基于叉臂與升降機構(gòu)改進的固定拆疊框機優(yōu)化與應(yīng)用

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摘要：為了促進鋁加工行業(yè)自動化物流系統(tǒng)快速發(fā)展，固定拆疊框機作為關(guān)鍵裝備被廣泛應(yīng)用于物流系統(tǒng)，旨在解決繁重的吊料拆疊工作。所以固定拆疊框機必須具備以下特點：結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，投資產(chǎn)出比高，生產(chǎn)周期短，維護成本低。本文主要探討固定拆疊框機在自動化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及其改進后的成效，旨在促進物流環(huán)節(jié)數(shù)字化與智能化的發(fā)展，為物流系統(tǒng)裝備升級與效率優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：拆疊框；改進；自動化物流系統(tǒng)；社會經(jīng)濟效益

作者：李增文

山西迎才物流設(shè)備科技有限公司

一

引言

鋁材生產(chǎn)型企業(yè)，無論是建材、工業(yè)材生產(chǎn)線，還是光伏邊框生產(chǎn)線（適用于小框為載體的生產(chǎn)線），為了提高鋁材的強度、硬度和耐磨性，改善其力學(xué)性能穩(wěn)定性，從而讓鋁材在后續(xù)加工和使用中不易變形、性能更穩(wěn)定，擠壓后的坯料都要經(jīng)過室溫或加熱保溫時效處理。常見的時效工藝在鋁材入爐前都會將鋁材框疊為三層或四層，目前鋁材廠常見的單框高度約為800mm，滿載重量約為1500kg，三層或四層高度約為2400mm或3200mm，滿載重量約為4500kg或6000kg。采用人工疊框具有以下不利因素：（1）危險性高，（2）工作強度大，（3）效率低，（4）工作環(huán)境惡劣（時效爐周圍溫度高），（5）吊料過程中坯料容易損壞、成品率和貨期受人為因素影響比較大。

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固定拆疊框機配合常規(guī)的輸送系統(tǒng)可實現(xiàn)從擠壓到時效，時效到噴砂或噴涂的物流自動化，解決了述人工疊框的五大不利因素。本文針對固定拆疊框機，通過改進其叉臂與升降機構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)更簡單、性能更穩(wěn)定、維護成本大幅度下降、投入產(chǎn)出比更高。

二

固定拆疊框機的應(yīng)用

鋁加工型材生產(chǎn)工藝流程是經(jīng)過加熱的鋁棒，通過擠壓機擠壓、牽引、冷卻、矯直、鋸切后，進行裝框，裝框后進入時效爐進行時效。時效后有兩種表面處理工藝，一是噴涂，二是氧化，其中去氧化一般要經(jīng)過噴砂處理，表面處理完成后進行包裝，發(fā)貨或深加工，詳細生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 鋁型材生產(chǎn)工藝流程圖

固定拆疊框機的應(yīng)用環(huán)節(jié)主要在擠壓機和時效爐，時效爐和噴砂機之間，如圖1所示。擠壓鋸切后的坯料要進行裝框，為了保證裝框的連續(xù)性，需要及時供給空框，空框的來源一般是表面處理上排后的空框，運輸距離遠。為了最大限度地節(jié)能達效，通常會將空框疊成整垛進行輸送，到達擠壓機處就近整垛緩存且可通過固定拆疊框機拆成單框供擠壓機使用。同時，裝好的滿框要通過固定拆疊框機疊成整垛進時效爐時效；時效后的整垛滿框到達下一工序前要通過固定拆疊框機拆成單框滿足上排或入庫需求。

固定拆疊框機在物流系統(tǒng)中的布局主要取決于擠壓機的臺數(shù)、產(chǎn)能以及擠壓機和時效爐的相對位置。時效前，每臺擠壓機可配置一臺或兩臺固定拆疊框機，在和RGV配合使用時，也可多臺擠壓機配置一臺或多臺固定拆疊框機；時效后，可按照噴砂機臺數(shù)、布局或物流輸送線布局配置一臺或多臺固定拆框機。圖2是固定疊框機在某一鋁加工企業(yè)中的應(yīng)用布局圖，紅色框是固定拆疊框機位置。

