柔性化木門生產系統的設計及應用研究

劉風華　肖浩南　羅康　黃鄧多

摘? 要：國內的木門生產系統大多適用于大批量、固定工藝的生產模式，難以滿足國內日漸增加的定制化、柔性化生產的需求。針對大規模定制的市場需求，文章圍繞木門生產工藝的特點，重點討論了木門定制化生產的核心技術難題，并設計了能滿足定制化需求的柔性化木門生產系統，該系統通過條形碼激光識別實現板件識別以獲取加工文件，并通過四邊鋸自動糾正技術、快速定位和規避技術實現生產過程的柔性加工，旨在為木門的大規模定制提供設計思路。

關鍵詞：木門生產;柔性制造;智能制造;大規模定制

中圖分類號：TP271? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0162-03

Abstract： Most of the domestic wooden door production systems are suitable for the production mode of large batch and fixed process， which is difficult to meet the increasing demand of customized and flexible production in China. According to the market demand of mass customization， focusing on the characteristics of wooden door production process， this paper focuses on the core technical problems of wooden door customization production， and designs a flexible wooden door production system that can meet the customization demand. The system realizes plate recognition through bar code laser recognition to obtain processing documents， the flexible processing of the production process is realized through the four side saw automatic correction technology， rapid positioning and avoidance technology， in order to provide design ideas for the mass customization of wooden doors.

Keywords： wooden door production; flexible manufacturing; intelligent manufacturing; mass customization

0? 引? 言

隨著“工業4.0”和“中國制造2025”等基于信息技術的生產模式的概念興起，家具行業逐步走向以消費者的需求為主導的個人定制化家具設計。而且由于施工工藝的不確定性，使得即使是同一樓盤，門洞尺寸都不盡相同。這些因素使得木門企業的生產方式從傳統的單品種大批量生產模式、生產型制造向小批量多種類生產模式轉變。這要求企業能高速高效地對市場需求做出快速反應，即對木門企業的柔性化生產提出了更高的要求[1，2]。

木門制造作為細分行業，近十多年來國內才開始得到重視，逐步研發木門制造專用機械，木門專用機械取代家具通用機械[3]。市面上根據木門材料的不同，可以分為實木木門和板式木門，其中實木木門由于木材資源有限，木材利用率低、價格昂貴且工藝相對復雜，對于大規模定制的需求較低。而板式木門以木質板件為原料，價格更親民。同時先進木門設備的引進和發展，為木門的柔性制造提供了設備基礎[4]。木門產業的大規模定制可以更好地滿足用戶多樣化的需求，提高材料利用率，提升木門企業競爭力[5]。蒙陰銀進機械制造有限公司[6]設計了一條可迅速實現實木門制造的柔性組合實木門自動化生產線。南通躍通數控設備有限公司[7]研制開發了一種數控木門生產線，包括毛坯的四邊鋸切，兩端封邊開槽，花型加工及孔槽加工的功能，可充分發揮其在大批量生產規模的優勢，實現了機械化、自動化、規模化生產木門。這些都為國內木門的柔性制造提供了設計思路。

本文圍繞復合門的生產工藝特點及柔性生產需求設計了一種柔性木門系統，并對目前木門的柔性生產中已經應用的技術及存在的關鍵問題進行探討和分析，以期為柔性木門生產的研究和應用發展提供有益參考。此外，技術人員可通過物聯網技術實現生產系統的遠程監控。

1? 柔性化木門生產線建設需求

木門是我們日常家具組成必不可少的一部分，但其制作工藝復雜、通常需要經過20～30道生產工序，一些油漆類的造型門甚至可達40～50道制作工序。傳統的木門結構通常是實木榫卯組成框架，中間加芯板嵌合組成一扇門，其制作工序復雜，生產成本高，無法實現大批量，定制化生產。同時傳統木門還有著樣式單一，木材利用率低等缺點。

隨著人們生活水平的不斷提高，對生活品質追求的不斷升級，個性化需求不斷增加，實木資源匱乏，環境保護日益迫切，人工成本日益增長，傳統的木門生產工藝改良刻不容緩。目前國內的木門生產系統依然只能滿足大規模批量生產的需求，每次調整生產規格都需要人工對整個生產系統進行調整，對人工依賴相對嚴重，存在工作效率低、監管不足等問題。而客戶對定制化、個性化的需求，對國內的木門生產系統提出了更高的需求。為了實現木門生產系統的柔性化，需要系統能根據生產需求智能化、自動化地調整系統結構。而傳統的生產過程，需要人工調整，工作效率低、且無法準確快速確定。而且人工操作容易出現錯誤，對生產系統造成較大安全問題。而且隨著社會發展，定制化、個性化的木門生產需求日益增加，大規模定制不僅增加了生產人員的工作強度，同時也對木門生產系統提出新的挑戰。

