木材加工智能數(shù)控機(jī)械自動(dòng)化改造淺析?

張新英 連金峰

（1.承德廣播電視大學(xué)計(jì)算機(jī)系，承德 067000; 2.承德市五岳測(cè)控技術(shù)有限公司，承德 067000)

自20世紀(jì)八十年代以來，我國(guó)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的木材加工設(shè)備，這一方面提高了我國(guó)木制品的生產(chǎn)能力，另一方面促進(jìn)了我國(guó)木材加工機(jī)械產(chǎn)業(yè)向著自動(dòng)化方面發(fā)展。近10年來，隨著我國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工AI智能技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)以及5G技術(shù)的應(yīng)用，木材加工智能數(shù)控機(jī)械的自動(dòng)化水平顯著提升。本文旨在通過探討木材加工智能數(shù)控機(jī)械化的現(xiàn)狀、改造難點(diǎn)以及改進(jìn)措施等，為提升我國(guó)木材加工設(shè)備智能化水平，促進(jìn)我國(guó)木材加工設(shè)備轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考[1-3]。

1 木材加工設(shè)備智能化發(fā)展概況

受到技術(shù)資源儲(chǔ)備以及設(shè)備水平的影響，在較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，國(guó)內(nèi)外木材加工設(shè)備自動(dòng)化水平存在較大差異。但隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和機(jī)械制造水平的提升，特別是科研投入力度不斷增大，經(jīng)過近20年來的發(fā)展，我國(guó)木材加工機(jī)械智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化水平快速提升[4-5]。

1.1 國(guó)外木材加工智能數(shù)控機(jī)械

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，以德國(guó)、加拿大、芬蘭等為代表的國(guó)家木材加工設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化水平一直處于行業(yè)領(lǐng)先水平，特別是德國(guó)的人造板壓機(jī)、鋪裝機(jī)、刨片機(jī)等設(shè)備一直引領(lǐng)行業(yè)生產(chǎn)能力提升和技術(shù)水平進(jìn)步。加拿大的全自動(dòng)制材生產(chǎn)線，加工能力及自動(dòng)化水平、智能化水平顯著提升，在中國(guó)的一些木材進(jìn)口口岸城市及港口得到推廣應(yīng)用。芬蘭在木漿造紙及纖維板生產(chǎn)應(yīng)用的熱磨機(jī)，膠合板連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)線等方面處于領(lǐng)先水平。近年來，芬蘭又加大了上述設(shè)備的智能化數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，然而，由于芬蘭膠合板生產(chǎn)線的設(shè)備價(jià)格昂貴，在中國(guó)國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用難度很大。

綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、數(shù)控、AI、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)研發(fā)的木材加工智能數(shù)控設(shè)備，很大程度上增加了木材加工設(shè)備的商業(yè)附加值。從技術(shù)層面分析，國(guó)外的一些木材加工智能數(shù)控機(jī)械和設(shè)備精密度的確很高。以德國(guó)產(chǎn)木材數(shù)控鋸切設(shè)備為例，在進(jìn)料端口改變了傳統(tǒng)木材加工設(shè)備采用單鋸的方式，利用多刀組合使其成為多鋸加工方式，這樣能減少木板材切邊過程中的廢料率，提升原木板材的綜合利用效能。與此同時(shí)，在加工過程中應(yīng)用激光作為定位和輔助標(biāo)線，使鋸片方向和激光化線方向一致。在生產(chǎn)過程中可根據(jù)鋸切板材厚度，變換激光頭化線位置，調(diào)整鋸片組位置。這樣能較好地控制鋸材板材厚度，從而為板材資源的精加工應(yīng)用奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)[6-10]。

隨著“一帶一路”倡議的落實(shí)，德國(guó)、芬蘭等國(guó)家的先進(jìn)木材加工設(shè)備，加大對(duì)中國(guó)的出口力度，并且中國(guó)對(duì)進(jìn)口上述國(guó)家達(dá)到一定生產(chǎn)能力的木材加工設(shè)備生產(chǎn)線，實(shí)施關(guān)稅減免政策，這客觀上擴(kuò)大了國(guó)外木材加工設(shè)備的對(duì)華出口。然而，也有個(gè)別國(guó)家限制甚至禁止具有高科技含量的家具柔性制造設(shè)備對(duì)中國(guó)出口，這不利于雙邊木材加工設(shè)備貿(mào)易的開展[11-12]。

1.2 國(guó)內(nèi)木材加工智能數(shù)控機(jī)械

從木材加工機(jī)械化設(shè)備升級(jí)到智能數(shù)控設(shè)備，我國(guó)的相關(guān)研究在一段時(shí)期內(nèi)陷入了技術(shù)研發(fā)的“瓶頸期”，但隨著基礎(chǔ)研發(fā)投入力度的不斷提升，特別是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)的支持下，我國(guó)木材加工智能數(shù)控設(shè)備在較多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了突破[13]。

