摘要：随着家具消费者对家具个性化需求的不断攀升，家具企业为适应多样化的消费需求及便捷化的消费模式，需采用多品种、小批量的定制化生产模式。为适应定制化生产模式，需要打破传统生产模式，以模块化的生产布局来适应市场的需求。
关键词：柔性生产；家具涂装；PLC；WinCC；数据库；MES。0引言
线上购物日益普遍以及国民需求日益个性化的今天，家具行业由单一的线下销售模式向线下的商务机会与互联网结合的方式进行销售。为了迎合消费者多样化的需求，以及消费者对供货期日益严格的要求，家具生产需要达到多品种、小批量、周期短的生产模式，这与传统家具生产模式单一品种、大批量的生产模式相冲突。为了适应家具市场的变化，家具厂家在向柔性化生产线进行转变[1]。
反观市场上家具涂装生产线，大部分还停留在工作岛式生产方式，工位之间相互独立，需通过人工进行搬运达到物流的串联。
1传统家具涂装工艺的生产模式
家具涂装生产的主要分为工艺底色、底漆和面漆三大工艺，每一道工艺都由喷漆、擦拭、研磨、干刷、流平、烘干等组成。生产线一般采用悬挂链或者地拖链两种输送方式，沿线布置喷漆室、烘箱操作台等以满足生产线上家具的工艺要求[3]。
图1 传统家具涂装线平面图
Fig.1 Plane drawing of traditional furniture painting line
由图1可以看出传统生产线具有以下特点：
工序和工位一一对应，生产人员多
物流走向唯一，无法返回前序工艺
工序时间固定，只能统一调整整线速度
工件只能顺序排列，无法中途插队
工件生产时间固定，无法根据需求调整
烘干时间固定，不能独立控制烘干质量
传统的生产线适用于大批量，工艺相近的家具生产，不能适应多品种、小批量的生产模式。
图2 柔性家具涂装线平面图
Fig.2 Plane drawing of flexible furniture painting line
2柔性化生产模式
柔性化生产模式，是以订单作为生产导向，消费者通过线下或线上下订单，工厂通过网络接收到订单后，安排到成产先进行生产。以这种方式形成的订单会具有不确定性，会导致家具数量、型号、工艺、颜色等参数的不同，要适应这种不确定的订单，生产线不但要满足产线上所有产品工艺的布局，又需要满足简单工艺的工件生产周期短的要求，所以生产线的须模块化设计，产线任意调配生产模块组成新的工艺路径[1]。
整条生产线分为上件区、喷漆区、打磨区、流平区及烘干区这五个主要功能区，并配置了缓存区、返修区及烘干返回区这三个辅助区域。
柔性化生产线根据工位的功能性进行了划分，将相同功能的工位集中布局，这样方便资源分配，柔性化生产线每条输送线相对独立，当其中某一条输送线发生拥堵，不会影响其他生产线正常生产，系统会自动调度来平衡生产节拍。当前序工位发生异常时，工件可以堆放于缓存区来减少对后序工位的影响。
当生产过中出现需要紧急出货的家具时，可将此批家具设置为优先生产工件，系统在生产过程中将优先调度此批家具以达到快速出货的目的。
工件在生产过程中发现工件异常时可立即将工件调度至返修区域进行返修，返修完成后该工件可继续完成后续生产。这样减少了异常工件对生产线节拍的影响并且提高了产品合格率。
烘箱内分为多条输送线，系统会自动将烘干时间相近的工件调度到同一条输送线上，避免产生长时烘干工件堵塞短时烘干工件出货的情况。当有紧急出货家具时，烘箱内自动将部分输送线排空来接收紧急出货家具通过，当紧急出货家具下线后，烘箱内输送线恢复正常接收状态。
3柔性化家具涂装生产线硬件设施
要满足柔性生产模式，需要对每一个工件进行实时定位，并且独立控制工件的走向，能确定每一个工件的位置及状态，可以随时对工件的工序和状态进行调整，其生产线的硬件设施需要满足以下要求。
3.1输送线
输送线为单方向输送，能够调节输送速度，在输送线出口工位能够独立放行单个工件，输送线缓存工位能够积放多个工件。
3.2 RGV小车
小车负责在输送线之间转运工件，小车具有延轨道移动及延输送线输送的两个驱动，每个小车对应配置一台激光测距仪，准确定位小车位置。
3.3 工位工作站
在人工操作工位设置工位工作站，工作站上设置固定的功能性按钮使工人能够根据工件的加工状态对工件的工艺路径进行调整，如当工件到达工位时发现工件损伤，可按按钮改变工件工艺路径至返修工位，当返修完成后自动返回当前工位继续加工；当工件加工完成后发现需要再一次喷漆时，可按下按钮增加喷漆工艺，完成增加的工艺后，再返回当前位置。工作站上设置急停完工等按钮，对输送线的运行状态进行控制；设置呼叫按钮，发生紧急事件时呼叫技术人员到工位解决。
