我國人造板智能制造關(guān)鍵技術(shù)最 新研究進展
人造板是我國林業(yè)經(jīng)濟中的主要優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的組成部分和碳儲量流動的重要載體,對我國“雙碳”目標(biāo)有著重要的積極意義。隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的深入推進及智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展,我國人造板制造水平將不斷走向智能化和低碳化。
1 智能制造內(nèi)涵及支撐技術(shù)
1.1 智能制造內(nèi)涵
早期智能制造的概念是從產(chǎn)品加工制造過程的角度展開,即通過智能裝備和人類專家共同組成的人機一體化系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的智能生產(chǎn)。隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展和制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的迫切需求,全球發(fā)達國家相繼提出符合本國發(fā)展戰(zhàn)略的智能制造方案。德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)均致力于將尖端信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)深度融合,促進制造業(yè)的智能生產(chǎn)和智能服務(wù)。
我國工信部發(fā)布的《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中,智能制造被認(rèn)為是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合,貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié),具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。因此,智能制造是一種面向產(chǎn)品全生命周期,以實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、綠色、安全的產(chǎn)品制造和服務(wù)為目標(biāo),具有動態(tài)感知、實時分析、優(yōu)化決策和精準(zhǔn)控制等功能的復(fù)雜系統(tǒng)。
1.2 智能制造支撐技術(shù)
智能制造以多傳感器和數(shù)據(jù)融合、數(shù)控和虛擬現(xiàn)實、人工智能和大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算和邊緣計算等技術(shù)為支撐,從而實現(xiàn)制造裝備、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、生產(chǎn)線、廠內(nèi)物流管控、資源計劃、產(chǎn)品服務(wù)等制造過程的智能化。
1.2.1 多傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)
傳感器是一種被廣泛使用的物理設(shè)備,用來將環(huán)境變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出信號,從而實現(xiàn)對環(huán)境信息的測量或感知。隨著制造環(huán)境和工藝過程日趨復(fù)雜,制造業(yè)引入多傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù),通過信號處理算法將各傳感器數(shù)據(jù)進行提取、分析、綜合,獲得更加可靠、全面的測量信息,從而提升產(chǎn)品的加工精度。
多傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以有效提高檢測精度,增強系統(tǒng)的容錯能力,在林業(yè)加工檢測中顯示出廣泛的應(yīng)用前景。于海英等針對人造板熱壓過程的溫度和壓力參數(shù)測量,提出基于加權(quán)最小二乘法和D-S證據(jù)理論分別實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的檢測級和決策級融合,改善了熱壓系統(tǒng)的檢測精度和容錯能力。在木材鋸切過程中,傳感器融合技術(shù)可以用來監(jiān)測刀具溫度和切割過程,進而借助算法實現(xiàn)刀具溫度預(yù)測,避免溫度過高使產(chǎn)品發(fā)生熱變形,提升加工精度。
1.2.2 數(shù)控和虛擬現(xiàn)實技術(shù)
數(shù)控技術(shù)是利用計算機、精密計算、傳感檢測等技術(shù)對機械設(shè)備進行控制的技術(shù),具有高效率、高精度、柔性自動化等特點。以數(shù)控技術(shù)為核心的數(shù)控機床高度體現(xiàn)了精密機械和自動控制系統(tǒng)的深度融合,有效提升了制造業(yè)的自動化水平。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛用于復(fù)雜制造系統(tǒng)的設(shè)計仿真。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)模型的可視化,還提供與虛擬樣機的實時交互和控制,從而在產(chǎn)品設(shè)計、機械加工、設(shè)施布局和物料運輸?shù)榷喾矫嫣嵘龑嶓w工廠的整體制造質(zhì)量。
