拆疊框RGV在長桿件領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用及改進(jìn)

白新河，李增文

（山西迎才物流設(shè)備科技有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

2012年國內(nèi)首套長桿件鋁型材自動(dòng)化立體倉庫的研發(fā)應(yīng)用，標(biāo)志著以鋁型材長桿件為代表的企業(yè)邁出了智能化、數(shù)字化的第一步。之后隨著鋁加工行業(yè)的快速發(fā)展，各個(gè)企業(yè)的年產(chǎn)能快速增長，生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，單純的自動(dòng)化立體倉庫已經(jīng)不能滿足企業(yè)的發(fā)展需求，尤其近兩年建材市場受房地產(chǎn)市場的影響逐年下滑且太陽能面板用邊框需求的逐年增長，很多企業(yè)開始向生產(chǎn)工業(yè)材轉(zhuǎn)型，并提高整個(gè)工廠的智能化程度，減少人為因素造成的產(chǎn)品性能波動(dòng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性成為很多鋁加工企業(yè)的迫切需求。

由于鋁型材具有截面型式多、長度長（一般在6-8m之間）、加工工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，一般各個(gè)工序之間是通過料框來轉(zhuǎn)運(yùn)的，傳統(tǒng)工序之間轉(zhuǎn)運(yùn)都是通過人工來完成，不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)性高，而且鋁型材碰傷率高，信息跟蹤錯(cuò)誤損耗大。2019年廣東某鋁業(yè)集團(tuán)率先嘗試建立智能化、數(shù)字化工廠，經(jīng)過長期交流研討、技術(shù)論證，2020年正式開始建立數(shù)字化工廠，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，針對長桿件的轉(zhuǎn)運(yùn)，研發(fā)了多種RGV,其中拆疊框RGV 不僅具備傳統(tǒng)RGV的基本特征，可實(shí)現(xiàn)一對一、一對多、多對一、多對多任意組合的物料搬運(yùn)，而且可以實(shí)現(xiàn)垂直方向2-4框的疊拆垛，并經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)是第八代產(chǎn)品了。拆疊框RGV的應(yīng)用，可滿足長桿件領(lǐng)域多框物料的轉(zhuǎn)運(yùn)及拆疊框，不僅節(jié)約了勞動(dòng)成本，而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；不僅提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率，而且增加了產(chǎn)能；不僅降低了危險(xiǎn)性，而且提高了成品率，最重要的是實(shí)現(xiàn)了智能化、數(shù)字化車間，既提高了企業(yè)形象，又達(dá)成了企業(yè)的雙碳目標(biāo)。

1 拆疊框RGV研發(fā)背景

拆疊框RGV的設(shè)計(jì)理念是從廣東某鋁加工企業(yè)的整廠物流自動(dòng)化規(guī)劃過程中產(chǎn)生的，在擠壓裝框和噴砂上下排都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的前提下，為了實(shí)現(xiàn)整廠物流的自動(dòng)化，需要解決擠壓裝框后到時(shí)效前的疊垛自動(dòng)化以及時(shí)效后到噴砂前的拆垛自動(dòng)化。經(jīng)過長期的一線調(diào)研和反復(fù)的技術(shù)論證，研發(fā)出了第一代拆疊框RGV，即單工位拆疊框RGV,如圖1（a）所示，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，從而幫助用戶完全打通并實(shí)現(xiàn)了從擠壓到表處的全過程自動(dòng)化生產(chǎn)，為下一步的工廠智能化制造奠定了良好基礎(chǔ)。

圖1 拆疊框RGV

2 拆疊框RGV的研發(fā)實(shí)踐

拆疊框RGV的最大特點(diǎn)是將行走、升降、輸送三個(gè)主要功能集成于一體，整機(jī)按照一定的順序組合進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)料框不同組合層數(shù)的拆疊垛，其有兩方面的亮點(diǎn)：第一，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和升降的同步運(yùn)行，做到效率最大化；第二，一機(jī)多用，可作為普通的重載RGV使用，可作為疊框RGV使用，也可作為拆框RGV使用，靈活多樣。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拆疊框RGV的結(jié)構(gòu)主要由金屬結(jié)構(gòu)（含頂架、立柱、底架、輔助結(jié)構(gòu)等）、提升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、載貨臺（含叉臂機(jī)構(gòu)）、輸送機(jī)構(gòu)和電氣裝置組成，如圖1所示。

后期根據(jù)實(shí)際需求又開發(fā)出雙工位拆疊框RGV，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除保留行走機(jī)構(gòu)是一套之外，其余的輸送機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和叉臂機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)成兩套（如圖1（b）所示）。

