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我国木工机械的智能化应用案例与发展目标 柯美元, 成伟华, 王镜

发布者: 长相有问题 | 发布时间: 2018-10-22 08:39| 查看数: 439| 评论数: 0|帖子模式

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我国木工机械的智能化应用案例与发展目标
柯美元1,成伟华1,王 镜2
(1.顺德职业技术学院机电工程学院,广东 佛山 528333;2.广东威德力机械实业股份有限公司,广东 佛山 528300)
摘 要:综述了我国木工机械发展现状、面临的新形势和新挑战。从板式家具机械、实木家具机械、人造板机械和喷涂机械四个方面介绍了我国木工机械的智能化水平、与国外先进水平的差距及自身优势,着重介绍了定制家具整体解决方案、实木家具柔性加工成套设备、高速智能无卡轴旋切单板生产线和自动喷涂立体式干燥生产线等应用案例,提出了我国木工机械智能化发展的未来目标。
关键词:木工机械;智能化;家具;喷涂

[size=1em]木工机械行业是家具行业、建材行业与装修行业等领域的基础产业,木材加工技术的进步依赖于木工机械技术的发展,一个国家木工机械业的发展水平在一定程度上代表了这个国家相关行业的发展水平。经过建国以来近70多年的发展,我国的木工机械行业从无到有,从小到大,逐渐形成了科研、生产、销售、信息和人才培养等一整套完整体系。近20年来,我国木工机械行业更是得到了飞速发展,主要的木工机械装备特别是高端装备已由过去多数依赖于进口转向了自主生产,部分高端木工机械装备的性能已经达到国际先进水平[1]。

[size=1em]目前,我国约有1 200家木工机械生产企业,其中具有一定规模的有200家左右,从业人员近10万人,其中工程技术人员6 000多人,工业总产值200多亿元,能够向用户提供69大类约1 100多种产品。我国木工机械行业的生产企业和从业人员数量,以及提供的产品品种都已经是世界之最。我国制造的木工机械已经占世界木工机械的30%,如果按照台数计算,我国制造的木工机械数量已经接近世界产量的一半。我国木工机械行业的GDP在2011年超过了意大利,2013年超过了德国,已经成为名副其实的木工机械生产大国[2]。

[size=1em]进入21世纪以来,科技与产业创新日新月异,互联网、物联网、大数据、云技术等创造了万物互联的信息物理环境,促进了全球知识信息资源的开源共创和近零成本分享,为重塑智能制造服务提供了新的技术环境。随着新的信息技术与制造技术的深度融合,智能制造将成为制造业发展的必然趋势,也将成为新时期各国抢占科技强国的突破口和总攻方向[3]。

[size=1em]世界工业的发展先后经历了三次飞跃。第一次工业革命以蒸汽机的应用为标志,实现了机械化生产;第二次工业革命以电力的应用为标志,实现了流水线生产;第三次工业革命以电子技术和信息技术的应用为标志,实现了自动化生产。目前,世界工业正处于第四次工业革命阶段,通常被称为“工业4.0”,其主要以新一代信息技术与先进制造技术的融合为标志,实现智能化生产。

[size=1em]为了应对新技术的发展,2014 年,我国工信部牵头多家科研机构和企业,制定了“中国制造2025”战略规划。2015年3月5日,李克强总理在政府工作报告中指出,要实施“中国制造2025”,加快从制造大国转向制造强国。2015年5月8日,国务院印发《中国制造2025》发展战略,部署全面推进实施制造强国战略。不管是“工业4.0”,还是“中国制造2025”,其核心都是智能制造[4-5]。

[size=1em]在新的历史条件下,我国木工机械行业的发展也面临着巨大的机遇和严峻的挑战。一方面,新技术的发展和应用为我国木工机械行业实现弯道超车、跻身世界木工机械制造强国阵营提供了难得的机会;另一方面,我国木工机械行业还面临着以下3个主要问题:①木工机械大而不强,产品质量差,技术创新能力较低,品牌竞争力较弱;②国内用工成本持续攀升,用工荒不断,人口红利逐渐消失;③国际跨国巨头的垄断压制了国内木工机械企业的发展空间。

[size=1em]为了抓住机遇,应对挑战,我国木工机械行业在智能制造方面进行了不懈的努力,取得了很好的成绩。下面主要阐述我国木工机械行业在智能制造方面的进展情况。

1 板式家具机械的智能化

[size=1em]在木工机械行业中,用于生产板式家具的机械智能化程度最高,也最为接近“工业4.0”目标,有专家认为我国的板式家具机械已经具备实现“中国制造2025”的能力。我国板式家具机械与国外先进水平的差距正逐渐缩小,在功能上已经相差无几,国外木工机械能有的功能我国的设备上都能实现。我国木工机械与国外产品的水平差距主要体现在软件开发和产品质量及可靠性方面,另外在产品品牌的竞争力和影响力上也存在一定的差距。我国木工机械的优势是产品性价比较高,且售后服务比较及时[6]。