圖1 國(guó)產(chǎn)多片鋸材加工數(shù)控設(shè)備Fig.1 Domestic multi-slice saw wood processing CNC equipment

1.2.1 人工智能在木材加工機(jī)械中的應(yīng)用

基于大量數(shù)據(jù)資源和實(shí)驗(yàn)信息，我國(guó)木材加工機(jī)械設(shè)備人工智能化在某些方面要優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品（如圖1所示）。從國(guó)產(chǎn)多片鋸材加工數(shù)控設(shè)備的造型來看，其屬于多片鋸木材加工設(shè)備，中央控制系統(tǒng)也屬于數(shù)控終端。但進(jìn)料口有比較明顯的差別，國(guó)外設(shè)備僅可加工鋸材，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備可直接加工原木。這種進(jìn)料優(yōu)化，對(duì)木材加工程序與工藝而言，節(jié)省了大量的物流、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)、初加工環(huán)節(jié)。無論是原木還是板材成品都可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用決定其厚度，更能體現(xiàn)智能化的總體優(yōu)勢(shì)[14-15]。

1.2.2 數(shù)控技術(shù)在木材加工機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用

目前，在木材加工機(jī)械設(shè)備中所應(yīng)用到的數(shù)控程序以PLC控制系統(tǒng)為主，且大多為單機(jī)控制，這種數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，要求在木材加工中，從業(yè)人員對(duì)于所有操作程序必須嚴(yán)格按照選用的PLC產(chǎn)品說明書，待熟悉后再編程。若采用圖形編程器或軟件包編程，則可直接編程，若用手持編程器編程，應(yīng)先畫出梯形圖，然后編程，這樣可以減少出錯(cuò)率，提升速度，編程完成后先空運(yùn)轉(zhuǎn)，待各動(dòng)作正常后，再對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試[16]。

1.2.3 木材加工智能化數(shù)控機(jī)械設(shè)備的升級(jí)

從木材加工智能化數(shù)控機(jī)械設(shè)備的單機(jī)運(yùn)行上進(jìn)一步延伸，理論上存在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的可能性，也是下階段這些木材加工數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向，但就現(xiàn)階段的實(shí)際運(yùn)用情況來看，這種聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行僅在規(guī)模化量產(chǎn)上較為可行，并不適用于小規(guī)模生產(chǎn)[17]。

2 木材加工智能數(shù)控機(jī)械自動(dòng)化改造難點(diǎn)

從木材加工智能化數(shù)控機(jī)械設(shè)備的整體運(yùn)用來看，取得的效果總體良好，但在其改造過程中，也存在一些難點(diǎn)。

2.1 噴漆加工工藝設(shè)備匹配性較差

很多木材加工設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)械制造后，開始研究一體化加工，但在實(shí)際操作過程中問題較多。在傳統(tǒng)的木材加工過程中，噴漆加工工藝對(duì)環(huán)境的密閉性要求較高，而數(shù)控加工過程中大多采用密閉式加工方式，一些技術(shù)人員將噴漆加工進(jìn)行了智能化升級(jí)，將噴槍與噴面間距控制在300～400 mm之間，噴槍的移動(dòng)角度與循環(huán)走位也基本能夠進(jìn)行智能化控制，然而噴槍與噴涂面要保持平行并垂直于噴涂面，尤其是不可作弧形擺動(dòng)這一點(diǎn)，受噴槍搖臂工作弧度限制，很難在相對(duì)密閉的木材加工數(shù)控設(shè)備中實(shí)現(xiàn)[18]。

2.2 鐳射絲印程序執(zhí)行連貫性較弱

在傳統(tǒng)的木材加工工藝中，涉及絲印的工藝均為獨(dú)立操作，該工藝能提升木材商業(yè)附加值。當(dāng)木材加工智能數(shù)控機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化改造之后，技術(shù)人員嘗試將鐳射絲印程序與機(jī)加工程序結(jié)合在一起，但從實(shí)際運(yùn)行來看，其效果不明顯。因?yàn)樵诮z印過程中通常不能蓋上焊盤，若蓋上焊盤，在上錫時(shí)絲印處不能上錫，從而影響木板板材的裝貼。一般板廠要求預(yù)留8 mil的間距為宜。如果PCB板面積有限，也可以預(yù)留4 mil的間距。在數(shù)控程序的運(yùn)行過程中，機(jī)加工刀具往往因?yàn)楹副P位置影響而受到損傷，所以通常會(huì)蓋上焊盤，以便消除留在焊盤上的絲印部分，以保證焊盤上錫，但這樣會(huì)影響鐳射絲印的效果與質(zhì)量。