目前,我國人造板制造業(yè)的數(shù)控設(shè)備研發(fā)已經(jīng)取得了一些進展,多種數(shù)控產(chǎn)品接連被推出,包括數(shù)控旋切機、數(shù)控裁板鋸、數(shù)控鏤銑機、原木剝皮機、單板剪切機、單板堆垛機、數(shù)控鋸砂生產(chǎn)線等。然而,與發(fā)達國家相比,我國人造板數(shù)控加工設(shè)備仍然存在自動化程度不高、加工工藝不夠精細、運行穩(wěn)定性不佳、開放性不足而難以維護等問題。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于我國人造板制造系統(tǒng)的建模設(shè)計和仿真測試中,有效提升了產(chǎn)品研發(fā)的質(zhì)量和效率。例如,在連續(xù)壓機產(chǎn)品的研發(fā)中,中國福馬通過計算機三維軟件進行整機裝配,采用動態(tài)和靜態(tài)碰撞測試等實現(xiàn)對產(chǎn)品的虛擬驗證,進而判斷部件、工藝和系統(tǒng)的可行性。
1.2.3 人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)
人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的重要支撐技術(shù)。從制造業(yè)的角度看,人工智能賦予系統(tǒng)自我感知、自我學(xué)習(xí)、自我執(zhí)行、自我決策和自我適應(yīng)的能力,使其能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的制造環(huán)境。大數(shù)據(jù)技術(shù)對來自加工過程、產(chǎn)品銷售及企業(yè)管理等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù),通過高級的分析技術(shù)快速挖掘出蘊含的信息,并快速準(zhǔn)確地制定決策,提升企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率。
在人造板制造業(yè)中,人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于過程控制、診斷評估及生產(chǎn)決策等制造任務(wù)。朱典想等設(shè)計了模糊專家系統(tǒng)處理人造板熱壓機的系統(tǒng)故障,提升了故障診斷的準(zhǔn)確性。對人造板制造業(yè)中所涉及的海量數(shù)據(jù),有效利用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠優(yōu)化設(shè)計、采購、生產(chǎn)、銷售和售后等制造環(huán)節(jié),幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率,降低成本。例如,在人造板熱壓工藝中,結(jié)合熱壓設(shè)備的具體運行狀態(tài),通過人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)分析部件參數(shù),可進一步改善熱壓工藝,避免因熱壓不均勻而引起的板材變形問題。
1.2.4 物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠通過網(wǎng)絡(luò)提供物理對象、系統(tǒng)和服務(wù)的高級連接,實現(xiàn)各對象之間的通信和數(shù)據(jù)共享,從而避免傳統(tǒng)制造中因時間和空間限制引起的生產(chǎn)問題。隨著大量智能傳感器自組織方式和先進通信方式的融合,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將人與工業(yè)制造系統(tǒng)全面連接,通過智能設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析、智能管理和決策等模塊,致力于消除企業(yè)信息孤島,優(yōu)化資源配置,促進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
萬國海提出物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)可以提高人造板企業(yè)的土地資源利用率、庫管科學(xué)化程度、企業(yè)環(huán)保措施執(zhí)行效果,提高人造板制造的智能化水平。唐蕾等開發(fā)了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的家具行業(yè)云平臺,包括工業(yè)操作系統(tǒng)、云制造應(yīng)用支撐系統(tǒng)、產(chǎn)品服務(wù)體系和整體解決方案4個層次,適應(yīng)靈活高效的柔性制造,有助于提升行業(yè)的服務(wù)水平和資源配置能力。
1.2.5 云計算和邊緣計算技術(shù)
云計算是一個通用術(shù)語,指的是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的可視化和可伸縮資源交付的計算服務(wù),旨在促進傳統(tǒng)的制造模式向計算化、服務(wù)化轉(zhuǎn)變,使制造的互操作性、智能化、適應(yīng)性和分散性越來越強。為克服本地設(shè)備與云端通信中存在的安全威脅和時延問題,邊緣計算技術(shù)在靠近數(shù)據(jù)源的邊緣服務(wù),以滿足敏捷連接、實時優(yōu)化、智能應(yīng)用、安全和隱私方面的關(guān)鍵需求。
