智能时代下板式定制家具柔性制造关键设备的生产工艺研究

王士忠

（青岛贝来文化科技有限公司，青岛 266300）

随着我国经济的高速发展，人们的消费需求越来越个性化，使得板式家具的制造从大批量转向大规模定制化。当前，在国内大部分家具装备制造业中，装备种类较少，结构简单，自动化水平低。由于家居大多来自各个制造业厂商，很难无缝整合家具制造生产线。现有的板式家具生产线大多存在柔性差、人工调试频繁以及效率低下等问题，很难适应多品种、小批量、短时间的个性化家具需求。虽然一些大的家具公司已引进了国外先进的生产线，但是配套服务较差，在与国内客户需求和产能的匹配等方面存在较大问题，且产品成本较高。企业自行研发可用于板材加工的全自动贴标机、切割机、接料机、封边设备及打孔设备，使板材切割、封边及打孔过程的设备更加智能化，并增设运输及配送设备，设计可定制的板材加工柔性流水线。

1 板式定制家具一般生产流程

板式定制家具的制作过程复杂，与产品的结构、外观风格、材料以及应用环境等都有紧密联系，甚至同一产品在不同的厂商中制作过程也存在差异。以普通的衣橱为例，按照生产过程可将衣柜分成掩门、串门以及除了衣柜之外的其他部分。但是，由于在生产过程中即使是同一个衣柜的不同部分，也不能在一条流水线上进行生产。橱柜可以被划分成两种，一种是长方板，另一种是异形板。目前，国内仅有长方板能够做到智能化，而其他种类的橱柜组件生产无法实现智能化，多采用半自动化或完全人工制造。定制家具长方体板材的智能化加工工艺主要为加工领料、切料、封边、穿孔、分类、打包以及人员入库。为改善产品的品质和提高人员的工作效率，可以在主工艺中加入其他程序，如切割后的板面清洗程序、品质检验程序等[1]。

2 定制家具智能制造方法

本文提出新设计思想，并设计系统方案。生产预备阶段是指制造业中各工序的生产资料通过制造企业生产过程执行系统（Manufacturing Process System，MES）分发到各工序的各个设备。在接收到MES的预处理消息后，该立体仓储将按照加工次序完成预处理和分类处理。生产时，工作区由感应器进行扫码来启动。工作结束后，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）会对线控系统下达指令，从而得到工艺数据。线控系统可以通过WinCC/OPC对PLC请求进行实时监控，当检测到PLC请求后，线控系统会从设备数据库中获取生产数据，并对其进行计算和分析，随后通过WinCC/OPC将其反馈给计算机的PLC，再根据线控反馈结果进行控制。整个生产流程记录设备生产的实时数据、设备实时状态，并将相关数据存入数据库，具体流程如图1所示[2]。

图1 生产流程图

3 动态控制的信息技术

3.1 生产过程中的灵活规划和安排技术

在实际制造中，在制定定制化的订货方案后，柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）可以通过分析零件、产品和工艺路线等，灵活规划和调度工厂。此外，FMS可以实时采集车间的产量和加工数据，减少手工统计工作，避免出现错件、漏件和补件。

3.2 FMS信息集成与共享技术用于MES

FMS数据通常由MES提供，可在各个功能软件和设备间共享和传递。因此，FMS数据来源往往由其他功能软件提供，如企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）和MES，并实现数据在功能软件和设备间的共享与传递。本文主要从两个方面对大型定制家具FMS中的信息集成和共享技术进行研究。

3.2.1 FMS的信息集成

在具体运用中，FMS和各功能软件之间的整合利用数据库技术，以ERP、MES、供应链管理（Supply Chain Management，SCM）等为核心，实现了对企业内部生产信息的共享。ERP系统提供FMS的基本信息，如材料、采购、销售等。MES为FMS进行材料需求计划，生成产品产量计划、成本计划等[3]。

FMS制造流程中的ERP与MES所需的重要信息，对设备与质量管理等多个功能模块的完善具有极大的促进作用。通过FMS与自动化仓库的整合，可以实时统计生产截取订单的配合表、生产领料单以及生产退料单中的原料净出库数据。

FMS还可以与MES系统相配合，用零件的标签扫描记录工艺过程。商店和顾客可以用计算机或者手机等移动终端进行订单追踪和询问。

3.2.2 与外部装置之间的整合

FMS与外部设备的整合，实现了工艺数据与计算机数控（Computerized Numerical Control，CNC）设备的对接。工件在生产车间流动，并在生产过程中给予实时反馈。加工信息与CNC装置的对接，主要以企业设计软件（如TopSolid）、优化软件（如CutRite）、数据机床加工软件（如IMOS）等之间的数据对接为基础，通过智慧物流技术，使得工件可在车间流动，并借由自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）实现加工过程中物体的自动位移。在FMS中，现场的信息反馈指的是利用MES系统中的数据，对加工数据、各工段的计划完成情况以及订单下单等进行实时显示。