2.2 應(yīng)用工況分析

（1）應(yīng)用于滿框鋁型材產(chǎn)品進(jìn)時(shí)效爐前的疊垛工況。擠壓裝框完成后，大部分鋁型材要經(jīng)過時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效。為了節(jié)約能源，響應(yīng)國家低碳環(huán)保的政策，同時(shí)為了提高時(shí)效爐的空間利用率并降低時(shí)效成本，結(jié)合材料特性和時(shí)效工藝，通常會(huì)將擠壓裝框后的鋁型材滿框疊放3-4層成一垛，以一爐至少4個(gè)整垛的形式進(jìn)行時(shí)效處理。

（2）應(yīng)用于時(shí)效后的整垛滿框鋁型材拆垛工況。比如去噴砂或者去表面處理均需要拆成單框，此時(shí)該設(shè)備就反向動(dòng)作，將滿框一個(gè)一個(gè)拆出來送到指定工位。

（3）應(yīng)用于表處車間返回的整垛空框拆垛工況。要通過拆/疊框RGV的搬運(yùn)和拆框分發(fā)每個(gè)擠壓裝框位，如圖2所示，拆/疊框RGV在工序之間的雙向應(yīng)用，取代了人工搬運(yùn)、人工拆/疊框，實(shí)現(xiàn)了工序之間的全自動(dòng)化。

圖2 工藝流程圖

拆疊框RGV的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多臺擠壓機(jī)裝框位對應(yīng)多臺時(shí)效爐的滿框疊垛，以滿足不同合金的材料按照時(shí)效工藝分別疊垛進(jìn)行時(shí)效處理的需求。

雙工位拆疊框RGV更是一臺拆疊垛車可以同時(shí)裝載兩垛滿框或兩垛空框，或者一垛滿框和一垛空框。左邊工位負(fù)責(zé)疊滿框，右邊工位負(fù)責(zé)拆空框，提升機(jī)構(gòu)和叉臂機(jī)構(gòu)能保證左右工位各自獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。這樣在擠壓機(jī)裝框位能快速地接走滿框并發(fā)放空框，收滿框和發(fā)空框的效率有了極大提高。

2.3 應(yīng)用效果分析

拆疊框RGV的推廣應(yīng)用具備較好的效果，同時(shí)帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）解放了人力，解決了人工操作叉車夠不著的問題，消除了人工操作普通行車進(jìn)行拆疊垛作業(yè)的危險(xiǎn)因素、摘掛鉤難度問題和安全隱患，同時(shí)大幅降低了人力成本。

（2）提高了搬運(yùn)和拆疊垛效率，提高了生產(chǎn)力。

（3）減少了人為干預(yù)的因素，使得物料信息的傳遞更加及時(shí)和準(zhǔn)確，方便生產(chǎn)計(jì)劃的快速制定、更改和保障生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)、有效實(shí)施。

拆疊框RGV與其他同類型設(shè)備，比如智能行車、固定拆疊垛機(jī)等設(shè)備相比，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和高度的靈活性，可以根據(jù)作業(yè)區(qū)域分段、分區(qū)配備，也可以跨區(qū)作業(yè)。根據(jù)工藝需求進(jìn)行布置，一軌單車、一軌雙車、一軌多車，車和車之間安全避讓，兼顧效率，非常適合在長桿件以料框?yàn)檩d體的工廠物流布局中推廣使用。

2.4 應(yīng)用案例分析

圖3為一個(gè)折疊框RGV的應(yīng)用案例。在此項(xiàng)目中，有4臺2 000t擠壓機(jī)、5臺時(shí)效爐和4臺噴砂機(jī)，日產(chǎn)160t，單框產(chǎn)品平均約300kg，折合框數(shù)為533 框/天，平均每小時(shí)產(chǎn)能：擠壓裝框24框（折合6垛），同時(shí)分發(fā)空框24框（折合6垛）。50m的跨度，滿框或空框?qū)⒔?min拆疊一垛。

圖3 拆疊框RGV的應(yīng)用布局圖

對比可知，按照4臺2 000t擠壓機(jī)計(jì)算，時(shí)效爐前后各配置1臺單工位拆疊框RGV，可節(jié)省工人15人，每年可節(jié)省工資支出150萬元，以及15人的保險(xiǎn)和福利費(fèi)用（不包含工傷支出），設(shè)備投資節(jié)省2輛叉車、2臺行車，當(dāng)年就可以回本；除此之外，還有一些隱性的收益，運(yùn)輸效率可提高316%，物料碰傷數(shù)降低95.6%，最重要的是可以將產(chǎn)能提高到280t/天，產(chǎn)能提高了75%；工人的勞動(dòng)強(qiáng)度變低，作業(yè)危險(xiǎn)性更小，幸福指數(shù)大幅度上升。如果按照7臺擠壓機(jī)計(jì)算，推薦使用雙工位拆疊垛RGV經(jīng)濟(jì)性更好，綜合收益將會(huì)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻倍。

