摘要：21世紀的制造業(yè)是以系統集成和交叉融合為基本理念的新型制造業(yè)。我國是家具生產(chǎn)、消費和出口的大國，伴隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當前以提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、改善人工作業(yè)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現，未來(lái)制造業(yè)將向著(zhù)越來(lái)越精致化、人性化、個(gè)性化的方向發(fā)展。當前個(gè)性定制化的需求已然出現，小批量訂單逐年暴增，工廠(chǎng)大批量木工產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)模式已經(jīng)不適應定制化的要求。面對這些小批量、多品種需求，常規木工機械已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。因此研發(fā)一套智能木工加工設備，解決小批量、多品種、定制化木工制品，實(shí)現企業(yè)高效、自動(dòng)化生產(chǎn)非常有必要。

關(guān)鍵詞：機器人；木工雕銑；智能加工；木工設備

1 引言

我國木工機械市場(chǎng)從無(wú)到有，從小到大，從弱到強，逐漸形成一個(gè)完整的行業(yè)體系。從原始的手工業(yè)到如今先進(jìn)的數控技術(shù)，見(jiàn)證了我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高。

國外的先進(jìn)技術(shù)和設備不斷涌入，對國內木工機械而言，挑戰與機會(huì )并存。木工機械的自動(dòng)化、柔性化、智能化和集成化需求使加工設備的品種不斷增加，技術(shù)水平不斷提高。受小批量、多品種訂單限制，國內木工行業(yè)依靠人工作業(yè)方式仍然占據著(zhù)主流位置。密集消耗、惡劣作業(yè)環(huán)境非常突出，行業(yè)中亟待解決的問(wèn)題使得關(guān)注、探討和研究一套智能木工機械顯得非常有必要。

2 行業(yè)現狀與發(fā)展趨勢

2.1 木工機械市場(chǎng)現狀

目前，全球木工機械市場(chǎng)正在向新興工業(yè)國家轉移，中國木工機械市場(chǎng)已經(jīng)具有相當規模，并且形成了一個(gè)完整的行業(yè)體系。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國木工機械在科研、教育、設計和生產(chǎn)方面都有提高，已形成了一批有規模的企業(yè)，培養大批工程科技人員。中國木工機械行業(yè)在2012年產(chǎn)值超過(guò)了德國，成為全球第一大木工機械制造國，中國出口的木工機械產(chǎn)品已在中低端市場(chǎng)上占據主導地位。而國內市場(chǎng)，中低端產(chǎn)品基本能自給滿(mǎn)足，高端產(chǎn)品則仍依靠國外進(jìn)口。

2.2 木工機械的現狀與趨勢

現如今，木工機械已經(jīng)形成完整的產(chǎn)品體系和產(chǎn)業(yè)鏈，木工機械呈現以下幾個(gè)趨勢。

（1）分工更加明細

木工機械生產(chǎn)正由大而全向專(zhuān)業(yè)化發(fā)展，類(lèi)似專(zhuān)做帶鋸機、砂光機等專(zhuān)業(yè)設備木工機械分工更加明確，使得家具生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節更加專(zhuān)業(yè)化、深入化。

（２）整體方案輸出

如今單一的設備輸出已無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)的生產(chǎn)需要，木工機械行業(yè)正在從設計單一產(chǎn)品逐步走向設計生產(chǎn)線(xiàn)、新型木工機械的開(kāi)發(fā)及家具生產(chǎn)的智能化與生產(chǎn)無(wú)人化規劃。

（３）定制化、柔性化

定制家具的工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)使家具工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，木工機械需要更加靈活與柔性，以適應家具定制化生產(chǎn)的需要。

（４）智能化

生產(chǎn)過(guò)程的工件不落地，數據的動(dòng)態(tài)傳輸，自動(dòng)識別，自動(dòng)調用加工，自動(dòng)分揀、自動(dòng)包裝入庫等將是智能制造木工機械發(fā)展的必然趨勢。

