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摘要：21世紀(jì)的制造業(yè)是以系統(tǒng)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，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)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，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，未來制造業(yè)將向著越來越精致化、人性化、個性化的方向發(fā)展。當(dāng)前個性定制化的需求已然出現(xiàn)，小批量訂單逐年暴增，工廠大批量木工產(chǎn)線生產(chǎn)模式已經(jīng)不適應(yīng)定制化的要求。面對這些小批量、多品種需求，常規(guī)木工機(jī)械已不能滿足生產(chǎn)要求。因此研發(fā)一套智能木工加工設(shè)備，解決小批量、多品種、定制化木工制品，實現(xiàn)企業(yè)高效、自動化生產(chǎn)非常有必要。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；木工雕銑；智能加工；木工設(shè)備

1 引言

我國木工機(jī)械市場從無到有，從小到大，從弱到強(qiáng)，逐漸形成一個完整的行業(yè)體系。從原始的手工業(yè)到如今先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，見證了我國經(jīng)濟(jì)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(shè)備不斷涌入，對國內(nèi)木工機(jī)械而言，挑戰(zhàn)與機(jī)會并存。木工機(jī)械的自動化、柔性化、智能化和集成化需求使加工設(shè)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(nèi)木工行業(yè)依靠人工作業(yè)方式仍然占據(jù)著主流位置。密集消耗、惡劣作業(yè)環(huán)境非常突出，行業(yè)中亟待解決的問題使得關(guān)注、探討和研究一套智能木工機(jī)械顯得非常有必要。

2 行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 木工機(jī)械市場現(xiàn)狀

目前，全球木工機(jī)械市場正在向新興工業(yè)國家轉(zhuǎn)移，中國木工機(jī)械市場已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，并且形成了一個完整的行業(yè)體系。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國木工機(jī)械在科研、教育、設(shè)計和生產(chǎn)方面都有提高，已形成了一批有規(guī)模的企業(yè)，培養(yǎng)大批工程科技人員。中國木工機(jī)械行業(yè)在2012年產(chǎn)值超過了德國，成為全球第一大木工機(jī)械制造國，中國出口的木工機(jī)械產(chǎn)品已在中低端市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。而國內(nèi)市場，中低端產(chǎn)品基本能自給滿足，高端產(chǎn)品則仍依靠國外進(jìn)口。

2.2 木工機(jī)械的現(xiàn)狀與趨勢

現(xiàn)如今，木工機(jī)械已經(jīng)形成完整的產(chǎn)品體系和產(chǎn)業(yè)鏈，木工機(jī)械呈現(xiàn)以下幾個趨勢。

（1）分工更加明細(xì)

木工機(jī)械生產(chǎn)正由大而全向?qū)I(yè)化發(fā)展，類似專做帶鋸機(jī)、砂光機(jī)等專業(yè)設(shè)備木工機(jī)械分工更加明確，使得家具生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)更加專業(yè)化、深入化。

（２）整體方案輸出

如今單一的設(shè)備輸出已無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需要，木工機(jī)械行業(yè)正在從設(shè)計單一產(chǎn)品逐步走向設(shè)計生產(chǎn)線、新型木工機(jī)械的開發(fā)及家具生產(chǎn)的智能化與生產(chǎn)無人化規(guī)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(jī)械需要更加靈活與柔性，以適應(yīng)家具定制化生產(chǎn)的需要。

（４）智能化

生產(chǎn)過程的工件不落地，數(shù)據(jù)的動態(tài)傳輸，自動識別，自動調(diào)用加工，自動分揀、自動包裝入庫等將是智能制造木工機(jī)械發(fā)展的必然趨勢。

3 機(jī)器人加工研究及解決方案

3.1 機(jī)器人木工加工系統(tǒng)探討

應(yīng)對個性定制化的小批量訂單需求，降低設(shè)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(jī)械智能化需求非常迫切。隨著我國改革開放對國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的合作引進(jìn)以及國內(nèi)技術(shù)在木工機(jī)械方面的不斷探索與自主創(chuàng)新，我國的木工機(jī)械水平與國際間的差距逐漸縮小。但是當(dāng)前我國木工機(jī)械整體行業(yè)布局不合理，產(chǎn)品過分集中的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、勞動密集型、技術(shù)型產(chǎn)品滯后等特點非常明顯，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。

市場是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，技術(shù)創(chuàng)新才能適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。使用智能機(jī)器人木工加工系統(tǒng)單元，一臺單元設(shè)備可執(zhí)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(fù)雜線條和特殊造型等加工難題，對工藝進(jìn)行可靈活組合，真正實現(xiàn)了全工藝的覆蓋和柔性化加工。