云計算和邊緣計算技術(shù)的協(xié)同能夠有效減輕云端負荷,提升生產(chǎn)效率,在人造板智能制造發(fā)展中具有廣泛的應(yīng)用前景。張國梁等提出開發(fā)基于邊緣計算和云協(xié)同的故障診斷及預(yù)測方法,將在人造板鋪裝成型生產(chǎn)線的故障診斷和分析效率方面產(chǎn)生重要作用。隨著云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展,將為我國人造板產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供新途徑和新動力,逐步提升制造水平。
1.2.6 支撐技術(shù)的綜合集成
支撐技術(shù)的綜合集成和共同協(xié)作能夠提高企業(yè)生產(chǎn)效率及增值服務(wù),創(chuàng)新產(chǎn)品銷售方式和商業(yè)模式,提高企業(yè)生產(chǎn)效率和增值服務(wù),促進制造業(yè)不斷向智能化方向轉(zhuǎn)型升級。在人造板產(chǎn)業(yè)的智能制造中,支撐技術(shù)的綜合集成可簡單概括為:多傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于采集生產(chǎn)數(shù)據(jù); 通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)對產(chǎn)品和工藝等進行虛擬設(shè)計與測試,實現(xiàn)生產(chǎn)可視化; 在邊緣計算技術(shù)幫助下,數(shù)控裝備從邊緣設(shè)備接受指令完成實際生產(chǎn)作業(yè); 將數(shù)據(jù)融合、人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)通過優(yōu)化算法對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行提取分析,進而快速作出準(zhǔn)確的生產(chǎn)決策,實現(xiàn)制造過程的自適應(yīng); 云計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用來實現(xiàn)整個制造過程的數(shù)字化及網(wǎng)絡(luò)化。支撐技術(shù)在人造板智能制造中的應(yīng)用場景如表1所示。
2 我國人造板智能制造關(guān)鍵技術(shù)
人造板是我國林產(chǎn)工業(yè)中的重要產(chǎn)品,其智能制造是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要途徑。在支撐技術(shù)的綜合集成和協(xié)作下,人造板智能制造的關(guān)鍵技術(shù)主要可以劃分為:①智能制造裝備; ②智能控制系統(tǒng); ③智能檢測系統(tǒng); ④智能生產(chǎn)線; ⑤廠內(nèi)智能物流管控; ⑥智能資源計劃; ⑦智能產(chǎn)品服務(wù)。
2.1 智能制造裝備
人造板制造裝備的技術(shù)水平是衡量一個國家人造板行業(yè)發(fā)展程度的重要標(biāo)志,決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。智能制造裝備通過將智能技術(shù)應(yīng)用于裝備設(shè)計、裝備研發(fā)及裝備升級中,從而綜合提升設(shè)備的自動化水平、生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。目前,盡管我國人造板制造裝備的智能化水平較國外發(fā)達國家還有一定的差距,但也已逐漸形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)體系,特別是連續(xù)壓機、旋切機等裝備已經(jīng)接近國際先進水平。下面以旋切機為例,介紹我國人造板智能制造裝備的研究進展。
旋切機用來將一定長度和直徑的原木加工成連續(xù)的單板帶,以供后續(xù)生產(chǎn)膠合板或其他人造板。在旋切過程中,為避免因原木直徑過小或直徑不規(guī)則而導(dǎo)致旋切單板厚度不均勻的問題,往往需要人工實時調(diào)節(jié)進給機構(gòu),這在一定程度上使旋切質(zhì)量依賴于人工經(jīng)驗,導(dǎo)致加工效率和精度均無法得到提升。
近年來,相關(guān)學(xué)者對旋切裝備的智能化升級進行了大量研究。王成瑞等設(shè)計研發(fā)了一款SL2600/5A數(shù)控?zé)o卡軸旋切機(圖1),實現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)控化和智能化,避免了人工操作效率低、成本高、質(zhì)量差等缺點。其主要關(guān)鍵技術(shù)可總結(jié)為:從設(shè)計結(jié)構(gòu)進行改進,要求刀架不動,雙輥工作臺在直線導(dǎo)軌上移動,保證旋切機與剪切機同步工作,并設(shè)計自動變刀門裝置和變后角裝置,使刀門間隙和刀具后角隨原木直徑變化自適應(yīng)調(diào)整,從而改善旋切單板表面的光潔度; 設(shè)計旋切單板厚度的自動調(diào)節(jié)功能,通過觸摸屏操作,伺服控制調(diào)節(jié)刀門,無須人工手動操作; 引入旋切機變頻控制裝置,通過控制傳動輥調(diào)節(jié)切削速度,避免因原木直徑減小造成旋切精度降低的問題; 開發(fā)了基于數(shù)控技術(shù)和人工智能技術(shù)的故障自診斷系統(tǒng),實時診斷旋切過程可能發(fā)生的故障。
