全屋定制家具智能化生產(chǎn)方式的探討

李 宇， 馬連祥

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)家具市場(chǎng)“定制”的概念非?；鸨壳案叨硕ㄖ票瘸Ｒ?guī)定制更加流行，其原因在于消費(fèi)者對(duì)家具定制企業(yè)在定制化、個(gè)性化以及品質(zhì)方面的要求變得更高。在CFD中國(guó)家居研究院發(fā)布的《2020年上半年家居建材企業(yè)總營(yíng)收排名表》中，可以清楚地看到在45家家居建材企業(yè)中，只有10家企業(yè)在2020年上半年獲得了增長(zhǎng)，而從上市家居企業(yè)的分析數(shù)據(jù)中不難發(fā)現(xiàn)，為數(shù)不多、在上半年盈收企業(yè)均是定制家具企業(yè)。截至目前，國(guó)內(nèi)大部分板式家具企業(yè)通過(guò)引入智能化設(shè)計(jì)拆單系統(tǒng)、優(yōu)化排料軟件以及MES等系統(tǒng)，一定程度上將板式家具的銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)、拆單、制造與打包發(fā)貨等環(huán)節(jié)推向了信息化生產(chǎn)，顯著提高了訂單處理效率，縮短交貨時(shí)間，抑制飛單與漏單現(xiàn)象，達(dá)到了優(yōu)化家具原材料利用與降低勞動(dòng)成本的目的，但國(guó)內(nèi)主流家具企業(yè)向智能化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型還有漫長(zhǎng)的路要走。

1 國(guó)內(nèi)全屋定制生產(chǎn)方式現(xiàn)狀

占據(jù)我國(guó)板式家具企業(yè)大部分的生產(chǎn)方式，是自動(dòng)化生產(chǎn)方式以及正在向智能生產(chǎn)方式靠攏的半智能化的板式家具生產(chǎn)方式[1-2]。其中自動(dòng)化的生產(chǎn)方式，早期在家具企業(yè)中占據(jù)了十分重要的地位，而隨著科技的進(jìn)步以及信息化、智能化需求的不斷增長(zhǎng)，由自動(dòng)化向智能化的轉(zhuǎn)變就變得尤為重要。真正實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)全屋定制生產(chǎn)過(guò)程中單個(gè)工序智能化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序之間智能化無(wú)需人工干預(yù)的互聯(lián)互通。

全屋定制的生產(chǎn)多年來(lái)基本處于傳統(tǒng)的機(jī)械、自動(dòng)化的生產(chǎn)階段，根據(jù)調(diào)研得知，目前索菲亞、蘇州大衛(wèi)木業(yè)(禧梵全屋定制)、我樂(lè)櫥柜溧水4.0工廠等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了4.0智能線的升級(jí)轉(zhuǎn)型，其中索菲亞集團(tuán)位于廣州增城的全屋定制生產(chǎn)線是國(guó)內(nèi)最早落成投產(chǎn)的智能線，該生產(chǎn)線將從貼面車(chē)間運(yùn)送過(guò)來(lái)的板材分配到不同的開(kāi)料工作站，工人只需要根據(jù)機(jī)器燈的指示作業(yè)，開(kāi)料完成后緊接著進(jìn)行二維碼的貼碼，后面的加工工序中機(jī)器根據(jù)每塊板材的二維碼進(jìn)行識(shí)別操作[3-4]。降低了肉眼識(shí)別可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，大大提高了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。目前，該套系統(tǒng)生產(chǎn)模式被稱(chēng)之為“數(shù)字化系統(tǒng)”生產(chǎn)模式，其實(shí)就是4.0智能線，這種智能化生產(chǎn)方式幾乎貫穿了索菲亞定制家居的所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)[5]。大數(shù)據(jù)系統(tǒng)讓索菲亞的柔性生產(chǎn)線有了一條十分完善的追蹤鏈條，家具的銷(xiāo)售、設(shè)計(jì)、拆單排版、刀路優(yōu)化再到生產(chǎn)加工階段實(shí)現(xiàn)完全的互聯(lián)互通，從備料、開(kāi)料階段開(kāi)始，板材就已經(jīng)貼上了專(zhuān)屬的條形二維碼，這些二維碼也就是這塊板材的身份證，之后經(jīng)過(guò)開(kāi)料、封邊、打孔、包裝等工序，再到終端銷(xiāo)售環(huán)節(jié)，都能隨時(shí)根據(jù)條形碼查詢到原板材的所有信息，而下單和拆單等工序都可由計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)自動(dòng)生成。這又體現(xiàn)出了板式家具企業(yè)智能化生產(chǎn)中最為重要的信息化系統(tǒng)，先進(jìn)智能化的軟件系統(tǒng)是企業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。實(shí)現(xiàn)全屋定制智能化生產(chǎn)，應(yīng)該從三個(gè)大的方向做出改進(jìn)，即邏輯思維的轉(zhuǎn)變、更加重視大數(shù)據(jù)與信息化以及加大創(chuàng)新力度。

