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[制造工艺] 工业机器人在家具行业的应用现状研究

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    发表于 2019-4-28 08:05:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    工业机器人在家具行业的应用现状研究
    李荣荣, 徐 伟, 熊先青, 吴智慧
    (南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210037)
    摘 要:工业机器人作为一种半自主或全自主工作的先进加工装备被广泛应用于工业制造领域,本研究旨在分析总结工业机器人在家具行业的应用现状及机器人种类,为家具智能制造整厂规划与生产线转型升级提供一定参考。
    关键词:工业机器人;家具;智能制造;应用现状

    [size=1em]机器人被国际机器人联合会定义为一种半自主或全自主工作的机器,根据其应用场合不同,可划分为工业机器人、特种机器人及家政服务机器人等[1-2]。其中,工业机器人是指工业制造领域所用的多关节机械手或多自由度的机器人,能够靠其自身动力驱动装置和控制模块来实现各种动作和自动执行相关工作的一种机器设备。近年来,工业机器人在工业领域得到了越来越广泛的应用,尤其在汽车行业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料行业、食品行业和物流等[3]。

    [size=1em]随着“工业4.0”和“中国制造2025”等战略的实施,各国制造业的生产手段正由机械化、自动化向智能化、信息化等方向变革,制造模式也由传统工业化批量生产向小批量、多品种加工转变,对生产线的柔性化程度提出了新要求。家具作为一种工业产品,为满足消费者个性化需求的日益增长,其产品类型由成品家具不断向定制家具转变,定制家具的市场份额逐年递增。定制家具数字化制造技术,是集先进的制造工艺、智能化软件和柔性的自动化设备,以及柔性的发展战略于一体的先进制造技术。美国奇点大学沃德瓦教授撰文称“人工智能+机器人+数字制造技术=制造业革命”,工业机器人作为制造业革命中的重要组成部分,对提高制造效率、制造精度与降低人力成本具有积极作用[4-5]。本文旨在分析总结工业机器人的种类、特点以及现阶段工业机器人在家具制造行业的应用现状,为家具智能化工厂规划与布置提供一定参考,提升家具智能制造水平。

    1 工业机器人分类

    [size=1em]工业机器人是一种在计算机控制下可编程的自动化加工设备,根据其技术等级、结构坐标系、执行机构运动类型及功能可对机器人进行不同分类。按其技术等级,工业机器人可分为:示教再现机器人、感知机器人及智能机器人。其中,示教再现机器人是一种可重复再现通过示教编程存储起来的作业程序的机器人;感知机器人具有一定的环境感知能力,在一定程度上能适应环境变化的一类机器人;智能机器人一般指具有感觉要素、运动要素以及思考要素能自动执行工作的机器装置。

    [size=1em]按结构坐标系,工业机器人可分为:直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、极坐标型机器人及关节型机器人。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;极坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。机器人坐标系分类如图1所示。

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    [size=0.8em]图1 机器人坐标系分类

    [size=1em]按执行机构运动的控制机能,工业机器人又可分为:点位型机器人和连续轨迹型机器人。点位型机器人只控制执行机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型机器人可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。

    [size=1em]按其具体功能,工业机器人还可分为:焊接机器人、打磨机器人、喷涂机器人、装配机器人、包装机器人、码垛机器人、AGV机器人以及产品检测和测试机器人等[6-7]。

    2 家具行业机器人种类及功能分析

    [size=1em]机器人起初是应用于高端制造业的一类先进制造设备,随着制造业信息化、智能化、绿色化技术的不断发展,以工业机器人等为主体的先进技术与装备将成为未来世界各国制造业发展的强有力工具。随着德国“工业4.0”以及“中国制造2025”战略的实施,各国家具制造业的制造模式和制造技术都在不断发展。小批量、多品种的定制化制造方式对家具制造装备提出了更高的要求,以数控加工设备和工业机器人为代表的先进制造装备不断引入家具制造的各个环节,对家具数字化与智能化制造水平提升起到了至关重要的作用。