[size=1em]南兴装备股份有限公司是我国板式家具机械制造行业的龙头企业,其产品线长,种类丰富,可根据客户的具体需要提供相应的解决方案。南兴装备股份有限公司开发的定制家具整体解决方案,集成了前端店面3D设计、后台数据化处理,以及生产自动化信息管理系统,能提供效果图、产品生产、打包入库、售后跟踪等一揽子服务,实现了从传统定制家具到信息化定制家具的转型升级,从而极大地提高了生产效率,降低了出错率,减少了人工成本,可为客户打造出较完善的定制化智能家具工厂。定制家具厂整体解决方案流程如图1所示,软硬件设施如图2所示。

[size=1em]最近几年,定制家具的发展非常迅猛,从城市到农村,从衣柜到橱柜,从民用家具到办公家具,定制家具正快速颠覆着企业传统的经营模式。为了适应定制家具的快速发展,主流家具制造企业纷纷对传统制造工厂进行了自动化、智能化升级改造,特别是一些有实力的家具龙头企业利用互联网、物联网、云计算、虚拟现实等新一代信息技术与现代制造技术相结合,建立了智能化制造工厂(也有人称其为黑灯工厂),向“工业4.0”时代迈出了坚实的步伐。目前,在板式家具制造方面,我国几家龙头企业,如维尚、索菲亚、欧派等,已经基本实现了“工业4.0”模式。

[size=1em]维尚家具集团是我国全屋家具定制行业的开创者,能为消费者提供整体家居空间的家具个性化设计、生产与安装一体化服务。维尚家具通过引进国外先进的智能化制造系统,自主研发机器人及全自动化立体仓智能物流系统,并通过互联网的实时交易和互动设计系统建立了“新居网”在线服务平台,再加上全国1 000多间实体体验店以及工厂大规模定制系统的无缝连接和全流程信息化,将信息化和工业化进行了深度融合,成为我国“两化融合”的典范,国内践行“工业4.0”的代表,并入选了工信部2016年“国家智能制造试点示范项目”。

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[size=0.8em]图1 定制家具整体解决方案流程

[size=0.8em]图2 定制家具整体解决方案软硬件设施

[size=1em]索菲亚也是国内最早引进智能生产系统进行家具定制的家具企业之一。公司参照欧洲工业4.0的先进生产理念,全面引进开料、封边、打孔、包装等一整套自动化生产设备和烤漆设备,并通过大数据库和云计算平台,打造出垂直一体化全自动信息生产系统,建立了基于工业4.0模式的现代智能工厂。从前端设计到工厂生产,整个过程无缝连接。设计图纸直接传入信息化系统,系统将图纸自动拆分成一个个板件数据,分拨到索菲亚位于广东、河北、浙江、四川和湖北的五大基地进行生产。从备料开始,板材上就已经贴上了专属二维码,而这二维码将是这块板材的身份证,之后经过开料、封边、打孔、包装等环节,直至终端销售,都能随时追踪到原板材的所有信息。全流程智能化的生产工艺大大提高了生产效率,降低了人工成本,效益达到了最大化,同时也大大提升了企业的竞争力。

2 实木家具机械的智能化

[size=1em]实木家具机械的智能化在木工机械中是最难实现的。实木家具的原材料备料比较复杂,目前还不能实现备料的自动化和智能化。即便是加设智能机器人,但机器人在形状、输送及上下料的具体识别方面仍然比较困难。实木家具机械在装夹、定位、夹紧、网络控制等工序上也不能实现智能化。目前实木家具的智能化生产在世界范围内都是一个难点,未来实木家具智能化需要解决的关键问题是如何根据不同家具企业的工艺流程实现自动输送、智能化装夹识别、网络化设计等复合功能,最终实现定制整体解决方案。

[size=1em]国外实木家具机械在智能化方面更注重单台设备的智能化及工序的复合化,他们一次性装夹的技术水平比我国先进。我国木工机械一方面要考虑一台设备能够用于多种工序,更要考虑设备之间的连接和节拍生产。国内木工机械的智能装备适用于产量小的家具企业,其比较适应国内的市场需求。

[size=1em]广东威德力机械实业股份有限公司是我国生产实木家具机械制装备的龙头企业,能够提供实木家具生产线信息化、数控化和智能化的整体解决方案。该方案通过打造实木家具数控化、信息化和智能化生产平台,为家具企业提供设备整线生产管理、设备管理、数据管理、智能制造等个性化软件系统,实现产品信息化集成,满足从产品生产到服务的全流程化、信息化和智能化,大大推动了我国木工机械装备产业向数控化、自动化、智能化方向发展的进程。实木家具信息化、数控化和智能化整体解决方案如图3所示。

