柔性化木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

劉風(fēng)華　肖浩南　羅康　黃鄧多

摘? 要：國(guó)內(nèi)的木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)大多適用于大批量、固定工藝的生產(chǎn)模式，難以滿足國(guó)內(nèi)日漸增加的定制化、柔性化生產(chǎn)的需求。針對(duì)大規(guī)模定制的市場(chǎng)需求，文章圍繞木門(mén)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了木門(mén)定制化生產(chǎn)的核心技術(shù)難題，并設(shè)計(jì)了能滿足定制化需求的柔性化木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)條形碼激光識(shí)別實(shí)現(xiàn)板件識(shí)別以獲取加工文件，并通過(guò)四邊鋸自動(dòng)糾正技術(shù)、快速定位和規(guī)避技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的柔性加工，旨在為木門(mén)的大規(guī)模定制提供設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：木門(mén)生產(chǎn);柔性制造;智能制造;大規(guī)模定制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0162-03

Abstract： Most of the domestic wooden door production systems are suitable for the production mode of large batch and fixed process， which is difficult to meet the increasing demand of customized and flexible production in China. According to the market demand of mass customization， focusing on the characteristics of wooden door production process， this paper focuses on the core technical problems of wooden door customization production， and designs a flexible wooden door production system that can meet the customization demand. The system realizes plate recognition through bar code laser recognition to obtain processing documents， the flexible processing of the production process is realized through the four side saw automatic correction technology， rapid positioning and avoidance technology， in order to provide design ideas for the mass customization of wooden doors.

Keywords： wooden door production; flexible manufacturing; intelligent manufacturing; mass customization

0? 引? 言

隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等基于信息技術(shù)的生產(chǎn)模式的概念興起，家具行業(yè)逐步走向以消費(fèi)者的需求為主導(dǎo)的個(gè)人定制化家具設(shè)計(jì)。而且由于施工工藝的不確定性，使得即使是同一樓盤(pán)，門(mén)洞尺寸都不盡相同。這些因素使得木門(mén)企業(yè)的生產(chǎn)方式從傳統(tǒng)的單品種大批量生產(chǎn)模式、生產(chǎn)型制造向小批量多種類(lèi)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變。這要求企業(yè)能高速高效地對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)，即對(duì)木門(mén)企業(yè)的柔性化生產(chǎn)提出了更高的要求[1，2]。

木門(mén)制造作為細(xì)分行業(yè)，近十多年來(lái)國(guó)內(nèi)才開(kāi)始得到重視，逐步研發(fā)木門(mén)制造專(zhuān)用機(jī)械，木門(mén)專(zhuān)用機(jī)械取代家具通用機(jī)械[3]。市面上根據(jù)木門(mén)材料的不同，可以分為實(shí)木木門(mén)和板式木門(mén)，其中實(shí)木木門(mén)由于木材資源有限，木材利用率低、價(jià)格昂貴且工藝相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于大規(guī)模定制的需求較低。而板式木門(mén)以木質(zhì)板件為原料，價(jià)格更親民。同時(shí)先進(jìn)木門(mén)設(shè)備的引進(jìn)和發(fā)展，為木門(mén)的柔性制造提供了設(shè)備基礎(chǔ)[4]。木門(mén)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模定制可以更好地滿足用戶多樣化的需求，提高材料利用率，提升木門(mén)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。蒙陰銀進(jìn)機(jī)械制造有限公司[6]設(shè)計(jì)了一條可迅速實(shí)現(xiàn)實(shí)木門(mén)制造的柔性組合實(shí)木門(mén)自動(dòng)化生產(chǎn)線。南通躍通數(shù)控設(shè)備有限公司[7]研制開(kāi)發(fā)了一種數(shù)控木門(mén)生產(chǎn)線，包括毛坯的四邊鋸切，兩端封邊開(kāi)槽，花型加工及孔槽加工的功能，可充分發(fā)揮其在大批量生產(chǎn)規(guī)模的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、自動(dòng)化、規(guī)?；a(chǎn)木門(mén)。這些都為國(guó)內(nèi)木門(mén)的柔性制造提供了設(shè)計(jì)思路。

本文圍繞復(fù)合門(mén)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及柔性生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)了一種柔性木門(mén)系統(tǒng)，并對(duì)目前木門(mén)的柔性生產(chǎn)中已經(jīng)應(yīng)用的技術(shù)及存在的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討和分析，以期為柔性木門(mén)生產(chǎn)的研究和應(yīng)用發(fā)展提供有益參考。此外，技術(shù)人員可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1? 柔性化木門(mén)生產(chǎn)線建設(shè)需求