2.2 智能控制系統(tǒng)
人造板工藝控制系統(tǒng)的智能化是機電一體化技術(shù)的顯著特征,是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。智能控制系統(tǒng)通過對某一工藝系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,然后按照預(yù)定規(guī)律控制執(zhí)行元件實現(xiàn)工藝中各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)動作,進而賦予系統(tǒng)參數(shù)智能調(diào)控與管理、檢測與處理、修改與診斷、記錄與可視化等功能。目前,我國人造板制造業(yè)常用的控制策略仍處于經(jīng)典控制理論和剛步入現(xiàn)代控制理論應(yīng)用的階段,大多數(shù)智能控制策略還沒有廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)。下面以調(diào)施膠控制系統(tǒng)為例,說明我國人造板工藝控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。
調(diào)施膠工藝將刨花、木材纖維等原料與配置好的膠黏劑按比例均勻混合,是人造板制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,直接影響產(chǎn)品性能和生產(chǎn)成本。調(diào)施膠控制系統(tǒng)需要兼顧并行調(diào)膠和在線施膠的比值隨動控制,從而避免傳統(tǒng)串行工序存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差、容易造成原料浪費的問題,如圖2所示。
并行調(diào)膠控制以原膠為基準(zhǔn),將水、添加劑等通過各自的管道與原膠在混膠罐按比例調(diào)配得到膠黏劑,常用的調(diào)膠控制方法有液位控制法、計量筒檢測法、計量泵法和失重計量法等。在線施膠需按照原料(刨花、纖維等)與膠黏劑的比例實時控制膠黏劑流量,目前已有一些精準(zhǔn)施膠控制方案被提出。郭繼寧等從理論的角度提出了基于自適應(yīng)粒子群優(yōu)化的自抗擾控制算法,克服了施膠系統(tǒng)的模型不確定性和外部干擾問題。陳立軍等提出了模糊PID算法來實現(xiàn)施膠流量的精準(zhǔn)控制,并基于PLC開發(fā)了一套人造板調(diào)施膠工藝人機交互系統(tǒng),可以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、控制、監(jiān)控、可視化、報警和故障保護等功能。
2.3 智能檢測系統(tǒng)
人造板智能檢測系統(tǒng)是實現(xiàn)加工工藝高精度、高效化和自動化的重要技術(shù),也是完成人造板產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、分等及后續(xù)工藝優(yōu)化的關(guān)鍵步驟。在人造板生產(chǎn)過程中,大量的智能優(yōu)化方案已經(jīng)逐漸被開發(fā)并應(yīng)用于產(chǎn)品厚度和缺陷的高速、高精度檢測。
厚度檢測是人造板熱壓工藝中用于板厚準(zhǔn)確糾偏的重要技術(shù),對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)能耗和原材料消耗有著重大意義。為提高人造板厚度檢測系統(tǒng)的智能化水平,實現(xiàn)上位機對板材厚度的參數(shù)設(shè)置、檢測記錄、存儲及可視化等功能,相關(guān)林業(yè)工作者開展了大量研究。葛嬌等設(shè)計了一套基于PLC主控單元的人造板厚度連續(xù)檢測系統(tǒng),其集成了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來向計算機上傳傳感器測量數(shù)據(jù),同時將計算機優(yōu)化處理后的數(shù)據(jù)傳遞到前端鋪裝、熱壓工序,從而實現(xiàn)對板材厚度的連續(xù)在線檢測和糾偏控制。為降低機械振動和傳感器精度等因素對測量結(jié)果的隨機影響,相關(guān)學(xué)者引入優(yōu)化算法來對多傳感器數(shù)據(jù)進行分析處理,從而改善了檢測精度。張晴等提出了一種算法優(yōu)化極限學(xué)習(xí)機的方法,有效提升了人造板厚度的檢測精度,其檢測系統(tǒng)如圖3所示。
在生產(chǎn)過程中,由于設(shè)備、工藝、環(huán)境、材料等因素的影響,人造板產(chǎn)品表面會出現(xiàn)不同種類的缺陷,如油污、膠斑、大刨花、裂痕、邊角破損等。人造板缺陷不僅影響著板材外觀、性能和質(zhì)量,還不利于二次加工和企業(yè)的經(jīng)濟效益; 因此,通過開發(fā)智能檢測系統(tǒng)代替人工檢測以實現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的快速和精準(zhǔn)檢測,也是人造板智能制造的重要研究方向。魏智鋒等基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)建了SSD-MobileNet算法模型用于人造板的缺陷檢測,有效提升了對板材產(chǎn)品可能出現(xiàn)的粗刨花、水印、砂痕、雜物、膠斑等缺陷的檢測精度和速度。高鵬威等開發(fā)了一種基于線陣相機和改進CenterMask算法的中密度纖維板表面缺陷實時檢測系統(tǒng),提高了缺陷識別的準(zhǔn)確率。為了準(zhǔn)確定位缺陷,達到企業(yè)生產(chǎn)所要求的檢測精度和檢測速度,郭慧等開發(fā)了基于機器視覺的刨花板表面缺陷檢測系統(tǒng),其組成如圖4所示。
