整体衣柜生产数控设备(衣柜哥：工业40理论下板式定制家具生产线典型设备和布局)

Posted 2023-05-27

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整体衣柜生产数控设备(衣柜哥：工业40理论下板式定制家具生产线典型设备和布局)

板式家具是家具制造领域中应用设备种类较少、工艺较为简单的一个分支，板式家具有着设计更容易模块化，工艺更容易标准化、生产更容易批量化的特征，也正因如此，板式家具企业成为了国内最早一批开展家具定制化尝试的企业。生产线是达成定制目标的最终途径，生产线的柔性程度决定了定制的范围，对设备类型的选择和车间的布局是产线规划的关键点。工业4.0的理念为企业在设备选用和产线布局上提供了很好的指导思想，通过实际调研，总结论述了工业4.0背景下，板式定制家具不同工序的设备及特点，重点分析设备身上与产线布局相关的要素，并针对不同情况提出了3种典型的车间布局。

1 、工业4.0生产线布局的新理念

众所周知，前3次工业革命分别带领人类走进了蒸汽时代、电气时代和信息时代，工业4.0承接第三次科技革命的成果，计算机处理速度的提高、廉价的存储元件、社会上完善建设的通讯互联网基础设施、先进的物联网技术以及在此之上人类生产生活产生的海量数据共同构成了第四次科技革命的基础。

单从生产制造的角度来说，工业 4.0 理念主要提倡以下3点目标：

（1）对生产过程实行更精细更广泛的控制，对生产任务进行更合理的拆分与规划；

（2）尽量减少人的因素对生产过程的制约，这个目标一方面指的是采用更多的自动化柔性制造设备，另一方面也指的是在无法用设备代替人力的情况下，通过系统性的设计减少人行为不确定性所带来的影响；

（3）将生产过程数据化，使制造型企业具备从数据中学习、分析问题并进行危机预警的能力。尽管时至今日，工业4.0愿景及其如何在定制家具领域实现仍是有待研究的课题，但不可否认，设备是生产任务的载体，也是实现工业4.0理念的物质基础，生产线的合理布局则是发挥设备效能的关键，因此本文也将分为典型设备和典型布局两大部分。

2 板式定制家具不同工序的典型设备

2.1 开料裁板工序

锯类设备是板式家具最常用的开料设备，根据是否配有信息化控制系统，开料锯可以分为电子锯和人工推台锯。电子锯加工时使用配套的夹具夹紧板件，通过刀具的移动来完成锯切路线。电子锯上料方式有前端进料和后端进料，前端进料需要人工进料，后端进料的电子锯可以同智能仓储系统配合完成自动进料。

人工推台锯在加工时锯片不做移动，操作者使用推台手工进给板件。其优势在于操作简单直观，且有些型号的推台锯锯片角度可调，因而可以制作切斜角的产品；但是人工推台锯的加工精度和安全性不如电子锯。单臂数控加工中心（CNC）是另一种开料常用设备，其主轴与板件平面垂直，可通过自动换刀实现多种边缘形状的加工，也可以在开料的同时完成开槽、切角、钻通孔等工作。锯类设备的走刀路线要满足“一刀切到底”，而数控加工中心则不需要，因此数控加工中心是目前开料灵活性和板材利用率最高的一类设备。

2.2 封边工序

封边是企业应用最广泛的人造板边部处理方法，也是板式家具质量的关键[4]。根据加工范围，封边设备可分为直线封边机、曲线封边机、直曲线封边机三种[5-7]，单面直线封边机是所有封边设备的基础，它在进料时需要人工将板材对齐、贴紧在设备加工面上，加工完一边后可以使用传送带运输回进料端再加工第二边。连线封边机由多个单面直线封边机组合而成，使用夹具、靠档等部件保证加工边和板材基准边的相对关系，上料之后无需人工干预便可完成多个边的加工。曲线封边机和直曲封边机大多为手动设备，封边全程需人工跟随板材边缘形状施压才可保证封边质量。

2.3 钻孔工序

排钻是最早应用于32 mm系统中的钻孔设备，根据钻位的排数可分为单排钻、三排钻等，通过在每个钻位上安装不同钻头，以及调整每排钻位的间距来适应家具不同部位钻孔的需要。这就意味着排钻制作新产品时需要花费大量时间调试，而一旦调试好后它便有了非常高的加工效率，因此定制企业仍会使用它来加工订单中的标准件部分。单臂 CNC 数控加工中心除了开料之外，也可用来完成钻孔，但和排钻一样通常一次只能完成板件一面的加工。定制企业常用的适用于柔性制造的钻孔设备是卧式数控钻，它根据可同时加工的面数分为六面钻、五面钻等[8]，其中可以应用于流水线布局的又称为通过式数控钻