木門(mén)是我們?nèi)粘＜揖呓M成必不可少的一部分，但其制作工藝復(fù)雜、通常需要經(jīng)過(guò)20～30道生產(chǎn)工序，一些油漆類(lèi)的造型門(mén)甚至可達(dá)40～50道制作工序。傳統(tǒng)的木門(mén)結(jié)構(gòu)通常是實(shí)木榫卯組成框架，中間加芯板嵌合組成一扇門(mén)，其制作工序復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大批量，定制化生產(chǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)木門(mén)還有著樣式單一，木材利用率低等缺點(diǎn)。

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活品質(zhì)追求的不斷升級(jí)，個(gè)性化需求不斷增加，實(shí)木資源匱乏，環(huán)境保護(hù)日益迫切，人工成本日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的木門(mén)生產(chǎn)工藝改良刻不容緩。目前國(guó)內(nèi)的木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)依然只能滿足大規(guī)模批量生產(chǎn)的需求，每次調(diào)整生產(chǎn)規(guī)格都需要人工對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)人工依賴(lài)相對(duì)嚴(yán)重，存在工作效率低、監(jiān)管不足等問(wèn)題。而客戶對(duì)定制化、個(gè)性化的需求，對(duì)國(guó)內(nèi)的木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)提出了更高的需求。為了實(shí)現(xiàn)木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性化，需要系統(tǒng)能根據(jù)生產(chǎn)需求智能化、自動(dòng)化地調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，需要人工調(diào)整，工作效率低、且無(wú)法準(zhǔn)確快速確定。而且人工操作容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成較大安全問(wèn)題。而且隨著社會(huì)發(fā)展，定制化、個(gè)性化的木門(mén)生產(chǎn)需求日益增加，大規(guī)模定制不僅增加了生產(chǎn)人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)也對(duì)木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。

2? 柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在滿足大規(guī)模定制、形成批產(chǎn)能力、縮短周期、提升質(zhì)量和降低成本的要求下，通過(guò)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化工廠的建設(shè)，穩(wěn)步構(gòu)建生產(chǎn)柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展需求是木門(mén)生產(chǎn)企業(yè)要面對(duì)的問(wèn)題。根據(jù)木門(mén)產(chǎn)品多規(guī)格、結(jié)構(gòu)不一的特點(diǎn)，將先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)、智能制造技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等融合到木門(mén)生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)全流程，以關(guān)鍵制造和生產(chǎn)過(guò)程的智能化管控為核心，以提髙產(chǎn)線績(jī)效、精益生產(chǎn)為目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程的透明可視、自主控制。

木門(mén)的基本工藝流程主要有基材準(zhǔn)備、組框、單板加工、復(fù)合貼壓、定尺、封邊、開(kāi)五金孔槽、銑削成形、涂飾。針對(duì)門(mén)扇復(fù)合貼壓后到涂飾前的工藝，柔性化木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)主要功能是完成木門(mén)門(mén)扇的定尺、封邊及開(kāi)五金孔槽，為了完成這幾項(xiàng)加工，生產(chǎn)系統(tǒng)需要包含3類(lèi)主機(jī)：

（1）數(shù)控門(mén)扇四邊鋸：用以完成定尺，即將毛坯加工成精確尺寸的木門(mén)板件。

（2）封邊機(jī)：對(duì)門(mén)扇邊部進(jìn)行預(yù)銑、涂膠封邊、粗修、精修、刮邊和拋光等。

（3）數(shù)控柔性門(mén)鎖加工中心：在木門(mén)的兩個(gè)長(zhǎng)邊區(qū)域進(jìn)行鎖槽、鎖階、鎖孔、合頁(yè)加工。根據(jù)木門(mén)生產(chǎn)工藝和特點(diǎn)其加工方案的流程如圖1所示，加工設(shè)備布置如圖2所示。

相比與常規(guī)的木門(mén)生產(chǎn)工藝，本系統(tǒng)采用的柔性生產(chǎn)工藝是直接加工組裝好的木門(mén)件，通過(guò)裁邊、封邊、門(mén)鎖加工三步驟完成。傳統(tǒng)的木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)需要根據(jù)需要生產(chǎn)的木門(mén)規(guī)格，人工調(diào)整各工藝中定位構(gòu)件的位置，難以滿足柔性生產(chǎn)。為了滿足柔性生產(chǎn)的需求，柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)需要采用的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）條形碼激光掃描技術(shù)：能實(shí)現(xiàn)識(shí)別進(jìn)入加工區(qū)域的板件，各加工設(shè)備根據(jù)識(shí)別出的板件自動(dòng)化地調(diào)整設(shè)備狀態(tài)以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)?？勺詣?dòng)讀取每塊門(mén)扇的外形尺寸、加工要求等信息，自動(dòng)調(diào)整機(jī)器動(dòng)作，調(diào)用和啟動(dòng)加工程序，按要求完成加工。