3 木材加工智能數(shù)控機(jī)械自動(dòng)化改造措施

木材加工智能數(shù)控設(shè)備的人工智能化改造，應(yīng)當(dāng)改變“1+1＞2”的設(shè)計(jì)思路，采用“0.5+0.5=1”的整體設(shè)計(jì)構(gòu)思。

3.1 降低“一站式”加工作業(yè)強(qiáng)度

依托木材加工設(shè)備智能化數(shù)控生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)木材加工的“一體化”或者“一站式”操作，能夠在提升木材加工精密度和產(chǎn)量上形成優(yōu)勢(shì)，但也在一定程度上增加了設(shè)備作業(yè)的強(qiáng)度。在噴漆工藝與數(shù)控機(jī)械設(shè)備的結(jié)合過程中，讓噴槍與數(shù)控機(jī)械作業(yè)面實(shí)現(xiàn)有限度分離，這樣能夠保障噴槍的搖臂與數(shù)控機(jī)械端的工作環(huán)境并不會(huì)形成交叉式影響。同理，在鐳射絲印的改造上也可以采用這種方式。這樣會(huì)增大木材加工智能數(shù)控機(jī)械設(shè)備的機(jī)械操作端體積，但從實(shí)際運(yùn)行來看，比之前的疊加式工作狀態(tài)更能夠提升生產(chǎn)效率[19]。

圖2 國(guó)產(chǎn)一體化柜體門數(shù)控加工機(jī)械Fig.2 Domestic integrated cabinet door CNC machining machinery

在改造過程中，將之前主要用于金屬加工的曲線鋸與用于木材加工的多鋸刀進(jìn)行有限度地結(jié)合，能夠提升刀具在切割木材過程中的加工能力，從而提高生產(chǎn)效率。如果切割線和板材的一邊完全平行，可以用附件中的金屬導(dǎo)架進(jìn)行輔助（如圖2所示）。因?yàn)樵陂_始下刀的時(shí)候,可能會(huì)發(fā)生鋸條比導(dǎo)軌先接觸木板的情況,這樣就難以保證導(dǎo)軌和木板充分接觸。把鋸子底座上的兩顆固定螺絲松開，把底座往前移動(dòng)后擰緊，可以使導(dǎo)軌先接觸木板，保證下刀尺寸正確。使用時(shí)大頭一端緊靠在板材的基準(zhǔn)邊，另一端插入鋸子底座上預(yù)留的插孔，這個(gè)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)較為科學(xué)，上面有基準(zhǔn)刻度，而且通過數(shù)控和激光控制與校準(zhǔn)，能夠有效保障其生產(chǎn)精度，屬于整個(gè)木材加工智能數(shù)控機(jī)械設(shè)備中綜合加工能力較強(qiáng)的設(shè)備。

3.2 優(yōu)化人工智能系統(tǒng)識(shí)別能力

在木材加工智能數(shù)控的機(jī)械化改造過程中，此類問題較多，作為技術(shù)研發(fā)人員，必須從根本上優(yōu)化人工智能系統(tǒng)的識(shí)別能力。在客觀條件具備的情況下，可以借助大數(shù)據(jù)人工智能化分析程序，在“云端”借助AI大數(shù)據(jù)計(jì)算，模擬出木材加工智能數(shù)控機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工作環(huán)境與狀態(tài)，先在虛擬環(huán)境中對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行修正[20]。而且需要利用人工智能系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)加工的程序編寫中預(yù)留或者設(shè)置應(yīng)急預(yù)案，當(dāng)在一體化機(jī)加工過程中一旦出現(xiàn)與預(yù)設(shè)機(jī)加工程序不符的情況時(shí)，可以結(jié)合程序進(jìn)行自我修正[21-22]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科技水平的不斷提升，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能AI程序等技術(shù)在木材加工智能化數(shù)控設(shè)備中得到應(yīng)用，這些木材數(shù)控加工設(shè)備的綜合機(jī)加工能力得到明顯的提升。本文通過概述國(guó)內(nèi)外木材加工設(shè)備智能化發(fā)展情況，分析在木材加工智能數(shù)控機(jī)械自動(dòng)化改造過程中存在噴漆加工工藝設(shè)備匹配性較差，鐳射絲印程序執(zhí)行連貫性較弱等難點(diǎn)，提出可以通過降低“一站式”加工作業(yè)強(qiáng)度，優(yōu)化人工智能系統(tǒng)識(shí)別能力等改造措施，為我國(guó)木材加工智能數(shù)控機(jī)械的自動(dòng)化、仿人工智能化水平的提升提供參考，從而全面提升我國(guó)木材加工機(jī)械的智能化、自動(dòng)化水平。