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      海綿吸盤用于板式定制家具智能分揀系統

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-22 09:25:28    瀏覽次數:10    評論:0
      導讀

      由于板式定制家具滿足了功能性、可設計性和個性化等要求,其市場受歡迎度愈來愈高。在定制家具的生產過程中,能夠運用先進的管理信息化技術、計算機技術和智能制造技術,降低生產成本,提高生產率,成為傳統家具制造業轉型的新機遇[1-3]。在面對良好發展前景的同時,定制家具的生產也面臨一些難題,為了提高板材利用率,家

      由于板式定制家具滿足了功能性、可設計性和個性化等要求,其市場受歡迎度愈來愈高。在定制家具的生產過程中,能夠運用先進的管理信息化技術、計算機技術和智能制造技術,降低生產成本,提高生產率,成為傳統家具制造業轉型的新機遇[1-3]。在面對良好發展前景的同時,定制家具的生產也面臨一些難題,為了提高板材利用率,家具企業將多個訂單統一下料進行揉單生產,這種生產方式利用標準化技術,既減少了產品內部多樣性,又保證了產品外部多樣性,但也產生了工作量很大的分揀過程[4-6]。目前我國家具企業主要采用人工分揀方式,面對數量大、種類多的板件,分揀效率較低、分揀錯誤率和勞動成本較高。而智能分揀系統的應用可以解決這個難題,所以了解智能分揀的關鍵技術和應用就變得十分有意義[7-8]。

      1 板式定制家具分揀現狀

      1.1 生產特點

      板式定制家具的生產工藝大致包括開料、封邊、加工中心這幾個部分,在標準化和信息化的支持下,提供個性化產品和服務[9-10]。板式定制家具品種多、批量小、工藝路線較多且復雜[11],這種生產特點決定了定制家具分揀過程的復雜性。

      由于定制家具尺寸和樣式不盡相同,若采用單件下料,即一單一生產,雖然實現了個性化定制,但是會導致板材利用率不高、生產周期長的局面。為打破這個局面,一些家具企業把相同顏色、相同材質的多個訂單混合在一起生產,即為揉單生產。由于多個訂單的板件混合在一起生產,在檢驗包裝之前產生大量的分揀工作。由于我國智能分揀不論在理論依據上,還是生產實踐上都不夠成熟,因此企業不得不投入很大的人力和時間去完成多個訂單的分揀。

      1.2 分揀模式

      目前,我國定制家具行業主要采用人工分揀模式,以比較有代表性的定制衣柜企業為例,通過實地調研,分析得出目前板式定制家具的分揀現狀,如圖1所示。根據開料任務單進行板件開料之后,按分堆號分放不同訂單的板件,分堆是對后續工藝路線的歸納,及相近工藝流轉到不同的基臺。為了防止加工過程中板材的混亂,每塊板材都會貼一個二維碼標簽,每經過一道工序都會進行二維碼掃描,錄入系統中,并通過MES系統可以隨時查詢到訂單的生產進度。

      圖1 板式定制家具分揀模式
      Fig.1 Panel customized furniture sorting mode

      對于封邊,分堆考慮到了不同封邊工藝的需求,包括:封厚邊、薄邊,直邊等。對于鉆孔,分堆考慮到不同鉆孔工藝的需求,包括:安裝孔、鉸鏈孔等[12-13]。鉆孔完成后,板件按照齊套號分放。相同齊套號的板件即是同一個訂單,分揀人員根據齊套號完成分揀后,板件按照訂單分放。供檢驗人員根據各個訂單的圖紙和板件信息對尺寸、孔位、部件是否完整作出檢驗。最后按照訂單的順序將板件進行包裝。

      目標企業分揀前面的工序雖然減少了很多分揀工作,只需要按照分堆號運輸到不同的設備上進行加工。但是分揀工序幾乎全部依賴人工完成,人工分揀過程中,依然存在不少問題:

      1)同一訂單的大小板和其他異形板件加工時間不一,存在等待現象,甚至某些板件生產過程中會因加工質量問題而重新生產,等待時間長達半天甚至幾天不等,影響分揀效率及場地的占用。

      2)由于包裝跟不上分揀的節奏,場地被很多等待包裝的訂單占用。場地空間不夠,分揀人員需要花費時間移動板件空出場地,或者有意識放慢分揀速度,從而影響了分揀效率。

      3)板件加工過程因為個別板件質量出現問題需重新生產,會和顏色、材質相同的其他批次訂單一起開料,但封邊或者打孔人員不會把這個重新生產的板件挑選出來,容易出現分揀錯誤。

      4)不同批次的訂單分堆混亂擺放,導致訂單分揀時出現分堆多且分散的情況,需要分揀人員花大量的時間尋找和搬運。

      5)小板件分揀時需要長時間彎腰,大板件需要人力搬運分揀,在分揀工作機械單一和勞動強度大的情況下,分揀人員容易出現大的分揀錯誤。影響分揀效率,增加分揀工作量。

      為了簡化分揀過程,避免人工分揀導致較高分揀錯誤率、耗費時間成本和勞動力成本,提出自動分揀來代替人工分揀。而揉單數量和訂單平方對分揀效率有很大的影響,明確揉單生產與智能分揀系統之間的關系是智能分揀技術的一個關鍵點。

      2 揉單生產與智能分揀系統的關系

      2.1 揉單生產優勢

      對于家具企業,訂單量越多,單件下料造成的成本浪費也越多。在此情況下,采用揉單生產來代替訂單式生產,可以提高板材出材率和加工效率,且揉單單數越多,優勢越明顯[14]。揉單生產具體優勢體現在以下幾個方面:

      1)提高板材利用率。 揉單生產將多個訂單統一排版下料,在開料優化軟件的支持下能夠最大限度地發揮板材的利用率,作為家具生產制造的第一道工藝,決定了后續工藝的加工質量。與單件下料相比較,揉單開料后的余料能夠優先選用生產這批訂單的輔助部件,或者用來制作厚壓板,避免直接用原材料進行厚壓,大大減少了余料的浪費[15]。

      2)提高設備利用率。 一單一生產的模式根據不同加工要求將板件運輸到不同設備上生產,不僅需要大量人工搬運,還產生設備等待的浪費。揉單生產能夠充分考慮到各工藝路線和設備的生產能力,結合訂單交期、揉單數量和訂單平方,制定生產計劃。各個設備可以連續工作,減少了等待時間,有效提高了設備利用率。

      3)提高生產效率。 在開料工序,工人根據混合訂單的開料任務單統一領料、開料,不必分多次領料,或者多次調取系統數據,大大減少了開料工人的工作量。揉單生產的一批訂單里尺寸相同的部件,可以進行疊開,開料效率大大提高。與此同時,相同分堆號的板件在封邊工序和打孔工序流轉的生產設備和加工工藝是相同的,因此封邊帶不需要多次更換,打孔文件不需要多次調取,工人搬運的次數減少,揉單生產使得生產率大大提高。

      2.2 智能分揀系統的必要性

      雖然揉單生產提高了板材利用率、設備利用率和生產率,但同時造成了分揀壓力的增大。由于多個訂單統一排版開料,開料之后按照工藝路線的不同把板件進行分堆,后續的工藝按照分堆號進行流轉和加工,會出現各個工序加工時間不等,存在等待現象。采用智能分揀系統可以避免人工分揀導致的較低分揀效率和較高分揀錯誤率[16]。因此,智能分揀系統對于板式定制家具的揉單生產有很大意義。