    [size=1em]针对家具生产的不同工段,总结分析工业机器人在家具生产中的应用现状,按其功能,家具行业应用的机器人种类主要有焊接机器人、打磨机器人、喷涂机器人、装配机器人、搬运机器人、AGV机器人。焊接机器人即从事焊接作业的工业机器人,一般具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。为了适应不同场合的焊接用途,家具制造业中焊接机器人一般用于金属以及家具技术零部件自动化生产线。

    [size=1em]木质家具表面的美观性在很大程度上取决于打磨质量的好坏,但打磨过程中粉尘污染严重,直接危害操作者身体健康,同时粉尘容易发生爆炸等安全事故。随着机器人技术的不断成熟,打磨机器人在木家具制造领域得到广泛采用。打磨机器人即满足家具制造打磨工段的一类工业机器人,能够根据工件轮廓形状、表面粗糙度满足加工工艺要求,实现自动打磨[8]。

    [size=1em]涂装是家具产品制造的关键工序,其作用不仅赋予了家具产品优良的防护、装饰性能,也是家具产品价值的重要组成部分,直接影响着家具产品的外观质量、耐候性、耐磨性等指标。家具涂装车间环境较为恶劣,涂料中的挥发性有机物、粉尘等严重影响工人的身体健康;同时,人工喷涂的不确定因素较多,漆膜性能、喷涂效率、涂料利用率等方面质量难以稳定保持。因此,采用喷涂机器人替代人工喷涂是家具行业喷涂技术发展的必然趋势[10]。喷涂机器人即可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人,用于实现家具表面装饰过程自动化,有效降低油漆对操作工人健康的影响,同时能够提高喷涂效率与喷涂精度[11-12]。喷涂机器人的结构主要包括:机器人本体机械结构、驱动结构、计算机及其相应的控制系统等。其一般采用5~6个自由度的关节式机械结构,运动空间较大且灵活,可用于复杂结构工件表面的涂装,其腕部一般有2~3个自由度,可灵活运动。

    [size=1em]装配是家具产品制造的后续环节,其人力、物力、财力消耗在产品制造全过程中占有较大比例,因此,家具装配机器人应运而生[13-15]。家具装配机器人即家具制造过程中用于对零件或部件进行装配的一类工业机器人,如椅类装配、木门框架材料装配等,能有效提高装配自动化程度与装配精度。目前家具行业一般采用的为直角坐标型装配机器人,其结构简单、操作简便,通常被用于零部件的移送、简单的插入、打钉、涂胶等作业。在机械结构方面,可装备伺服电机和自动编程,具有调整速度快、定位精度高等优点,可适应不同尺寸规格产品的装配,提高装配生产线的柔性。

    [size=1em]搬运机器人即应用机器人运动轨迹实现代替人工搬运的自动化产品,可用于家具各工段的上下料、各工序衔接及零部件分拣等,实现零部件转运自动化。AGV机器人即“自动导引运输车”,是指装备有电磁或光学等自动导引装置,能够沿规定的导引路径行驶,具有安全保护以及各种移载功能的运输车,可用于家具制造过程和厂内物流输送,能够提高物流输送效率。家具机器人种类及其应用场景如图2所示。

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    [size=0.8em]图2 家具机器人种类及其应用场景

    3 结束语

    [size=1em]随着“工业4.0”和“中国制造2025”战略的不断实施,家具智能制造水平逐年提升,机器人在家具智能制造中的应用领域也不断扩展。目前,家具机器人的应用还存在一定问题,机器人的工作效率及工序有待优化,机器人与木材加工其他设备衔接与交互效率有待进一步提高。新型结构的家具制造机器人及其操作系统和控制系统、视觉反馈等关键技术的不断发展,将进一步提高家具机器人的应用效率并扩展其应用领域,逐步实现家具制造行业的“机器换人”,突破“机器换人”过程中复杂工作实施的技术瓶颈。家具制造由于和金属材料加工工艺的不同,做好各制造工艺衔接以及生产节拍的合理控制,对于提高家具机器人的使用效率至关重要。定制家具制造,存在批量小、品种多等特点,必须通过集成家具机器人,提高生产制造系统的柔性,才能不断满足新型制造模式的需求。