3 拆疊框RGV的改進(jìn)設(shè)計(jì)

第一代拆疊框RGV是為了解決以料框?yàn)檩d體的長桿件的拆疊框和轉(zhuǎn)運(yùn)而設(shè)計(jì)開發(fā)的，在設(shè)備研發(fā)過程中進(jìn)行了反復(fù)驗(yàn)證計(jì)算并進(jìn)行試制，空負(fù)載試驗(yàn)，且滿足各項(xiàng)預(yù)定動(dòng)作。該設(shè)備在交付使用過程中，由于存在一些不確定的使用因素，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.1 料框高度變大帶來提升高度加大提出設(shè)計(jì)改進(jìn)需求

第一代拆疊框RGV是基于高度為700mm的料框疊放4層而設(shè)計(jì)的，提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征決定了其具有局限性，同時(shí)為了優(yōu)化減速電機(jī)的箱體選型采用該結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 拆疊框RGV提升機(jī)構(gòu)1主要組成

拆疊框RGV的提升機(jī)構(gòu)工作原理是由一個(gè)主動(dòng)卷筒驅(qū)動(dòng)四個(gè)從動(dòng)卷筒，帶動(dòng)分別纏繞在四個(gè)從動(dòng)卷筒的四根鏈條同步升降，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)載貨臺的同步升降。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是升降同步性好，理論上可通過調(diào)整組合卷筒的半徑比來降低減速電機(jī)的負(fù)載扭矩，降低成本；缺點(diǎn)是當(dāng)提升高度增加或者料框高度增加時(shí)，載貨臺的升降工作行程就會(huì)增加，現(xiàn)有的主動(dòng)卷筒直徑?760、從動(dòng)卷筒直徑?420，無法滿足需要，必須通過以下兩方面來增加升降行程。

加大從動(dòng)卷筒的直徑。其缺點(diǎn)一是在負(fù)載和主動(dòng)卷筒直徑不變的情況下，會(huì)增加負(fù)載扭矩，進(jìn)而會(huì)增大提升電機(jī)的輸出額定扭矩；二是在料框?qū)挾炔淮蟮那闆r下，限制頂架的布局空間，從動(dòng)卷筒的直徑會(huì)受到限制。

加大從動(dòng)卷筒的旋轉(zhuǎn)角度α。由于α=β，主動(dòng)卷筒的旋轉(zhuǎn)角度β也會(huì)相應(yīng)的增加，關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)到極限位時(shí)，主動(dòng)鏈條將不和主動(dòng)卷筒相切，主動(dòng)鏈條的角度和受力將發(fā)生較大變化，影響鏈條和卷筒連接件的使用壽命。

因此，為了使拆疊框RGV適合于不同行業(yè)的使用需求，使升降高度適合不同高度尺寸的料框，必須對提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 拆疊框RGV提升機(jī)構(gòu)2主要組成

該結(jié)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)1相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）定滑輪和載貨臺動(dòng)滑輪配合使用，每根鋼絲繩受力是起升載荷的1/8；

（2）采用直徑更小的卷筒，使得負(fù)載扭矩更?。?/p>

（3）可調(diào)整鏈輪1和鏈輪2的速比來降低減速電機(jī)的輸出額定扭矩，結(jié)構(gòu)更緊湊；

（4）可通過調(diào)整卷筒直徑或長度來改變升降行程；

（5）驅(qū)動(dòng)裝置采用雙出軸雙鏈輪結(jié)構(gòu)形式，使得傳動(dòng)更平穩(wěn)，升降更穩(wěn)定。

提升機(jī)構(gòu)2不僅結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝成本低，而且使用故障率低，設(shè)備維護(hù)成本低，目前已在多個(gè)項(xiàng)目上應(yīng)用，無故障記錄。

3.2 人工參與造成的誤操作引發(fā)機(jī)械故障提出對轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)需求