2.4 智能生產(chǎn)線
人造板制造流程可概括為切削加工、干燥、調(diào)施膠、鋪裝成型和預(yù)壓、熱壓、品質(zhì)檢測及砂光鋸切等過程。智能生產(chǎn)線基于各制造工藝環(huán)節(jié)的智能化、柔性化連接,能夠有效降低工人成本、節(jié)約工廠占地面積。在人造板生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計中,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于加工生產(chǎn)線的設(shè)計與仿真,可以有效縮短設(shè)計周期,降低成本。周沫等利用Flexsim仿真軟件對中密度纖維板生產(chǎn)線進行了仿真建模及優(yōu)化,為我國人造板企業(yè)提升經(jīng)濟效益和降低污染排放提供了重要的理論基礎(chǔ)。
目前,我國人造板生產(chǎn)線的智能化建設(shè)正朝著高效、綠色、低耗的方向不斷發(fā)展和完善,并陸續(xù)應(yīng)用到實際生產(chǎn)企業(yè)。劉秀娟等開發(fā)了砂鋸檢包一體化生產(chǎn)線,實現(xiàn)了砂光線、鋸切線、檢板線和打包線的高度自動化集成,大大提高了工作效率。我國一條年產(chǎn)35萬m3的纖維板生產(chǎn)線已建成投產(chǎn),其集成了自動上料、智能送料、無醛膠黏劑等技術(shù),在各工藝環(huán)節(jié)對生產(chǎn)過程進行規(guī)劃設(shè)計,實現(xiàn)了整個生產(chǎn)線的合理化、先進化和美觀化建設(shè)。
隨著制造業(yè)對生產(chǎn)過程數(shù)字化、自動化、智能化需求的提升,如何實現(xiàn)人造板生產(chǎn)過程與管理系統(tǒng)之間的信息交互,進而獲得能夠提高生產(chǎn)效率的生產(chǎn)決策是智能生產(chǎn)線建設(shè)的重要技術(shù)。劉鑫鈺等開發(fā)了基于InTouch軟件的人造板產(chǎn)量查詢系統(tǒng),通過建立與SQL數(shù)據(jù)庫的連接,實時記錄生產(chǎn)線產(chǎn)品規(guī)格、好板張數(shù)、廢板張數(shù)和產(chǎn)能等參數(shù)。朱軍等在人造板連續(xù)壓機生產(chǎn)線的智能化改造中,設(shè)計了基于SQL Server的實時數(shù)據(jù)庫,提升了生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的有效利用率,同時實現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)之間的信息通信,有利于企業(yè)快速準(zhǔn)確地制定決策、提高生產(chǎn)效率。
2.5 廠內(nèi)智能物流管控
物流管控系統(tǒng)是智能工廠中的重要技術(shù)手段,用于生產(chǎn)原料、加工制品等的實體流動和產(chǎn)品的包裝、儲存等環(huán)節(jié)。目前,我國人造板的廠內(nèi)智能物流管控已經(jīng)得到了廣泛研究。孫銳等建立了人造板上下料機械手的三維結(jié)構(gòu)模型,并通過Adams仿真軟件分析了機械手的動態(tài)特性和模型的準(zhǔn)確性,為人造板制造車間實現(xiàn)自動上下料提供理論指導(dǎo)。葉光鍵提出了一套基于分布式計算機控制纖維板生產(chǎn)線自動堆垛系統(tǒng)的改造方案,通過先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)完成現(xiàn)場PLC控制設(shè)備與上位機的通信,有效降低了生產(chǎn)成本。
在加工制品流動和產(chǎn)品包裝的物流過程中,蘇福馬公司研制的砂鋸檢包一體化生產(chǎn)線(圖5)通過多個升降臺、推板機、堆垛機、輥臺、運輸機和卸料機等機械設(shè)備的協(xié)同動作,實現(xiàn)了人造板物流管控系統(tǒng)的自動化和智能化升級,大大降低了人工打包的勞動強度,提升了生產(chǎn)效率。徐偉提出了基于無線通信技術(shù)的自動倉儲系統(tǒng),通過遠程控制寬幅移動小車來儲運人造板產(chǎn)品,相比傳統(tǒng)的叉車行車式倉儲系統(tǒng),該方案提升了倉儲過程的實時性和生產(chǎn)效率。為提升倉儲管理的智能化和信息化,牛怡婷等開發(fā)了集成條碼技術(shù)、信息采集技術(shù)和傳感器技術(shù)等的自動化立體倉儲系統(tǒng),為人造板智能倉儲的建設(shè)提供了重要的借鑒作用。
2.6 智能資源計劃
企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning, ERP)用于實時監(jiān)控和管理產(chǎn)品的供應(yīng)鏈,包括物料需求計劃、制造資源計劃、庫存管理等,是實現(xiàn)企業(yè)資源信息化管理的關(guān)鍵技術(shù)。針對我國人造板產(chǎn)業(yè),有學(xué)者分析了企業(yè)資源計劃對制造業(yè)的重要性。馬巖等從財務(wù)管理、客戶關(guān)系管理、生產(chǎn)管理、采購與庫存管理4個方面分析了企業(yè)資源計劃技術(shù)在我國人造板行業(yè)的應(yīng)用方向,提出該技術(shù)將有助于企業(yè)管理能力的提升。
