木材加工智能数控机械自动化改造浅析∗

张新英 连金峰

（1.承德广播电视大学计算机系，承德 067000; 2.承德市五岳测控技术有限公司，承德 067000)

自20世纪八十年代以来，我国陆续从国外引进一批具有国际先进水平的木材加工设备，这一方面提高了我国木制品的生产能力，另一方面促进了我国木材加工机械产业向着自动化方面发展。近10年来，随着我国移动互联网技术与人工AI智能技术飞速发展，尤其是“互联网+”、物联网、区块链、大数据以及5G技术的应用，木材加工智能数控机械的自动化水平显著提升。本文旨在通过探讨木材加工智能数控机械化的现状、改造难点以及改进措施等，为提升我国木材加工设备智能化水平，促进我国木材加工设备转型升级提供参考[1-3]。

1 木材加工设备智能化发展概况

受到技术资源储备以及设备水平的影响，在较长的一段时期内，国内外木材加工设备自动化水平存在较大差异。但随着我国科学技术的不断进步和机械制造水平的提升，特别是科研投入力度不断增大，经过近20年来的发展，我国木材加工机械智能化、自动化、数字化水平快速提升[4-5]。

1.1 国外木材加工智能数控机械

经过几十年的发展，以德国、加拿大、芬兰等为代表的国家木材加工设备的机械化、自动化水平一直处于行业领先水平，特别是德国的人造板压机、铺装机、刨片机等设备一直引领行业生产能力提升和技术水平进步。加拿大的全自动制材生产线，加工能力及自动化水平、智能化水平显著提升，在中国的一些木材进口口岸城市及港口得到推广应用。芬兰在木浆造纸及纤维板生产应用的热磨机，胶合板连续自动化生产线等方面处于领先水平。近年来，芬兰又加大了上述设备的智能化数控技术的应用，然而，由于芬兰胶合板生产线的设备价格昂贵，在中国国内的推广应用难度很大。

综合应用了计算机、数控、AI、物联网等技术研发的木材加工智能数控设备，很大程度上增加了木材加工设备的商业附加值。从技术层面分析，国外的一些木材加工智能数控机械和设备精密度的确很高。以德国产木材数控锯切设备为例，在进料端口改变了传统木材加工设备采用单锯的方式，利用多刀组合使其成为多锯加工方式，这样能减少木板材切边过程中的废料率，提升原木板材的综合利用效能。与此同时，在加工过程中应用激光作为定位和辅助标线，使锯片方向和激光化线方向一致。在生产过程中可根据锯切板材厚度，变换激光头化线位置，调整锯片组位置。这样能较好地控制锯材板材厚度，从而为板材资源的精加工应用奠定扎实的基础[6-10]。

随着“一带一路”倡议的落实，德国、芬兰等国家的先进木材加工设备，加大对中国的出口力度，并且中国对进口上述国家达到一定生产能力的木材加工设备生产线，实施关税减免政策，这客观上扩大了国外木材加工设备的对华出口。然而，也有个别国家限制甚至禁止具有高科技含量的家具柔性制造设备对中国出口，这不利于双边木材加工设备贸易的开展[11-12]。

1.2 国内木材加工智能数控机械

从木材加工机械化设备升级到智能数控设备，我国的相关研究在一段时期内陷入了技术研发的“瓶颈期”，但随着基础研发投入力度的不断提升，特别是在移动互联网技术、大数据平台的支持下，我国木材加工智能数控设备在较多领域都实现了突破[13]。

图1 国产多片锯材加工数控设备Fig.1 Domestic multi-slice saw wood processing CNC equipment

1.2.1 人工智能在木材加工机械中的应用

基于大量数据资源和实验信息，我国木材加工机械设备人工智能化在某些方面要优于国外产品（如图1所示）。从国产多片锯材加工数控设备的造型来看，其属于多片锯木材加工设备，中央控制系统也属于数控终端。但进料口有比较明显的差别，国外设备仅可加工锯材，而国产设备可直接加工原木。这种进料优化，对木材加工程序与工艺而言，节省了大量的物流、运输、仓储、初加工环节。无论是原木还是板材成品都可根据实际应用决定其厚度，更能体现智能化的总体优势[14-15]。

1.2.2 数控技术在木材加工机械设备的应用

目前，在木材加工机械设备中所应用到的数控程序以PLC控制系统为主，且大多为单机控制，这种数控技术的广泛应用，要求在木材加工中，从业人员对于所有操作程序必须严格按照选用的PLC产品说明书，待熟悉后再编程。若采用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可以减少出错率，提升速度，编程完成后先空运转，待各动作正常后，再对设备进行调试[16]。

1.2.3 木材加工智能化数控机械设备的升级

从木材加工智能化数控机械设备的单机运行上进一步延伸，理论上存在联网运行的可能性，也是下阶段这些木材加工数控设备的发展方向，但就现阶段的实际运用情况来看，这种联网运行仅在规模化量产上较为可行，并不适用于小规模生产[17]。