圖2 某國外大型鋁加工企業(yè)固定拆疊框機應(yīng)用案例

固定拆疊框機的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動強度、保證了堆疊精度、節(jié)省了空間和成本。固定拆疊框機自動完成料框的堆疊和拆分，相比人工操作，大幅縮短了堆垛和拆垛的時間，減少了料框在流轉(zhuǎn)過程中的等待時間，使擠壓裝框后的工件能更快進入時效爐，提高了整體生產(chǎn)效率。固定拆疊框機的應(yīng)用避免了人工采用吊具進行料框堆疊和拆垛的高強度勞動，降低了工人的勞動強度，同時也減少了因人工操作帶來的安全風(fēng)險。固定拆疊框機能精確控制料框的堆疊位置和角度，確保料框堆疊整齊，避免因堆疊不規(guī)范導(dǎo)致的工件變形或損壞，有利于保證時效處理的效果；通過合理的堆疊方式，有效利用了立體空間，減少了料框存放所需的占地面積，同時也節(jié)省了人工成本和吊具等設(shè)備的使用成本。

圖3 改進前的固定拆疊框結(jié)構(gòu)

圖4 改進后固定拆疊框結(jié)構(gòu)

固定拆疊框機一般在物流系統(tǒng)中配合輸送設(shè)備來使用，實現(xiàn)滿框自動拆疊框和空框的循環(huán)利用。通過載貨臺的升降和叉臂的精準(zhǔn)定位，完成對疊放料框的拆分與組合，確保每一步動作穩(wěn)定可靠。在高溫環(huán)境下仍能保持長時間連續(xù)運行，提升了整體作業(yè)效率，并有效減少人為干預(yù)帶來的不確定性。固定拆疊框機在鋁型材自動化物流系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，其機械故障率、控制穩(wěn)定性尤為重要。然而，改進前的固定拆疊框機結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如圖3）、能耗高、穩(wěn)定性差、維護成本高、交付周期長，無法在物流系統(tǒng)中大量推廣，為解決以上問題，本文對固定拆疊框機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改進。

三

固定拆疊框機的改進及成效

固定拆疊框機主要由金屬結(jié)構(gòu)、載貨臺、升降機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)組成，本次優(yōu)化主要從升降機構(gòu)和叉臂上進行改進（如圖5～圖7），改進前后參數(shù)對照參見表1。

表1 固定拆疊框機改進前后參數(shù)對照表

1.改進前結(jié)構(gòu)

升降機構(gòu)采用卷揚的形式實現(xiàn)載貨臺的升降（如圖5），再輔助光電開關(guān)和激光測距來實現(xiàn)載貨臺升降的精準(zhǔn)定位，定位精度可實現(xiàn)±5mm。這種結(jié)構(gòu)在使用過程中，鋼絲繩由于受力不均會出現(xiàn)四根鋼絲繩松緊程度不一。當(dāng)受力達到起重量限制器的臨界值時會出現(xiàn)報警提示，長期不均使用會造成鋼絲繩疲勞損壞甚至斷裂。

圖5 升降機構(gòu)改進前后示意圖

叉臂機構(gòu)采用直線電機驅(qū)動齒條，齒條和齒輪嚙合傳動實現(xiàn)叉臂0°～90°往復(fù)轉(zhuǎn)動（如圖6）。這種叉臂結(jié)構(gòu)自身體積比較大，而且旋轉(zhuǎn)半徑比較大（R=170mm），對用戶的料框結(jié)構(gòu)有一定的要求，不能完全適用于每個鋁加工企業(yè)的每種料框，具有一定的局限性。

圖6 叉臂機構(gòu)改進前后全局示意圖

2.改進后結(jié)構(gòu)

升降機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動傳動軸，利用電缸來實現(xiàn)載貨臺的升降（如圖5），由于伺服電機配置了編碼器，定位精度可實現(xiàn)±3mm，且減少了光電開關(guān)的使用，使整個系統(tǒng)更穩(wěn)定，故障率更低。同時整機的耗電量下降了2/3，大大降低了使用成本。

圖7 叉臂機構(gòu)改進前后局部示意圖

叉臂機構(gòu)設(shè)計采用楔形結(jié)構(gòu)（如圖6），空載時氣缸推動滑塊使得叉臂到達叉取中位，且滑塊設(shè)計了自鎖結(jié)構(gòu)。當(dāng)重物壓到叉臂上時，由于滑塊的自鎖結(jié)構(gòu)，使叉臂始終保持在叉取位不動，重物越重，壓得越緊，更可靠。叉臂的厚度只有30mm（如圖7），占用空間小，適用于任何形式的料框。

