板式家具全自动化数控开料单元的设计与实现 崔涛

顺畅

板式家具全自动化数控开料单元的设计与实现

崔 涛

(济南五维信息技术有限公司，山东 济南 250101)

摘 要：针对板式家具行业开料作业时低效率、高人工成本以及板材高消耗的问题，设计了一款全自动化数控开料单元。单元采用拨料机自动拨料、板件自动化传输与加工、机械手自主下料与物料分配，保证板件全自动、不间断加工，极大地提高生产效率，节约人工成本。通过提高贴标系统效率，对比原有模式减少1台贴标设备，实现设备成本节约。通过对余料板件识别回收、废料板件自动传输，实现板材的二次利用及废料处理。同时，采用“PLC+工控机”的控制模式，对单元进行控制系统设计，满足全自动化、高效率需求。全自动化数控开料单元经过设计与内部测试，投放于国内外众多家具厂使用，在加工效率、单元运行稳定性等方面达都到了预定指标。

关键词：板式家具；数控开料；机械手；设计

[size=1em]随着人们生活水平的逐步提高，个性化需求越来越旺盛，家具行业也开始朝着个性化和定制化的方向发展[1,2]。与传统家具相比，定制家具板材的材料和规格多种多样，生产成本较高。因此，为节省原材料成本，定制家具生产商通常将多个客户的订单整合到一起统一下料，以最大限度地提高板材利用率[3,4]。上述过程，订单的整合下料对单位面积下的数控开料设备提出了更高的产量需求。同时，板材在排版下料时存在余料回收、废料处理、人工过多参与等问题，这不仅浪费了原材料，也因为粉尘及废料增加了对环境的污染。同时占用过多人工，增加了企业人工成本，增加了企业因为人工流失带来的开料设备怠工的风险。

[size=1em]基于上述问题，行业内数控设备厂开始联合自动化公司着力于研发高效率、省人工、省板材的数控开料单元设备[5-8]。通过对各大家具厂进行走访，去上海、广州等各地方展会参展，发现设备厂商通过滚筒设备将多台数控开料设备连接，采用1人备料和1人下料的方式，实现2台数控开料设备的联合工作，一定程度上实现了半自动化的需求。但产量并未达到客户的坪效比，也未实现全自动化开料下料。

[size=1em]本文设计了一款全自动化数控开料单元，通过“PLC+工控机”模式实现全自动化控制。单元采用拨料机自动拨料、板件自动化传输与加工、机械手自主下料与物料分配，保证板件全自动、不间断加工，极大地提高生产效率，节省人工成本，满足客户需求。同时也实现对余料、废料的集中回收和处理。

1 全自动化数控开料单元设计1.1 总体设计

[size=1em]本文研发的全自动化数控开料单元主体框架如图1所示，包含中央控制系统、备料与贴标系统、输送系统、板材加工系统、机器人下料系统、废料收集装置。

[size=0.8em]图1 全自动化数控开料单元主体框架

[size=1em]其中，备料与贴标系统包含备料储存区和贴标机构两部分。备料储存区为升降平台，可满足叉车一次性上料和板材被运输后的自动升降。贴标机构配置打标机，根据中央控制系统指令调取待加工板材的标签图片，在指定坐标位置完成贴标任务。

[size=1em]板材输送系统由输送滚筒和升降皮带机组成，根据中央控制系统指令将待加工板材运输至最优工位等待加工，满足整个开料单元的板件分配与加工不等待需求。

[size=1em]板材加工系统包含2台数控开料设备，根据工艺需求与加工文件，完成板材的切割、铣型、打孔等工艺加工。

[size=1em]机器人下料系统包含下料机器人与下料滚筒，下料机器人根据中央控制系统抓取指令，精准抓取板件中心位置，将开料板件依次放置于滚筒放料区，进入下一工序。

[size=1em]废料收集装置包含传输皮带和废料收集装置，单张原材料板件被切割后剩余的废料，由中央控制系统指挥下料滚筒运转，废料流入传输皮带上，进而进入废料收集装置。

1.2 工作原理

[size=1em]全自动化数控开料单元从进料到出料过程可分为五个阶段。

[size=1em](1)在中央控制系统控制下，将待加工板材由叉车送入备料与贴标系统，依据待加工的板材任务及位置依次打标；

[size=1em](2)将贴标后的板材传输至输送系统；

[size=1em](3)由中央控制系统控制其输送方向，将待加工的板材送入相应的板材加工系统，完成对板材的加工，铣型、钻孔或切割；

[size=1em](4)将加工后的板材送入机器人下料系统，通过机械手完成板材的分类收集，板材可以输送到下一道工序或者放置到余料库；

[size=1em](5)在完成板材自动下料后，将剩余板材进行集中废料处理。

2 全自动化数控开料单元控制系统2.1 控制系统总体架构

[size=1em]全自动数控开料单元满足客户原材料大板进入，实现不间断运输及生产的任务加工，需要单元内部的备料与贴标系统、输送系统、板材加工系统、机器人下料系统、废料收集装置等协作执行。基于此，设计中央控制系统，采用TCP/IP传输协议，建立局域网络，连接各数控系统、PLC及相关设备进行中央控制。全自动化数控开料单元控制系统架构如图2所示。

[size=0.8em]图2 全自动化数控开料单元控制系统架构

2.2 控制系统实现

[size=1em]全自动数控开料单元控制系统采用“PLC+工控机”模式，依托中央控制系统实现对数控系统、PLC、打印设备、机器人工作站的集中控制。具体控制原理如下：

