现系统功能的需要。

图11 自动控制系统原理

现场分散控制级是数据的直接提供和接受单元，其设备包括PLC的数据采集单元、输出控制单元、具有通讯功能检测器等。过程主控制级是整个监控系统的核心，用来收集现场分散控制级上传的数据和信号、通过执行用户程序来进行数据计算、回路调节、逻辑控制等，并把程序运行和计算的结果传送到下一级。监控管理级用来对整个系统进行监控和调度，实现整个系统生产过程的实时监控、数据管理、数据分析、报表打印等，同时可以连接企业内部局域网以及外部互联网，实现生产和过程自动化与企业信息化管理系统的无缝结合。

3.3 应用效果

通过上面的技术方案，研发出自动装框生产线产品，并通过多家铝材厂使用，获得客户的好评，达到了研发的目的。

4 结束语

铝材挤压后工序全自动装框生产线研发及应用，有效地解决了铝型材成品在据切后的装框人力劳动强度高、铝型材装框时易损伤的问题。设备操作简单，自动化程度高，结合挤压生产线，可实现铝材自动化生产；设备具有智能化，可以实现多品种小批量共线生产；设备生产效率高，与原来生产节拍相比，可提高生产效率30%。目前，铝材自动装框机已经成为了成熟产品，创造了良好的效益。实践证明，铝材自动装框机在铝材生产线上应用是可行的，可大大提高生产效率，减少人工，降低制造成本，实现自动化生产，是值得推广应用的。