      3 智能分揀系統關鍵技術

      板式定制家具智能分揀系統的關鍵技術主要包括硬件技術和軟件技術,通過軟硬件技術的有效結合,共同完成板件的自動傳送、自動檢測、板件分揀和自動分放,提高家具企業的制造能力和管理水平[17-19]。如圖2所示,硬件技術主要包括信息采集技術、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)和智能機械設備。由信息采集技術獲取待分揀板件的各種信息并上傳到PLC控制器,PLC通過控制程序發出控制指令,最后由智能設備接收指令完成指定的運輸和分揀動作[20-21]。軟件技術包括PLC編程和機器人編程,指導智能設備完成相關的分揀工作。

      3.1 硬件技術

      1)信息采集技術[22]。目前板式定制家具企業主要采用的信息采集技術為條形碼識別技術。在實際生產中,開料后的每塊板件貼有一個條形碼標簽,條形碼標簽承載著板件所有工藝信息和訂單信息,由激光掃描器讀取條形碼的標簽信息,并將信息輸入到控制系統中。但是條形碼識別系統也存在一些缺點:如人工黏貼條形碼,位置具有隨機性,無法保證掃描器的高效準確讀取。此外,條形碼識別技術讀取距離短,不可重復使用。

      圖2 智能分揀系統關鍵技術
      Fig.2 Key technologies of intelligent sorting system

      目前最先進的自動識別方式是射頻識別技術(Radio frequency identification ,簡稱 RFID),它利用無線電波進行通訊,是一種非接觸形式的自動識別技術。RFID電子標簽不僅可以實現遠距離識別,還可以實現高速運動情況下自動識別,且同時識別多個附有電子標簽的板件。RFID技術還有諸多優勢:讀取速度快、出錯率低、可重復利用。但是RFID電子標簽價格比較高,且不是同一廠家的電子標簽和閱讀器無法相互識別,系統比較封閉。

      2)可編程邏輯控制器。智能分揀系統控制模塊不僅要控制分揀機械準確地完成分揀動作,還要識別和處理一系列分揀信息??删幊踢壿嬁刂破髯鳛榭刂萍夹g的核心,通過數字信號的輸入和輸出,作出信息處理形成對機械設備和生產過程的控制指令,并啟動運動控制器控制各類機械完成分揀執行工作。PLC控制器通過軟件控制,程序簡單易行,易于擴展,具有功能強大、可靠性高、性價比高等優勢。

      3)智能機械設備。智能機械設備是智能分揀系統的執行部分,主要負責接收控制指令并執行分揀工作。智能設備主要包括輥臺輸送機、分揀機器人、存儲架等。

      (1)輥臺輸送機

      輥臺輸送機是分揀系統中最常見的設備,由電機驅動滾筒完成板件的輸送。輥臺輸送機適合于輸送底部較平的物品,且機構之間銜接方便,可廣泛用于板式定制家具的自動分揀系統中。為了利于板件的輸送,還可通過滾筒表面套有橡膠,來增大摩擦力。輥臺輸送機結構簡單、可靠性高、使用和維護都較為方便。

      (2)分揀機器人

      分揀機器人是智能分揀系統中最核心的自動化加工設備,其由計算機控制可進行編程[23],主要負責準確抓取分揀線上的板件并放至系統指定的貨架位置。分揀機器人在機器人軟件技術的控制下,使得機械手上下左右不同方向運動和抓取,目前常見的夾取方式包括真空吸附或真空吸盤式、內撐式、外夾式等[24]。


      (3)存儲架

      板件按照工藝路線的不同在車間內流轉,由于加工時間不一,到了分揀區域會出現等待現象。存儲架就用于臨時存儲分揀機器人分揀的板件,并按照訂單的不同分放在分揀架不同的倉位。當某一個訂單全部到齊后,由系統軟件獲取自動包裝數據,按照板件的先后順序自動發出板件,繼續完成后續的檢驗包裝。

      3.2 軟件技術

      智能分揀系統的軟件技術主要包括PLC和機器人兩部分。在操作系統的選擇上,Linux與 Windows 相比較,Linux具有對硬件更高的兼容性、強大的穩定性和開源等優勢,因此, Linux操作系統是PLC和機器人手臂軟件運行的首選。

