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[家具生产管理] 定制家具生产过程中机器人的应用研究

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    2015-12-29 11:55
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    [LV.1]初来乍到

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    定制家具生产过程中机器人的应用研究
    卢希珍,彭文文,熊先青*,鲁丹婷,夏家旭,皇甫晓雪
    (南京林业大学家居与工业设计学院,南京210037)
    摘 要:在定制化家具爆发式增长的行业背景下,行业需求同落后生产方式之间的矛盾日益显现。以智能制造为主导的第四次工业革命,将提高制造业中的智能化水平作为目的,将智能工厂、智能生产、智能物流作为要求,为定制家具行业发展提供新的起点和新的契机。定制家具行业已经不能完全依赖于传统的劳动力,转型升级势在必行,而机器人行业的迅猛发展给家具行业的发展带来了新的增长点,“制造时代”向“智造时代”的转变迫在眉睫。如何将机器人技术应用在定制家具的生产制造中,使机器人技术更好的适用于定制家具行业的各个关键工序,提高定制家具行业的生产效率,为行业谋求新的发展成为当前急需解决的问题。人工智能行业的迅速发展为定制家具生产行业实现智能制造提供了前提和保障,定制家具行业作为传统的制造业要想真正实现数字化生产仅仅依靠人工智能、物联网、大数据、系统管理以及配套软件的研发技术等,都是定制家具企业实现智能制造的关键。
    关键字:定制家具;机器人;智能制造;系统管理

    [size=1em]德国政府在《德国2020高技术战略》首次提出旨在提升制造业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及基因工程学的智慧工厂[1]。智能机器人的应用趋势近几年一直持续上升。从全球范围来看,2017工业机器人产业总体市场规模约140亿美元,并预计于2025年家具制造领域市场规模将达到90亿美元。

    [size=1em]我国工业机器人的市场销售量从2010年起持续增长,并从2013年起一直稳居世界第一,2016年我国工业机器市场在全球占比已达到30%[2],是韩国的两倍。据中国投资咨询网调查显示,预计我国工业机器人市场在全球占比在2020年将超过40%。同时,在服务机器人市场保持着25%的增长速度,在特种机器人市场以15%增长速度上升。2018年国产机器人上半年国内市场累计销售量为22 304台,同比增长22.4%。多关节机器人、坐标机器人、平面多关节机器的销量占比是国产机器人中的前三名,分别占比40.2%、40.1%、10.71%。而搬运与上下料、焊接与钎焊的机器人销售仍是占比最高的两个领域,分别为60.8%、16.9%。所以,人工智能已成为当今信息化世界的核心。

    [size=1em]基于此,本文从家居行业机器人的应用现状分析结合智能生产关键技术进行探究,提出智能家具生产制造机器人应用新方向。

    1 机器人在家居行业的应用现状1.1 智能制造产业格局变化

    [size=1em]近几年来,智能制造产业格局最为明显的变化:一方面以批量生产企业等传统家居业绩下滑趋势明显,面临着洗牌、倒闭、破产的现象;另一方面,由于人们对于个性化的追求,定制家居市场正在不断崛起[3]。中国的定制家具市场正经历着一场变革,先进制造技术和大规模定制的融合加速了家具产业的变革,传统的劳动力市场已经不能完全满足生产制造的需要。未来的智能制造产业,必将是由高等技术人员和人工智能协同驱动家具制造业发展。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表,它的发展是多学科与多种高新技术发展成果的综合集成,涉及机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等。未来机器人融入的家具智能制造必将会对产业格局变化带来影响。

    1.2 机器人在定制家具行业应用情况

    [size=1em]信息化、多元化是当今社会发展的趋势,定制家具具有生产效率高、成本低、满足客户个性化需求、家庭空间使用率高、安装便捷等优点,相比传统的成品家具更有优势。现代社会物质文明的多样化,促使大部分年轻人不断追求个性化,定制家具早已成为目前中国家具市场的大势。据中国投资咨询网调研显示,定制家具预计在未来几年会持续保持18%同比增长,并将在2020年市场规模达到1 606亿元。大规模定制家具的指导思想就是以系统设计为导向,做到产品内部的简化和产品外部的多样化。减少产品内部的多样化需要通过做到产品内部零件以及结构的简化、统一化、最优化和协调化等标准化来实现。所谓以人工智能为辅助实现定制家具制造过程,就是在生产中运用计算机分析客户要求,从大数据中提炼产品相关信息,将信息传输到机器人智能设备中,满足从家具定制设计到加工制造(开料、喷涂、封边等等)以及物流分拣和售后服务各个方面的需求。