2.4 质量检测设备

目前在板式家具的质量检验工序，人眼仍具有不可替代的地位，但人工全检还是抽检都具有效率低、精度低、耗时长等缺点。得益于计算机算力的普遍提高，基于机器视觉的板件开料、封边、钻孔质量检查成为了近年来家具生产自动化的重要研究方向。封边工序的质量检验则是该研究的重点。如图1所示为Baumer公司生产的一种自动化板件开料质量检测设备，封边和钻孔工序则可以把设备嵌入到加工设备中，它使用恒温光源和 CCD 传感器采集板件图像，采集图像时无需暂停流水线，因而有着高效、快速的优点，同时这种方式属于非接触式质检不会造成板件的二次损坏。由于板件贴面的花色和纹理会给机器视觉识别带来一定的噪声，在生产新花色产品前可能需要对算法进行大量的参数调试和训练，而企业所采用的软件也多是经供应方预先调试封装好的。

图1 计算机视觉板材质量检测设备

2.5 分拣工序

为了发挥大规模定制的规模优势，企业通常会按照某些规则把订单拆散，并将零部件重新排列来设置生产任务，有可能是将相似的结构划分为一个批次生产，也有可能是根据花色或是出于开料利用率的考量，这种行为被称为“揉单”。分拣工序的目的则是把揉单后的生产批次按照区域、订单、包裹进行重新划分。虽然目前定制企业的分拣工作仍需要大量人力，但已经有很多企业开始了搭建智能分拣系统的尝试。

如图2所示，智能分拣系统的硬件设备由传送设备、扫码装置、分拣机械手、分拣货架组成，进料传送带将板件送入分拣设备后扫码读取板件信息，由系统分配唯一货位，全部板件都上架之后系统根据包装规则计算出料顺序，分拣机械手将板件依次取出并放入出料传送带，同时系统可以将相应包装信息传送给包装设备。

2.6 包装工序

同分拣工序一样，目前家具企业包装工序的裁纸、堆垛、困扎等工作仍主要由员工手动完成。智能分拣系统可以与裁纸机、堆垛机械手、自动包装机等设备组成的自动包装系统联动，分拣系统将出料排序信息输出到自动包装系统以指导堆垛和纸皮的裁切。考虑到建设成本和生产节拍，自动包装系统的局限性在于它只能进行简单的叠板堆垛和折叠包装。需要定保护框架、包角、填充保护材料的包装形式目前仍是人工完成效率最高。

图2 智能分拣系统

3 板式定制家具生产线典型布局

生产线布局指的是不同生产设备的搭配、组合和在车间限定场地内的分布。设备决定了企业的生产范围，但是对于板式家具而言，设备的种类较少，可替换性相对较高，因此对不同设备取长补短进行搭配选择就十分关键，可以说布局决定了生产效率、柔性程度和未来升级改造的潜力。

3.1 全自动连续流水线布局

这种布局通过传送带、传送滚轴等设备将所有工序串联起来，并尽可能的使用自动化设备以代替人力。这种布局的难点在于如何保证各工序的生产节拍一致，减小设备出料量的波动，使流水线可以不暂停、少暂停高速平稳的流转。如图3a所示是一种典型的全自动连续流水线式布局。开料工序通过智能立库系统和AGV车实现根据生产任务自动上料。使用吸附式机械手进行开料换向，开料产生的大尺寸余料同板件一起向下工序流转，小尺寸废料从电子锯的废料出口直接进入废料传送带。开料设备后面是自动标签机，根据出料队列打印并粘贴标签，标签机后设置扫码设备以确认标签是否正确粘贴。数台开料设备流出的板件经过合理分配汇合到一条传送带上，经过质量检测设备后，不合格的板件和大尺寸余料一同被退料刺猬架剥离流水线。

封边设备是出料最为稳定的设备，因为无论板件的尺寸颜色如何，它都是以同样的速度流过封边机。封边工序前设置缓存架，开料产量存在波动时也可以减少封边的压力，同时，使封边工序的故障不会造成开料的停顿。每台封边机均配有封边质量检测设备，当检测存在质量问题时，后续封边一般不暂停，但可以在系统中做出标识并在人工质检环节提示工人进行修复。

板件从封边工序流出后根据打孔工艺分配进入不同钻孔设备，钻孔工序后一般可连接缓存架以减少分选设备造成的压力。分选设备应分为多个组，这样整个分选工序便可以同时进料和出料。包装工序首先由机械手进行堆垛，此时可以设立一个人工质检环节对前面质量检测设备判定封边钻孔不合格的板件进行复检。复检后堆垛被机械手整体拾起放在裁纸机裁好的纸皮上，并进入包装机进行纸皮喷胶、折叠、压贴的工作。