（2）四邊鋸自動(dòng)糾正技術(shù)：包括兩方面的位置糾正——糾正加工門(mén)扇的位置和糾正四邊鋸鋸切位置，使其進(jìn)行規(guī)方鋸切以保證面板的花紋在中心線上對(duì)稱(chēng)和門(mén)芯框架與面板平整，并且滿足加工尺寸符合對(duì)應(yīng)生產(chǎn)需求。

（3）快速定位和規(guī)避技術(shù)：在數(shù)控柔性門(mén)鎖加工中心上，門(mén)板是通過(guò)夾具固定在加工區(qū)域中，為了避讓碰撞不同的加工文件需求的夾具位置會(huì)不一樣。這需要設(shè)備能根據(jù)加工文件快速調(diào)整夾具位置以滿足柔性生產(chǎn)需求。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)：并且為了滿足智能工廠實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)各功能塊狀態(tài)，該系統(tǒng)還需要能夠通過(guò)APP或網(wǎng)站遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)功能。

本文設(shè)計(jì)的柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)如圖3所示。為此，柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)包括以下智能生產(chǎn)單元和柔性控制系統(tǒng)，使生產(chǎn)過(guò)程柔性、高效、明確、透明、智能。本文將從系統(tǒng)用到的自動(dòng)化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)兩方面闡述柔性木門(mén)加工系統(tǒng)的核心技術(shù)。

2.1? 基于自動(dòng)化的自適應(yīng)加工系統(tǒng)

傳統(tǒng)木門(mén)制造過(guò)程中，加工、檢測(cè)和控制各階段都相互獨(dú)立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)控制優(yōu)化。而自動(dòng)化是指機(jī)器設(shè)備或系統(tǒng)在無(wú)人或較少人的直接參與下，可以按照既定的制造要求完成自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、監(jiān)控調(diào)控等功能以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的能力?；谧詣?dòng)化技術(shù)，柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)將木門(mén)識(shí)別系統(tǒng)、可編程邏輯控制器、工控機(jī)和設(shè)備進(jìn)行連接，在連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)板件自動(dòng)加工與輸送工作，從而保證木門(mén)加工過(guò)程中的自動(dòng)化、智能化。該生產(chǎn)過(guò)程詳細(xì)功能應(yīng)包括板件的識(shí)別與定位、柔性加工、和報(bào)錯(cuò)處理等功能。生產(chǎn)系統(tǒng)需要能通過(guò)識(shí)別的板件向總控獲取加工文件，并根據(jù)加工文件自動(dòng)地對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整。

在自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，板件的識(shí)別是基礎(chǔ)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過(guò)條形碼作為板件識(shí)別的方式，在數(shù)控四邊鋸、封邊機(jī)和數(shù)控柔性門(mén)鎖加工中心的進(jìn)板區(qū)域，通過(guò)條形碼掃描儀獲取進(jìn)入的木門(mén)信息。通過(guò)掃描到的條形碼信息向總控申請(qǐng)加工的板件信息、獲取加工文件，再根據(jù)獲取的板件信息自動(dòng)調(diào)整設(shè)備加工狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)木門(mén)的自動(dòng)化加工。在裁邊工段中，數(shù)控四邊鋸根據(jù)板件的長(zhǎng)寬尺寸、自動(dòng)調(diào)整各個(gè)鋸片的距離，一次性完成門(mén)扇的規(guī)方加工，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、柔性加工。對(duì)于數(shù)控柔性門(mén)鎖加工中心，為了滿足柔性生產(chǎn)的需求，需要實(shí)現(xiàn)夾具與側(cè)靠的自定位。待加工木門(mén)是通過(guò)夾具固定在加工區(qū)域內(nèi)的，而根據(jù)不同的加工文件，各夾具的位置需求都不一樣。傳統(tǒng)的木門(mén)加工是通過(guò)人工調(diào)整夾具的位置，再進(jìn)行加工。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式中，每次更改加工木門(mén)的批次都需要重新人工進(jìn)行調(diào)整，這是制約木門(mén)加工難以實(shí)現(xiàn)柔性制造的主要原因，使得國(guó)內(nèi)的木門(mén)生產(chǎn)只能適應(yīng)大批量生產(chǎn)。這要求柔性加工系統(tǒng)能根據(jù)加工文件，自動(dòng)調(diào)整夾具的移動(dòng)位置、側(cè)靠距離，避免加工過(guò)程中的碰撞。此外，為了減少加工過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)，需要根據(jù)當(dāng)前的夾具位置，得到最短移動(dòng)位置。

