木工机械的自动化时代

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本文作者：马岩 单位：东北林业大学林业与木工机械工程技术中心

木工机械种类的定义

我国在计划经济时代，由林业部掌控木材工业，林业部以林业为主，一直把木材加工机械作为林业机械的一部分，这个划分是不科学的，也不符合国际惯例。我国在木材加工机械中，又分出木工机械和人造板机械，而木工机械再划分为实木家具机械、板式家具机械、制材机械、干燥机械等，这也不是十分科学，特别是实木家具机械和板式家具机械的定义比较模糊。笔者曾按我国行业对应划分法将木工及人造板机械、家具机械、林业机械并列划分，将木工机械行业与相对下游产业相对应，但这种划分方法是纯学术的，实际应用较难。所以我国木工机械种类划分一直比较混乱。按照木工机床编号标准进行分类应该是最符合中国国情的分类方法，该标准把木工机械的种类分为锯、刨铣、钻、车、砂磨等几类。作为标准，它具有权威性。但这种划分太粗，致使国内许多新产品难寻编号和分类，有些新机器连种类都没有，而行业内部划分更粗，大部分是空白表格，让企业无从入手，从而导致国内木工机械编号五花八门，多数企业生产的木工机床编号不规范，而板式家具机械却另有新的编号标准，使企业更加无所适从。

德国木工机械的分类方法

德国木工机械的分类方法是全世界通用的，其整个体系都与我国不同，一旦采用，我国整个分类体系就会混乱，但从我国木工机械走向世界的长远目标来看，我国向德国标准看齐是大势所趋。德国木工机械的分类是按木材加工的工艺划分，把木工机械分成 20 大类，分别是：林业机械，制材与备料加工（半成品生产）机械，木工与人造板机械，表面抛光机械及砂光设备，组装、包装用机械，物料输送、仓库管理及调试装备，机器人技术与装备，木工专用加工机械，特殊木制品专用机械，木工机械辅助装备、夹具及专用器具，木材及塑料加工用手提机械，木工刀具及刀具辅助用具，刀具维护及制造专用机械，木工机械专用配套产品，废材（锯屑、木片、薪炭材、树皮）利用设备，生物质能源生产设备及生物质燃料加工专用设备，木材加工的节能、环保、职业安全、防火及空调专用设备，木工机械数显及数控专用设备，木工计测、试验及控制系统装备，木制品整厂设计、经济分析及木工机械租赁技术，木工机械专用计算机软件（计算机辅助设计、ERP、生产计划及控制等），木工机械的销售与售后服务技术与装备。德国木工机械分类标准中包括了我国定义的木工机械、林业机械、人造板机械、家具机械等，囊括了全行业所有技术，而我国标准定义的木工机械仅占德国标准中的几类。我国木工机械的分类标准仅仅把木工机械限制在传统的锯刨钻砂等几大类，标准编号的余地也有限，这给我们探讨木工机械数控化率带来了很大的麻烦。虽然我国的分类体系有许多弊病，但为了讨论方便，本文仍然以中国的木工机械编号体系为基础与德国相应的设备进行比较，以确定我国木工机械数控化的比率。

我国数控木工机械数控化率的估算

根据我国木工机械编号标准，现阶段，我国将有234 种木工机床可以开发成为数控木工机床，在这 234种数控木工机床中，有 99 种已经开发成为产品或者有图2 具有自主知识产权的南兴裁板锯能力开发成为产品。这样，我国木工机械数控化率已达到42%。由于笔者掌握的资料有限，实际数控化率要高于这个数据。

