工業機器人在家具行業的應用現狀研究

工業機器人在家具行業的應用現狀研究

李榮榮，徐偉，熊先青，吳智慧

(南京林業大學林業資源高效加工利用協同創新中心，江蘇 南京 210037)

摘要：工業機器人作為一種半自主或全自主工作的先進加工裝備被廣泛應用於工業製造領域，本研究旨在分析總結工業機器人在家具行業的應用現狀及機器人種類，為傢具智能製造整廠規劃與生產線轉型升級提供一定參考。

關鍵詞：工業機器人；傢具；智能製造；應用現狀

機器人被國際機器人聯合會定義為一種半自主或全自主工作的機器，根據其應用場合不同，可劃分為工業機器人、特種機器人及家政服務機器人等[1-2]。其中，工業機器人是指工業製造領域所用的多關節機械手或多自由度的機器人，能夠靠其自身動力驅動裝置和控制模塊來實現各種動作和自動執行相關工作的一種機器設備。近年來，工業機器人在工業領域得到了越來越廣泛的應用，尤其在汽車行業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料行業、食品行業和物流等[3]。

隨著「工業4.0」和「中國製造2025」等戰略的實施，各國製造業的生產手段正由機械化、自動化向智能化、信息化等方向變革，製造模式也由傳統工業化批量生產向小批量、多品種加工轉變，對生產線的柔性化程度提出了新要求。傢具作為一種工業產品，為滿足消費者個性化需求的日益增長，其產品類型由成品傢具不斷向定製傢具轉變，定製傢具的市場份額逐年遞增。定製傢具數字化製造技術，是集先進的製造工藝、智能化軟體和柔性的自動化設備，以及柔性的發展戰略於一體的先進位造技術。美國奇點大學沃德瓦教授撰文稱「人工智慧 機器人 數字製造技術=製造業革命」，工業機器人作為製造業革命中的重要組成部分，對提高製造效率、製造精度與降低人力成本具有積極作用[4-5]。本文旨在分析總結工業機器人的種類、特點以及現階段工業機器人在傢具製造行業的應用現狀，為傢具智能化工廠規劃與布置提供一定參考，提升傢具智能製造水平。

1 工業機器人分類

工業機器人是一種在計算機控制下可編程的自動化加工設備，根據其技術等級、結構坐標系、執行機構運動類型及功能可對機器人進行不同分類。按其技術等級，工業機器人可分為：示教再現機器人、感知機器人及智能機器人。其中，示教再現機器人是一種可重複再現通過示教編程存儲起來的作業程序的機器人；感知機器人具有一定的環境感知能力，在一定程度上能適應環境變化的一類機器人；智能機器人一般指具有感覺要素、運動要素以及思考要素能自動執行工作的機器裝置。

按結構坐標系，工業機器人可分為：直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、極坐標型機器人及關節型機器人。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、迴轉和伸縮動作；極坐標型的臂部能迴轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。機器人坐標系分類如圖1所示。

圖1 機器人坐標系分類

按執行機構運動的控制機能，工業機器人又可分為：點位型機器人和連續軌跡型機器人。點位型機器人只控制執行機構由一點到另一點的準確定位，適用於機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業；連續軌跡型機器人可控制執行機構按給定軌跡運動，適用於連續焊接和塗裝等作業。

按其具體功能，工業機器人還可分為：焊接機器人、打磨機器人、噴塗機器人、裝配機器人、包裝機器人、碼垛機器人、AGV機器人以及產品檢測和測試機器人等[6-7]。

2 家具行業機器人種類及功能分析

機器人起初是應用於高端製造業的一類先進位造設備，隨著製造業信息化、智能化、綠色化技術的不斷發展，以工業機器人等為主體的先進技術與裝備將成為未來世界各國製造業發展的強有力工具。隨著德國「工業4.0」以及「中國製造2025」戰略的實施，各國傢具製造業的製造模式和製造技術都在不斷發展。小批量、多品種的定製化製造方式對傢具製造裝備提出了更高的要求，以數控加工設備和工業機器人為代表的先進位造裝備不斷引入傢具製造的各個環節，對傢具數字化與智能化製造水平提升起到了至關重要的作用。

