機器人在木工行業智能化加工的研究及應用!
我國木工機械市場從無到有,從小到大,從弱到 強,逐漸形成一個完整的行業體系。從原始的手工業到 如今先進的數控技術,見證了我國經濟的快速發展以及 人民生活水平的不斷提高。
國外的先進技術和設備不斷涌入,對國內木工機 械而言,挑戰與機會并存。木工機械的自動化、柔性 化、智能化和集成化需求使加工設備的品種不斷增加, 技術水平不斷提高。受小批量、多品種訂單限制,國內木工行業依靠人工作業方式仍然占據著主流位置。密集型消耗、惡劣作業環境非常突出,行業中亟待解決的問題使得關注、探討和研究一套智能木工機械顯得非常有 必要。
01
行業現狀與發展趨勢
01-1 木工機械市場現狀
目前,全球木工機械市場正在向新興工業國家轉 移,中國木工機械市場已經具有相當規模,并且形成了 一個完整的行業體系。隨著科學技術的進步,我國木工 機械在科研、教育、設計和生產方面都有提高,已形成 了一批有規模的企業,培養大批工程科技人員。中國木 工機械行業在2012年產值超過了德國,成為全球第一 大木工機械制造國,中國出口的木工機械產品已在中低 端市場上占據主導地位。而國內市場,中低端產品基本 能自給滿足,高端產品則仍依靠國外進口。
01-2 木工機械的現狀與趨勢
現如今,木工機械已經形成完整的產品體系和產 業鏈,木工機械呈現以下幾個趨勢。
(1)分工更加明細
木工機械生產正由大而全向專業化發展,類似專 做帶鋸機、砂光機等專業設備木工機械分工更加明確, 使得家具生產的各個環節更加專業化、深入化。
(2)整體方案輸出
如今單一的設備輸出已無法滿足企業的生產需 要,木工機械行業正在從設計單一產品逐步走向設計生 產線、新型木工機械的開發及家具生產的智能化與生產 無人化規劃。
(3)定制化、柔性化
定制家具的工業化生產已經使家具工業發生了翻 天覆地的變化,木工機械需要更加靈活與柔性,以適應 家具定制化生產的需要。
(4)智能化
生產過程的工件不落地,數據的動態傳輸,自動 識別,自動調用加工,自動分揀、自動包裝入庫等將是 智能制造木工機械發展的必然趨勢。
02
機器人加工研究及解決方案
02-1 機器人木工加工系統探討
應對個性定制化的小批量訂單需求,降低設備投 入、人工投入、資金投入、降低生產周期及提高生產質 量等是企業一直追求的,因此木工行業對木工機械智能 化需求非常迫切。隨著我國改革開放對國外先進技術和 設備的合作引進以及國內技術在木工機械方面的不斷探 索與自主創新,我國的木工機械水平與國際間的差距逐 漸縮小。
但是當前我國木工機械整體行業布局不合理, 產品過分集中的產業結構、勞動密集型、技術型產品滯 后等特點非常明顯,產業能源均消耗較大,且行業技術 創新能力比較薄弱。
02-1 機器人木工加工研究及其解決方案
本項目是依靠離線編程技術,由機器人匹配自動換刀主軸執行木工制品的工藝雕銑,匹配自動上下料機 器人系統,完成木工雕銑單元加工件的自動上下料,實現多種木工產品的自動鋸、雕、鉆、車、銑等加工,構 成高效率、高質量、高可靠性的智能化機器人雕銑生產單元。
▲總工作站布局圖
項目設計上下料變位機裝置、可預約程序總控系 統、機器人自動上下料系統、大負載GSK-RB165機器人、專用離線編程、高速大功率木工電主軸、多刀具 庫換刀系統和柔性工裝夾具實現不同工藝要求的自動 換刀加工,可根據需要設置多套工件定位夾具,變位 機伺服控制精確定位和按需切換工裝夾具,以此實現 工件的提前預裝、快速切換和自動雕銑任務。各功能 單元介紹如下:
(1)上下料平臺一
變位機由底座、主動模塊、從動模塊、夾具安裝 支架組成,主動模塊有大功率電機連接減速器作為輸 出。可根據需要設計常規圓棒、平板類夾具,滿足多款 工件的兼容。
圓棒類夾具可由調節端氣動卡盤、定位端基準板 等組成,可調整加工端伸出長度。定位氣動卡盤模塊 有端部定位板用于上料時工件的定位,保證加工基準 統一。
板料夾具由多組氣動夾部分組成,可以整體移 動,便于適應尺寸大小不同板料的位置調準。對應的氣 動夾可自動松合,避開機器人主軸刀具運動軌跡。
(2)上下料平臺二
變位機由底架、主動模塊、從動模塊、頂升軸、氣動卡盤、獨立行走絲桿軸、夾持氣缸等組成。主動模 塊以大功率電機連接減速箱作為輸出,夾具安裝板設置 可調節夾具安裝位置T型槽,氣動卡盤爪設置上料定位 臺階,保證加工基準統一。
(3)上下料抓手
機器人上下料抓手設計為雙工位手抓,滿足毛坯 件和成品件的快速取放。手指根據工件種類、重量、外 形、尺寸等分類設計可調,滿足多類型工件的毛坯、成 品零件的柔性抓取。
(4)毛坯料倉
根據木工毛坯來料特點,結合低成本要求,由傾 斜支架、靠邊檔桿等組成傾斜排列式料倉。支架設計成 傾斜式,可調節傾斜度。人工上料時將工件一一貼緊,工件自重向下緊靠邊定位。
(5)成品料倉
可設計簡易滑板配套簡易支桿料架,滿足不同成 品收件的兼容。
▲總工作站工藝流程
加工過程中故障,比如氣壓不足、庫換刀問題、 工件不到位、料庫無料、頂料過載等等加工過程中問 題,系統會及時暫停和顯示報警,緊急情況時可通過人 工急停參與干預。通過離線程序導入、多刀庫預置和柔性機構設 計,機器人雕銑程序、上料平臺、料倉、手抓等更換時 間大大縮短。整個機器人雕銑系統實現了多款圓棒、方 棒、板件木制品的無人自動加工,滿足常規生產效率與 表面加工質量。
▲應用現場圖實拍
03
結 論
家具的定制浪潮還在繼續,人們的個性化需求需 要更加靈活的生產方案來滿足,單一設備的發展不足以 滿足現狀,整體化的生產方案更具優勢。在市場的推動 下,只有擁有符合大眾需求的產品,才能擁有廣闊的市 場,以市場需求激發科研人員創造出“第一質量”的產 品,才能在木材機械行業當中走的更遠。
本文梳理了當前木工行業現狀,對木工機械發展 趨勢、需求進行了總結,研發了一款機器人智能木工加 工系統設備,實現了木工制品多工藝機器人一體化加工 任務,解決了小批量、多品種,特別是定制化木工制品 高效、穩定的無人自動化生產要求。替換了木工行業多 工序、多專用加工設備、多人工的作業場景,大大縮短 了新木工制品的研發、生產周期,提高了生產質量和效 率,供行業參考。