2? 柔性木門生產系統設計方案

在滿足大規模定制、形成批產能力、縮短周期、提升質量和降低成本的要求下，通過數字化、智能化、網絡化工廠的建設，穩步構建生產柔性制造系統的發展需求是木門生產企業要面對的問題。根據木門產品多規格、結構不一的特點，將先進制造技術、信息技術、智能制造技術和工業互聯網等融合到木門生產制造業務全流程，以關鍵制造和生產過程的智能化管控為核心，以提髙產線績效、精益生產為目標，進而實現生產全流程的透明可視、自主控制。

木門的基本工藝流程主要有基材準備、組框、單板加工、復合貼壓、定尺、封邊、開五金孔槽、銑削成形、涂飾。針對門扇復合貼壓后到涂飾前的工藝，柔性化木門生產系統主要功能是完成木門門扇的定尺、封邊及開五金孔槽，為了完成這幾項加工，生產系統需要包含3類主機：

（1）數控門扇四邊鋸：用以完成定尺，即將毛坯加工成精確尺寸的木門板件。

（2）封邊機：對門扇邊部進行預銑、涂膠封邊、粗修、精修、刮邊和拋光等。

（3）數控柔性門鎖加工中心：在木門的兩個長邊區域進行鎖槽、鎖階、鎖孔、合頁加工。根據木門生產工藝和特點其加工方案的流程如圖1所示，加工設備布置如圖2所示。

相比與常規的木門生產工藝，本系統采用的柔性生產工藝是直接加工組裝好的木門件，通過裁邊、封邊、門鎖加工三步驟完成。傳統的木門生產系統需要根據需要生產的木門規格，人工調整各工藝中定位構件的位置，難以滿足柔性生產。為了滿足柔性生產的需求，柔性木門生產系統需要采用的關鍵技術：

（1）條形碼激光掃描技術：能實現識別進入加工區域的板件，各加工設備根據識別出的板件自動化地調整設備狀態以滿足自動化生產。可自動讀取每塊門扇的外形尺寸、加工要求等信息，自動調整機器動作，調用和啟動加工程序，按要求完成加工。

（2）四邊鋸自動糾正技術：包括兩方面的位置糾正——糾正加工門扇的位置和糾正四邊鋸鋸切位置，使其進行規方鋸切以保證面板的花紋在中心線上對稱和門芯框架與面板平整，并且滿足加工尺寸符合對應生產需求。

（3）快速定位和規避技術：在數控柔性門鎖加工中心上，門板是通過夾具固定在加工區域中，為了避讓碰撞不同的加工文件需求的夾具位置會不一樣。這需要設備能根據加工文件快速調整夾具位置以滿足柔性生產需求。

（4）遠程監控技術：并且為了滿足智能工廠實時監控生產系統各功能塊狀態，該系統還需要能夠通過APP或網站遠程監控生產系統狀態功能。

本文設計的柔性木門生產系統如圖3所示。為此，柔性木門生產系統應包括以下智能生產單元和柔性控制系統，使生產過程柔性、高效、明確、透明、智能。本文將從系統用到的自動化技術和物聯網技術兩方面闡述柔性木門加工系統的核心技術。

2.1? 基于自動化的自適應加工系統

傳統木門制造過程中，加工、檢測和控制各階段都相互獨立，無法實現全過程的實時控制優化。而自動化是指機器設備或系統在無人或較少人的直接參與下，可以按照既定的制造要求完成自動檢測、信息處理、分析判斷、監控調控等功能以實現目標的能力。基于自動化技術，柔性木門生產系統將木門識別系統、可編程邏輯控制器、工控機和設備進行連接，在連續的生產過程中實現板件自動加工與輸送工作，從而保證木門加工過程中的自動化、智能化。該生產過程詳細功能應包括板件的識別與定位、柔性加工、和報錯處理等功能。生產系統需要能通過識別的板件向總控獲取加工文件，并根據加工文件自動地對生產線進行調整。

在自動化實現的過程中，板件的識別是基礎。本系統設計方案通過條形碼作為板件識別的方式，在數控四邊鋸、封邊機和數控柔性門鎖加工中心的進板區域，通過條形碼掃描儀獲取進入的木門信息。通過掃描到的條形碼信息向總控申請加工的板件信息、獲取加工文件，再根據獲取的板件信息自動調整設備加工狀態以實現木門的自動化加工。在裁邊工段中，數控四邊鋸根據板件的長寬尺寸、自動調整各個鋸片的距離，一次性完成門扇的規方加工，實現動態、柔性加工。對于數控柔性門鎖加工中心，為了滿足柔性生產的需求，需要實現夾具與側靠的自定位。待加工木門是通過夾具固定在加工區域內的，而根據不同的加工文件，各夾具的位置需求都不一樣。傳統的木門加工是通過人工調整夾具的位置，再進行加工。在傳統的生產模式中，每次更改加工木門的批次都需要重新人工進行調整，這是制約木門加工難以實現柔性制造的主要原因，使得國內的木門生產只能適應大批量生產。這要求柔性加工系統能根據加工文件，自動調整夾具的移動位置、側靠距離，避免加工過程中的碰撞。此外，為了減少加工過程的時長，需要根據當前的夾具位置，得到最短移動位置。