    [size=1em]参考文献:

    [size=1em][1] 左世全.我国工业机器人产业发展战略与对策研究[J].世界制造技术与装备市场,2014(4):41-45.

    [size=1em][2] 王田苗,陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报,2014,50(9):1-13.

    [size=1em][3] 骆敏舟,方健,赵江海.工业机器人的技术发展及其应用[J].机械制造与自动化,2015,44(1):1-4.

    [size=1em][4] 田涛,邓双城,杨朝岚,等.工业机器人的研究现状与发展趋势[J].新技术新工艺,2015(3):92-94.

    [size=1em][5] 王海霞,李志宏,吴清锋.工业机器人在制造业中的应用和发展[J].机电工程技术,2015,44(10):112-114.

    [size=1em][6] 《机器人技术与应用》编辑部.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用,2013(2):1-3.

    [size=1em][7] 赵杰.我国工业机器人发展现状与面临的挑战[J].航空制造技术,2012(12):26-29.

    [size=1em][8] 崔航,伍希志,邓旻涯.家具打磨机器人末端执行器全自动快换装置研究[J].中南林业科技大学学报,2017,37(12):159-162.

    [size=1em][9] 张连滨,葛浙东,鞠明远,等.改进型神经网络在木件打磨机器人中的应用[J].林业机械与木工设备,2017,45(4):19-22.

    [size=1em][10] 乔新义,陈冬雪,张书健,等.喷涂机器人及其在工业中的应用[J].现代涂料与涂装,2016,19(8):53-55.

    [size=1em][11] 滕建华.家具喷涂机械臂轨迹规划与仿真[D].哈尔滨:东北林业大学,2008.

    [size=1em][12] 滕建华,刘亚秋.家具喷涂机器人喷枪轨迹生成分析与研究[J].自动化技术与应用,2007(2):16-19.

    [size=1em][13] 董欣胜,张传思,李新.装配机器人的现状与发展趋势[J].组合机床与自动化加工技术,2007(8):1-4.

    [size=1em][14] 吴智慧,张雪颖,徐伟,等.智能家具的研究现状与发展趋势[J].林产工业,2017(5):5-8+13.

    [size=1em][15] 盛振湘.林业生产装备智能制造的路径与突破口探讨[J].林产工业,2017,44(9):3-8.


    Research on the Application Status of Industrial Robots inthe Furniture Industry
    [size=1em]LI Rong-rong, XU Wei, XIONG Xian-qing, WU Zhi-hui
    [size=1em](Co-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangsu 210037,China)

    [size=1em]Abstract:Industrial robots,as semi-autonomous or fully-autonomous advanced processing equipment,are widely used in the field of industrial manufacturing.This paper aims to analyze and summarize the application status and types of industrial robots in the furniture industry and provide certain reference for the planning of intelligent furniture manufacturing plants and the transformation and upgrading of production lines.

    [size=1em]Key words:industrial robot;furniture;intelligent manufacturing;application status


    [size=1em]中图分类号:TP391

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:2095-2953(2018)12-0032-03

    [size=1em]收稿日期:2018-08-24

    [size=1em]基金项目:江苏省高等学校自然科学研究项目(18KJB220008);国家重点研发计划资助项目(2017YFD0601104);南京林业大学青年科技创新基金项目(CX2017009)

    [size=1em]第一作者简介:李荣荣(1990-),男,讲师,博士,研究方向木竹加工装备与信息化、家具智能制造,E-mail:lirongrong@njfu.edu.cn



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