針對傢具生產的不同工段，總結分析工業機器人在傢具生產中的應用現狀，按其功能，家具行業應用的機器人種類主要有焊接機器人、打磨機器人、噴塗機器人、裝配機器人、搬運機器人、AGV機器人。焊接機器人即從事焊接作業的工業機器人，一般具有三個或更多可編程的軸，用於工業自動化領域。為了適應不同場合的焊接用途，傢具製造業中焊接機器人一般用於金屬以及傢具技術零部件自動化生產線。

木質傢具表面的美觀性在很大程度上取決於打磨質量的好壞，但打磨過程中粉塵污染嚴重，直接危害操作者身體健康，同時粉塵容易發生爆炸等安全事故。隨著機器人技術的不斷成熟，打磨機器人在木傢具製造領域得到廣泛採用。打磨機器人即滿足傢具製造打磨工段的一類工業機器人，能夠根據工件輪廓形狀、表面粗糙度滿足加工工藝要求，實現自動打磨[8]。

塗裝是傢具產品製造的關鍵工序，其作用不僅賦予了傢具產品優良的防護、裝飾性能，也是傢具產品價值的重要組成部分，直接影響著傢具產品的外觀質量、耐候性、耐磨性等指標。傢具塗裝車間環境較為惡劣，塗料中的揮發性有機物、粉塵等嚴重影響工人的身體健康；同時，人工噴塗的不確定因素較多，漆膜性能、噴塗效率、塗料利用率等方面質量難以穩定保持。因此，採用噴塗機器人替代人工噴塗是家具行業噴塗技術發展的必然趨勢[10]。噴塗機器人即可進行自動噴漆或噴塗其他塗料的工業機器人，用於實現傢具表面裝飾過程自動化，有效降低油漆對操作工人健康的影響，同時能夠提高噴塗效率與噴塗精度[11-12]。噴塗機器人的結構主要包括：機器人本體機械結構、驅動結構、計算機及其相應的控制系統等。其一般採用5～6個自由度的關節式機械結構，運動空間較大且靈活，可用於複雜結構工件表面的塗裝，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。

裝配是傢具產品製造的後續環節，其人力、物力、財力消耗在產品製造全過程中佔有較大比例，因此，傢具裝配機器人應運而生[13-15]。傢具裝配機器人即傢具製造過程中用於對零件或部件進行裝配的一類工業機器人，如椅類裝配、木門框架材料裝配等，能有效提高裝配自動化程度與裝配精度。目前家具行業一般採用的為直角坐標型裝配機器人，其結構簡單、操作簡便，通常被用於零部件的移送、簡單的插入、打釘、塗膠等作業。在機械結構方面，可裝備伺服電機和自動編程，具有調整速度快、定位精度高等優點，可適應不同尺寸規格產品的裝配，提高裝配生產線的柔性。

搬運機器人即應用機器人運動軌跡實現代替人工搬運的自動化產品，可用於家具各工段的上下料、各工序銜接及零部件分揀等，實現零部件轉運自動化。AGV機器人即「自動導引運輸車」，是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規定的導引路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車，可用於家具製造過程和廠內物流輸送，能夠提高物流輸送效率。傢具機器人種類及其應用場景如圖2所示。

圖2 傢具機器人種類及其應用場景

3 結束語

隨著「工業4.0」和「中國製造2025」戰略的不斷實施，傢具智能製造水平逐年提升，機器人在傢具智能製造中的應用領域也不斷擴展。目前，傢具機器人的應用還存在一定問題，機器人的工作效率及工序有待優化，機器人與木材加工其他設備銜接與交互效率有待進一步提高。新型結構的傢具製造機器人及其操作系統和控制系統、視覺反饋等關鍵技術的不斷發展，將進一步提高傢具機器人的應用效率並擴展其應用領域，逐步實現傢具製造行業的「機器換人」，突破「機器換人」過程中複雜工作實施的技術瓶頸。傢具製造由於和金屬材料加工工藝的不同，做好各製造工藝銜接以及生產節拍的合理控制，對於提高傢具機器人的使用效率至關重要。定製傢具製造，存在批量小、品種多等特點，必須通過集成傢具機器人，提高生產製造系統的柔性，才能不斷滿足新型製造模式的需求。

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