3.4PLC、人机界面及数据库
柔性涂装线上所有检测原件及执行机构输入输出信号接入到PLC中，PLC和WinCC通过TCP/IP协议进行通讯，WinCC界面上能显示所有检测原件的状态，并能控制柔性线上所有电机及执行元件的动作及频率。WinCC信号通过OPC协议与SQL进行通讯，SQL通过WEB界面获取工艺配方、生产计划及柔性线硬件信息，通过与WinCC实时通讯获取柔性线上的实时数据。通过SQL与WinCC之间通讯，可在WinCC界面上查看每个工位上工件的信息及生产状态，并能通过修改工件的生产状态来调整工件的路径[2]。
3.5二维码标签及二维码读写器
每个放置工件的托盘底部安装唯一的二维码标签，在生产线的上线工位、下线工位、品检工位、每条输送线出口工位及RGV小车上设置二维码读写器。
图3 各工位二维码读写头功能
Fig.3 Function of QR code read-writer on each station
4柔性化家具涂装生产线软件平台建设
软件平台主要为PLC软件平台、WinCC操作平台、数据库组成。
现场采用西门子S7-300 PLC将采集到的信号通过Profibus协议与工作站中的WinCC进行通讯，WinCC与工作站中的数据库通过OPC接口进行通讯，数据库通过Webservice接口与工厂MES系统进行通讯[3]。
图4 信息通讯拓扑图
Fig.4 Topographic map of information communication
4.1 PLC平台
PLC连接现场所有硬件（RGV小车、二维码读写头、输送线、烘箱、喷台），控制RGV小车运行，采集托盘标签信息，与WinCC平台进行数据交互，保证数据的实时性[5]。
4.2 WinCC平台
WinCC界面实时显示整条柔性线中每个工位运行状态，操作人员可通过WinCC界面监控现场每一个RGV小车、输送线、工位、喷台和烘箱，并能查看和调整每一个工件的工艺路径。
4.3数据库及Web服务页面
通过Webservice接口维护柔性生产线设备、人员信息。工厂MES系统下发工艺BOM表通过Webservice接口储存在工作站的数据库中，在Web服务页面上将工艺BOM表中的工艺与工位进行绑定后系统自动生成工艺路径表。
工艺路径表储存于服务器中形成工艺路径库，每次开工前只需将生产任务与工艺路径进行绑定工件即通过二维码读写器自动可上线生产[4]。
数据库用于储存现场所采集的信号与数据、Web服务页面人工输入的信息、MES下发的工艺BOM表和生产计划等。数据库将生产任务与实际工件关联，结合现场生产状态进行RGV小车的调度。
RGV小车每次只接收一个要车指令，当个工位都要车时，系统根据时间先后顺序对要车指令进行堆栈，先发送要车指令的系统先将指令发送给RGV小车。每个RGV小车有优先工作区域，在满负荷运行时，每个小车在各自优先工作区域内运行，当某小车在一段时间未收到要车指令时，系统会根据当前运行状态安排空闲小车分担其他同轨道小车的任务来提高生产效率。
通过现场对每一个工位、工件、工艺路径、人员的生产时间进行记录，数据库对生产记录进行整理分析形成工位平衡性分析、工人能力分析、产品缺陷统计等生产报表。
5.结语
柔性化生产线使整个生产过程可视化，能够从全局把控生产现状，生产过程在线随时调整，使生产过程更灵活，对生产的每个环节进行有效记录，全程可追溯，管理者可通过生产管理报表了解整线运行情况，使管理更高效更准确。通过不断使用数据的积累，管理者可在柔性生产线参数和数据的不断调整中让生产线不断优化，以达到最大生产效率。
参考文献：
[1]马岩、邓英健、杨春梅.小规模定制家具的新模式探讨[J].生产与应用.2018.10：54-57
[2]叶寒、龚文俊、周佳武.基于OPC协议的柔性生产线异构网络控制系统设计术[J].制造技术与机床.2017.9：158-162
[3]刘怀宇.现代实木家具涂装工艺探讨[J].广东化工.2001.1：21-23
[4]熊先青、蒋义、黄琼涛、郭伟娟、吴智慧.大规模定制家具MES系统的关键技术研究[J].2018.07：79-83
[5]吴智慧.工业4.0 时代中国家居产业的新思维与新模式[J].2017.3.2.31：5-9
论文作者:周瑜忻,孟令宽,吴卓坪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/18
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