    1.3 存在问题

    [size=1em]在智能时代,中国凭借自己强大的市场基础,人工智能发展速度以及在市场总体占比近几年均处全球领先地位。但由于中国在智能制造方面起步晚,与国外一些发达国家相比仍有许多不足之处。当今中国工业机器人应用仍有以下几点问题:1)中国在智能制造技术研究投入资金不足,人工智能所需求的顶尖技术大部分都是从发达国家引进,核心技术仍没有掌握在自己手中,不利于发展而且加大了成本的投入。2)由于前期工业化起步晚,没有足够的经验去摸索智能化生产。智能化时代的观念并没有深入人心,人工智能的应用在制造业领域仍有很大的开发潜力。3)中国仍然是人口大国,虽然中国目前人口老龄化较严重,但是人工智能的大范围引入会导致失业人口上升[4]。

    [size=1em]人工智能在家具制造业的应用也存在诸多问题:1)家具的品种繁杂,实木家具,软体家具,智能家具难以实现智能化生产,家具生产材料繁多,机器人直接识别家具材料的品种,区分各种材料不同的操作步骤,就目前技术现状很难实现。2)家具生产工艺繁多,家具设计的多样化必将会导致工艺流程的多样,以及复杂细化处理的难题。3)机器人投入价格昂贵。调研发现,我国家具企业只有年产值达到5 000万至上亿的情况下才有能力在生产设备中加大投入来提高生产效率。企业总体规模越小,接受客户订单越少,无法形成满足大规模生产的大数据资源。企业利润小,更没有多的资金投入到引进机器人设备中。

    2 机器人在家具行业关键工序应用分析2.1 码垛

    [size=1em]码垛技术是实现定制家具行业物流领域自动化的一项关键技术。码垛机械手作为末端执行器对码垛行为的完成至关重要。码垛机器人在完成码垛作业的过程中,涉及视觉系统、控制系统、运动系统等。例如,发那科机器人公司生产的新型高速的FANUC码垛机器人——垛−410iB/140H,具有运动范围广,搬运速度快等特点,可负载重达700 kg的超重货物灵活作业,结合码垛夹具和人性化的编程软件,以此实现码垛作业的创新发展,如图1所示。

    2.2 分拣

    [size=1em]在整个定制家具制造行业中使用最广泛的机器人就是分拣机器人手臂,通过扫描每个板件上带有的独特的二维码进行分析,采用视觉导航定位系统,首先对工件或材料进行相机标定,确定输送带上的工件或材料位置。并通过图像匹配技术的应用对工件或材料进行比对,经过工件识别和工件定位对所拍摄的图片进行分析,从而准确的进行分拣,实现了不同板件依次分类。对降低人工出错率、提高生产效率、加快物流运转、减少生产时间影响重大。如图2所示,川崎机器人公司生产的CX系列机器人——六轴CX110L机器人。这款机器人装配有大型中空结构手臂,可以轻松地实现高速度、紧凑化的物料分拣和搬运等多种工序。其可负载110 kg,伸展距离可达2 699 mm,其工作效率相当于6个工人的效率,是发展无人化工厂中必不可少的一部分。

    2.3 搬运

    [size=1em]产品订单较多,且板件较重,想要搬运板件至相应的位置需要大量人力,这使得本就不宽敞的生产车间显得更加拥挤混乱,大大加剧了安全隐患。不少公司开始用小巧灵活、承载力强的机器人来代替人工搬运。欧姆龙机器人公司生产的LD系列移动机器人,如图3。通过GPS定位系统实现室内自主导航,提高生产效率,简化物流操作。不仅把人工失误降到最低,而且也使物料具有可追溯性从而提高了工作效率。通过超声波感应技术,能够实现自主规避。该公司提供的一种车载激光定位技术使机器人能够适应复杂的车间环境,完全符合安全标准,实现了人机安全交互。