3.改進成效

改進后的固定拆疊框機可實現(xiàn)升降機構(gòu)的模塊化設(shè)計、生產(chǎn)周期短。升降機構(gòu)采用一系列的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，伺服電機、驅(qū)動軸、換向器以及電缸都是市場成熟產(chǎn)品，相對于卷筒，滑輪，鋼絲繩來說大幅縮短了生產(chǎn)周期，便于根據(jù)不同生產(chǎn)線需求進行定制化擴展，提高了生產(chǎn)制造商的交付能力和市場競爭力。改進后，固定拆疊框機機械性能穩(wěn)定、故障率低。叉臂機構(gòu)采用重載機械自鎖與輕載氣動相結(jié)合的機械原理，合理利用氣動結(jié)構(gòu)簡單，動作響應(yīng)快的特點，顯著提升了機械臂在高負荷作業(yè)下的穩(wěn)定性和抗疲勞性能以及空載下的靈活性，使整個結(jié)構(gòu)簡單而合理。改進后，固定拆疊框機的維護成本低、使用壽命長。叉臂機構(gòu)重載工況下采用了純機械自鎖機構(gòu)，而且升降機構(gòu)采用了齒輪嚙合的傳動原理，精度更高，整套系統(tǒng)是免維護的。改進后，固定拆疊框機的定位精度高，控制更穩(wěn)定。由于采用了伺服電機驅(qū)動，通過編碼器實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，比光電開關(guān)和激光測距控制精度更高，降低了故障點，設(shè)備更穩(wěn)定，尤其是在高溫、高濕及粉塵較多的工業(yè)環(huán)境中，整套系統(tǒng)仍能保持很高的穩(wěn)定性。

改進后的固定拆疊框機已在多家大型鋁材企業(yè)成功投運，成為實現(xiàn)智能制造升級的關(guān)鍵裝備之一，顯著提升了生產(chǎn)安全性與產(chǎn)品穩(wěn)定性。相比改進前的機構(gòu)，人工干預(yù)減少95%以上，作業(yè)效率提升20%，年綜合運維成本下降超90%。

四

社會經(jīng)濟效益

設(shè)備的投資回報，是企業(yè)選擇設(shè)備的關(guān)鍵考量因素。改進后的固定拆疊框機，由于結(jié)構(gòu)更簡單，性能更穩(wěn)定，通過人力成本節(jié)約和產(chǎn)能提升，以單臺設(shè)備投資回收周期為例，平均可在10個月內(nèi)實現(xiàn)回本，而改進前的固定拆疊框機需要24個月才能回本。結(jié)合設(shè)備長達20年的設(shè)計使用壽命，其全生命周期內(nèi)可為企業(yè)帶來持續(xù)穩(wěn)定的經(jīng)濟效益。同時，由于改進了叉臂結(jié)構(gòu)而降低了故障率，使得生產(chǎn)連續(xù)性提升，進一步增強了產(chǎn)線的整體稼動率。按年產(chǎn)1萬噸鋁型材產(chǎn)線測算，改進后故障率的降低，每年可提高產(chǎn)能約1000噸，按照每噸鋁型材坯料銷售價格23000元，單臺設(shè)備年增銷售額達2300萬元以上。

改進后的固定拆疊框機已實現(xiàn)無人值守模式下的7×24小時連續(xù)運行，平均無故障時間突破5000小時，平均修復(fù)時間縮短至半小時以內(nèi)。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)使非計劃停機時間減少72%，維護響應(yīng)速度提升85%。

五

結(jié)語

固定折疊框機以其模塊化設(shè)計、高效拆疊框能力及空間優(yōu)化優(yōu)勢，深度融入物流系統(tǒng)的緩存、搬運等核心環(huán)節(jié)。不僅破解了傳統(tǒng)周轉(zhuǎn)料框存儲占用大、人工操作效率低的痛點，更推動物流環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動化銜接、成本精準(zhǔn)管控與綠色循環(huán)發(fā)展。未來，隨著物流智能化、柔性化需求的升級，固定折疊框機將在智能化改造、多場景適配性及與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合上持續(xù)突破，為構(gòu)建高效、經(jīng)濟、可持續(xù)的現(xiàn)代物流體系注入更強勁的動力，成為物流產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級中不可或缺的關(guān)鍵裝備支撐。

———— 物流技術(shù)與應(yīng)用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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