[size=0.8em]图3 实木家具信息化、数控化和智能化整体解决方案

3 人造板机械的智能化

[size=1em]进入21 世纪以来,国外先进的人造板生产线基本上都是采用计算机集中控制,通过现场总线系统实现了在总控制室完成全线检测与控制。目前,国外先进人造板生产线的自动化和智能化程度都非常高,通过新技术的广泛应用,已经能够实现生产过程的自动检测、智能调节、智能化控制、自动信号连锁、自动保护和智能化管理,从而提高了劳动生产率、设备利用率和产品质量。我国人造板总产量虽然早已是世界第一,但我国人造板机械的技术水平与国外先进水平的差距还比较大,特别是在自动化程度、智能化水平、节能环保和职业安全等方面。不过,我国的人造板机械制造已经形成了完整的产业体系,我国的人造板机械基本能够满足国内人造板企业生产的需要,与国外先进水平的差距正在不断缩小。连续压机是高度机电一体化的设备,代表着人造板机械制造技术的最高水平。我国自主研发的国产连续压机已经取得了重大突破,缩短了我国人造板机械技术水平与国外先进水平的距离。2010 年9 月,上海人造板机器厂有限公司生产的4 英尺连续平压机生产线在乌鲁木齐通过了中国林产工业协会组织的技术鉴定;2012 年9 月,中国福马机械集团自主研发的8 英尺连续平压机生产线在江苏宿迁通过了国家验收[7]。

[size=1em]山东百圣源集团有限公司是一家专业生产各种规格多层板、地板基材、建筑模板成套生产线设备和地板表板、贴面板等专用设备的企业。百圣源集团开发的高速智能无卡轴旋切单板生产线如图4所示,其主要用于原木旋切单板的生产加工,是目前胶合板、贴面板和细木工板生产企业技术改造和技术升级的先进设备。该生产线主要由原木剥皮机、数控无卡轴旋切机、数控滚切单板剪切机、单板自动堆垛机组成,可实现原木剥皮、圆木旋切、单板剪切、单板堆垛自动化、数控化、智能化加工生产。该生产线集自动控制、新型电机、计算机及现代制造技术于一体,是一种高度数控化、智能化的生产线。

[size=1em]高速智能无卡轴旋切单板生产线能够提高生产效率1倍左右,并可节省占地空间,减少厂房一次性投资,提高了厂房利用率。高速智能无卡轴旋切单板生产线在同类产品中性价比非常高,设备噪声小、性能稳定,单板加工质量好。

[size=1em]高速智能无卡轴旋切单板生产线经有关部门鉴定,其整体技术水平达到了国际先进水平。该生产线在以下几个方面实现了创新。①双辊工作台移动,刀架不移动,保证了高速旋切与剪切同步,有效提高了旋切单板质量;②刀架体上增加回转支架和凸轮机构,实现了刀具随直径变化自动调节;③增加刀具自动变后角装置,提高了单板表面粗糙度的精度;④采用智能变速传动辊,提高了旋切单板的精度。

[size=0.8em]图4 高速智能无卡轴旋切单板生产线

4 喷涂机械的智能化

[size=1em]喷漆工艺是保证家具美观的重要工序,在家具的生产中起着至关重要的作用。喷漆生产对环境污染较严重,对工人健康影响很大,因此必须研发智能化喷漆设备。

[size=1em]目前,我国喷涂机械智能化的技术水平正在赶超国际先进水平,在国际上处于第二梯队,和欧美发达国家相比还存在一定的差距。首先,在涂装技术自动化要求较高的行业,如轿车涂装等,我国的喷涂机械还不能完全满足要求;在建材行业,我国的喷涂技术已经基本达到国外先进水平,但在环保节能方面与国外仍有一定的差距。其次,我国喷涂机械在系统的完整性、设计的标准化、制造的精细化 、视觉美工等方面与国外相比也还有一定的差距。

[size=1em]佛山市顺德区博硕机械制造有限公司是我国自动化涂装设备生产的领军企业。该公司开发的自动喷涂立体式干燥生产线如图5所示,生产线包括喷漆处理前期的喷砂、抛丸、打磨、除尘等设备,中期的静电喷漆或喷粉设备,后期的干燥固化设备。该生产线可采用PU、UV漆和水性PU、UV漆,对板式家具、实木门、橱柜门、大板台、工艺品、木饰面板、装饰板等板式工件的平面和四个侧边,进行高质量、大批量地连续自动喷漆处理。自动化涂装设备可提高产品质量和生产效率,同时可减少油漆的损耗,节省成本。全自动UV喷漆生产线可以实现木制品从底漆、着色到面漆处理的整套工艺,能够真正实现高效生产,是代替双组份油漆的必然趋势。