3 機器人加工研究及解決方案

3.1 機器人木工加工系統探討

應對個(gè)性定制化的小批量訂單需求，降低設備投入、人工投入、資金投入、降低生產(chǎn)周期及提高生產(chǎn)質(zhì)量等是企業(yè)一直追求的，因此木工行業(yè)對木工機械智能化需求非常迫切。隨著(zhù)我國改革開(kāi)放對國外先進(jìn)技術(shù)和設備的合作引進(jìn)以及國內技術(shù)在木工機械方面的不斷探索與自主創(chuàng )新，我國的木工機械水平與國際間的差距逐漸縮小。但是當前我國木工機械整體行業(yè)布局不合理，產(chǎn)品過(guò)分集中的產(chǎn)業(yè)結構、勞動(dòng)密集型、技術(shù)型產(chǎn)品滯后等特點(diǎn)非常明顯，產(chǎn)業(yè)能源均消耗較大，且行業(yè)技術(shù)創(chuàng )新能力比較薄弱。

市場(chǎng)是機遇與挑戰并存，技術(shù)創(chuàng )新才能適應行業(yè)的發(fā)展。使用智能機器人木工加工系統單元，一臺單元設備可執行多面鉆、銑、切、磨等木制品所有工藝加工任務(wù)，解決家具上的各種異型曲面、復雜線(xiàn)條和特殊造型等加工難題，對工藝進(jìn)行可靈活組合，真正實(shí)現了全工藝的覆蓋和柔性化加工。

3.2 機器人木工加工研究及其解決方案

本項目是依靠離線(xiàn)編程技術(shù)，由機器人匹配自動(dòng)換刀主軸執行木工制品的工藝雕銑，匹配自動(dòng)上下料機器人系統，完成木工雕銑單元加工件的自動(dòng)上下料，實(shí)現多種木工產(chǎn)品的自動(dòng)鋸、雕、鉆、車(chē)、銑等加工，構成高效率、高質(zhì)量、高可靠性的智能化機器人雕銑生產(chǎn)單元。方案介紹如下：

• 設置總控系統，在離線(xiàn)和人工模式下可預約不同工件雕銑程序和換刀程序；

• 使用大負載GSK-RB165機器人，配置專(zhuān)用的離線(xiàn)編程技術(shù)、高速大功率專(zhuān)用木工電主軸和換刀系統，實(shí)現不同工藝任務(wù)的自動(dòng)換刀加工；

• 設計柔性裝夾平臺和柔性定位夾具，滿(mǎn)足常規圓棒料、平板料快速定位、夾持功能；

• 上料平臺配置卡盤(pán)夾持，設計伺服機構帶動(dòng) 卡盤(pán)翻轉定位和連續高速旋轉；

上料毛坯倉、下料成品倉和上下料機器人設計大行程可調節結構，手抓以工件分類(lèi)設計多臺階手抓的手指，滿(mǎn)足不同工件的取放料；總工作站布局圖如圖1 所示。

圖1 總工作站布局圖

項目設計上下料變位機裝置、可預約程序總控系統、機器人自動(dòng)上下料系統、大負載GSK-RB165機器人、專(zhuān)用離線(xiàn)編程、高速大功率木工電主軸、多刀具庫換刀系統和柔性工裝夾具實(shí)現不同工藝要求的自動(dòng)換刀加工，可根據需要設置多套工件定位夾具，變位機伺服控制精確定位和按需切換工裝夾具，以此實(shí)現工件的提前預裝、快速切換和自動(dòng)雕銑任務(wù)。各功能單元介紹如下：

（1）上下料平臺一

變位機由底座、主動(dòng)模塊、從動(dòng)模塊、夾具安裝 支架組成，主動(dòng)模塊有大功率電機連接減速器作為輸出?？筛鶕枰O計常規圓棒、平板類(lèi)夾具，滿(mǎn)足多款工件的兼容。