[size=1em](1)单元构建局域网络，保证各控制模块及设备处于同一IP网络段内。由此，中央控制系统可通过网络与各控制模块建立有效访问；

[size=1em](2)机器人工作站配置工控机，基于机器人开发平台，通过控制逻辑代码实现，满足机器人旋转移动动作、吸盘抓取板件、废料机构运转信号传输等控制；

[size=1em](3)中央控制系统通过网络传输与机器人工作站建立通讯，交互板材位置、余料板材特殊识别、板件抓取与放置到位信号等信息；

[size=1em](4)中央控制系统基于Visual Studio开发环境，调用数控系统与打印机所开放的DLL动态链接库，实现与设备系统的网络通讯与控制，进而实现板材的打标控制，实现板件铣型、拉槽、钻孔或切割；

[size=1em](5)采用PLC实现单元内部的板件传输，中央控制系统与其在局域网内建立网络连接，对应所交互的点位，实现控制与数据获取，进而实现板件的分配与回收。

3 全自动化数控开料单元实现与优势3.1 全自动数控开料单元实现

[size=1em]全自动数据开料单元经过内部测试验证后，投放于国内金牌、好莱客等家具厂使用。在加工效率、单元运行稳定性等方面达到了预期指标。全自动化数控开料单元部分客户实景如图3所示。

[size=0.8em]图3 全自动化数控开料单元客户实景

3.2 全自动数控开料单元优势

[size=1em]经过市场调研、需求分析、产品研发、产品落地使用等阶段，全自动数控开料单元的优势如下：

[size=1em](1)经多家客户数据实测，标准的单元配置，单班10 h可加工大板数量260～300张，相较于半自动化产品产量提升30%～40%；

[size=1em](2)自动化数控开料单元仅需1人叉车上料、巡检工作，极大地解放了劳动力，节省人工成本，同时也为智能工厂建设提供强有力的单元保障；

[size=1em](3)贴标机采用独立系统，可以针对不同的客户配置不同价位的开料机设备，构建价位梯队，对设备企业销售有重大意义。

4 结论

[size=1em]本文设计的全自动化数控开料单元，有效解决了板式家具行业开料作业低效率、板材高消耗、人工高成本的现状问题。首先，单元采用拨料机自动拨料、板件自动化传输与加工、机械手自主下料与物料分配，保证了板件全自动、不间断加工，有效地提高了生产效率，节省了人工成本。其次，依托机器人工作站对余料板件识别回收、废料板件自动传输，实现了板材的二次利用及废料处理。再者，采用“PLC+工控机”的控制模式，满足了全自动化、高效率的生产需求。最后通过投放多套全自动数控开料生产单元至国内外众多家具厂，统计得出加工效率较原半自动化模式提升30%～40%，废料和余料得到了有效处理。

[size=1em]参考文献：

[size=1em][1] 何风梅, 沈隽, 鲍含伦.板式家具结构强度设计的发展及现状[J].林业科学, 2008(3):170-172.

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[size=1em][3] 秦晓宇, 徐伟, 詹先旭.定制家具企业订单组批方式对板材利用率的影响[J].林业工程学报, 2022, 7(2):193-198.

[size=1em][4] Augustauskas R, Lipnickas A , Surgailis T.Segmentation of Drilled Holes in Texture Wooden Furniture Panels Using Deep Neural Network[J].Sensors, 2021, 21(11):3633.

[size=1em][5] 闫晓峰.板式家具全自动化电子开料锯的研究[J].林业机械与木工设备, 2021, 49(11):17-19.

[size=1em][6] 陈碧琪, 关惠元, 董金鼎.面向智能制造的板式家具零部件打孔质量和效率提升路径[J].家具, 2021, 42(2):33-38.

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[size=1em][10] 宋小川, 龙彩凤.基于CNC的定制板式家具结构孔设计[J].林产工业, 2016，43(10):46-48.

Design and Realization of Automatic CNC Cutting Unit for Panel Furniture

[size=1em]CUI Tao

[size=1em](Jinan Wuwei Information Technology Co., Ltd, Jinan Shandong 250101, China)

[size=1em]Abstract：Aiming at the problems of low efficiency, high labor cost and high plate consumption in panel furniture industry, a fully automatic CNC cutting unit is designed.The unit adopts the automatic material pulling of the material pulling machine, the automatic transmission and processing of the plates, and the independent material cutting and material distribution of the manipulator to ensure the full-automatic and uninterrupted processing of the plates, which greatly improves the production efficiency and saves the labor cost.By upgrading the efficiency of the labeling system, one labeling device is reduced compared with the original mode to achieve equipment cost savings.Through the identification and recycling of residual materials and the automatic transmission of waste materials, the secondary utilization of plates and waste disposal can be realized.At the same time, the control mode of "PLC + Industrial Control Computer" is adopted to design the control system of the unit to meet the requirements of full automation and high efficiency.The fully automatic CNC cutting unit has been designed and tested internally, and has been put into operation in many furniture factories at home and abroad.It has achieved the expected indicators in terms of processing efficiency, unit operation stability.

[size=1em]Key words：panel furniture; CNC cutting; fully automatic; robot-hand;design

[size=1em]中图分类号：TP242

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2023)01-0028-03

[size=1em]收稿日期：2022-06-30

[size=1em]作者简介：崔 涛，助理工程师，学士，主要从事木工机械自动化方案设计与自动化软件研发方面的工作，E-mail: 754870733@ qq.com。