拆疊框RGV載貨臺的叉臂機(jī)構(gòu)是整套設(shè)備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，其利用了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作原理，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)又轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)，如圖6所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)；缺點(diǎn)是料框雙向輸送時(shí)，在項(xiàng)目調(diào)試初期，由于手動(dòng)操作或半自動(dòng)操作情況比較多，操作人員的熟練度不夠，當(dāng)擺臂在位置1時(shí)，由于誤操作，料框從站點(diǎn)上沿A向向RGV輸送時(shí)，會(huì)造成料框撞擊擺臂的情況，此時(shí)由于中間驅(qū)動(dòng)裝置是帶抱閘的，且選用的減速機(jī)外殼是鋁制品，沿A向撞擊的能量傳到中間減速電機(jī)后無法釋放，會(huì)造成減速機(jī)地腳安裝孔破裂。

圖6 拆疊框RGV叉臂機(jī)構(gòu)1主要組成

叉臂機(jī)構(gòu)1這種結(jié)構(gòu)在完全自動(dòng)化模式運(yùn)行下故障率比較低，且由于結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)，用戶反饋使用情況良好，為了延續(xù)這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，對這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部優(yōu)化，吸取了貨叉限扭力器的設(shè)計(jì)思路，將驅(qū)動(dòng)裝置輸出軸端的回轉(zhuǎn)臂設(shè)計(jì)成了帶扭力限制器的機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 帶扭力限制器的回轉(zhuǎn)臂

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，當(dāng)擺臂受到順著擺臂運(yùn)動(dòng)軌跡方向的撞擊力時(shí)，扭力限制器會(huì)因?yàn)槭艿匠鲈O(shè)定扭力的扭矩而打滑，從而避免減速機(jī)地腳安裝孔受力斷裂。但是當(dāng)擺臂受到逆著擺臂運(yùn)行軌跡方向的撞擊力時(shí)，作用在電機(jī)輸出軸上的力不是一個(gè)扭力，而是一個(gè)沿徑向的力，也會(huì)對電機(jī)地腳安裝孔產(chǎn)生一個(gè)大的破壞力，可靠性只能做到50%，同樣存在故障的風(fēng)險(xiǎn)。

為了從根本上解決當(dāng)擺臂受撞擊力時(shí)減速電機(jī)地腳安裝孔斷裂的問題，需要尋找一種當(dāng)擺臂受到撞擊力時(shí)，撞擊力在擺臂處卸載掉而不會(huì)傳遞給減速電機(jī)。圖8這種結(jié)構(gòu)不僅解決了減速電機(jī)受輸送方向撞擊力的影響，而且解決了當(dāng)擺臂伸叉過程中受阻時(shí)，減速電機(jī)因過載而損壞的問題，便很好地解決了這一問題。

圖8 拆疊框RGV叉臂機(jī)構(gòu)2主要組成

叉臂機(jī)構(gòu)2 主要由叉臂、齒輪齒條傳動(dòng)副、傳動(dòng)軸、扭力限制器、減速電機(jī)等組成，減速電機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)叉臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。

在設(shè)備使用過程中，當(dāng)叉臂受到A向或者B向的撞擊力時(shí)，力會(huì)傳遞到叉臂兩側(cè)的滑塊上，進(jìn)而傳遞到載貨臺結(jié)構(gòu)件上；當(dāng)叉臂伸出的過程中，受到C向的運(yùn)動(dòng)阻力時(shí)，扭力會(huì)超出扭力限制器的設(shè)定值，聯(lián)軸器打滑，進(jìn)而避免減速電機(jī)過載損壞。

改進(jìn)以后的提升結(jié)構(gòu)支持提升高度或料框高度理論上可以任意大，通過調(diào)整卷筒直徑和長度輕松實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)以后的叉臂機(jī)構(gòu)徹底杜絕了人工誤操作造成的碰撞對減速箱底座的損壞。

4 改進(jìn)后的拆疊框RGV

到目前為止，拆疊框RGV已經(jīng)應(yīng)用到第八代產(chǎn)品（如圖9所示），按照工位分類：有單工位拆疊框RGV、雙工位拆疊框RGV；按照疊框?qū)訑?shù)：有三層、四層拆疊框RGV，可實(shí)現(xiàn)不同層數(shù)，單雙工位不同組合的設(shè)計(jì)。第八代拆疊框RGV，自重10t，負(fù)載8t，總高度5.1m，長度7.2m，由于其體積大，自重重，我們形象的稱其為“巨無霸”，主要應(yīng)用于運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，長桿件料的實(shí)框和空框的拆疊框整垛搬運(yùn)，效率高、性能穩(wěn)定，易維護(hù)且維護(hù)成本低，性價(jià)比高，各種機(jī)型已在佛山堅(jiān)美、浙江華釔、中創(chuàng)、羅普斯金、今飛等鋁加工企業(yè)應(yīng)用，效果良好。

圖9 第八代拆疊框RGV