黎東蘭基于某人造板工廠的實際狀況,開發(fā)了企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(圖6)用于物料管理、生產(chǎn)計劃和庫存管理等環(huán)節(jié),有效提升了企業(yè)在市場預(yù)測分析、優(yōu)化資源配置、降低產(chǎn)品成本、改善客戶服務(wù)等方面的能力,為企業(yè)獲得了明顯的經(jīng)濟效益。趙慶超等提出將云計算技術(shù)應(yīng)用于人造板的ERP系統(tǒng),能夠助力企業(yè)減少投入成本、轉(zhuǎn)移后期系統(tǒng)維護、降低數(shù)據(jù)管理難度及化解系統(tǒng)集成問題。
由于我國人造板產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理,企業(yè)發(fā)展水平不均衡,總體的信息化建設(shè)水平不高,目前對人造板企業(yè)的智能資源計劃研究和應(yīng)用相對較少。隨著智能制造技術(shù)的深入研究和推廣,合理利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)智能資源計劃,同時解決信息和隱私安全問題是未來亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)。
2.7 智能產(chǎn)品服務(wù)
隨著市場需求的牽引和智能制造技術(shù)的驅(qū)動,由產(chǎn)品服務(wù)衍生出的額外價值逐漸引起了人們的關(guān)注。智能產(chǎn)品服務(wù)指利用先進的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等技術(shù)搭建智能服務(wù)平臺,在產(chǎn)品全生命周期加強企業(yè)與客戶、供應(yīng)商等利益相關(guān)者之間的互動,滿足客戶追求產(chǎn)品個性化、智能化的需求,為客戶提供良好的服務(wù)體驗,從而提升制造企業(yè)的競爭力和價值。
在我國人造板企業(yè)的升級改造中,利用智能制造技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品服務(wù)的智能化,是推動人造板制造業(yè)向中高端轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵步驟。陳建新等將近場通信技術(shù)應(yīng)用于人造板的生產(chǎn)、倉儲、物流和市場等環(huán)節(jié),并結(jié)合企業(yè)資源計劃、制造執(zhí)行及客戶關(guān)系管理等智能系統(tǒng),使制造商、服務(wù)商、客戶都可通過手機App就能獲取每張人造板的相關(guān)信息,實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品的智能化服務(wù)。
為提升客戶的信任度和服務(wù)體驗,通過提高定制和售后服務(wù)的質(zhì)量,如通過電話、微信公眾號、網(wǎng)站等多種方式快速完成產(chǎn)品的個性化定制服務(wù)和售后保障,也是智能產(chǎn)品服務(wù)的重要內(nèi)容。陳樹坤提出建立信息通信技術(shù)和企業(yè)內(nèi)外部生產(chǎn)要素高度融合的智能化“企業(yè)大腦”,從而完成人造板企業(yè)的智能服務(wù)。其具有以下特征:通過移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算來建立客戶與企業(yè)品牌、產(chǎn)品等的互動,進而驅(qū)動企業(yè)做出**決策; 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)獲得客戶個性化需求的產(chǎn)品畫像,據(jù)此指導(dǎo)供應(yīng)鏈、生產(chǎn)制造鏈、物流鏈的高效協(xié)作; 以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)優(yōu)化客戶關(guān)系管理和產(chǎn)品全生命周期管理等。
3 我國人造板智能工廠建設(shè)
近年來,在國家大力推進“中國制造2025”的背景下,我國人造板企業(yè)積極響應(yīng)國家智能制造發(fā)展戰(zhàn)略,通過自主研發(fā)、充分運用智能制造技術(shù),持續(xù)推進“智能工廠、智能車間和智能生產(chǎn)線”的建設(shè),促進我國人造板企業(yè)向中高端制造水平轉(zhuǎn)型。隨著我國部分人造板企業(yè)不斷與國外技術(shù)前沿企業(yè)加強合作,積極引進先進的制造裝備、制造工藝和制造系統(tǒng),我國人造板制造水平已經(jīng)取得了突破性的進展,部分生產(chǎn)線和工廠已接近全球先進制造的智能化水平。下面將以近年來新建設(shè)的智能生產(chǎn)線為例,從刨花板、纖維板、膠合板三大產(chǎn)品的生產(chǎn)說明我國人造板智能工廠的建設(shè)狀況。
3.1 高強度刨花板生產(chǎn)線
