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自动化物流及装框系统在光伏边框铝材生产中的应用
2026-03-26
武志杰 马笑
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摘要：应对光伏行业竞争日趋激烈的现实环境，光伏边框铝材生产企业在生产过程中，如何增产提效，如何降低人力物力成本，如何提升自动化水平淘汰落后工艺和产能等都成为了决定其是否能在行业竞争中破局重生的关键因素。本文介绍的自动化物流及自动装框系统的合理运用将有效提升光伏边框铝材生产企业的行业竞争力。
关键词：·光伏边框铝材；自动化物流：大框模式；自动折装框：工厂规划
一、引言
近年来，在全球产业链重构加速、地缘政治博弈加剧的背景下，中国产业结构转型面临多重挑战和机遇。对于铝加工行业，传统建筑铝型材的需求持续萎缩，但新能源、汽车零部件、光伏等领域的高端铝材需求却保持增长，一定程度上填补了市场增量需求。
据中国有色金属加工工业协会通报，2024年中国铝材综合产量约为4900万吨，同比增长4. 4%。其中光伏型材为395万吨，较2023年增加55万吨，同比增长约16.2%，增长速度大幅领先铝材行业整体水平，保持着稳健的上升态势。 而庞大的市场需求同样也吸引了大量的竞争者争相进入光伏边框铝材生产赛道，致使该领域竞争日渐激烈。光伏型材加工费已从2022年的约7000元/吨降至约2000元/吨，传统的小批量、人工作业模式的生产企业逼不得已只能减产、停产，而大型企业也必须依托大规模、自动化生产才能摊薄成本，需大刀阔斧的升级转型才有望在后续行业集中趋势不断加剧的过程中脱颖而出。
针对上述行业现状，笔者及所在企业进行了多年的深耕探索，参与了十余家光伏边框生产企业的规划、筹建及改造。本文将重点介绍自动化物流及自动装框系统在光伏铝材生产企业生产升级转型中发挥的显著作用，并提出了企业在工厂规划筹建过程中选配该系统时的要点和建议。
二、光伏铝材生产企业升级转型的现状分析
光伏边框铝材市场需求兴起的初期，铝材厂普遍在原有工厂的建材生产设备及模式体系下转型进入，广房分布、设备配置、排产模式、人工配比、转运方式等均从原建材生产体系转换而来，生产效率低，成本居高不下。很多企业为了适应光伏型材的生产更换或改造了挤压线、时效炉、氧化线等专机，自动化程度和生产效率得以改善，一定程度上提升了竞争力，而整个生产环节中最耗费人力的环节一铝材的装卸框、空满框转运就逐渐成为了越来越显著的痛点。
应对这一痛点，有的企业在已投产产线上通过在挤压出料位、喷砂上下排位、氧化上下排位等点位布置自动拆装框系统，局部区域增设对接相邻工序的输送线、自动/半自动搬运车，有效减少作业人员，进一步提升行业竞争力。 但改造升级的局限性较大，很难实现真正意义的全流程自动化生产，在行业竞争继续深化，加工费进一步下探的大趋势下，很难获得预期竞争优势。最终能够在行业中保持领先竞争力的最有效途径必然是投建专业的、具备极高的全流程自动化水平的、有较大规模产能释放能力的新型铝材生产厂区或车间。
对于光伏边框铝材生产，其核心生产工艺流程为铝挤压一时效处理一喷砂一氧化一深加工。合理的厂房及设备排布应最大化的顺应工艺流程的需求。但老厂因为早期规划建设时的局限性，大多厂房、设备分散，各工序生产设备前后交叉，难以满足全流程自动化生产的需求。而对于新建的厂区或车间，可以在整体布局时充分考虑各环节生产设备的布置位置，让流程前后通畅，规避远距离、重复搬运调度，同时预留合理的自动化物流输送设备区域及各环节自动缓存区域。某光伏边框型材生产企业的新建工厂布局如图1所示，各环节工艺设备排布整齐合理，且充分预留了自动化物流及仓储所需的运行空间，在实际生产过程中，各环节对接顺畅，自动化程度非常高，具有非常显著的竞争优势。