3.2 岛台式（单元式）布局

在现阶段的定制家具企业中，单个设备的柔性程度和效率很难兼顾，整体的自动化与生产成本也存在矛盾。例如上述连续流水线布局的车间无法生产曲线边缘、边缘切角等异形板件，生产开槽、开通孔等板件的效率不高，且这种布局生产板件的尺寸花色范围和工艺受产线设计的限制，当出现新产品新工艺时，产线的扩展性不高，因此岛台式布局仍是定制家具企业所必备的车间布局之一。如图3b所示，岛台式布局更强调员工的主观能动性，设备的选用侧重于低成本、专用型半自动设备以弥补人力带来的效率损失问题。岛台式布局按照开料、封边、钻孔、检验包装将车间横向分为4 大主要工序区域，各工序前后均设有缓存区。半成品缓存区可使用垫板配合滚筒进行运输，滚筒之间的转运依靠带有滚筒和旋转换向结构的手推车完成，工序前端半成品缓存区面积可稍小于工序后端缓存区。

a．连续流水线式布局； b. 岛台式布局/图3

a．连续流水线式布局 b. 岛台式布局

1.智能仓储；2.开料吸附式机械手；3.后端进料电子锯；4.标签机；5.标签扫描设备；6.开料质量检测设备；7.余料刺猬架；8.缓存架； 9.封边机；10.智能分拣设备；11.裁纸机；12.堆垛机械手；13.自动包装机；14.人工质量复检岗位；15.推台锯；16.前端进料电子锯； 17.数控加工中心；18.滚筒推车；19.平台锣机；20.手动封边机；21.单面直线封边机；22.数控钻孔设备；23.排钻。

为了便于生产任务的下达与进度跟踪，岛台式布局也可根据产品结构、生产难度等因素纵向划分为数个不同线体。最基础的划分是按照板件型状分为矩形和曲线型，矩形线体使用电子锯类设备开料，单面直线封边机封边。曲线线体使用 CNC 加工中心开料，手动曲线封边机封边。除此之外，还可设置矩形补料/返工专线，其开料工序采用推台锯，这是因为出现偶发的单张板件加工失误需补料的情况时，电子开料锯的效率明显低于推台锯，电子锯正常生产任务的设备加工文件是MES系统计算的，而补料时需人工进行设置，此时推台锯简单直观的优势便显现了出来。其二是，推台锯可以加工尺寸小于电子锯夹具的板件。

封边工序可以设置平台打锣机用于开侧边槽，员工将所有开侧边槽的板件搜集起来统一加工，这样比开料阶段分别加工效率高，因为电子锯不具备开槽功能，而如果使用 CNC 加工中心在裁板的同时开槽，则需要不断地换刀。同样，基于提高数控五面、六面钻效率的目的，钻孔工序也可以设置数个排钻来加工具有固定孔距的批量板件。

3.3 半自动混合型布局

如图4所示半自动混合型车间布局对于缺乏大量资金建立连续流水线布局车间的企业是一种很好的补充，它以相对较低的成本实现了高速稳定、质量可靠的生产，同时也保持了更大的生产范围。这种布局开料工序同样使用后端进料电子锯和智能立库系统，但采用人工辅助换向，余料由开料工序搜集并交由其他车间进行再利用。每台电子锯都连接一台缓存架以抵消人工操作节奏的不确定性。开料、封边和钻孔工序同样使用传送带、传送滚轴等设备连接，但不设置自动质检设备，而是在钻孔工序结束后，接入人工进行分拣和质检包装。

图4 半自动混合型布局

1.智能仓储系统；2.后端进料电子锯；3.余料收集处；4.标签机； 5.标签扫描设备；6.缓存架；7.封边设备；8.钻孔设备；9.人工检验包装工位。

4 总结

设备的选用与组合是实现工业 4.0 理念的基础，随着定制行业的整合，大型企业的生产实践也会倒逼设备供应商在传统设备上增加更适应时代需求的功能，未来的产线形式也会更加多样。除此之外，相应软件系统的跟进也是工业 4.0时代为企业赋能的关键，讨论了目前被广泛认可的3种典型产线布局，更多样的形式和与软件系统有关的内容则有待进一步的实践研究。

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衣柜哥（简介）：卢建钢，1974年出生于中国湖南。现任衣柜哥•福临福实木定制创始人，中国管理科学研究院互联网新零售领域高级智库专家，在中国板材衣柜定制行业耕耘二十余年，是全国定制行业内为数不多的互联网家居新零售开拓者。