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淺談木工機械行業自動化技術進展

發布時間:2020/4/21 21:19:20

家居產品的多元化與日益提升的個性化需求已成為產業發展的標志,其必然帶動木工機械行業自動化的全面發展。本文將從不同的技術角度來初步分析國內目前木工行業的技術進展—SandySun

“工業4.0”、“家具業4.0”或者是“中國制造2025”等行業領先概念,都指向了機械設備需達到智能化、自動化等完善要求。而要實現這一要求的重中之重則在于新技術的研發和利用。

同時,使用新技術提升木工機械自動化程度及生產效率也是實現良好節能和環保性的重要舉措。那么現階段國內木工行業擁有哪些新技術?這些技術的發展情況如何?是否存在提升的空間?接下來將初步列舉木工行業的主要技術,以便于讀者大致了解當前木工機械行業的自動化技術進展。

機電一體化技術

“機電一體化技術”這一詞其實并不陌生,它是木工傳統機械向自動化技術演變的初步形態。它結合了應用機械技術和電子技術于一體,隨著計算機技術迅猛發展和廣泛應用,機電一體化技術獲得前所未有的發展,成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術,目前正向光機電一體化技術方向發展。

該技術在木工行業中的應用主要體現為:(1)安裝傳感器,在木工機械刀具、工件等一些核心設備運轉過程中進行監測,這樣能夠保證設備正常運作,并提升家具制造的加工質量。(2)采用高分辨率圖像處理技術,用于完成工件掃描、識別及物流跟蹤等工作,從而也提升了木材及家具產品的加工質量。

將機電一體化系統與計算機輔助技術和人工智能與專家系統相結合,有望形成新一代的機械制造技術,幫助制造行業實現高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗的生產模式。

CNC加工技術

CNC加工技術(又稱數控機床)是木工機械行業近幾年來最常用的技術之一。指代的是計算機數字化控制精密機械加工,CNC加工車床、CNC加工銑床、CNC加工鏜銑床等。其主要特點是所有的加工工具都采用了數控,由數控加工語言進行編程控制,可以根據生產需要嚴密、精準地控制刀具的進給速度、主軸轉速、加工刀具的位置坐標、工具變換器與冷卻劑的功能性,產出即使手工制造也難以完成的復雜外形家具部件。

根據業內人士總結,CNC加工技術的優點首先是可以大量減少工裝數量,加工形狀復雜的零件卻不需要復雜的工裝。即使臨時需要改變零件的形狀和尺寸,只需要修改零件加工程序即可,有利于新產品的研制和改型;其次,得到的加工產品質量較為穩定,因為加工精度高,重復精度也高;多品種、小批量生產情況下生產效率較高,能減少生產準備、機床調整和工序檢驗的時間,而且由于使用最佳切削量而減少了切削時間。這就與當下定制化、個性化的流行趨勢非常契合,能夠根據不同客戶的特殊需求打造出令人滿意的產品;可加工常規方法難以加工的復雜型面,甚至能加工一些無法觀測的加工部位,即達成的效果不亞于手工制造,但是加工的速度得到了全面提升。

當然,盡管目前的CNC技術已比較完善,但也并非“無懈可擊”。可以適當優化數控機床工藝的復合性及多軸化,改變慣有的運動軌跡,讓工件在一臺機床上經過一次裝夾后,通過旋轉主軸頭、自動換刀或轉臺等各種措施,完成多表面、多工序的復合加工,靈活確定更多工作路線,將進一步提高生產效率;通過采用高度集成化的RISC、CPU芯片和大規模可編程集成電路EPLD、FPGA、CPLD及專用集成電路ASIC芯片,采取改善機床靜態、動態特性等有效措施,提高軟硬件的運行速度和數控系統的集成度。

此外,該技術存在的另一個缺點是機床的高昂成本,由于數控技術是復雜的,嚴密的,這無論是對于操作人員還是維修人員的專業水平也都提出了更高的要求,導致不少中小型企業不堪重壓而放棄使用數控機床。因此,盡量簡化數值計算的工作量以及加工程序,拓寬數控機床的使用范圍,或將成為CNC數控技術的優化方向。