2 全屋定制產(chǎn)線智能化的價(jià)值

截至2020年，國(guó)內(nèi)板式家具企業(yè)，大部門(mén)均為非智能化生產(chǎn)，這種生產(chǎn)線占地面積大，需要投入更多的人工，生產(chǎn)利潤(rùn)十分有限，大部分毛利潤(rùn)都用來(lái)發(fā)工資，業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)年產(chǎn)值基本都徘徊在3 000～6 000萬(wàn)之間，很難取得大的突破，如果需要增大企業(yè)利潤(rùn)，產(chǎn)值突破6 000萬(wàn)只能進(jìn)行工廠生產(chǎn)線再?gòu)?fù)制，但是與其同時(shí)，占地面積、管理、產(chǎn)線、維護(hù)、人工等成本同樣翻倍，資金周轉(zhuǎn)效率低下，利潤(rùn)沒(méi)有明顯提升，企業(yè)老板掙不到錢(qián)還翻倍增加管理成本，“復(fù)制產(chǎn)線”式的產(chǎn)值提升自然被大部分企業(yè)放棄，因此突顯出了全屋定制智能的重要性。

智能化生產(chǎn)線可以有效縮短生產(chǎn)周期，一般的家具企業(yè)，訂單的交貨日期較長(zhǎng)，最慢的可能需要45～60天，而目標(biāo)企業(yè)的生產(chǎn)線改造投入生產(chǎn)以后，可以進(jìn)行大規(guī)模的定制化生產(chǎn)，柔性的智能化生產(chǎn)線在生產(chǎn)中可以實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)板式家具快速的板不落地式的連管加工，企業(yè)的生產(chǎn)能力得到了顯著提高，大大縮短了交貨周期[6-8]。

數(shù)字化生產(chǎn)降低了對(duì)工人經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)，進(jìn)而降低了用人成本。智能拆單開(kāi)料軟件與電子開(kāi)料鋸結(jié)合，在開(kāi)料端工人不需要計(jì)算，也不需要考慮，只要按電腦所給的提示進(jìn)行操作即可。除此之外，智能工廠控制系統(tǒng)MES的引入，為企業(yè)提供了統(tǒng)一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，系統(tǒng)涵蓋了企業(yè)所有裝置的進(jìn)料、出料，罐區(qū)庫(kù)存及收付動(dòng)態(tài)，原料進(jìn)廠，產(chǎn)品出廠(船運(yùn)、汽運(yùn)、管 輸)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)信息，基于MES的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)了全廠“產(chǎn)、銷(xiāo)、存”數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)管理，現(xiàn)場(chǎng)用戶能夠利用MES數(shù)據(jù)信息直接進(jìn)行日常生產(chǎn)指導(dǎo)[9-10]。MES已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)不可或缺的系統(tǒng)，其提供了實(shí)現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)的基礎(chǔ)，加快了數(shù)據(jù)信息流通周期，為企業(yè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。這樣不僅提高了生產(chǎn)速度，減少人工計(jì)算錯(cuò)誤，對(duì)工人要求也明顯降低，工資成本也就明顯降低。另一方面，成本的降低還體現(xiàn)在板材利用率上，為板式家具智能生產(chǎn)而生的智能拆單排料軟件，運(yùn)用了退火算法等獨(dú)特的數(shù)學(xué)算法模型，在保證生產(chǎn)進(jìn)度的前提下，將板材利用率達(dá)到了最大化，也大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3 我國(guó)家具企業(yè)應(yīng)如何實(shí)現(xiàn)4.0生產(chǎn)

