衣柜自动生产线 工业4.0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。

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