刨花板因其良好的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和易加工飾面等特點,逐漸成為下游定制家具產(chǎn)業(yè)的重要原材料。為解決傳統(tǒng)刨花板靜曲強度低、抗彎曲能力弱等問題,一種密度低、強度高的高強度刨花板被相關(guān)學(xué)者提出。近年來,豐林集團在我國南寧建設(shè)的高強度刨花板生產(chǎn)線,為刨花板智能工廠的建設(shè)提供了重要的引領(lǐng)和示范作用。在這條生產(chǎn)線中,采用了迪芬巴赫公司生產(chǎn)的先進制造裝備和系統(tǒng),如鼓式削片機、刨片機、單通道干燥機、刨花分選機、低速拌膠機、鼠籠輥鋪裝機和CPS連續(xù)壓機等,實現(xiàn)了高強度刨花板制造過程的自動化,提高了產(chǎn)品質(zhì)量,廣泛獲得了定制家具企業(yè)的認(rèn)可。
在智能設(shè)備和技術(shù)支撐下,我國欽州建設(shè)了年產(chǎn)50萬m3的高強度刨花板生產(chǎn)線。其主要引進了國外先進的干燥系統(tǒng)、超級篩、鋪裝線、連續(xù)平壓系統(tǒng)、寬帶砂光機、鋸切線等關(guān)鍵設(shè)備,集成了木片自動卸車、上料倉儲系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)和ERP等關(guān)鍵技術(shù),大大提升了工廠的管理、生產(chǎn)、物流和倉儲的智能化水平,對未來我國人造板智能工廠的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用。
3.2 超薄高密度纖維板生產(chǎn)線
隨著定制家具產(chǎn)業(yè)對刨花板需求的提升,纖維板市場逐漸被擠占。超薄高密度纖維板制品易于加工,可用于電子線路板加工、食品包裝、定向刨花板表面飾面等場景,因此比傳統(tǒng)纖維板具有更廣闊的市場前景。然而,由于超薄高密度纖維板加工制造難度大,對原材料和生產(chǎn)設(shè)備的要求高,實現(xiàn)高效生產(chǎn)一直是困擾企業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。
為提升超薄高密度纖維板的產(chǎn)能和智能制造水平,我國廣西林業(yè)集團投資建設(shè)了連續(xù)平壓生產(chǎn)線,實現(xiàn)了生產(chǎn)裝備和工藝的數(shù)字化、自動化和智能化升級,提升了產(chǎn)品質(zhì)量。在該生產(chǎn)線中,為了避免由于超薄高密度纖維板生產(chǎn)速度太快而損壞壓機,其集成了德國迪芬巴赫公司的新一代CPS+連續(xù)壓機系統(tǒng)(圖7)。
新一代CPS+連續(xù)壓機系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能、大數(shù)據(jù)和自動控制等技術(shù)完成制造裝備、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)線、物流管控、資源計劃和產(chǎn)品服務(wù)等環(huán)節(jié)的互聯(lián)整合,并通過PRODACON系統(tǒng)與企業(yè)自身的ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)了原材料、加工半成品、成品和整個物流過程的全部打通。新一代CPS+連續(xù)壓機系統(tǒng)在我國人造板生產(chǎn)線中的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)共享和連接,使生產(chǎn)線更加智能化、柔性化和扁平化,消除企業(yè)信息孤島,完成對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。此外,便攜式智能產(chǎn)品如手機、平板電腦的使用可以進一步方便企業(yè)管理設(shè)備和生產(chǎn)線,實現(xiàn)工廠的數(shù)字化、智能化管理。
3.3 無醛添加膠合板生產(chǎn)線
膠合板是我國產(chǎn)銷量和出口量最 大的人造板產(chǎn)品,其主要用于室內(nèi)裝修和家具制造。隨著生態(tài)保護、綠色發(fā)展觀念的增強,企業(yè)以人工速生林楊木和桉木代替天然林用于膠合板生產(chǎn),并致力于研發(fā)無醛添加膠合板的生產(chǎn)工藝,滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。
廣西林業(yè)集團開發(fā)的我國首條全自動連續(xù)平壓無醛添加膠合板/單板層積材生產(chǎn)線,引進德國迪芬巴赫公司先進的制造裝備和智能化技術(shù),將工業(yè)機器人、智能物流運輸系統(tǒng)等用于生產(chǎn)線,從而大幅提升了自動化水平,解決了長期困擾膠合板企業(yè)的“小散亂污”問題,保證生產(chǎn)過程安全、干凈、高效運行,實現(xiàn)了高度自動化、智能化和集成化的智能工廠建設(shè),全面提高了無醛膠合板產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量,大大提升了產(chǎn)品的額外附加值。該生產(chǎn)線首 次將自動干燥、智能分等、MDI自動施膠、連續(xù)平壓等技術(shù)集成創(chuàng)新,使我國膠合板生產(chǎn)設(shè)備和工藝水平均達到國際先進水平,為我國膠合板產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型提供了重要的引領(lǐng)和示范作用。
展望
