機(jī)器人在木工行業(yè)智能化加工的研究及應(yīng)用

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(guó)是家具生產(chǎn)、消費(fèi)和出口的大國(guó)，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(diǎn)，新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，未來(lái)制造業(yè)將向著越來(lái)越精致化、人性化、個(gè)性化的方向發(fā)展。當(dāng)前個(gè)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(duì)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(shí)現(xiàn)企業(yè)高效、自動(dòng)化生產(chǎn)非常有必要。1引言我國(guó)木工機(jī)械市場(chǎng)從無(wú)到有，從小到大，從弱到強(qiáng)，逐漸形成一個(gè)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(jiàn)證了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高。

國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備不斷涌入，對(duì)國(guó)內(nèi)木工機(jī)械而言，挑戰(zhàn)與機(jī)會(huì)并存。木工機(jī)械的自動(dòng)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(guó)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(wèn)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(shì)2.1木工機(jī)械市場(chǎng)現(xiàn)狀目前，全球木工機(jī)械市場(chǎng)正在向新興工業(yè)國(guó)家轉(zhuǎn)移，中國(guó)木工機(jī)械市場(chǎng)已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，并且形成了一個(gè)完整的行業(yè)體系。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)木工機(jī)械在科研、教育、設(shè)計(jì)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(guó)木工機(jī)械行業(yè)在2012年產(chǎn)值超過(guò)了德國(guó)，成為全球第一大木工機(jī)械制造國(guó)，中國(guó)出口的木工機(jī)械產(chǎn)品已在中低端市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，中低端產(chǎn)品基本能自給滿足，高端產(chǎn)品則仍依靠國(guó)外進(jìn)口。2.2木工機(jī)械的現(xiàn)狀與趨勢(shì)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(gè)趨勢(shì)。

（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(lèi)似專(zhuān)做帶鋸機(jī)、砂光機(jī)等專(zhuān)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(gè)環(huán)節(jié)更加專(zhuān)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(wú)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(jì)單一產(chǎn)品逐步走向設(shè)計(jì)生產(chǎn)線、新型木工機(jī)械的開(kāi)發(fā)及家具生產(chǎn)的智能化與生產(chǎn)無(wú)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(guò)程的工件不落地，數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)傳輸，自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)調(diào)用加工，自動(dòng)分揀、自動(dòng)包裝入庫(kù)等將是智能制造木工機(jī)械發(fā)展的必然趨勢(shì)。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(duì)個(gè)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(duì)木工機(jī)械智能化需求非常迫切。隨著我國(guó)改革開(kāi)放對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的合作引進(jìn)以及國(guó)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(guó)的木工機(jī)械水平與國(guó)際間的差距逐漸縮小。但是當(dāng)前我國(guó)木工機(jī)械整體行業(yè)布局不合理，產(chǎn)品過(guò)分集中的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、勞動(dòng)密集型、技術(shù)型產(chǎn)品滯后等特點(diǎn)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(chǎng)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(tái)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(duì)工藝進(jìn)行可靈活組合，真正實(shí)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(xiàng)目是依靠離線編程技術(shù)，由機(jī)器人匹配自動(dòng)換刀主軸執(zhí)行木工制品的工藝雕銑，匹配自動(dòng)上下料機(jī)器人系統(tǒng)，完成木工雕銑單元加工件的自動(dòng)上下料，實(shí)現(xiàn)多種木工產(chǎn)品的自動(dòng)鋸、雕、鉆、車(chē)、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(zhuān)用的離線編程技術(shù)、高速大功率專(zhuān)用木工電主軸和換刀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同工藝任務(wù)的自動(dòng)換刀加工；

設(shè)計(jì)柔性裝夾平臺(tái)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(tái)配置卡盤(pán)夾持，設(shè)計(jì)伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卡盤(pán)翻轉(zhuǎn)定位和連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)；

上料毛坯倉(cāng)、下料成品倉(cāng)和上下料機(jī)器人設(shè)計(jì)大行程可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，手抓以工件分類(lèi)設(shè)計(jì)多臺(tái)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(xiàng)目設(shè)計(jì)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(dòng)上下料系統(tǒng)、大負(fù)載GSK-RB165機(jī)器人、專(zhuān)用離線編程、高速大功率木工電主軸、多刀具庫(kù)換刀系統(tǒng)和柔性工裝夾具實(shí)現(xiàn)不同工藝要求的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)工件的提前預(yù)裝、快速切換和自動(dòng)雕銑任務(wù)。各功能單元介紹如下：

（1）上下料平臺(tái)一變位機(jī)由底座、主動(dòng)模塊、從動(dòng)模塊、夾具安裝支架組成，主動(dòng)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(jì)常規(guī)圓棒、平板類(lèi)夾具，滿足多款工件的兼容。

（2）圓棒類(lèi)夾具可由調(diào)節(jié)端氣動(dòng)卡盤(pán)、定位端基準(zhǔn)板等組成，可調(diào)整加工端伸出長(zhǎng)度。定位氣動(dòng)卡盤(pán)模塊有端部定位板用于上料時(shí)工件的定位，保證加工基準(zhǔn)統(tǒng)一。

板料夾具由多組氣動(dòng)夾部分組成，可以整體移動(dòng)，便于適應(yīng)尺寸大小不同板料的位置調(diào)準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)夾可自動(dòng)松合，避開(kāi)機(jī)器人主軸刀具運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）上下料平臺(tái)二變位機(jī)由底架、主動(dòng)模塊、從動(dòng)模塊、頂升軸、氣動(dòng)卡盤(pán)、獨(dú)立行走絲桿軸、夾持氣缸等組成。主動(dòng)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(dòng)卡盤(pán)爪設(shè)置上料定位臺(tái)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(jì)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(lèi)、重量、外形、尺寸等分類(lèi)設(shè)計(jì)可調(diào)，滿足多類(lèi)型工件的毛坯、成品零件的柔性抓取。

（4）毛坯料倉(cāng)根據(jù)木工毛坯來(lái)料特點(diǎn)，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(cāng)。支架設(shè)計(jì)成傾斜式，可調(diào)節(jié)傾斜度。人工上料時(shí)將工件一一貼緊，工件自重向下緊靠邊定位。

（5）成品料倉(cāng)可設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易滑板配套簡(jiǎn)易支桿料架，滿足不同成品收件的兼容?？偣ぷ髡竟に嚵鞒倘鐖D2所示。

圖2總工作站工藝流程加工過(guò)程中故障，比如氣壓不足、庫(kù)換刀問(wèn)題、工件不到位、料庫(kù)無(wú)料、頂料過(guò)載等等加工過(guò)程中問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)暫停和顯示報(bào)警，緊急情況時(shí)可通過(guò)人工急停參與干預(yù)。

通過(guò)離線程序?qū)?、多刀?kù)預(yù)置和柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人雕銑程序、上料平臺(tái)、料倉(cāng)、手抓等更換時(shí)間大大縮短。整個(gè)機(jī)器人雕銑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多款圓棒、方棒、板件木制品的無(wú)人自動(dòng)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(chǎng)如圖3所示。

圖3應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)圖4結(jié)論家具的定制浪潮還在繼續(xù)，人們的個(gè)性化需求需要更加靈活的生產(chǎn)方案來(lái)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(shì)。在市場(chǎng)的推動(dòng)下，只有擁有符合大眾需求的產(chǎn)品，才能擁有廣闊的市場(chǎng)，以市場(chǎng)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(duì)木工