    2.4 打磨

    [size=1em]利用机器人进行家具打磨的工序一方面减少了人力时间的输出,提高了生产效率。另一方面机器人打磨技术的运用改善了传统的打磨工序中灰尘、噪音等各种扰人的情况。同时也使得打磨的工序更加趋于标准化、数字化、便捷化[5]。一种机器人末端执行器的全自动快换装置,首先根据快换装置的使用要求和关键性能,进行快换装置结构设计;然后采用有限元仿真对快换结构的两个典型工况进行强度校核,结果表明最大Mises应力远小于材料许用应力,符合强度要求。该快换装置无须额外动力进行装配,且具有一定弹性,使机器人打磨家具时能更好地贴合打磨表面,提高打磨效果,如图4所示。

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    [size=0.8em]图1 码垛机器人
    Fig.1 Robot palletizer

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    [size=0.8em]图2 六轴分拣机器人
    Fig.2 6 axis sorting robot

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    [size=0.8em]图3 移动机器人
    Fig.3 Mobile robot

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    [size=0.8em]图4 机器人打磨转换器
    Fig.4 Robot grinding converter

    3 机器人在家具行业关键技术分析3.1 自动化生产过程

    [size=1em]定制家具智能生产运用是由智能仓库、智能机器人设备、智能物流系统、智能质量检测设备等柔性生产线组成,索菲亚家居公司的智能生产系统,如图5所示。1)智能仓库:运用WMS(Warehouse Management System)技术系统对仓库进行智能管理,工作人员可根据WMS系统所显示的物料储存情况根据需求情况进行物料的补充,这样不仅可以节省仓库空间,还可以提高工作效率。2)板件标签二维码:板件经过开料后会贴上相对应的二维码标签,此二维码是之后根据订单需要对每一块板件进行尺寸加工、封边、钻孔、分拣等一系列生产所定义的专属信息,是为了更好运用MES系统对板件生产过程中的跟踪。3)板件加工:板件的加工是一个智能系统的设备。通过电动滚筒来运输板件,根据设备扫描板件二维码,首先将板件传输到封边区域,不同大小尺寸,不同订单可以同时加工,前后左右依次封边,再经过升降度带机、悬臂式多层缓存区、链条式多层缓存料架,对大小板件进行区分,最后通过转送带运输到钻孔区域。4)订单分拣:在分拣区域,一般多选用六轴工业分拣机器人,运用线控系统软件能智能分拣出大批量连续的订单,根据每一个订单要求选取电动滚筒上的板件,将同一订单的板件放在一个物架上,统一送去包装,准确率几乎为100%。整个加工过程不经人手,成功实现一条完整的智能化生产线,将一道生产工序紧密连接,大大提高了生产效率。

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    [size=0.8em]图5 定制家具智能制造生产流程
    Fig.5 Customized furniture intelligent manufacturing production process

    3.2 系统技术

    [size=1em]人工智能、大数据、物联网等技术是实现定制家具中ETO(Engineering−To−Order,面向订单设计)满足客户多样化需求的关键。定制家具制作零件的复杂性,对生产流程的管理难度增大,所以必须应用先进的技术管理执行系统来实现从客户到计算机到机器人再到客户的过程,准确合理的配备资源,提高生产效率。定制家具制造业应对客户需求大,尤其对于大企业来说,需要处理的信息繁多。为确保企业连接工厂与客户信息化管理和已有大数据信息的集成,实现定制家具在整体生产的综合管理和满足各个工位分布生产的产品跟踪,应做到以MES(Manufacturing Execution System)系统为核心的智能制造执行系统[6],如图6所示。企业负责设计的人员先了解客户需求,运用企业设计软件完成满足要求的设计。再利用ERP(Enterprise Re⁃source Planning)对全公司的技术、采购、库存等资源的管理信息向MES系统发送任务。利用CAPP(Computer Aided Process Planning)计算机辅助工艺过程设计,提供自制件的工序、工时、定额等,向MES发送工艺要求。MES系统对实时加工产品进行信息采集,最大限度地把控产品质量。通过计划管理、车间管理、半成品管理等模块对车间机器人组成的物流系统进行管控[7]。

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    [size=0.8em]图6 MES核心系统流程图
    Fig.6 Flow chart of MES core system

