机器人在木工行业智能化加工的研究及应用

摘要：21世纪的制造业是以系统集成和交叉融合为基本理念的新型制造业。我国是家具生产、消费和出口的大国，伴随着科学技术的不断发展，当前以提高产品质量、提升生产效率、降低生产成本、改善人工作业环境为出发点，新技术、新材料、新工艺不断涌现，未来制造业将向着越来越精致化、人性化、个性化的方向发展。当前个性定制化的需求已然出现，小批量订单逐年暴增，工厂大批量木工产线生产模式已经不适应定制化的要求。面对这些小批量、多品种需求，常规木工机械已不能满足生产要求。因此研发一套智能木工加工设备，解决小批量、多品种、定制化木工制品，实现企业高效、自动化生产非常有必要。1引言我国木工机械市场从无到有，从小到大，从弱到强，逐渐形成一个完整的行业体系。从原始的手工业到如今先进的数控技术，见证了我国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高。

国外的先进技术和设备不断涌入，对国内木工机械而言，挑战与机会并存。木工机械的自动化、柔性化、智能化和集成化需求使加工设备的品种不断增加，技术水平不断提高。受小批量、多品种订单限制，国内木工行业依靠人工作业方式仍然占据着主流位置。密集消耗、恶劣作业环境非常突出，行业中亟待解决的问题使得关注、探讨和研究一套智能木工机械显得非常有必要。2

行业现状与发展趋势2.1木工机械市场现状目前，全球木工机械市场正在向新兴工业国家转移，中国木工机械市场已经具有相当规模，并且形成了一个完整的行业体系。随着科学技术的进步，我国木工机械在科研、教育、设计和生产方面都有提高，已形成了一批有规模的企业，培养大批工程科技人员。中国木工机械行业在2012年产值超过了德国，成为全球第一大木工机械制造国，中国出口的木工机械产品已在中低端市场上占据主导地位。而国内市场，中低端产品基本能自给满足，高端产品则仍依靠国外进口。2.2木工机械的现状与趋势现如今，木工机械已经形成完整的产品体系和产业链，木工机械呈现以下几个趋势。

（1）分工更加明细木工机械生产正由大而全向专业化发展，类似专做带锯机、砂光机等专业设备木工机械分工更加明确，使得家具生产的各个环节更加专业化、深入化。

（２）整体方案输出如今单一的设备输出已无法满足企业的生产需要，木工机械行业正在从设计单一产品逐步走向设计生产线、新型木工机械的开发及家具生产的智能化与生产无人化规划。

（３）定制化、柔性化定制家具的工业化生产已经使家具工业发生了翻天覆地的变化，木工机械需要更加灵活与柔性，以适应家具定制化生产的需要。

（４）智能化生产过程的工件不落地，数据的动态传输，自动识别，自动调用加工，自动分拣、自动包装入库等将是智能制造木工机械发展的必然趋势。3机器人加工研究及解决方案3.1机器人木工加工系统探讨应对个性定制化的小批量订单需求，降低设备投入、人工投入、资金投入、降低生产周期及提高生产质量等是企业一直追求的，因此木工行业对木工机械智能化需求非常迫切。随着我国改革开放对国外先进技术和设备的合作引进以及国内技术在木工机械方面的不断探索与自主创新，我国的木工机械水平与国际间的差距逐渐缩小。但是当前我国木工机械整体行业布局不合理，产品过分集中的产业结构、劳动密集型、技术型产品滞后等特点非常明显，产业能源均消耗较大，且行业技术创新能力比较薄弱。

市场是机遇与挑战并存，技术创新才能适应行业的发展。使用智能机器人木工加工系统单元，一台单元设备可执行多面钻、铣、切、磨等木制品所有工艺加工任务，解决家具上的各种异型曲面、复杂线条和特殊造型等加工难题，对工艺进行可灵活组合，真正实现了全工艺的覆盖和柔性化加工。3.2机器人木工加工研究及其解决方案本项目是依靠离线编程技术，由机器人匹配自动换刀主轴执行木工制品的工艺雕铣，匹配自动上下料机器人系统，完成木工雕铣单元加工件的自动上下料，实现多种木工产品的自动锯、雕、钻、车、铣等加工，构成高效率、高质量、高可靠性的智能化机器人雕铣生产单元。方案介绍如下：

