全自動龍門裝框系統方案研究

孫良龍 向德宇 李博 李鵬 魏富軍

遼寧忠旺機械設備制造有限公司，中國·遼寧 遼陽 111003

1 引言

鋁型材鋸切為指定定尺長度后需要進行裝框。在以往的擠壓生產線中由人工搬運或者人工操作吊運設備搬運，費時費力，效率低。全自動龍門裝框系統通過電氣控制可完全替代人工進行自動裝框。該系統中主要有兩大部分，一部分為龍門裝框機，另一部分為自動上隔條裝置。自動上隔條裝置是將存儲在隔條倉中的隔條自動輸送至挑料下方固定位置，當鋸后挑料將型材輸送至隔條上方后，龍門裝框機進行抓取隔條，隔條帶動型材，實現裝框功能。

2 龍門裝框機動作及結構分析

龍門裝框機動作分析。根據現場條件目前可確定兩種運動形式。一種形式為三向動作，可沿X、Y、Z軸（設定輥道來料方向為X軸正向，挑料運離輥道方向為Y軸正向，垂直XY平面方向為Z軸）三個方向移動。另一種形式為兩向運動，只可沿Y、Z軸兩個方向運動。兩種龍門裝框機的選型適用于不同工藝。對于裝框后需要對鋁型材進行熱處理[2]的應選擇可沿X、Y、Z軸運動的裝框機。對于裝框后需要運送至包裝車間進行包裝的，僅需要有兩個方向運動即可。由于兩種工藝所需要的料框結構不同，即產生了兩種運動模式的裝框機構。需要進時效爐[3]的型材裝框，為了使鋁型材受熱均勻，每層鋁型材之間保留一定的間隙，因此其型材應插入梳齒狀的料筐中，并且在料筐長度上需要進行擺料。而對于直接進包裝車間進行包裝的，料筐直接為框架式結構，型材可以直接以碼垛的方式進行層層疊放。

龍門裝框機結構，主要包含支撐框架，驅動減速機，行走機構，以及機械手[4]。行走裝置在X、Y水平面上行走，采用鏈輪鏈條[5]形式。升降行走結構采用齒輪齒條方式升降。之所以在升降機構中采用齒輪齒條結構，因為需要提升重量較大，并且啟停階段會受到部分沖擊。在抓取型材與碼放型材時需要升降高度精準。鏈條在長時間使用后節距會加長[6]，影響精準度。見圖1。

圖1 全自動龍門裝框示意圖

在設計矩形支撐框架時，對整個行架行走支撐梁應進行詳細設計[7]。重點校核沿Y軸方向橫梁，此橫梁支撐全部行走機構重量[8]，所以橫梁的變形應進行嚴格控制。可用有限元分析對橫梁變形進行校核。如使用型材做支撐梁無法保證其撓度變形，可采用焊接形式，增加支撐板的厚度、數量來保證撓度。本設計中整個行架與型材重量可達到3000kg，對采用型材與箱型梁焊接結構進行了有限元分析對比[9]，選取撓度較小的箱型梁結構。

3 自動上隔條裝置

自動上隔條裝置是將隔條自動輸送至挑料下方，以便龍門裝框機機械手抓取。自動上隔條裝置有兩部分組成，隔條儲存機構以及隔條輸送裝置組成。隔條儲存機構主要是可移動料倉，料倉尺寸可根據型材尺寸以及需要存料的數量進行設計。料倉為無底結構，底部由兩根固定縱梁支撐隔條。在支撐梁前端有可升降托板，托板由氣缸帶動。當料倉向前移動，帶動隔條移動至升降托板上。氣缸下降，帶動最前排隔條下降至第二級支撐架。當隔條下降至二級支撐后，輸送帶啟動運料。輸送帶為聚氨酯同步帶，在外圓面每隔一定距離設置一個擋板。距離為挑料間隔固定倍數。當同步帶擋板旋轉至隔條位置后，擋板會自動帶動隔條向前移動至挑料下方固定位置，等待龍門機械手下料。

4 工作流程

當型材鋸切為成品后，輥道將型材運送至縱向固定位置，挑料將型材運離鋸后輥道至挑料末端。當光電開關檢測到來料后，機械手下降至隔條下方一定距離，停止后小車沿X軸方向行走一定距離，保證L型鉤板凹槽與隔條對齊，當機械手上升時，機械手首先帶動隔條向上升，當隔條遇到型材后帶動型材上升。當隔條升起至離挑料上平面一定距離后，即可橫向移動。型材移動至料框上方預先設定好的位置后，機械手下降。當隔條下降至梳齒間隔空中，縱向輸送電機啟動，將隔條放入梳齒中并下降。隔條脫離凹槽后，再縱向相反移動一定距離后上升歸位。

在此過程中，當光電開關檢測到型材已經離開挑料后，PLC控制自動上隔條裝置進行輸送隔條，準備下一次循環。需要注意的是，如果型材較短，需要按料框長度進行縱向擺料時，節拍應滿足需要。在下一次成品型材運送至待料位時，機械手應能及時就位。不能及時就位，可選用高轉速減速機變頻控制。在裝框過程中低速運料。在空車返回時可快速返回。若整體節拍仍然滿足不了需要，在裝框與返回過程中可將橫向位移與縱向位移同步進行，即小車可沿框架對角線迅速行走。

5 結語

在全自動龍門機械手設計中，應首先分析詳細工況，確定動作流程，選取行走機構，核算節拍，確定減速機轉速，以及齒輪、鏈輪等尺寸。根據客戶提出的運輸能力和要求，校核其強度，剛度和穩定性。保證所有傳動部分的強度和可靠性。在框架的設計中，尤其注重框架的剛度與強度，保證在基礎框架的穩定性。前期設計方案時應充分論證可行后，即可進行詳細設計。在設計方案時，同樣需要考慮設備的自動化方案，降低人力物力。