    3.3 技术人员

    [size=1em]在定制家具制造业完成从“制造”向“智造”的转变过程中,工厂中的员工也要完成“制造者”向“智造者”升级。我们所要实现的“无人工厂”并不是空无一人,而是让劳动者从体力和简单手工技术操作中解放出来,利用科学技术和所受高等教育的知识来管理机器人实现生产。在智能工厂中的技术员工大概分为3类:1)生产准备工作人员,包括技术准备和计划准备。2)生产车间现场管理人员,把控任务执行的程度,保障物料资源,成品或半成品的质量的检测。3)监控整体生产系统分析和任务的人员。企业要加强技术人员的培训,使其的知识技能与企业自身的生产系统完美结合,注重对聘请技术人员的投资[8]。

    4 结语

    [size=1em]智能时代为家具制造业发展提供新的起点和新的契机。目前机器人在定制家具生产中的应用仍有很大的发展空间。企业应加强系统技术的研究与开发,应用系统管理充分连接机器人在每一道加工工序中的应用。充分借助于我国庞大完整的工业体系和市场基础,争取在第4次工业革命中占据更大的市场份额。

    [size=1em]参考文献:

    [size=1em][1]吴智慧.工业4.0:传统制造业转型升级的新思维与新模式[J].家具,2015,36(1):1−7.

    [size=1em][2]王万.机器人产业发展研究[J].制造业自动化,2018,40(4):115−119.

    [size=1em][3]熊先青,吴智慧.家居产业智能制造发展趋势和关键技[J].林业工程学报,2018,32(3):1−3.

    [size=1em][4]李荣荣,徐伟,熊先青,等工业机器人在家具行业中的应用现状研究[J].林业机械与木工设备,2018,46(12):1−4.

    [size=1em][5]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(1):1−5.

    [size=1em][6]熊先青,蒋义,黄琼涛,等.大规模定制家具MES系统的关键技术研究[J].制造业自动化,2018,40(7):1−5.

    [size=1em][7]李中原,丁建文.板式定制家具智能制造技术浅探[J].家具,2018,39(4):1−5.

    [size=1em][8]黄明,夏平,周琪森,等.面向单件小批机加生产的制造执行系统及实施方法[J].制造业自动化,2018,40(3):97−100.


    [size=1.8em]Research on the Application of Robot in Customized Furniture Production
    [size=1em]LU Xizhen,PENG Wenwen,XIONG Xianqing*,LU Danting,XIA Jiaxu,HUANGFU Xiaoxue
    (College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

    [size=1em]Abstract:In the context of the explosive growth of customized furniture,the contradiction between indus⁃try demand and backward production methods is increasingly apparent.The fourth industrial revolution led by intelligent manufacturing will aim to improve the level of intelligence in the manufacturing indus⁃try.The smart factory,intelligent production and intelligent logistics will be required to provide a new starting point and new opportunity for the development of the customized furniture industry.The custom⁃ized furniture industry can no longer rely entirely on the traditional labor force.Transformation and up⁃grading are imperative.The rapid development of the robot industry has brought new growth points to the development of the furniture industry.The transition from the“manufacturing era”to the“intellectual era”is imminent.How to apply robot technology in the manufacture of customized furniture,make robot technology better suited to the customization of various key processes in the furniture industry,improve the production efficiency of the customized furniture industry,and seek new development for the industry has become an urgent issue to be solved.The rapid development of the artificial intelligence industry pro⁃vides the premise and guarantee for the intelligent manufacturing of the customized furniture manufactur⁃ing industry.As a traditional manufacturing industry,only relying on artificial intelligence,Internet of Things,big data,system management and supporting software can the customized furniture industry real⁃ize digital production.R&D technology is the key to customized furniture companies to achieve intelligent manufacturing.

    [size=1em]Key words:customized furniture;robot;intelligent manufacturing;system management


    [size=1em]中图分类号:TS664

    [size=1em]文献标识码:A

    [size=1em]文章编号:1000−4629(2019)01−0066−05

    [size=1em]基金项目:“十三五”国家重点研发计划项目(2018YFD0600300);南京林业大学大学生创新创业训练计划项目(PAPD)。

    [size=1em]作者简介:卢希珍(1996−),女,本科生,研究方向为家具智能制造。E⁃mail:804141792@qq.com

    [size=1em]通信作者:熊先青(1975−),男,副教授,研究方向为家具设计与工程和家具信息化制造方面。E⁃mail:96xiong0450@sina.com

    [size=1em]引文格式:卢希珍,彭文文,熊先青,等.定制家具生产过程中机器人的应用研究[J].家具,2019,40(1):66−70.



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