设置总控系统，在离线和人工模式下可预约不同工件雕铣程序和换刀程序；

使用大负载GSK-RB165机器人，配置专用的离线编程技术、高速大功率专用木工电主轴和换刀系统，实现不同工艺任务的自动换刀加工；

设计柔性装夹平台和柔性定位夹具，满足常规圆棒料、平板料快速定位、夹持功能；

上料平台配置卡盘夹持，设计伺服机构带动卡盘翻转定位和连续高速旋转；

上料毛坯仓、下料成品仓和上下料机器人设计大行程可调节结构，手抓以工件分类设计多台阶手抓的手指，满足不同工件的取放料；总工作站布局图如图1所示。

图1总工作站布局图项目设计上下料变位机装置、可预约程序总控系统、机器人自动上下料系统、大负载GSK-RB165机器人、专用离线编程、高速大功率木工电主轴、多刀具库换刀系统和柔性工装夹具实现不同工艺要求的自动换刀加工，可根据需要设置多套工件定位夹具，变位机伺服控制精确定位和按需切换工装夹具，以此实现工件的提前预装、快速切换和自动雕铣任务。各功能单元介绍如下：

（1）上下料平台一变位机由底座、主动模块、从动模块、夹具安装支架组成，主动模块有大功率电机连接减速器作为输出。可根据需要设计常规圆棒、平板类夹具，满足多款工件的兼容。

（2）圆棒类夹具可由调节端气动卡盘、定位端基准板等组成，可调整加工端伸出长度。定位气动卡盘模块有端部定位板用于上料时工件的定位，保证加工基准统一。

板料夹具由多组气动夹部分组成，可以整体移动，便于适应尺寸大小不同板料的位置调准。对应的气动夹可自动松合，避开机器人主轴刀具运动轨迹。

（2）上下料平台二变位机由底架、主动模块、从动模块、顶升轴、气动卡盘、独立行走丝杆轴、夹持气缸等组成。主动模块以大功率电机连接减速箱作为输出，夹具安装板设置可调节夹具安装位置T型槽，气动卡盘爪设置上料定位台阶，保证加工基准统一。

（3）上下料抓手机器人上下料抓手设计为双工位手抓，满足毛坯件和成品件的快速取放。手指根据工件种类、重量、外形、尺寸等分类设计可调，满足多类型工件的毛坯、成品零件的柔性抓取。

（4）毛坯料仓根据木工毛坯来料特点，结合低成本要求，由倾斜支架、靠边档杆等组成倾斜排列式料仓。支架设计成倾斜式，可调节倾斜度。人工上料时将工件一一贴紧，工件自重向下紧靠边定位。

（5）成品料仓可设计简易滑板配套简易支杆料架，满足不同成品收件的兼容。总工作站工艺流程如图2所示。

图2总工作站工艺流程加工过程中故障，比如气压不足、库换刀问题、工件不到位、料库无料、顶料过载等等加工过程中问题，系统会及时暂停和显示报警，紧急情况时可通过人工急停参与干预。

通过离线程序导入、多刀库预置和柔性机构设计，机器人雕铣程序、上料平台、料仓、手抓等更换时间大大缩短。整个机器人雕铣系统实现了多款圆棒、方棒、板件木制品的无人自动加工，满足常规生产效率与表面加工质量。应用现场如图3所示。

图3应用现场图4结论家具的定制浪潮还在继续，人们的个性化需求需要更加灵活的生产方案来满足，单一设备的发展不足以满足现状，整体化的生产方案更具优势。在市场的推动下，只有拥有符合大众需求的产品，才能拥有广阔的市场，以市场需求激发科研人员创造出“第一质量”的产品，才能在木材机械行业当中走的更远。

本文梳理了当前木工行业现状，对木工