浅谈木工机械行业自动化技术进展

家居产品的多元化与日益提升的个性化需求已成为产业发展的标志,其必然带动木工机械行业自动化的全面发展。本文将从不同的技术角度来初步分析国内目前木工行业的技术进展—Sandy Sun

“工业4.0”、“家具业4.0”或者是“中国制造2025”等行业领先概念,都指向了机械设备需达到智能化、自动化等完善要求。而要实现这一要求的重中之重则在于新技术的研发和利用。

同时,使用新技术提升木工机械自动化程度及生产效率也是实现良好节能和环保性的重要举措。那么现阶段国内木工行业拥有哪些新技术?这些技术的发展情况如何?是否存在提升的空间?接下来将初步列举木工行业的主要技术,以便于读者大致了解当前木工机械行业的自动化技术进展。

 

机电一体化技术

“机电一体化技术”这一词其实并不陌生,它是木工传统机械向自动化技术演变的初步形态。它结合了应用机械技术和电子技术于一体,随着计算机技术迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展,成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术,目前正向光机电一体化技术方向发展。

该技术在木工行业中的应用主要体现为:(1)安装传感器,在木工机械刀具、工件等一些核心设备运转过程中进行监测,这样能够保证设备正常运作,并提升家具制造的加工质量。(2)采用高分辨率图像处理技术,用于完成工件扫描、识别及物流跟踪等工作,从而也提升了木材及家具产品的加工质量。

将机电一体化系统与计算机辅助技术和人工智能与专家系统相结合,有望形成新一代的机械制造技术,帮助制造行业实现高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗的生产模式。

 

CNC加工技术

CNC加工技术(又称数控机床)是木工机械行业近几年来最常用的技术之一。指代的是计算机数字化控制精密机械加工,CNC加工车床、CNC加工铣床、CNC加工镗铣床等。其主要特点是所有的加工工具都采用了数控,由数控加工语言进行编程控制,可以根据生产需要严密、精准地控制刀具的进给速度、主轴转速、加工刀具的位置坐标、工具变换器与冷却剂的功能性,产出即使手工制造也难以完成的复杂外形家具部件。

根据业内人士总结,CNC加工技术的优点首先是可以大量减少工装数量,加工形状复杂的零件却不需要复杂的工装。即使临时需要改变零件的形状和尺寸,只需要修改零件加工程序即可,有利于新产品的研制和改型;其次,得到的加工产品质量较为稳定,因为加工精度高,重复精度也高;多品种、小批量生产情况下生产效率较高,能减少生产准备、机床调整和工序检验的时间,而且由于使用最佳切削量而减少了切削时间。这就与当下定制化、个性化的流行趋势非常契合,能够根据不同客户的特殊需求打造出令人满意的产品;可加工常规方法难以加工的复杂型面,甚至能加工一些无法观测的加工部位,即达成的效果不亚于手工制造,但是加工的速度得到了全面提升。

当然,尽管目前的CNC技术已比较完善,但也并非“无懈可击”。可以适当优化数控机床工艺的复合性及多轴化,改变惯有的运动轨迹,让工件在一台机床上经过一次装夹后,通过旋转主轴头、自动换刀或转台等各种措施,完成多表面、多工序的复合加工,灵活确定更多工作路线,将进一步提高生产效率;通过采用高度集成化的RISC、CPU 芯片和大规模可编程集成电路EPLD、FPGA、CPLD 及专用集成电路ASIC芯片,采取改善机床静态、动态特性等有效措施,提高软硬件的运行速度和数控系统的集成度。

此外,该技术存在的另一个缺点是机床的高昂成本,由于数控技术是复杂的,严密的,这无论是对于操作人员还是维修人员的专业水平也都提出了更高的要求,导致不少中小型企业不堪重压而放弃使用数控机床。因此,尽量简化数值计算的工作量以及加工程序,拓宽数控机床的使用范围,或将成为CNC数控技术的优化方向。

 