      1)PLC編程[25]。PLC編程采用的軟件主要接收和處理信息采集技術上傳的數據和信息,并發出控制指令,實現對傳送帶運轉和板件推送的控制,及PLC與分揀機器人的通訊信號交流。工業上PLC的軟件設計主要有梯形圖編程和SFC塊兩種方式。常用的是三菱PLC,采用GX Developer軟件進行編程設計,內容主要包括:系統啟動、接收數據并轉換成控制命令、PLC的急停和恢復等。編程設計好后,進行編譯并下載到PLC中,對軟件調試運行。

      2)機器人編程。機器人采用的軟件技術可以實現機器人與PLC之間的信息和指令收發,完成對板件的分揀入庫工作。機器人編程常用RT ToolBox2軟件進行設計,需要考慮的內容主要包括:提供機器啟動和停機命令、分揀動作的執行命令、提供機器關鍵狀態的上報等。

      3.3 智能分揀系統的管控過程

      智能分揀系統的管控過程如圖3所示:在管控過程中,PLC接收掃描器或者閱讀器讀取到的板件信息,及系統內的原始板件信息。同時,板件輸送過程中會經過一系列的傳感器,傳感器會檢測到板件的一些屬性,這些屬性信號也會上傳給PLC。PLC統一處理這些信息并轉換為控制指令,由機器人利用軟件技術接收控制指令完成板件的抓取和分放工作。當倉位中某一客戶訂單全部齊套時,在系統軟件的控制下,調取自動包裝的數據,根據不同訂單之間及同一訂單內板件的組合關系發出板件,從而實現訂單的分揀工作。分揀后的板件在包裝工序進行檢驗包裝。

      圖3 智能分揀系統管控過程
      Fig.3 Intelligent sorting system management process

      4 智能分揀系統的應用

      我國智能分揀技術的應用始于1960年代,最先在郵政系統中得到使用。經過數十年發展,我國不斷學習和引進發達國家的先進技術和自動化設備,自動分揀系統和技術逐漸趨于成熟,并且普及到了其他行業。比如圖書出版發行業、煙草制造業等。這些行業都有一些相同的地方:即產品種類較多,涉及的大都是隨機性、高頻次的配送業務,且對準確性、及時性要求高。

      總結以上行業智能分揀系統的應用經驗,并結合家具行業內智能分揀項目的實施經驗,可知信息化生產對于各行各業發展的重要性,是未來企業的發展趨勢[26]。所調研目標企業智能分揀系統的應用方案主要由分揀庫存管理軟件、二維碼識別系統、六軸機器人、存儲架、頂升移栽機構、升降機構等部分組成。該項目的難點是考慮分揀機器人的工作節拍是否與前面生產工序的生產速度相匹配,及分揀緩存區的規劃設計、板件的區分問題。

      智能分揀系統的應用可以為目標企業帶來較好的經濟效益和社會效益。首先打破了企業車間分揀工序完全依賴人工模式的瓶頸,分揀工序的勞動力消耗大大減少,由8人優化到2人參與分揀工作。其次,大大提高分揀效率。原有的人工分揀模式由人工掃碼、搬運和大小板分放,在左右手配合執行分揀工作的情況下,兩塊板的分揀時間需要45 s。而智能分揀系統的應用,分揀機器人每18 s可實現一進一出分揀作業,大幅度提高分揀效率。

      5 結語

      隨著板式定制家具的蓬勃發展,人工分揀必將被智能分揀系統所代替。智能分揀系統可以降低人工分揀導致的較高分揀錯誤率、耗費的時間成本和勞動力成本。通過詳細介紹智能分揀系統的關鍵技術及其應用,希望為板式定制家具行業提供一些參考依據。由于定制家具行業生產的特殊性,關于智能分揀技術、系統的組成和規劃設計還有待進一步研究。

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      關鍵詞: 板式家具 海綿吸盤
      (文/小編)
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