此外，在完善柔性化加工過(guò)程的基礎(chǔ)上、引入自動(dòng)龍門(mén)上料機(jī)、龍門(mén)自動(dòng)下料機(jī)和自動(dòng)包裝設(shè)備。傳統(tǒng)的上下料過(guò)程都是采用人工搬抬、勞動(dòng)強(qiáng)度大，龍門(mén)上、下料機(jī)則通過(guò)真空吸盤(pán)抓取堆垛。目前自動(dòng)化連線裝置在各行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中有著廣泛應(yīng)用。該生產(chǎn)系統(tǒng)用到的輸送裝置，通過(guò)真空吸盤(pán)抓取板件、滾筒運(yùn)輸板件實(shí)現(xiàn)各工序間的板件輸送、存儲(chǔ)，為柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)提供連線支撐。

2.2? 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)主要是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，將需要監(jiān)控的物體與網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)時(shí)采集需要的信息，并通過(guò)信息傳播媒介完成信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理。柔性木門(mén)加工系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工過(guò)程各工序狀態(tài)的反饋和智能控制功能，加工信息的標(biāo)注和管理等。其中對(duì)于各工段加工狀態(tài)、加工信息的管理是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的光電傳感器和條形碼掃描儀實(shí)現(xiàn)的，形成一套數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)系統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)?？梢酝降牟渴鸬缴a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的總控端上，同時(shí)也能部署到管理人員的移動(dòng)手機(jī)端上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、管理。當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃有變動(dòng)或生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，技術(shù)人員能通過(guò)手機(jī)APP快速獲取系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的狀態(tài)，方便技術(shù)人員調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃、遠(yuǎn)端解決問(wèn)題。對(duì)于木門(mén)加工的信息管理，系統(tǒng)內(nèi)是通過(guò)條形碼進(jìn)行信息的傳遞和管理，生產(chǎn)人員可以通過(guò)掃描儀實(shí)時(shí)獲取木門(mén)生產(chǎn)信息、訂單信息等。在總控端也能通過(guò)搜索對(duì)應(yīng)條形碼id獲取查找待尋找木門(mén)板件的當(dāng)前狀態(tài)。

3? 系統(tǒng)應(yīng)用的效果及效益

本文利用自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)木門(mén)柔性制造系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，可以較大程度上滿足柔性定制、智能化生產(chǎn)的需求。本文技術(shù)相關(guān)項(xiàng)目投運(yùn)后，相關(guān)加工效率及成本分析如以下所示：

（1）產(chǎn)能：在一班（8 h）時(shí)間內(nèi)，可加工門(mén)扇數(shù)量最高達(dá)320樘。按每天3班值，每年工作天數(shù)300天計(jì)算，年生產(chǎn)數(shù)量可達(dá)28.8萬(wàn)樘。

（2）加工范圍：木門(mén)的加工規(guī)格則為在寬度方向上為400～1 100 mm，長(zhǎng)度方向?yàn)? 800～2 400 mm，厚度方向?yàn)?0～60 mm。

（3）加工精度及合格率：門(mén)扇的加工精度在±0.5 mm以內(nèi)，對(duì)角線誤差在±2 mm以內(nèi)，產(chǎn)品合格率在99.55%以上。

（4）成本：木門(mén)柔性加工生產(chǎn)線僅需要1～2人/班，而傳統(tǒng)的以通用設(shè)備加工木門(mén)的生產(chǎn)方式則通常一班需要10人以上。

4? 結(jié)? 論

將數(shù)控四邊鋸、封邊機(jī)、數(shù)控柔性門(mén)鎖加工中心等主要加工設(shè)備，通過(guò)自動(dòng)龍門(mén)上、下料、輸送、定位、轉(zhuǎn)向等裝置完成自動(dòng)化連線，并輔以采用了條形碼激光掃描技術(shù)、四邊鋸自動(dòng)糾正技術(shù)、快速定位和規(guī)避技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等構(gòu)成柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)存在工作效率低、管控模式單一、無(wú)法滿足定制需求的問(wèn)題，柔性木門(mén)生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化等技術(shù)手段，可以實(shí)現(xiàn)木門(mén)的柔性生產(chǎn)、以滿足市場(chǎng)對(duì)大規(guī)模定制的需求等功能。

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作者簡(jiǎn)介：劉風(fēng)華（1968—），男，漢族，北京人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：家具智能制造。