2 木材加工智能数控机械自动化改造难点

从木材加工智能化数控机械设备的整体运用来看，取得的效果总体良好，但在其改造过程中，也存在一些难点。

2.1 喷漆加工工艺设备匹配性较差

很多木材加工设备生产企业在实现了数控机械制造后，开始研究一体化加工，但在实际操作过程中问题较多。在传统的木材加工过程中，喷漆加工工艺对环境的密闭性要求较高，而数控加工过程中大多采用密闭式加工方式，一些技术人员将喷漆加工进行了智能化升级，将喷枪与喷面间距控制在300～400 mm之间，喷枪的移动角度与循环走位也基本能够进行智能化控制，然而喷枪与喷涂面要保持平行并垂直于喷涂面，尤其是不可作弧形摆动这一点，受喷枪摇臂工作弧度限制，很难在相对密闭的木材加工数控设备中实现[18]。

2.2 镭射丝印程序执行连贯性较弱

在传统的木材加工工艺中，涉及丝印的工艺均为独立操作，该工艺能提升木材商业附加值。当木材加工智能数控机械设备实现了机械化改造之后，技术人员尝试将镭射丝印程序与机加工程序结合在一起，但从实际运行来看，其效果不明显。因为在丝印过程中通常不能盖上焊盘，若盖上焊盘，在上锡时丝印处不能上锡，从而影响木板板材的装贴。一般板厂要求预留8 mil的间距为宜。如果PCB板面积有限，也可以预留4 mil的间距。在数控程序的运行过程中，机加工刀具往往因为焊盘位置影响而受到损伤，所以通常会盖上焊盘，以便消除留在焊盘上的丝印部分，以保证焊盘上锡，但这样会影响镭射丝印的效果与质量。

3 木材加工智能数控机械自动化改造措施

木材加工智能数控设备的人工智能化改造，应当改变“1+1＞2”的设计思路，采用“0.5+0.5=1”的整体设计构思。

3.1 降低“一站式”加工作业强度

依托木材加工设备智能化数控生产工艺，实现木材加工的“一体化”或者“一站式”操作，能够在提升木材加工精密度和产量上形成优势，但也在一定程度上增加了设备作业的强度。在喷漆工艺与数控机械设备的结合过程中，让喷枪与数控机械作业面实现有限度分离，这样能够保障喷枪的摇臂与数控机械端的工作环境并不会形成交叉式影响。同理，在镭射丝印的改造上也可以采用这种方式。这样会增大木材加工智能数控机械设备的机械操作端体积，但从实际运行来看，比之前的叠加式工作状态更能够提升生产效率[19]。

图2 国产一体化柜体门数控加工机械Fig.2 Domestic integrated cabinet door CNC machining machinery

在改造过程中，将之前主要用于金属加工的曲线锯与用于木材加工的多锯刀进行有限度地结合，能够提升刀具在切割木材过程中的加工能力，从而提高生产效率。如果切割线和板材的一边完全平行，可以用附件中的金属导架进行辅助（如图2所示）。因为在开始下刀的时候,可能会发生锯条比导轨先接触木板的情况,这样就难以保证导轨和木板充分接触。把锯子底座上的两颗固定螺丝松开，把底座往前移动后拧紧，可以使导轨先接触木板，保证下刀尺寸正确。使用时大头一端紧靠在板材的基准边，另一端插入锯子底座上预留的插孔，这个导轨设计较为科学，上面有基准刻度，而且通过数控和激光控制与校准，能够有效保障其生产精度，属于整个木材加工智能数控机械设备中综合加工能力较强的设备。

3.2 优化人工智能系统识别能力

在木材加工智能数控的机械化改造过程中，此类问题较多，作为技术研发人员，必须从根本上优化人工智能系统的识别能力。在客观条件具备的情况下，可以借助大数据人工智能化分析程序，在“云端”借助AI大数据计算，模拟出木材加工智能数控机械设备的实际工作环境与状态，先在虚拟环境中对发现的问题及时进行修正[20]。而且需要利用人工智能系统在数控机加工的程序编写中预留或者设置应急预案，当在一体化机加工过程中一旦出现与预设机加工程序不符的情况时，可以结合程序进行自我修正[21-22]。

4 结语

随着我国科技水平的不断提升，移动互联网、人工智能AI程序等技术在木材加工智能化数控设备中得到应用，这些木材数控加工设备的综合机加工能力得到明显的提升。本文通过概述国内外木材加工设备智能化发展情况，分析在木材加工智能数控机械自动化改造过程中存在喷漆加工工艺设备匹配性较差，镭射丝印程序执行连贯性较弱等难点，提出可以通过降低“一站式”加工作业强度，优化人工智能系统识别能力等改造措施，为我国木材加工智能数控机械的自动化、仿人工智能化水平的提升提供参考，从而全面提升我国木材加工机械的智能化、自动化水平。