此外，在完善柔性化加工過程的基礎上、引入自動龍門上料機、龍門自動下料機和自動包裝設備。傳統的上下料過程都是采用人工搬抬、勞動強度大，龍門上、下料機則通過真空吸盤抓取堆垛。目前自動化連線裝置在各行業的生產過程中有著廣泛應用。該生產系統用到的輸送裝置，通過真空吸盤抓取板件、滾筒運輸板件實現各工序間的板件輸送、存儲，為柔性木門生產系統提供連線支撐。

2.2? 基于工業互聯網的物聯網技術

物聯網主要是指通過信息傳感設備，將需要監控的物體與網絡連接實時采集需要的信息，并通過信息傳播媒介完成信息交換和通信，以實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。柔性木門加工系統通過物聯網技術，重點實現生產加工過程各工序狀態的反饋和智能控制功能，加工信息的標注和管理等。其中對于各工段加工狀態、加工信息的管理是通過系統內的光電傳感器和條形碼掃描儀實現的，形成一套數字化、智能化的生產系統綜合監控系統。可以同步的部署到生產現場的總控端上，同時也能部署到管理人員的移動手機端上，實現實時對生產環境進行監控、管理。當生產計劃有變動或生產過程出現問題，技術人員能通過手機APP快速獲取系統內各設備的狀態，方便技術人員調整生產計劃、遠端解決問題。對于木門加工的信息管理，系統內是通過條形碼進行信息的傳遞和管理，生產人員可以通過掃描儀實時獲取木門生產信息、訂單信息等。在總控端也能通過搜索對應條形碼id獲取查找待尋找木門板件的當前狀態。

3? 系統應用的效果及效益

本文利用自動化技術、物聯網技術實現木門柔性制造系統，與傳統的生產方式相比，可以較大程度上滿足柔性定制、智能化生產的需求。本文技術相關項目投運后，相關加工效率及成本分析如以下所示：

（1）產能：在一班（8 h）時間內，可加工門扇數量最高達320樘。按每天3班值，每年工作天數300天計算，年生產數量可達28.8萬樘。

（2）加工范圍：木門的加工規格則為在寬度方向上為400～1 100 mm，長度方向為1 800～2 400 mm，厚度方向為30～60 mm。

（3）加工精度及合格率：門扇的加工精度在±0.5 mm以內，對角線誤差在±2 mm以內，產品合格率在99.55%以上。

（4）成本：木門柔性加工生產線僅需要1～2人/班，而傳統的以通用設備加工木門的生產方式則通常一班需要10人以上。

4? 結? 論

將數控四邊鋸、封邊機、數控柔性門鎖加工中心等主要加工設備，通過自動龍門上、下料、輸送、定位、轉向等裝置完成自動化連線，并輔以采用了條形碼激光掃描技術、四邊鋸自動糾正技術、快速定位和規避技術和物聯網技術等構成柔性木門生產系統。針對傳統木門生產系統存在工作效率低、管控模式單一、無法滿足定制需求的問題，柔性木門生產系統通過利用物聯網、自動化等技術手段，可以實現木門的柔性生產、以滿足市場對大規模定制的需求等功能。

參考文獻：

[1] 周濟，李培根，周艷紅，等.走向新一代智能制造 [J].Engineering，2018，4（1）：28-47.

[2] 李偉光，王創，徐明輝，等.我國木門行業智能制造的思考與探索 [J].中國人造板，2019，26（12）：1-5.

[3] 姚遙，許亞東，許厚榮，等.我國木門自動化制造特點及發展趨勢 [J].木材工業，2015，29（2）：26-29.

[4] 楊華龍，齊英杰，馬巖，等.我國木門生產企業的現狀與發展趨勢 [J].木工機床，2015（3）：14-18.

[5] 萬千，張亞池，宋莎莎.大規模定制木門的應用技術及其發展 [J].中國人造板，2017，024（5）：11-14.

[6] 李因國.柔性組合實木門自動化生產線 [EB/OL].[2021-08-28]. http：//www.likuso.com/city17/761348.html.

[7] 姚永和.上海躍通木門柔性加工生產線通過科技成果鑒定 [J].中國人造板，2013，20（11）：39.

作者簡介：劉風華（1968—），男，漢族，北京人，高級工程師，碩士，研究方向：家具智能制造。