我国数控木工机械的发展现状

我国数控木工机械在最近 5 年有了飞速的发展，其中具有代表性的数控技术体现在以下几个方面。1我国木工机械软件的发展现状我国木工机械的数控软件产业是发展最慢的产业，木工机械的主体软件技术基本被德国、意大利和我国台湾所掌握。绝大多数木工机械生产厂家都在买这些软件生产数控木工机械，我国木工机械生产厂家所用的软件绝大多数没有自主知识产权，也没有掌控源代码，因此在数控木工机械升级换代时必须依赖软件源代码所有的发达国家和地区。据笔者所知，我国中低档数控镂铣机的数控软件已经完全国产化，北京铭龙木工机械有限公司控股的文泰科技发展有限公司（以下简称北京文泰）每年销售二维半数控镂铣机软件近万套（实际需求数量还要多一些）。国内近 50 多家企业生产中低档数控镂铣机，年产千台以上的专业厂家超过 10 家，文泰正版数控软件的价格还不到1000 元人民币。2011年，南兴家具制造装备有限公司推出了数控往复式裁板锯的数控软件，该软件具有实时仿真、裁板优化、上下位机控制、自学习和帮助系统、人机对话界面、全中文系统、后台修改与修复系统、手控和数控灵活系统、自动生成和记录数据文件、自动形成和输出条码、下料方案无限量存储等功能。该软件具有自主知识产权并申请了软件著作权，在整体水平上超过欧洲主力裁板锯的数控软件水平。国内其他数控软件的技术水平和规模都没有引起行业的注视，有些属于克隆国外企业的软件，没有自主知识产权。个别企业购买我国台湾的数控软件，然后委托软件厂家在界面写上自己公司的名字，由于公司没有源代码，这样的数控软件不能算自主开发。2我国木工机械的硬件发展现状我国木工机械的硬件根本没有形成体系，中低档数控镂铣机的硬件基本被北京文泰所垄断。北京文泰在出售软件的同时，配套销售步进电机、控制器、液晶屏幕、手动控制器、行程开关等数控镂铣机需要的全套硬件。他们以步进电机为主，故对使用伺服电机的数控镂铣机配套不完善，在高档数控镂铣机的硬件供应上也有一定的差异。我国大陆的高档数控镂铣机数控软件基本都被台湾所控制，台湾恩德的软件和硬件，甚至数控镂铣机的设计均对大陆有很深的影响。台湾的硬件往往是与数控软件配套销售，而且大陆的台资企业也在控制着大陆的高档数控镂铣机市场。台湾的高档数控木工机械软硬件的配套销售在大陆已形成垄断局面。意大利的木工机械数控软件在我国大陆虽然也有一定的市场，但远不如台湾。德国的软硬件太贵，我国大陆应用的极少。我国大陆主要的数控软件生产公司一直希望进军木工机械行业，其与我们行业的龙头企业合作了 5年，希望打进木工机械市场。但木工机械与金属加工机床的差异使他们举步维艰，尝试几年后便退出了木工机械行业，我们的龙头企业也很无奈，只好转选台湾的数控软件。3 数控带锯机技术的发展现状我国数控带锯机的研发是最早的，早在 20 世纪 80年代，我国首台数控带锯机即研制成功。90 年代，信阳木工机械厂和沈阳带锯机厂就开始销售数控带锯机。但那个年代的数控技术与现在的数控技术不能相比，数控硬件还处于分立元件的原始数控硬件阶段，数控性能极不稳定，很难推广。改革开放以后，我国制材工业发生了根本转变，大型带锯机逐步淡出了市场，数控带锯机也销声匿迹。但最近几年数控曲线带锯机却悄然进入我们视野，数控曲线带锯机属于细木工带锯机系列，在家具工业有广泛的需求，国内已经有几家生产数控曲线带锯机的厂家，市场也相对稳定。跑车带锯机的数控化研发工作已经开始，国内有几家企业都与高校合作研制数控跑车带锯机，但由于开发费用太高，至今没有实质性进展。4 数控截段锯切设备的发展现状数控截段锯切设备分为纵向截段锯和横向裁分锯，德国的威力公司在这项技术上已经处于垄断地位。数控纵向优化截段锯的发展动力主要是集成材生产必须使用这种设备，国内的主要生产企业是江佳木工机械有限公司，他们生产的数控纵截锯已基本成型，且在国内市场已形成规模，但其技术水平与威力公司的截段锯还有相当大的差距，主要是国内没有数控计算机自动识别缺陷的设备，截段的速率与进料的速度相差较大。数控优化裁分锯的整体数控系统是由德国威力公司在 2011 年才全部配套完成的，国内江佳和青城都已经开始研究这项技术，但均处于试制阶段，还没有形成批量产品。国际上已有数控优化裁分锯向数控往复式裁板锯过渡的趋势。数控往复式裁板锯的精度要远远高于多锯片圆锯机，在数控的基础上，数控优化往复式裁板锯的生产效率较高，这个发展趋势是国际上数控锯切的新动向，国内还没有开发。5 数控刨切机床的发展现状刨床是应用最广泛的木工机械设备，但我国数控刨床的技术水平较低，基本停留在低档次阶段。青城和富豪的四面刨床均处于这个档次，青城的双面刨床也处于这个技术水平。而国外的四面刨床已经具备了加工中心的功能，可以刨切出花纹。所以我国数控刨床的研发工作任重而道远。6数控车床的发展现状数控车床在我国还处于研究阶段，笔者所在的工程中心5年前就已完成了对数控车床的研究。但我国真正的数控车床产品还没有走向市场，只在低档数控雕刻机上把车床夹盘和尾座附加在其台面上，形成铣车复合机床的模式。在多头雕刻机上利用车床夹盘和尾座同时加工多件产品的铣车加工模式也是数控车床的雏形。由于这两种加工形式都没有旋转车削模式，所以都不能将其定义为数控车床。7 数控砂光机的发展现状我国是世界上最大的砂光机生产国，并且已经垄断了中低端砂光机的国际市场。我国砂光机已经实现了低档次的数控化，而且在这个档次上的数控技术已经开始普及，其中千川的琴键式数控砂光机在国际上已经具有了一定的竞争力。我国数控砂光机的档次亟待提高，让数控砂光机软件具备实时仿真、厚度调整优化、上下位机控制、自学习和帮助系统、人机对话界面、全中文系统、后台修改与修复系统、手控和数控灵活转换、自动生成数据文件、自动形成条码、下料方案无限量存储等功能并不难，开发具有自主知识产权的数控软件对砂光机生产具有划时代意义。