机器人操作系统

人工智能、使用机器人加工等一系列“新颖的操作方式”已经逐渐覆盖越来越多的制造行业,并成为了木工家具制造企业的关注焦点。实际上,随着自动化技术的不断发展,机器人已在多个领域广泛应用。如汽车零部件、工程机械、石油化工等行业。木工行业也对自动化技术的需求不断涌现,其健康、绿色、快速的发展离不开工业机器人。

首先在喷涂领域,使用机器人进行喷涂作业,其柔性的手腕能够灵活自如地让漆料精准地喷洒至板材、工件的小孔内部,它还可以根据操作指令向不同的方向弯曲或者转动,满足木材涂装的基本要求。正如柔性生产线的迅速发展一般,喷涂机器人最大的优点也在于柔性强且效率高。最终的喷涂效果可能与专业、熟练的工人手动的作业结果相差不大,但是从生产的安全性和环保性的角度来看,喷涂机器人的优势是明显的,它即使像工作人员一样直接接触或多或少含有有害物质的涂料,也不会产生健康问题,设备可以反复使用,维护和操作都比较简便,省去培训人工的环节,这在一定程度上都降低了用工成本。

在木材的运输和搬运方面,机器人的优点更加凸显。它的负荷能力比较强,等同于几个人的承重能力,搬运的路线和位置可以提前进行设置,让木材等物料的运输工作变得更加有序,包装、拣选以及装货等任务也能有效完成,满足木材行业的众多需求。相比人工搬运,它的效率和精确度会更高,随着这些基础工作得到解决,节省下来的人力可以进行其他更有意义的工作。

近几年木工行业内还有不少企业已经使用了雕刻机器人。根据相关资料介绍,雕刻机器人有着电脑雕刻系统,它集扫描、编辑、排版、雕刻诸功能于一体,是CAD/CAM一体化的典型产品,能方便快捷地在各种材质上雕刻出精致、逼真、耐久的二维图形及三维立体浮雕。得到的雕刻效果不亚于资深工匠出手的作品。而且雕刻机器人运用多轴联动控制、轨迹插补、离线编程等机器人相关技术,并采用了PCNC硬件结构和控制软件,可应用于模具(如轮胎模具)图文雕刻及广告标志、工艺美术制作。

关于工业机器人的实际运用,在这里列举一例:根据比雅斯集团分享的资料显示,该企业在去年德国汉诺威木工机械展上一共展示了7套机器人操作系统,使用的智能机器人采用了ROS系统,应用范围覆盖整个生产线,包括加工中心、钻孔中心、开料中心和砂光中心等,通过机器人技术将智动化的理念带入实际,增强人与机器人的联系,从而确保机器和系统的效率,使工厂的生产流程实现了真正的数字化、自动化。

关于机器人技术的优化问题,据了解能量存储是该技术的一大瓶颈。机器人在作业过程中需要及时充电,否则会导致作业出错或者延长生产交货时间,这对于电池的续航和开发提出了很高的要求,如果采用有线的方式充电,让机器人充电和工作同时进行,容易造成生产环境的混乱,而且会降低机器人的使用寿命。让机器人自己能够从环境中获取能量或通过无线方式向其传输能量,是今后非常值得关注的研究方向。另一方面,让几个甚至成群的机器人来同时或者处理不同的工作任务也是值得我们去探索的。例如之前指出的使用机器人进行运输、拣货、搬运工作,如果只使用一个机器人来进行,虽然节省了人力,但是效率问题难免受到影响。为智能机器人配备其他几个简单、体积小、成本低、功能性强大的机器人,形成一个组合,来同时完成需要大批量进行的工作,甚至采用人工智能技术,实现主机机器人与附属机器人的简单沟通,共同完成比较复杂、目标有差异的任务,这样的技术效果是值得生产制造企业期待的。

从以上介绍可以看出,采用新技术进行作业,相比人工劳动而言,其效率的提升和质量的保证效果是显而易见的。在未来,木工机械行业应持续加强工艺流程的自动化和数字化,利用多种先进控制技术使其具备自适应并加入智能化控制功能。以此为发展目标不但有利于提升木材加工业的精度、使用率以及制造效率,并且也可以在很大程度上降低木工机械使用的能耗并减少污染。

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