3.2 機(jī)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(shù)，由機(jī)器人匹配自動換刀主軸執(zhí)行木工制品的工藝雕銑，匹配自動上下料機(jī)器人系統(tǒng)，完成木工雕銑單元加工件的自動上下料，實現(xiàn)多種木工產(chǎn)品的自動鋸、雕、鉆、車、銑等加工，構(gòu)成高效率、高質(zhì)量、高可靠性的智能化機(jī)器人雕銑生產(chǎn)單元。方案介紹如下：

• 設(shè)置總控系統(tǒng)，在離線和人工模式下可預(yù)約不同工件雕銑程序和換刀程序；

• 使用大負(fù)載GSK-RB165機(jī)器人，配置專用的離線編程技術(shù)、高速大功率專用木工電主軸和換刀系統(tǒng)，實現(xiàn)不同工藝任務(wù)的自動換刀加工；

• 設(shè)計柔性裝夾平臺和柔性定位夾具，滿足常規(guī)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(shè)計伺服機(jī)構(gòu)帶動 卡盤翻轉(zhuǎn)定位和連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)；

上料毛坯倉、下料成品倉和上下料機(jī)器人設(shè)計大行程可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，手抓以工件分類設(shè)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(shè)計上下料變位機(jī)裝置、可預(yù)約程序總控系統(tǒng)、機(jī)器人自動上下料系統(tǒng)、大負(fù)載GSK-RB165機(jī)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(tǒng)和柔性工裝夾具實現(xiàn)不同工藝要求的自動換刀加工，可根據(jù)需要設(shè)置多套工件定位夾具，變位機(jī)伺服控制精確定位和按需切換工裝夾具，以此實現(xiàn)工件的提前預(yù)裝、快速切換和自動雕銑任務(wù)。各功能單元介紹如下：

（1）上下料平臺一

變位機(jī)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(jī)連接減速器作為輸出。可根據(jù)需要設(shè)計常規(guī)圓棒、平板類夾具，滿足多款工件的兼容。

圓棒類夾具可由調(diào)節(jié)端氣動卡盤、定位端基準(zhǔn)板等組成，可調(diào)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(zhǔn)統(tǒng)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(yīng)尺寸大小不同板料的位置調(diào)準(zhǔn)。對應(yīng)的氣動夾可自動松合，避開機(jī)器人主軸刀具運動軌跡。

（2）上下料平臺二

變位機(jī)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(jī)連接減速箱作為輸出，夾具安裝板設(shè)置可調(diào)節(jié)夾具安裝位置T型槽，氣動卡盤爪設(shè)置上料定位臺階，保證加工基準(zhǔn)統(tǒng)一。

（3）上下料抓手

機(jī)器人上下料抓手設(shè)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(jù)工件種類、重量、外形、尺寸等分類設(shè)計可調(diào)，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(jù)木工毛坯來料特點，結(jié)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(shè)計成傾斜式，可調(diào)節(jié)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(shè)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(tǒng)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(yù)。

通過離線程序?qū)搿⒍嗟稁祛A(yù)置和柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計，機(jī)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(jī)器人雕銑系統(tǒng)實現(xiàn)了多款圓棒、方棒、板件木制品的無人自動加工，滿足常規(guī)生產(chǎn)效率與表面加工質(zhì)量。應(yīng)用現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 應(yīng)用現(xiàn)場圖

4 結(jié)論

家具的定制浪潮還在繼續(xù)，人們的個性化需求需要更加靈活的生產(chǎn)方案來滿足，單一設(shè)備的發(fā)展不足以滿足現(xiàn)狀，整體化的生產(chǎn)方案更具優(yōu)勢。在市場的推動下，只有擁有符合大眾需求的產(chǎn)品，才能擁有廣闊的市場，以市場需求激發(fā)科研人員創(chuàng)造出“第一質(zhì)量”的產(chǎn)品，才能在木材機(jī)械行業(yè)當(dāng)中走的更遠(yuǎn)。

本文梳理了當(dāng)前木工行業(yè)現(xiàn)狀，對木工機(jī)械發(fā)展趨勢、需求進(jìn)行了總結(jié)，研發(fā)了一款機(jī)器人智能木工加工系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)了木工制品多工藝機(jī)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(wěn)定的無人自動化生產(chǎn)要求。替換了木工行業(yè)多工序、多專用加工設(shè)備、多人工的作業(yè)場景，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《自動化博覽》2020年8月刊