機器人在木工行業(yè)智能化加工的研究及應用

摘要：21世紀的制造業(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，伴隨著科學技術的不斷發(fā)展，當前以提高產(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、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)不適應定制化的要求。面對這些小批量、多品種需求，常規(guī)木工機械已不能滿足生產(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。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(yè)體系。從原始的手工業(yè)到如今先進的數(shù)控技術，見證了我國經(jīng)濟的快速發(fā)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(nèi)木工機械而言，挑戰(zhàn)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(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注、探討和研究一套智能木工機械顯得非常有必要。2

行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.1木工機械市場現(xiàn)狀目前，全球木工機械市場正在向新興工業(yè)國家轉(zhuǎn)移，中國木工機械市場已經(jīng)具有相當規(guī)模，并且形成了一個完整的行業(yè)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(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械制造國，中國出口的木工機械產(chǎn)品已在中低端市場上占據(jù)主導地位。而國內(nèi)市場，中低端產(chǎn)品基本能自給滿足，高端產(chǎn)品則仍依靠國外進口。2.2木工機械的現(xiàn)狀與趨勢現(xiàn)如今，木工機械已經(jīng)形成完整的產(chǎn)品體系和產(chǎn)業(yè)鏈，木工機械呈現(xiàn)以下幾個趨勢。

（1）分工更加明細木工機械生產(chǎn)正由大而全向?qū)I(yè)化發(fā)展，類似專做帶鋸機、砂光機等專業(yè)設備木工機械分工更加明確，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備輸出已無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需要，木工機械行業(yè)正在從設計單一產(chǎn)品逐步走向設計生產(chǎn)線、新型木工機械的開發(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，木工機械需要更加靈活與柔性，以適應家具定制化生產(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械發(fā)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(tǒng)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(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(nèi)技術在木工機械方面的不斷探索與自主創(chuàng)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(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)技術創(chuàng)新能力比較薄弱。

市場是機遇與挑戰(zhàn)并存，技術創(chuàng)新才能適應行業(yè)的發(fā)展。使用智能機器人木工加工系統(tǒng)單元，一臺單元設備可執(zhí)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(xiàn)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(zhí)行木工制品的工藝雕銑，匹配自動上下料機器人系統(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器人雕銑生產(chǎn)單元。方案介紹如下：

設置總控系統(tǒng)，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(tǒng)，實現(xiàn)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(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，設計伺服機構(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器人設計大行程可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，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(tǒng)、機器人自動上下料系統(tǒng)、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(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(xiàn)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?？筛鶕?jù)需要設計常規(guī)圓棒、平板類夾具，滿足多款工件的兼容。

（2）圓棒類夾具可由調(diào)節(jié)端氣動卡盤、定位端基準板等組成，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，便于適應尺寸大小不同板料的位置調(diào)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(diào)節(jié)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(tǒng)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(jù)工件種類、重量、外形、尺寸等分類設計可調(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）成品料倉可設計簡易滑板配套簡易支桿料架，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。

通過離線程序?qū)?、多刀庫預置和柔性機構(gòu)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(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。應用現(xiàn)場如圖3所示。

圖3應用現(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，才能在木材機械行業(yè)當中走的更遠。

本文梳理了當前木工行業(yè)現(xiàn)狀，對木工