實(shí)現(xiàn)全屋定制4.0智能化生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售端定制化、高效智能化，拆單、報(bào)價(jià)智能化以及產(chǎn)線端加工階段做到優(yōu)化加工路線、加工方案，提高出材率做到真正板不落地式的智能化生產(chǎn)。圖1所示為全屋定4.0智能化生產(chǎn)的原理圖，在銷(xiāo)售端、生產(chǎn)端都進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)的板式家具銷(xiāo)售端的低效率的手動(dòng)繪圖設(shè)計(jì)家具等方式進(jìn)行替換。在拆單、加工端，對(duì)機(jī)械化、自動(dòng)化的生產(chǎn)進(jìn)行逐步改進(jìn)，軟件進(jìn)行智能化、合理化的訂單拆解后，將生產(chǎn)指令通過(guò)信息化系統(tǒng)傳送到車(chē)間。智能化車(chē)間產(chǎn)線應(yīng)當(dāng)由軟、硬件大量板塊組成，智能化設(shè)備組成了自動(dòng)開(kāi)料、高速連續(xù)封邊、鉆孔以及分揀包裝四個(gè)工作站，各工作站之間通過(guò)傳輸輥、機(jī)械臂等設(shè)備進(jìn)行連線確保了智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，而信息化平臺(tái)的搭建將產(chǎn)線效率提高到最大化，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的智能化生產(chǎn)。

圖1 全屋定制4.0智能線原理框圖

銷(xiāo)售端應(yīng)當(dāng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)拆單軟件系統(tǒng)，做到工廠與門(mén)店的互聯(lián)互通，消費(fèi)者可以通過(guò)線上、線下兩種渠道針對(duì)所需要的板式家具進(jìn)行選購(gòu)。在線下方面(即店面銷(xiāo)售)，消費(fèi)者到店選好板式家具的大致種類(lèi)，向工作人員提供家具各方面參數(shù)以及對(duì)家具的要求后，工作人員可以直接將參數(shù)輸入到板式家具軟件中(例如云熙、海迅以及榕業(yè)軟件等公司推出的板式家具自動(dòng)設(shè)計(jì)拆單軟件)并快速生成效果圖，并可以快速進(jìn)行修改、敲定方案，方便進(jìn)行下一步拆單生產(chǎn)加工。對(duì)于不能到店面的消費(fèi)者，可以通過(guò)企業(yè)的銷(xiāo)售網(wǎng)站進(jìn)行線上下單，添加家具的相關(guān)要求數(shù)據(jù)后，可以遠(yuǎn)端快速生成設(shè)計(jì)方案最終達(dá)成交易，為板式家具企業(yè)提供了源源不斷的競(jìng)爭(zhēng)力[11-12]。

拆單階段，結(jié)合板式家具設(shè)計(jì)軟件的輔助，即可完成全屋定制家具的拆單工作。針對(duì)家具進(jìn)行智能化拆單，即將板件清單、孔位圖、五金明細(xì)、報(bào)價(jià)單、三維立體圖進(jìn)行合理計(jì)算分類(lèi)并一鍵導(dǎo)出，并可在后臺(tái)針對(duì)條形碼生成、生產(chǎn)加工順序、排版、機(jī)械加工刀路進(jìn)行規(guī)劃。

開(kāi)料階段，傳統(tǒng)板式家具開(kāi)料機(jī)操作復(fù)雜、效率低，因此在板式家具智能化生產(chǎn)中，企業(yè)應(yīng)選擇新型的數(shù)控電子開(kāi)料鋸。考慮到加工過(guò)程中的其他工序，首先應(yīng)選擇多工序電子開(kāi)料鋸。多工序數(shù)控開(kāi)料機(jī)具有十分強(qiáng)大的兼容性，不但可以一臺(tái)機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼二維碼、自動(dòng)上料、開(kāi)料以及銑槽、開(kāi)孔等多個(gè)工序，全自動(dòng)上下板料、除灰塵功能以及自動(dòng)定位系統(tǒng)均可有效地降低生產(chǎn)過(guò)程中人工參與強(qiáng)度從而降低在開(kāi)料階段不必要的能耗。其次，實(shí)現(xiàn)智能化加工，設(shè)備還要與信息化結(jié)合，開(kāi)料結(jié)束后貼碼器進(jìn)行貼碼[13]。在加工過(guò)程中，由于自動(dòng)粘貼二維碼可與板材加工同時(shí)進(jìn)行，高效且極大程度地減小了生產(chǎn)過(guò)程中出差錯(cuò)的可能性。

