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摘要：21世紀的制造業是以系統集成和交叉融合為基本理念的新型制造業。我國是家具生產、消費和出口的大國，伴隨著科學技術的不斷發展，當前以提高產品質量、提升生產效率、降低生產成本、改善人工作業環境為出發點，新技術、新材料、新工藝不斷涌現，未來制造業將向著越來越精致化、人性化、個性化的方向發展。當前個性定制化的需求已然出現，小批量訂單逐年暴增，工廠大批量木工產線生產模式已經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足生產要求。因此研發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，實現企業高效、自動化生產非常有必要。

關鍵詞：機器人；木工雕銑；智能加工；木工設備

1 引言

我國木工機械市場從無到有，從小到大，從弱到強，逐漸形成一個完整的行業體系。從原始的手工業到如今先進的數控技術，見證了我國經濟的快速發展以及人民生活水平的不斷提高。

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

2 行業現狀與發展趨勢

2.1 木工機械市場現狀

目前，全球木工機械市場正在向新興工業國家轉移，中國木工機械市場已經具有相當規模，并且形成了一個完整的行業體系。隨著科學技術的進步，我國木工機械在科研、教育、設計和生產方面都有提高，已形成了一批有規模的企業，培養大批工程科技人員。中國木工機械行業在2012年產值超過了德國，成為全球第一大木工機械制造國，中國出口的木工機械產品已在中低端市場上占據主導地位。而國內市場，中低端產品基本能自給滿足，高端產品則仍依靠國外進口。

2.2 木工機械的現狀與趨勢

現如今，木工機械已經形成完整的產品體系和產業鏈，木工機械呈現以下幾個趨勢。

（1）分工更加明細

木工機械生產正由大而全向專業化發展，類似專做帶鋸機、砂光機等專業設備木工機械分工更加明確，使得家具生產的各個環節更加專業化、深入化。

（２）整體方案輸出

如今單一的設備輸出已無法滿足企業的生產需要，木工機械行業正在從設計單一產品逐步走向設計生產線、新型木工機械的開發及家具生產的智能化與生產無人化規劃。

（３）定制化、柔性化

定制家具的工業化生產已經使家具工業發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的需要。

（４）智能化

生產過程的工件不落地，數據的動態傳輸，自動識別，自動調用加工，自動分揀、自動包裝入庫等將是智能制造木工機械發展的必然趨勢。

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、降低生產周期及提高生產質量等是企業一直追求的，因此木工行業對木工機械智能化需求非常迫切。隨著我國改革開放對國外先進技術和設備的合作引進以及國內技術在木工機械方面的不斷探索與自主創新，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布局不合理，產品過分集中的產業結構、勞動密集型、技術型產品滯后等特點非常明顯，產業能源均消耗較大，且行業技術創新能力比較薄弱。

市場是機遇與挑戰并存，技術創新才能適應行業的發展。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，解決家具上的各種異型曲面、復雜線條和特殊造型等加工難題，對工藝進行可靈活組合，真正實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

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

• 設置總控系統，在離線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，配置專用的離線編程技術、高速大功率專用木工電主軸和換刀系統，實現不同工藝任務的自動換刀加工；

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

• 上料平臺配置卡盤夾持，設計伺服機構帶動 卡盤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，手抓以工件分類設計多臺階手抓的手指，滿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、機器人自動上下料系統、大負載GSK-RB165機器人、專用離線編程、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現不同工藝要求的自動換刀加工，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，以此實現工件的提前預裝、快速切換和自動雕銑任務。各功能單元介紹如下：

（1）上下料平臺一

變位機由底座、主動模塊、從動模塊、夾具安裝 支架組成，主動模塊有大功率電機連接減速器作為輸出。可根據需要設計常規圓棒、平板類夾具，滿足多款工件的兼容。

圓棒類夾具可由調節端氣動卡盤、定位端基準板等組成，可調整加工端伸出長度。定位氣動卡盤模塊有端部定位板用于上料時工件的定位，保證加工基準統一。

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

（2）上下料平臺二

變位機由底架、主動模塊、從動模塊、頂升軸、氣動卡盤、獨立行走絲桿軸、夾持氣缸等組成。主動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，氣動卡盤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，滿足毛坯件和成品件的快速取放。手指根據工件種類、重量、外形、尺寸等分類設計可調，滿足多類型工件的毛坯、成品零件的柔性抓取。

（4）毛坯料倉

根據木工毛坯來料特點，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

可設計簡易滑板配套簡易支桿料架，滿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

加工過程中故障，比如氣壓不足、庫換刀問題、工件不到位、料庫無料、頂料過載等等加工過程中問題，系統會及時暫停和顯示報警，緊急情況時可通過人工急停參與干預。

通過離線程序導入、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、手抓等更換時間大大縮短。整個機器人雕銑系統實現了多款圓棒、方棒、板件木制品的無人自動加工，滿足常規生產效率與表面加工質量。應用現場如圖3所示。

圖3 應用現場圖

4 結論

家具的定制浪潮還在繼續，人們的個性化需求需要更加靈活的生產方案來滿足，單一設備的發展不足以滿足現狀，整體化的生產方案更具優勢。在市場的推動下，只有擁有符合大眾需求的產品，才能擁有廣闊的市場，以市場需求激發科研人員創造出“第一質量”的產品，才能在木材機械行業當中走的更遠。

本文梳理了當前木工行業現狀，對木工機械發展趨勢、需求進行了總結，研發了一款機器人智能木工加工系統設備，實現了木工制品多工藝機器人一體化加工任務，解決了小批量、多品種，特別是定制化木工制品 高效、穩定的無人自動化生產要求。替換了木工行業多工序、多專用加工設備、多人工的作業場景，大大縮短了新木工制品的研發、生產周期，提高了生產質量和效率，供行業參考。

摘自《自動化博覽》2020年8月刊