[size=0.8em]图5 自动喷涂立体式干燥生产线

5 我国木工机械智能化发展的未来目标

[size=1em]制造业是我国国民经济的重要支柱产业,也是我国经济实现“创新驱动、转型升级”的关键。新科技革命为我国木工机械行业发展智能制造带来重大机遇,我们应好好把握“机会窗口期”,充分利用自身优势,并积极借鉴国外先进经验,以智能化为突破口,实现我国木工机械制造业由大变强的历史跨越。因此,根据我国木工机械智能装备发展现状,以及“十三五”发展规划纲要、《中国制造2025》发展战略的发布与实施,提出我国木工机械智能化发展的未来目标。

5.1 五年目标

[size=1em]此阶段为我国木工机械由大变强的起步时期,也是奠定强国基础的重要时期,其主要任务目标有:①板式家具率先实现“工业4.0”目标,实现从小批量定制到大规模定制的发展,五金件实现安装自动化、包装自动化、分拣自动化。②实木家具在智能制造系统的开发上取得突破,个性化定制智能生产线基本成型;③制材机械在数控智能上下料及分选上实现突破,基本实现制材机械的现代化、自动化和智能化;④在研究智能喷涂机器人及其集成系统上取得突破,基本建成全自动、智能、立体喷涂生产线;⑤全行业木工机械的数控化率达到80%以上,生产效率大幅度提高,单位能源消耗明显降低;⑥木工机械行业出现一批具有一定国际影响力的龙头企业,其产品在国内的中高端市场能与国外品牌相抗衡,在国际市场有一定的知名度。

5.2 十年目标

[size=1em]此阶段为我国木工机械由大变强的实现时期,我国的木工机械制造强国地位基本奠定,目标任务如下:① 木工机械全行业基本实现智能生产,其数控化、自动化、智能化比率达到90%以上;② 我国木工机械实现从跟踪模仿为主向自主创新为主的转变,从注重单向技术突破为主向注重系统集成开发为主的转变,从技术引进为主向技术输出为主的转变,全面提升自主创新能力;③ 木工机械行业出现几家具有国际竞争力的垄断型企业,其产品在国内的中高端市场处于垄断地位,在国际市场能够与国外品牌相抗衡。

[size=1em]参考文献:

[size=1em][1] 齐英杰,秦瑞明.木工机械发展简史及我国木机行业发展概况[J].林业机械与木工设备,1998(5):4-8.

[size=1em][2] 马岩.中国木工机械的国际地位与市场规模分析[J].林业机械与木工设备,2013(7):4-6.

[size=1em][3] 路甬详.中国制造与中国创造[J].全球化,2016(9):5-13.

[size=1em][4] 周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程,2015(9):2273-2284.

[size=1em][5] 马岩,夏子钧,李博.德国工业4.0 的启示与中国木工机械制造2025[J].林业机械与木工设备,2015(8):4-9.

[size=1em][6] 王博文,李洋,刘瑞伟,等.链式原条造材机输送装置设计[J].森林工程,2014,30(6):50-54.

[size=1em][7] 齐英杰,赵越,曲文,等.用科学发展观回顾并展望中国人造板机械制造行业[J].林业机械与木工设备,2013(4):4-14.


The Application Case and Development Goals ofChineseWoodworking Machinery Intellectualization
KE Mei-yuan1,CHENG Wei-hua1,WANG Jing2
(1.School of Mechanical & Electrical Engineering,Shunde Polytechnic,Foshan Guangdong 528333,China;2.Guangdong WDL Machinery Industrial Corp.,LTD.,Foshan Guangdong 528300,China)
Abstract:The development status of new situation and new challenges faced by Chinese woodworking machinery are discussed.The intellectualization level of Chinese woodworking machinery,gap with the foreign advanced level and the advantages of Chinese woodworking machinery are introduced in terms of panel furniture machinery,solid wood furniture machinery,wood-based panel machinery and coating machinery,with focus placed on the introduction of total solutions to customized furniture,complete sets of solid wood furniture flexible manufacturing equipment,high-speed intelligent spindless rotary peeling veneer production lines and automatic coating vertical drying production lines,with the strategic objectives of Chinese woodworking machinery intellectualization development proposed.
Key words:woodworking machinery;intellectualization;furniture;coating

中图分类号:TS64
文献标识码:A
文章编号:2095-2953(2018)02-0004-06
收稿日期:2017-10-15
基金项目:中国工程院咨询研究项目“轻工产品制造智能装备发展战略研究”(2016-XY-29)
第一作者简介:柯美元(1973-),男,湖北阳新人,副教授,硕士,主要研究方向为机械工程,E-mail:meiyuanke@qq.com

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