封邊階段，傳統(tǒng)的封邊設(shè)備無(wú)法滿足板式家具智能生產(chǎn)需要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)封邊技術(shù)是利用涂膠輥輪將融化的膠水均勻地涂布在待封邊板材的封邊部位，再將封邊條由封邊帶傳送裝置運(yùn)送到指定位置，由壓輥施加壓力將封邊條壓合在板材的邊緣完成封邊。

全新的封邊設(shè)備，即全自動(dòng)封邊打側(cè)孔機(jī)器，雖然在封邊操作上與傳統(tǒng)封邊機(jī)相似，但是全自動(dòng)封邊及經(jīng)過(guò)開(kāi)料的板材，通過(guò)板材輥輪運(yùn)輸帶自動(dòng)運(yùn)輸?shù)椒膺厵C(jī)，由封邊機(jī)針對(duì)需要封邊的板材邊緣進(jìn)行封邊操作，這種機(jī)器在封邊的同時(shí)，也可以根據(jù)需要進(jìn)行打側(cè)孔操作，可以有效地提高加工效率。實(shí)現(xiàn)智能化封邊更重要的一方面，是要在封邊效率方面做出改進(jìn)，例如，在工藝步驟上進(jìn)行一定的改進(jìn)，需要多個(gè)邊緣進(jìn)行封邊的板材，應(yīng)該更換思路，不能封完一邊，再返回機(jī)器入口端進(jìn)行其他邊的封邊操作。應(yīng)采用左右手連線等高效封邊方案，如圖2所示，設(shè)置多個(gè)全自動(dòng)封邊機(jī)，需要多個(gè)邊緣封邊的板材在經(jīng)過(guò)二維碼掃描系統(tǒng)識(shí)別后，先后經(jīng)過(guò)若干個(gè)封邊機(jī)針對(duì)需要封邊的若干個(gè)邊緣進(jìn)行封邊操作，使得整條生產(chǎn)線可以連續(xù)不間斷地運(yùn)行，有效提升生產(chǎn)效率[14-15]。

圖2 左右手連線封邊工作站

鉆孔階段，一般建議使用全自動(dòng)多排鉆(例如金條豪邁集團(tuán)生產(chǎn)的BST100型CNC 自動(dòng)多排鉆)，這種自動(dòng)多排鉆的鉆座排列是自左向右水平排列，自上而下由多排垂直鉆座組成，一般含有8～10個(gè)垂直的鉆座，每一排鉆座可以安裝36個(gè)鉆頭[16-17]。這種自動(dòng)鉆機(jī)由計(jì)算機(jī)控制，在經(jīng)過(guò)前面的工序后，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)處理，將對(duì)應(yīng)的專(zhuān)屬加工指令傳送到鉆機(jī)上，鉆機(jī)可以根據(jù)這些指令進(jìn)行精準(zhǔn)的鉆孔加工，可以是單個(gè)鉆頭工作也可以是多個(gè)鉆頭同時(shí)工作且不受排座的限制。這可以保證各個(gè)部件的孔位間距和其他參數(shù)精確，一次確定基準(zhǔn)后可以完成各種類(lèi)型鉆孔，是一種效率很高的自動(dòng)化鉆孔設(shè)備。板件封邊后馬上要進(jìn)行板件的鉆孔工作，為適應(yīng)每塊板件的鉆孔位置等信息的差異，高速數(shù)控鉆孔工作站由兩臺(tái)四面鉆床和一臺(tái)六面鉆床組成，封邊完成的板件在緩沖區(qū)時(shí)，由機(jī)械手按照軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的順序依次將不同開(kāi)孔要求的板件分別放置到三條高速數(shù)控鉆孔線上完成鉆孔工序。