图1某光伏边框型材生产工厂设备及自动化物流布局示意图
三、合理的料框及装框型式选择光伏边框型材生产要解决众
多不同环节的型材流转需求，其中以单只或单层型材进行输送的场景均位于各生产机台的进出料位置，通常各生产机台厂家会配备相应的输送设备，流转输送比较成熟。而跨流程对接不同的生产机台则完全属于物流搬运的范畴，自动化物流输送系统需重点解决该类搬运问题。
而跨机台搬运，出于稳定性和搬运效率考虑，需选用料框作为搬运载体。选用合适的料框对光伏边框型材自动化生产意义重大。单框的装载能力、装卸框的型式、料框的输送面结构和细节处理都是非常重要的因素，要满足高效生产的需求，保证铝型材的外形及表面不受损伤，同时也要保证空、满料框流转的稳定和顺畅。
目前，光伏边框铝材生产行业内使用的料框简单按类型划分主要为两类，一类是如图2所示的小框，外形尺寸基本在6000mm×1200mm×800mm左右，基本脱胎于常规铝材厂原有的建材等生产模式时所用料框，从顶部逐层拆装。另一类是如图3所示的大框，外形尺寸基本在7500mm×1500mm×2500mm左右，是光伏行业兴起后匹配光伏型材截面型式相对统一、单根壁厚薄重量轻等特点而特别设计制造的专用料框，从前后逐层辊入辊出拆装。
图2小框示意图 图3大框示意图
在众多边框型材工厂规划及建设中，出于不同的考虑，两类料框均有企业采用。有的企业考虑自身产品构成及远期行业形势转变时具有更好的转型灵活性，希望料框可以更好的兼容边框型材和建材、工业材等，会优先选用兼容性更强的小框。而另一些企业，新建的工厂定位为专业的大型边框型材生产基地，以追逐边框生产最优模式为导向，最终很多选用了大框作为边框铝材生产的搬运载体。而多家专业生产边框型材的头部企业的实际应用和验证都证明了大框模式在该领域内具有非常显著的综合优势，真体体现在以下几点。
一是装载量大。每个料框随着设计规格的不同可装载700~1000支铝材，对比常规小框200～400支铝材的装载量，可以明显的降低物流搬运频次，更好的满足生产设备产能升级的的诉求，合理减少输送设备数量，降低设备投资。
二是拆装、转运及存放过程不易对型材造成损伤。大框的自动化生产模式，为辊入式拆装框，铝材逐层沿着分布均匀的毛毡辊输送进入料框，全程无刚性磕碰，同时进入料框后，每层隔条只承受该层型材重量，不存在相互叠层存放的问题，即使长时间存放也不会发生变形。而小框通常为抓取式拆装框，抓取过程中因隔条发放偏差、夹具稳定性等原因，会有一定概率对型材造成磕碰及悬挑变形，同时铝材与隔条逐层叠放，底层铝材会因隔条承重太大变形而相应发生变形。
三是拆装框速度快。大框模式，匹配辊入式拆装框模式，以下沉式升降装框机为例，每拆装一层仅需要料框平台进行一次80mm左右的微升降，辊道对齐后，整层料高速输出/输入。同时，一层容纳支数通常在20～30支。而小框模式拆装需机械手完成较大行程的两次横移及两次升降，耗时较长，且易受隔条发放故障的影响。同时，一层容纳支数通常在20支以内。
四是省去繁杂的隔条收发、转运及养护工作。大框模式隔条嵌套安装于料框结构上，全生产流程均不离框，隔条随框，无需布置专用的撤运和收发设备。因隔条不离框且不重载，隔条变形概极低，寿命长，只需定期检查即可。而小框模式每层拆装都要进行隔条收发，需要配备专用机构，同时需根据型材长短精准区分收发支数。此外，隔条还需通过专用设备或人工从后工序运送回前工序，再通过抓取机构送至隔条收发机构进行发放。而且在上还的这些环节中，隔条容易发生碰撞及变形，需经常安排专人对隔条进行检查养护，避免因隔条变形造成拆装框设备的故障和损坏。