智能制造是制造業(yè)向中高端轉(zhuǎn)型升級的必由之路,也是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前我國人造板智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定的進展,行業(yè)部分龍頭企業(yè)已相繼完成了智能生產(chǎn)線、智能車間和智能工廠的初步研發(fā)及建設(shè),推動了我國人造板產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展。值得注意的是,我國人造板產(chǎn)業(yè)的整體制造水平距離國際先進智能制造水平還有一定差距,部分關(guān)鍵裝備和關(guān)鍵技術(shù)仍然依賴進口,國內(nèi)自研的智能化技術(shù)大多還不能滿足企業(yè)智能制造的發(fā)展需求。針對我國人造板智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究存在的問題,未來研究應(yīng)聚焦于以下幾個方向:
1)智能制造裝備研究。為提升制造裝備的智能化水平:一方面需要面向我國人造板企業(yè)需求,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、檢測傳感、控制方法、組態(tài)軟件等方面對其進行升級改造,不斷提升生產(chǎn)效率和加工精度,降低能源消耗和污染排放,綜合提升數(shù)字化和自動化的生產(chǎn)水平; 另一方面,需要研發(fā)與制造裝備配套的運維管控系統(tǒng),綜合利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù),完成實際生產(chǎn)過程中對制造裝備的預(yù)測維護、自我監(jiān)測、分析管理、決策控制等任務(wù),全面實現(xiàn)制造裝備的智能化升級。
2)智能制造工業(yè)機器人研究。在人造板生產(chǎn)過程中,傳統(tǒng)人工操作往往存在生產(chǎn)效率低、成本高、安全風(fēng)險大等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步與廣泛應(yīng)用,通過大量具有不同功能的工業(yè)機器人來完成人造板生產(chǎn)車間中的不同作業(yè),解放工作人員的雙手,是實現(xiàn)人造板智能制造的重要發(fā)展方向。因此,未來需要充分利用多傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)等支撐技術(shù),不斷研發(fā)和升級用于各種人造板生產(chǎn)作業(yè)的工業(yè)機器人,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,促進人造板制造行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。
3)智能制造生產(chǎn)線研究。人造板制造工藝流程復(fù)雜,各環(huán)節(jié)的加工質(zhì)量均會對最終產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。因此,通過模塊化工藝設(shè)計、柔性化工藝布局、結(jié)構(gòu)化設(shè)備調(diào)整、連線化協(xié)同控制建設(shè),將各生產(chǎn)設(shè)備高度集成,進而實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、人與設(shè)備的協(xié)同作業(yè),是未來人造板生產(chǎn)線研究的重要內(nèi)容。此外,實現(xiàn)制造生產(chǎn)線的智能化,要不斷攻克邊緣計算、云計算、數(shù)據(jù)融合、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)集成系統(tǒng)的研發(fā)問題,以完成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集、分析管理、監(jiān)控診斷、反饋控制等功能,進而打破各環(huán)節(jié)信息孤島現(xiàn)象,優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度。同時,為解決實體生產(chǎn)線設(shè)計過程反復(fù)修改帶來的高額成本,基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的生產(chǎn)線虛擬設(shè)計和虛擬調(diào)試也是亟待研究的重要方向。
4)智能信息管理系統(tǒng)研究。當(dāng)前我國人造板企業(yè)更多關(guān)注人造板的加工過程,由于技術(shù)障礙難以實施,對產(chǎn)品全生命周期的智能信息管理系統(tǒng)還不能合理開發(fā)和有效利用,是未來人造板智能制造研究需要解決的另一關(guān)鍵問題?;谔摂M技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進的智能制造技術(shù),研發(fā)適合我國人造板企業(yè)的信息管理系統(tǒng),集成產(chǎn)品設(shè)計和訂購、售后服務(wù)、物料計劃、制造生產(chǎn)、客戶服務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量和供應(yīng)鏈等管理系統(tǒng),實現(xiàn)企業(yè)銷售、服務(wù)、采購和生產(chǎn)一體化、智能化、透明化的高效運營管理,是促進我國人造板智能制造發(fā)展的重要途徑。
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