3.3 工厂可视化管理技术

柔性制造可视化车间管控技术以ERP、MES、数据采集设备等为基础，形成一种实时动态监控技术，具体包括现场数据采集、数据处理与分析、现场信息反馈等模块。生产过程中扫描各个位置上的标识，从而达到对加工时间、加工进度、设备产能等信息的实时收集，并在发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）屏幕上进行实时展示。

3.4 数控裁板设备

开料是指根据工件的尺寸要求，将原板材切割为特定规格的零件。常规开料设备采用电动切割，将一块完整的板料进行纵向切割和横向切割形成各种尺寸的板料。该流水线上的开料过程是由一个加工中心完成的，除了可以自动抓取和推片之外，还可以根据标识获得开料数据，并自动调整过程的参数，从而达到对片材的高效率切割。为提高产量，可在开合机的前面增加一个智能化导线控制的导流机构，完成多个开料机的工作[4]。这类加工中心可一次实现裁切、开槽、钻孔等功能。

3.5 柔性封边设备

板式定制家具中，每个零件单位的大小和颜色都不相同。因此，大规模生产需要封边机器具备一定的加工灵活性，如可满足对不同封边材料的需求、适应不同尺寸规格产品的能力以及根据材料进行更换封边方式等。在软封边线中，每一个站位都是根据软封边线的特性而进行的，因此可以快速改变软封边线的加工工艺，并可以在软封边线中灵活进行转换，从而提升软封边线的灵活性[5]。

3.6 钻孔设备

打孔工艺的精确性将对家具产品的组装品质和服役寿命产生重要影响。根据定制板式家具的加工工艺需求，传统的板材钻孔装备除了要持续适应大批量加工工艺外，还需要完成多规格、多类型的钻孔加工。在这条流水线上，打孔和开槽都是在一个六面钻井中心上进行的。这种钻井装置可以与前序的封边环节无缝连接起来，只需要主机通过扫描标记获得加工信息，就可以自动完成打垂直孔、侧孔和开槽等过程。整个过程不需要人为的技术介入，可以大大提升加工的准确性，并实现自动化和智能化操作。六面钻井中心数控钻适用于铣、钻、切削等小体积、小占用空间的零件，可高度集成化加工。一些设备有自动吸盘系统，具有钻头快速更换系统的立式高速钻轴和自动换刀工具库，能够完成工件周边铣型、钻孔以及开槽3种加工，适合于非标准零件加工，且连接不易牢固。

3.7 缓存设备和分拣设备

缓冲设备旨在临时存储生产过程中的零件。线边仓库作为一种常用的板式家具自动化生产线中的零件缓冲设备，作用是解决在生产中因各环节的生产能力不匹配或是出现突发故障时导致的传送线堵塞等问题[6]。通过分类装置可以分离和安排到达的零件，将其暂时存放在环状或三维缓冲区域，使得物料的流向更清晰，同时能高效准确地追踪各个零件的准确位置。当部件被齐套后，通过机械设备按照货物列表中的需求对部件进行分类，准确率达到100%，避免了人工的错误分类，极大地减少了发货错误。

3.8 零件自动包装设备

定制家具的整体器具被分解成各个小零件后，系统会产生一份打包列表。在组件被装配好后，由包装工段按照该列表的需要对已归类的组件进行打包，其中最主要的设备是箱子切割设备和箱子包装设备。裁切器根据包装表格中各部分的大小决定裁切器的大小，可增加包装的灵活性，降低箱体损失，同时起到一定的保护作用，降低运送时的损失。盒式封口机可以在进料区自动检测盒体尺寸，并且可以按照盒体尺寸进行调整，采用热熔胶接技术密封盒体[7]。

4 柔性制造生产线应用

定制化板式家具柔性制造生产线已经在定制化家具产业中得到广泛应用，具有很强的技术普适性，是许多定制家具企业实现“工业4.0”的核心生产线，家具生产企业认同度高。智能定制化板式家具柔性制造生产线可满足在加工过程中对各种大小板材进行加工生产的需要，还可节约人力成本，将生产效率提高30%～40%，而价格仅为进口类似设备的1/3，具有更高的性价比。

5 结语

在板式家具生产过程中，定制板式家具的柔性生产流水线是其生产过程中的关键一环，对加工效率、加工成本和产品质量有很大影响。本文将适合定制板式家具特征的设备集合在一起，并提高设备的智能化程度，从而确保整条流水线产品的生产节拍和安全，更好地适应定制家具板材的多元化生产要求，有效缓解家具制造业的个性化定制需求和规模化生产之间的矛盾，使板式家具制造向自动化、信息化、精细化与数字化方向发展。