分揀、包裝階段，傳統(tǒng)企業(yè)分揀包裝雜亂無(wú)序，且均由人工完成，漏件錯(cuò)包的情況十分常見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)全屋定制智能化生產(chǎn)，智能高效地分揀包裝系統(tǒng)是必不可少的。推薦使用機(jī)械臂(例如蘇州大衛(wèi)木業(yè)全屋定4.0智能線中用到的川崎機(jī)械臂)進(jìn)行分揀工作，將高速鉆孔工作站加工完成的板件運(yùn)到運(yùn)輸緩沖區(qū)，經(jīng)分揀掃碼裝置掃碼后，由機(jī)械手完成板件的分揀工作并智能有序地(以訂單為單位進(jìn)行集中存放)存放到板件倉(cāng)庫(kù)中，將包裝階段的出錯(cuò)率降到最低[18-19]。

上述產(chǎn)線加工各個(gè)工序中，在開(kāi)料工作站前和鉆孔工作站后應(yīng)配置兩組機(jī)械手臂用于上下料、板件分揀工作。保證在智能線中獨(dú)立工序?qū)崿F(xiàn)智能化的同時(shí)，各工作站之間實(shí)現(xiàn)板不落地式的互聯(lián)互通。

企業(yè)除配備智能線各硬件設(shè)施外，信息化平臺(tái)的搭建也尤為重要，軟件端的核心軟件就是MES系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)加工階段信息的收集交互以實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng)、流轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制。

4 總結(jié)與展望

實(shí)現(xiàn)板式家具智能化生產(chǎn)，精髓在于軟硬件系統(tǒng)的完美結(jié)合，從銷(xiāo)售端、產(chǎn)線端的各工作站、倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)節(jié)，最終達(dá)成交易，都與傳統(tǒng)的方式相區(qū)別開(kāi)來(lái)，以智能化的先進(jìn)設(shè)備為基礎(chǔ)，強(qiáng)大的信息化系統(tǒng)為之賦能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線智能化，以高效地促成交易，滿足顧客各種要求，給顧客帶來(lái)更加智能化的體驗(yàn)，可以完美地實(shí)現(xiàn)板式家具所謂的定制化柔性生產(chǎn)線，同時(shí)也突破了部分家具企業(yè)在面對(duì)小批量、多樣化的訂單時(shí)，只能低效率地逐個(gè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀[20]。智能線的投產(chǎn)，意味著整線產(chǎn)值最大化，人工配比降到最小值，而這也解決了國(guó)內(nèi)部分家具企業(yè)始終無(wú)法克服的產(chǎn)能瓶頸問(wèn)題。

在科技飛速發(fā)展的今天，家具的品質(zhì)在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加械谋戎匾苍絹?lái)越大，它作為人們生活的載體，除了具有使用功能外，其設(shè)計(jì)者所傳達(dá)給我們的文化特性也成為家具產(chǎn)品價(jià)值的主要成分，在這樣的大前景下，擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的板式家具未來(lái)不可限量[21]。經(jīng)歷20多年的發(fā)展，我國(guó)的板式家具產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)方式、銷(xiāo)售、產(chǎn)品的質(zhì)量以及科學(xué)技術(shù)等方面都取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。整個(gè)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從最為傳統(tǒng)的手工業(yè)到現(xiàn)代工業(yè)的一步步轉(zhuǎn)型。首先在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，近幾年來(lái)板式家具的生產(chǎn)總值已經(jīng)占據(jù)了我國(guó)整個(gè)家具產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，并且隨著整體水平的提升，國(guó)內(nèi)產(chǎn)出的板式家具也逐漸得到了世界消費(fèi)者的認(rèn)可，達(dá)到了進(jìn)出口的標(biāo)準(zhǔn)。但是我們不能止步于此，要迎頭趕上德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)水平，中國(guó)板式家具要走的路還很長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)企業(yè)信息化最為重要的環(huán)節(jié)，唯有實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)才能真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化、信息化轉(zhuǎn)型。