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)實驗室，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，自動化技術(shù)不斷提高，自動裝框和卸料的裝備技術(shù)逐漸發(fā)展起來，形成自動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)鋁型材自動堆垛裝置[6]。隨著計算機(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)隊對此進(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 自動堆垛裝備技術(shù)研究

高性能輕質(zhì)鋁型材裝筐時，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料平臺上完成的成組放置。而在進(jìn)行裝筐堆垛時，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。因此隔條的自動發(fā)放和鋁型材與隔條一起自動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)自動堆垛的核心關(guān)鍵技術(shù)。

自動堆垛裝置功能是將鋸切完畢的鋁型材自動裝入料框中。根據(jù)鋁型材大小的不同，針對不同規(guī)格的生產(chǎn)線，自動堆垛裝置的結(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。通過隔條自動發(fā)放和傳輸系統(tǒng)、鋁型材自動傳輸系統(tǒng)及隔條與鋁型材自動堆垛裝置，實現(xiàn)了鋁型材傳輸?shù)淖詣踊弯X型材堆垛的自動控制。

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，而同步齒形帶傳動則可以給整個傳動系統(tǒng)提供足夠的傳輸力，對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)生的動力由齒輪傳動系統(tǒng)2傳遞給主動同步帶輪1，主動同步帶輪帶動同步毛氈帶4轉(zhuǎn)動，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，帶動其上面的工業(yè)鋁型材。上圖中的主動同步帶輪1和小同步帶輪7都是平帶輪，在傳輸過程中因為只有毛氈帶和高性能輕質(zhì)鋁型材接觸，因此傳動過程中同步毛氈帶會跑偏，嚴(yán)重的會出現(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)計了導(dǎo)向柱，同樣在支撐梁和兩個同步帶輪上設(shè)計了可以容納導(dǎo)向柱的導(dǎo)向槽[9]，這樣在轉(zhuǎn)動過程中同步毛氈帶就不會跑偏，使得傳輸過程更為平穩(wěn)。

1.2 隔條自動傳輸和擺放技術(shù)

高性能輕質(zhì)鋁型材被整齊的分組放成一排后，堆垛時需要將每排的鋁型材沿垂直方向逐層堆疊起來。考慮到鋁型材表面質(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，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，如何把隔條自動且均勻地放置在整個高性能輕質(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傳輸和擺放技術(shù)[10]，隔條自動發(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是隔條自動發(fā)送裝置，圖2b是隔條發(fā)送裝置將隔條自動擺放在隔條皮帶輸送機(jī)上，圖2c是隔條自動輸送機(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，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由另外一個伺服電機(jī)驅(qū)動。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)動由伺服電機(jī)驅(qū)動，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分就是一個送料輪開4個槽，如圖2b所示，每次送料輪子轉(zhuǎn)動90°，而6分就是一個送料輪開6個槽，每次送料輪子轉(zhuǎn)動60°。

為了使送料輪和隔條輸送皮帶機(jī)實現(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。對于四分的送料機(jī)來講，轉(zhuǎn)動一次角度就是90°，如果皮帶輸送機(jī)在這個時間內(nèi)剛好運(yùn)送一個隔條間隔的長度，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，在單位時間t內(nèi)，將隔條運(yùn)送到一個長度，送料機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度為ω，單位時間轉(zhuǎn)動的角度為θ，對于四分輪，θ為90°，則可以推導(dǎo)出如下公式：

式（3）就是四分輪時送料輪轉(zhuǎn)動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)按照計算的速度控制皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行，實現(xiàn)隔條無縫交接和規(guī)律擺放。

圖2 隔條自動發(fā)送和擺放裝置示意圖

1.3 自動堆垛技術(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，自動堆垛裝置也有不同的結(jié)構(gòu)，分別是行車輸送型自動堆垛裝置和過橋輸送型自動堆垛裝置。

1.3.1 行車輸送型自動堆垛裝置

行車輸送型自動堆垛裝置由隔條發(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鋁型材的自動堆垛工作。

行車輸送型自動堆垛裝置的結(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，同時裝框車在動力裝置驅(qū)動下可在裝框支架上水平移動，可以往復(fù)移動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，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到隔條擺放裝置正上方，進(jìn)而完成一層鋁型材的自動堆垛工藝。

經(jīng)過數(shù)次的上述動作周期過程，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，從而完成一個料框的完整堆垛工作；同時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)行下一料框的自動堆垛，從而完成一個堆垛循環(huán)。

1.3.2 過橋輸送型自動堆垛裝置

過橋輸送型自動堆垛裝置由隔條發(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鋁型材的自動堆垛工作。

過橋輸送型自動堆垛裝置的結(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，動力裝置驅(qū)動輸送帶運(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，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，同時隔條擺放裝置將隔條運(yùn)輸?shù)轿?；然后隔條上升裝置的支架在推力油缸的作用下升起，進(jìn)而帶動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)動支撐臂進(jìn)行張開回收動作，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 自動堆垛裝備技術(shù)研究應(yīng)用

本文闡述的鋁型材自動堆垛裝備技術(shù)已成功應(yīng)用于多臺套的高性能輕質(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雙動鋁擠壓生產(chǎn)線的行車輸送型自動堆垛裝置，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堆垛裝置。

圖5 30MN鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線的行車輸送型自動堆垛裝置

圖6 40MN高端智能鋁擠壓生產(chǎn)線的過橋輸送型自動堆垛裝置

通過自動堆垛裝置、料筐傳輸系統(tǒng)和隔條傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的自動堆垛，減少人工勞動，提高高性能輕質(zhì)鋁合金擠壓控形控性系統(tǒng)的自動化水平，同時也提高鋁擠壓生產(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)的隔條自動傳輸和擺放技術(shù)，實現(xiàn)了隔條的自動發(fā)放，為高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的連續(xù)自動堆垛提供了條件，達(dá)到生產(chǎn)線連續(xù)自動隔條發(fā)放的目的。

（3）行車輸送型自動堆垛裝置和過橋輸送型自動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、自動地完成高性能輕質(zhì)鋁型材堆垛工作。

（4）兩種自動堆垛技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了高性能輕質(zhì)鋁型材生產(chǎn)過程的自動堆垛，提高了設(shè)備的自動化水平，減少了人工勞動，同時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。