我国木工机械自动化技术的研发意义与步骤

木工机械的自动化是行业亟待开发的先进技术，自动化是木工机械开发的永恒主题，是数控技术的延续和终结目标。1 木工机械自动化技术的内涵自动化的概念非常广，特别是自动化本身所包含的现代木工机械的制造技术。综合起来，木工机械的自动化技术应包括自动上下料技术、自动分料技术、板材自动转向技术、板材自动翻转技术、板材自动回料技术、程序化自动进给技术、在线自动磨刀技术、刀具自动补偿第 1 期马 岩：我国数控木工机械的发展现状及自动化技术的研发方向 7技术、产品质量在线自动检测技术、原料上料前尺寸自动检测技术、自动除尘清洗技术、工况异常自动报警和过载安全停车技术、工序自动转换排序技术、加工过程原料自动编码技术、工件随动自动调控技术、工件自动定位技术、工件自动夹紧技术、产品自动包装技术、产品自动打包技术、自动化仓库成套技术、工时自动化核定技术、自动化装配技术、装配过程的自动化检测技术、产品指标自动化检测技术、自动化生产线连线技术等。2木工机械自动化的开发意义随着企业工人工资日趋上涨，企业提高劳动生产率的唯一出路就是提高设备的自动化程度。提高企业效益的方法之一是减少工人的数量，而且这个趋势会持续很长时间。因此，开发数控自动化木工机械具有重大的现实意义。自动化是一个国家工业化水平的集中体现，我国家具工业、木制品加工工业、人造板工业的自动化依赖于木工机械行业。除进口人造板生产线以外，其他木工产业基本处于传统的通用设备单件小批量生产模式阶段，根本谈不上自动化加工。我国木材工业生产的自动化将大幅度提高木材工业在国际上的地位和国际竞争力，具有重大的战略意义。3 木工机械自动化的开发步骤木工机械的发展完全遵循下游企业工业化的发展规律，在我国木材工业刚刚起步阶段，各种手动和低廉的木工机械充斥市场。这种档次的木工机械曾经造就了木工机械的航空母舰，直至最近 3 年，生产低档木工机械的企业一直是行业的龙头。近 10 年来，木材工业手工作坊的时代已经过去，低档木工机械市场逐年萎缩。在木材工业处于单件小批量作坊式生产的年代根本谈不上数控化和自动化。近10 年来，我国木材工业有了飞速发展，多数木材加工企业开始进入批量生产阶段，对设备的需求出现了根本性的变化。我国家具工业的高端企业一直采购德国和意大利的数控木工机械，只有中低档企业才采购国产设备。但近年来这些高端企业都开始采购国内的名牌产品，如数控设备及流水线生产的必备设备。现阶段，我们木工机械生产企业开发的产品应该是数控、可以配套流水线的先进木工机械。现在的上料-封边-钻孔生产线即是这个阶段的典型自动化生产线的代表。木材工业流水线需求的木工机械是过渡阶段使用的设备，而且这个阶段不会太长。我国木材加工工业将会出现跨越式的发展，木工机械的专业化生产将促使木工机械逐步向专业化生产线的阶段发展。木工机械通用设备构成的流水线将会被专用设备构成的流水线所替代。为此木工机械行业将很快开始这个阶段的设计开发，并将推出各种门、窗、地板等专业化生产线。这种生产线将是木工机械自动化的真正定型产品，木工机械生产企业也将与人造板生产企业一样转变成为生产线的生产企业。国外制材、门、地板等生产线已经实现了这个水平的自动化。自动化的最高阶段是柔性自动化生产线，在流水线成组技术的基础上，以多台（种）数控木工机床或数组木工机床柔性制造单元为核心，通过自动化物流系统将其连接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理，组成木制品多品种、变批量和混流方式生产的自动化制造系统。木制品的柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，其为可以适应加工对象变换的木工机械自动化机械制造系统（Wooding FlexibleManufacturing System，英文缩写为WFMS）。伊玛的柜门生产线就属于这个档次的自动化生产线。我国定制家具的飞速发展将推动柔性自动化生产线技术的发展。