機器人操作系統

人工智能、使用機器人加工等一系列“新穎的操作方式”已經逐漸覆蓋越來越多的制造行業,并成為了木工家具制造企業的關注焦點。實際上,隨著自動化技術的不斷發展,機器人已在多個領域廣泛應用。如汽車零部件、工程機械、石油化工等行業。木工行業也對自動化技術的需求不斷涌現,其健康、綠色、快速的發展離不開工業機器人。

首先在噴涂領域,使用機器人進行噴涂作業,其柔性的手腕能夠靈活自如地讓漆料精準地噴灑至板材、工件的小孔內部,它還可以根據操作指令向不同的方向彎曲或者轉動,滿足木材涂裝的基本要求。正如柔性生產線的迅速發展一般,噴涂機器人最大的優點也在于柔性強且效率高。最終的噴涂效果可能與專業、熟練的工人手動的作業結果相差不大,但是從生產的安全性和環保性的角度來看,噴涂機器人的優勢是明顯的,它即使像工作人員一樣直接接觸或多或少含有有害物質的涂料,也不會產生健康問題,設備可以反復使用,維護和操作都比較簡便,省去培訓人工的環節,這在一定程度上都降低了用工成本。

在木材的運輸和搬運方面,機器人的優點更加凸顯。它的負荷能力比較強,等同于幾個人的承重能力,搬運的路線和位置可以提前進行設置,讓木材等物料的運輸工作變得更加有序,包裝、揀選以及裝貨等任務也能有效完成,滿足木材行業的眾多需求。相比人工搬運,它的效率和精確度會更高,隨著這些基礎工作得到解決,節省下來的人力可以進行其他更有意義的工作。

近幾年木工行業內還有不少企業已經使用了雕刻機器人。根據相關資料介紹,雕刻機器人有著電腦雕刻系統,它集掃描、編輯、排版、雕刻諸功能于一體,是CAD/CAM一體化的典型產品,能方便快捷地在各種材質上雕刻出精致、逼真、耐久的二維圖形及三維立體浮雕。得到的雕刻效果不亞于資深工匠出手的作品。而且雕刻機器人運用多軸聯動控制、軌跡插補、離線編程等機器人相關技術,并采用了PCNC硬件結構和控制軟件,可應用于模具(如輪胎模具)圖文雕刻及廣告標志、工藝美術制作。

關于工業機器人的實際運用,在這里列舉一例:根據比雅斯集團分享的資料顯示,該企業在去年德國漢諾威木工機械展上一共展示了7套機器人操作系統,使用的智能機器人采用了ROS系統,應用范圍覆蓋整個生產線,包括加工中心、鉆孔中心、開料中心和砂光中心等,通過機器人技術將智動化的理念帶入實際,增強人與機器人的聯系,從而確保機器和系統的效率,使工廠的生產流程實現了真正的數字化、自動化。

關于機器人技術的優化問題,據了解能量存儲是該技術的一大瓶頸。機器人在作業過程中需要及時充電,否則會導致作業出錯或者延長生產交貨時間,這對于電池的續航和開發提出了很高的要求,如果采用有線的方式充電,讓機器人充電和工作同時進行,容易造成生產環境的混亂,而且會降低機器人的使用壽命。讓機器人自己能夠從環境中獲取能量或通過無線方式向其傳輸能量,是今后非常值得關注的研究方向。另一方面,讓幾個甚至成群的機器人來同時或者處理不同的工作任務也是值得我們去探索的。例如之前指出的使用機器人進行運輸、揀貨、搬運工作,如果只使用一個機器人來進行,雖然節省了人力,但是效率問題難免受到影響。為智能機器人配備其他幾個簡單、體積小、成本低、功能性強大的機器人,形成一個組合,來同時完成需要大批量進行的工作,甚至采用人工智能技術,實現主機機器人與附屬機器人的簡單溝通,共同完成比較復雜、目標有差異的任務,這樣的技術效果是值得生產制造企業期待的。

從以上介紹可以看出,采用新技術進行作業,相比人工勞動而言,其效率的提升和質量的保證效果是顯而易見的。在未來,木工機械行業應持續加強工藝流程的自動化和數字化,利用多種先進控制技術使其具備自適應并加入智能化控制功能。以此為發展目標不但有利于提升木材加工業的精度、使用率以及制造效率,并且也可以在很大程度上降低木工機械使用的能耗并減少污染。




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