圓棒類(lèi)夾具可由調節端氣動(dòng)卡盤(pán)、定位端基準板等組成，可調整加工端伸出長(cháng)度。定位氣動(dòng)卡盤(pán)模塊有端部定位板用于上料時(shí)工件的定位，保證加工基準統一。

板料夾具由多組氣動(dòng)夾部分組成，可以整體移動(dòng)，便于適應尺寸大小不同板料的位置調準。對應的氣動(dòng)夾可自動(dòng)松合，避開(kāi)機器人主軸刀具運動(dòng)軌跡。

（2）上下料平臺二

變位機由底架、主動(dòng)模塊、從動(dòng)模塊、頂升軸、氣動(dòng)卡盤(pán)、獨立行走絲桿軸、夾持氣缸等組成。主動(dòng)模塊以大功率電機連接減速箱作為輸出，夾具安裝板設置可調節夾具安裝位置T型槽，氣動(dòng)卡盤(pán)爪設置上料定位臺階，保證加工基準統一。

（3）上下料抓手

機器人上下料抓手設計為雙工位手抓，滿(mǎn)足毛坯件和成品件的快速取放。手指根據工件種類(lèi)、重量、外形、尺寸等分類(lèi)設計可調，滿(mǎn)足多類(lèi)型工件的毛坯、成品零件的柔性抓取。

（4）毛坯料倉

根據木工毛坯來(lái)料特點(diǎn)，結合低成本要求，由傾斜支架、靠邊檔桿等組成傾斜排列式料倉。支架設計成傾斜式，可調節傾斜度。人工上料時(shí)將工件一一貼緊，工件自重向下緊靠邊定位。

（5）成品料倉

可設計簡(jiǎn)易滑板配套簡(jiǎn)易支桿料架，滿(mǎn)足不同成品收件的兼容。

總工作站工藝流程如圖2所示。

圖2 總工作站工藝流程

加工過(guò)程中故障，比如氣壓不足、庫換刀問(wèn)題、工件不到位、料庫無(wú)料、頂料過(guò)載等等加工過(guò)程中問(wèn)題，系統會(huì )及時(shí)暫停和顯示報警，緊急情況時(shí)可通過(guò)人工急停參與干預。

通過(guò)離線(xiàn)程序導入、多刀庫預置和柔性機構設計，機器人雕銑程序、上料平臺、料倉、手抓等更換時(shí)間大大縮短。整個(gè)機器人雕銑系統實(shí)現了多款圓棒、方棒、板件木制品的無(wú)人自動(dòng)加工，滿(mǎn)足常規生產(chǎn)效率與表面加工質(zhì)量。應用現場(chǎng)如圖3所示。

圖3 應用現場(chǎng)圖

4 結論

家具的定制浪潮還在繼續，人們的個(gè)性化需求需要更加靈活的生產(chǎn)方案來(lái)滿(mǎn)足，單一設備的發(fā)展不足以滿(mǎn)足現狀，整體化的生產(chǎn)方案更具優(yōu)勢。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，只有擁有符合大眾需求的產(chǎn)品，才能擁有廣闊的市場(chǎng)，以市場(chǎng)需求激發(fā)科研人員創(chuàng )造出“第一質(zhì)量”的產(chǎn)品，才能在木材機械行業(yè)當中走的更遠。

本文梳理了當前木工行業(yè)現狀，對木工機械發(fā)展趨勢、需求進(jìn)行了總結，研發(fā)了一款機器人智能木工加工系統設備，實(shí)現了木工制品多工藝機器人一體化加工任務(wù)，解決了小批量、多品種，特別是定制化木工制品 高效、穩定的無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)要求。替換了木工行業(yè)多工序、多專(zhuān)用加工設備、多人工的作業(yè)場(chǎng)景，大大縮短了新木工制品的研發(fā)、生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，供行業(yè)參考。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年8月刊