我国木工机械自动化的研发方向

我国木工机械的自动化任重而道远，但我国已经具备实现木工机械自动化的基础，具备了迫切需要木工机械自动化的市场，因此，只要把握好我国木工机械的自动化研发方向，我国木工机械的自动化一定可以很快实现。1迅速提高我国木工机械的数控化水平木工机械的数控化是木工机械自动化的基础，没有数控化就没有自动化，但我国木工机械的数控化空白点还很多。我国木工机械的生产企业应按本文提出的基本概念认真核对本企业的数控化率，迅速填补数控木工机械的空白点，开发全系列木工机械的数控设备，并将开发的数控产品通告行业协会和东北林业大学林业与木工机械工程技术中心，为笔者统计我国木工机械数控化率提供真实的数据。其实，按照本文的定义，数控木工机械很简单，我们给压刨床加上 PLC，安装一个触摸屏，这台压刨床就是数控压刨，而且这项改造并不难。按照这个思路，各木工机械生产企业都可以进行数控改造，这样我国木工机械的数控化率就可以大幅度提高。2 重点研发通用单机的上下料自动化技术当前急需研发通用木工机床的单机自动化上下料技术、自动分料技术、板材自动转向技术、板材自动翻转技术、板材自动回料技术、程序化自动进给技术、原料上料前尺寸自动检测技术等。这些技术完善后，所有的通用木工机械即可以实现单机的自动化生产，使产品的质量完全取决于设备的精度和自动化程度，而不是依赖熟练工人的操作技术；使产品的产量完全取决于设备的机械化和自动化程度，而不是依赖工人的劳动态度。让我们的通用木工机械就单机单元来讲，形成一个完善的自动化系统，工人仅仅负责把原料拉过来，把生产出来的产品拉走即可。这些设备的操作人员可以不经过复杂的技术培训，自动化技术可以改变我们下游企业操作人员的结构。3迅速完善通用木工机械的单机自动化技术在每台木工机械实现数控化后，木工机械具体功能的自动化将成为下一步研发的重要方向，这些技术包括在线自动磨刀技术、刀具自动补偿技术、产品质量在线自动检测技术、自动除尘技术、工况异常自动报警和过载安全停车技术、工序自动转换技术、加工过程原料自动编码技术、工件随动自动调控技术、工件自动定位技术、工件自动夹紧技术等。在这些技术完善以后，木工机械的单机操作过程将实现自动化，整个加工过程也将实现全自动。这些技术对木工机械实现自动化是极其重要的，也是最难的。许多人工可以简单、随手完成或略加判断即可确定的动作，一旦要求计算机自动完成则可能相当困难。4 产品后续的自动化处理技术任重而道远木工机械在实现自动上料、自动加工后，完成产品的后续处理仍有大量的工作要做，其中包括自动包装技术、自动打包技术、自动化仓库技术、工时自动化核定技术、自动化装配技术、装配过程的自动化检测技术、自动化产品指标检测技术、自动化生产线连线技术等。这些自动化技术多数情况下是由专业厂家完成的，德国的木工机械生产企业都在花大力气做这件事。在2011年德国汉诺威木工机械展览会上，德国伊玛占用大面积场地展示和推出他们的自动化仓库技术，这项技术对于家具生产企业是急需的。在达到生产过程全部自动化以后，进行产品后续的自动化处理也非常重要。我国的木工机械生产企业可以从简单的做起，逐步提高这个领域的研发能力。5开展木工机械柔性自动化生产线的理论研究我国木工机械自动化的最终目标是实现木工机械的柔性自动化生产线，随着定制家具的普及和大规模生产，木工机械的柔性自动化生产势在必行，这个最高阶段的生产线开发时间不会太长。在单机自动化、流水线成组技术自动化、数控木工机床上下料自动化全部完成后，对木工机床柔性制造单元和自动化物流系统连接的生产线进行开发势在必行，木制品柔性制造系统的理论研究应该现在就开始。我国的高等院校要完成数控木工机械统一的信息控制系统、物料储运系统和数字控制加工设备组线技术的理论研究，开发能适应家具工业和木制品加工工业的自动化机械制造系统。

结束语

我国用短短的 5 年时间就走完了欧洲木工机械发达国家 30 年才走完的数控木工机械开发历程。我们可以骄傲地说，中国木工机械不但在生产的数量上达到了世界第一，GDP世界第二，而且在数控木工机械的普及率上可以排在第三位。中国正在从木工机械最大的使用国向最大的生产国迈进，中国木工机械的产值超过德国可能仅仅是6 ～8 年之后的事情。如果近期西方经济危机进一步扩展，我们超过德国的时间可能还要加快，而我国数控木工机械的普及则更有可能加快，再过5年，中国的木工机械可能很难找到不是数控的木工机械，在数控技术的支撑下，木工机械的自动化技术一定能更加成熟。成线销售木工机械的时代马上就会到来，木工机械的自动化时代将标志着中国木工机械跨进一个新时代。