综上所述，在光伏边框型材生产中，大框及与其匹配的辊入式装框模式具有显著的优势，专业生产边框型材的企业应优先选择大框及辊入式拆装框模式。
四、辊入式自动拆装框机的结构及应用
对于大框模式，物流自动化项自面对的第一道至关重要的关卡就是自动化拆装框。它不同于常规的小框不仅可以选用人工装框，而且有较为成熟的半自动/全自动装框设备，大框特有的结构型式决定其只能用高度定制化的专业设备才能完成拆装框，人工及常规的自动拆装框机均无法与其匹配。
应对这一需求，经过众多项目的探索与验证，结合客户的愿望诉求和建议，并充分吸收学习行业内外相似应用场景中各家供应商的解决方案，从设备结构、作业模式到控制方式等多方面经验。最终研发并投产出高度匹配大框装/拆框需求的专业设备一辊入式自动拆装框机，如图4、图5所示。
图4辊入式自动拆装框机模型示意 图5辊入式自动拆装框机实际应用图
辊入式自动拆装框机是一套多种机构协同运行的组合设备，其结构主要包括框架钢结构、料框升降输送载货台、侧移式托料输送机构、配重装置及各方向驱动机构、各类定位、检测、安全防护元件等。全程通过自动化程序控制各机构的协同动作，实现X轴、Y轴、Z轴三个方向的组合动作，高效稳定的完成拆/装框作业。
以装框为例，空框由物流系统RGV或辊式输送机输送入装框机的料框升降输送载货台，随后载货台带空框下降，直至料框顶层货格到达指定装料标高。随后侧移式托料输送机构平移伸入料框立柱中间的空档。托料输送机构的输送标高与装框机前端的来料输送机保持一致，待其伸缩到位后，整层料高速输入，等料输送到位后，载货台带动料框进行微升降，顶层货格隔条顶起托料输送机构上的整层铝材，完成该层装料。随后载货台继续上升，至第二层货格到达装料标高，前端来料输送机开始输送第二层铝材至托料输送机构，待输送到位后，载货台再次带动料框进行微升降，第二层货格隔条顶起托料输送机构上的整层铝材，完成该层装料。按此动作循环往复，直至料框所有货格均完成装料后，托料输送机构平移退出料框区域，载货台带动料框升降至与物流系统RGV或辊式输送机对齐后，将装框完成的满框送出，随后由物流系统再补充一个空框进入装框机，开启下一个装框循环。
该设备及其工作模式，深度契合光伏边框铝型材的产品结构特点和生产需求，具有非常显著的优势。
五、自动化物流及装框系统的应用成效
全流程自动化物流及装框系统已经在行业内多家头部企业中得到应用，借助自动化物流系统及大框装卸框模式的匹配和应用，获得了显著的行业竞争优势。江苏某光伏边框型材生产企业原为传统铝型材生产厂家，为切入光伏边框型材，在反复论证评估后，最终决定投建全新的专业光伏边框生产智能工厂。新工厂占地约200亩，规划年产10~20万吨铝材边框产品。工厂设计布局上充分贴合工序特性，同类型设备集中排布，不同类型设备按工序先后依次排布，深度匹配了自动化物流输送系统，并在氧化前环节选用了高效稳定的大框及辊入式拆装框模式，氧化后至深加工环节选用了灵活方便的小框配合自动抓取拆装框模式，先进系统的设计理念，使其具备了行业领先的自动化生产条件和极高的土地利用率。其整体布局及生产流程路径如图6所示。
图6江苏某光伏边框型材生产企业自动化物流工厂布局
该工厂2024年建成投产后，很快展现出强劲的竞争力，借助于自动化生产设备与自动化物流输送系统的高效协同，整个生产运营过程中，大大减少了人力成本的投入，对比同行业常规生产模式的企业，节省了60%的人员。同时，辊入式拆装框系统高效稳定的性能表现，完全打破了常规生产模式中因为人工及不稳定的拆装框系统对生产设备产能释放产生的影响和瓶颈，整体生产节奏非常顺畅，对产能的提升至少达到20%。
新厂投产不到半年，该企业即全面停产了原有的旧工厂，正式进入现代化生产的快车道。并且作为一个较晚进入光伏边框铝型材生产行业的后起之秀，不仅在近一年来光伏铝材加工费不断下行的竞争环境下能够保持处于行业前列的利润水平，同时不断吸纳周边同行因无法降低生产成本而不得不释放的订单。目前该企业如同一匹行业黑马，吸引了众多下游客户和同行的关注和青睐，产能和订单量攀升迅速，已逐步达到了接近5%的国内市场占有率。
六、实践应用建议
自动化物流及装框系统在多家光伏边框铝材生产头部企业的成功配套与实施，对行业内其他企业在原有工厂升级及新工厂规划建设中均具有相当可观的参考意义。针对新工厂规划建设中对自动化物流及装框系统的匹配，以图7所示方案为例，总结如下几个要点和建议：
图7 新工厂规划排布要点及建议示意图
全局规划，统筹设计。厂区规划设计初期，通过全局规划、统筹设计生产设备与自动化物流系统，避免后期介入时厂房或设备布局定型后物流交叉冲突以及设备的冗余浪费。比如，应充分考虑人员流动路线，即工人进出各自岗位的路线、管理人员及客户参观视察的路线等，通过专用通道设置尽量避免人员与设备的交叉，必须交叉的节点要设置自动化检测联动措施，人动机停，为安全生产提供可信可靠的保障措施。
一体车间，增效降本。建设一体化大型车间，集中容纳全流程生产设备，避免生产流转过程中连接不同车间产生的额外钢构和设备成本，在一体化车间中打通全工序的生产衔接和物流调度。
自动物流，全线覆盖。从挤压装框开始，一直到时效处理、喷砂、氧化整个主生产环节配备自动化物流系统及装框系统，.提升全流程范围内的搬运效率，减少人工作业需求。
同类设备，集中布置。同类生产设备尽量同侧对齐布置，保证物流输送流向统一。同一工序所有设备集中通过一条物流线或物流轨道进入后道工序，避免因设备布置不合理导致的反复的交叉搬运，影响生产及物流效率。
大框为主，小框为辅。纯粹的光伏边框型材生产厂，料框模式选择上建议在挤压至氧化上排阶段优先选用大框，在氧化下排至后续深加工或毛还库阶段选用小框，这样的组合可以保证整个系统兼具在型材生产阶段各工序调度的稳定高效和在毛坯外发或深加工阶段的灵活便利。
生产缓存，按需设置。充分考感各工序前后存储缓存需求，具备满足生产工艺调度的缓存能力，同时具备局部区域或设备停机调整等特殊情况下的元余存储能力。对于储量、吞吐爱要求较高的环节，建议以立体仓库作为生产环节的衔接枢组，实现自动化在线缓存、大批量空满料框信息化管理及精准定位取放，确保前后工序高效准确对接。
七、结语
在光伏边框铝型材生产行业，自动化物流及装框系统的应用具有显著的现实意义，其对于企业提升产能、降低生产成本、打造核心竞争力将发挥不可替代鉴和经验，这一点已由众多具有前瞻性开拓精神的企业于实际应用，也渐渐成为了行业共识。在光伏行业竞争进一步深化的过程中，自动化物流及装框系统必然会随着越来越多企业升级转型而迎来更广阔的市场和挑战。为企业规划匹配真正切合需求的自动化物流及装框系统是一个系统性课题，需要大的调研和探索，本文结合过往参与规划实施的同类项目经验，做出了粗浅的总结和建议，希望可以对光伏边框铝材生产行业全面拥抱自动化物流系统抛砖引玉，提供借鉴和经验，进一步推动行业实现更高质量的发展。
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