由于板式定制家具满足了功能性、可设计性和个性化等要求，其市场受欢迎度愈来愈高。在定制家具的生产过程中，能够运用先进的管理信息化技术、计算机技术和智能制造技术，降低生产成本，提高生产率，成为传统家具制造业转型的新机遇[1-3]。在面对良好发展前景的同时，定制家具的生产也面临一些难题，为了提高板材利用率，家具企业将多个订单统一下料进行揉单生产，这种生产方式利用标准化技术，既减少了产品内部多样性，又保证了产品外部多样性，但也产生了工作量很大的分拣过程[4-6]。目前我国家具企业主要采用人工分拣方式，面对数量大、种类多的板件，分拣效率较低、分拣错误率和劳动成本较高。而智能分拣系统的应用可以解决这个难题，所以了解智能分拣的关键技术和应用就变得十分有意义[7-8]。
1 板式定制家具分拣现状
1.1 生产特点
板式定制家具的生产工艺大致包括开料、封边、加工中心这几个部分，在标准化和信息化的支持下，提供个性化产品和服务[9-10]。板式定制家具品种多、批量小、工艺路线较多且复杂[11]，这种生产特点决定了定制家具分拣过程的复杂性。
由于定制家具尺寸和样式不尽相同，若采用单件下料，即一单一生产，虽然实现了个性化定制，但是会导致板材利用率不高、生产周期长的局面。为打破这个局面，一些家具企业把相同颜色、相同材质的多个订单混合在一起生产，即为揉单生产。由于多个订单的板件混合在一起生产，在检验包装之前产生大量的分拣工作。由于我国智能分拣不论在理论依据上，还是生产实践上都不够成熟，因此企业不得不投入很大的人力和时间去完成多个订单的分拣。
1.2 分拣模式
目前，我国定制家具行业主要采用人工分拣模式，以比较有代表性的定制衣柜企业为例，通过实地调研，分析得出目前板式定制家具的分拣现状，如图1所示。根据开料任务单进行板件开料之后，按分堆号分放不同订单的板件，分堆是对后续工艺路线的归纳，及相近工艺流转到不同的基台。为了防止加工过程中板材的混乱，每块板材都会贴一个二维码标签，每经过一道工序都会进行二维码扫描，录入系统中，并通过MES系统可以随时查询到订单的生产进度。
图1 板式定制家具分拣模式
Fig.1 Panel customized furniture sorting mode
对于封边，分堆考虑到了不同封边工艺的需求，包括：封厚边、薄边，直边等。对于钻孔，分堆考虑到不同钻孔工艺的需求，包括：安装孔、铰链孔等[12-13]。钻孔完成后，板件按照齐套号分放。相同齐套号的板件即是同一个订单，分拣人员根据齐套号完成分拣后，板件按照订单分放。供检验人员根据各个订单的图纸和板件信息对尺寸、孔位、部件是否完整作出检验。最后按照订单的顺序将板件进行包装。
目标企业分拣前面的工序虽然减少了很多分拣工作，只需要按照分堆号运输到不同的设备上进行加工。但是分拣工序几乎全部依赖人工完成，人工分拣过程中，依然存在不少问题：
1）同一订单的大小板和其他异形板件加工时间不一，存在等待现象，甚至某些板件生产过程中会因加工质量问题而重新生产，等待时间长达半天甚至几天不等，影响分拣效率及场地的占用。
2）由于包装跟不上分拣的节奏，场地被很多等待包装的订单占用。场地空间不够，分拣人员需要花费时间移动板件空出场地，或者有意识放慢分拣速度，从而影响了分拣效率。
3）板件加工过程因为个别板件质量出现问题需重新生产，会和颜色、材质相同的其他批次订单一起开料，但封边或者打孔人员不会把这个重新生产的板件挑选出来，容易出现分拣错误。
4）不同批次的订单分堆混乱摆放，导致订单分拣时出现分堆多且分散的情况，需要分拣人员花大量的时间寻找和搬运。
5）小板件分拣时需要长时间弯腰，大板件需要人力搬运分拣，在分拣工作机械单一和劳动强度大的情况下，分拣人员容易出现大的分拣错误。影响分拣效率，增加分拣工作量。
为了简化分拣过程，避免人工分拣导致较高分拣错误率、耗费时间成本和劳动力成本，提出自动分拣来代替人工分拣。而揉单数量和订单平方对分拣效率有很大的影响，明确揉单生产与智能分拣系统之间的关系是智能分拣技术的一个关键点。
2 揉单生产与智能分拣系统的关系
2.1 揉单生产优势
对于家具企业，订单量越多，单件下料造成的成本浪费也越多。在此情况下，采用揉单生产来代替订单式生产，可以提高板材出材率和加工效率，且揉单单数越多，优势越明显[14]。揉单生产具体优势体现在以下几个方面：
1）提高板材利用率。 揉单生产将多个订单统一排版下料，在开料优化软件的支持下能够最大限度地发挥板材的利用率，作为家具生产制造的第一道工艺，决定了后续工艺的加工质量。与单件下料相比较，揉单开料后的余料能够优先选用生产这批订单的辅助部件，或者用来制作厚压板，避免直接用原材料进行厚压，大大减少了余料的浪费[15]。
2）提高设备利用率。 一单一生产的模式根据不同加工要求将板件运输到不同设备上生产，不仅需要大量人工搬运，还产生设备等待的浪费。揉单生产能够充分考虑到各工艺路线和设备的生产能力，结合订单交期、揉单数量和订单平方，制定生产计划。各个设备可以连续工作，减少了等待时间，有效提高了设备利用率。
3）提高生产效率。 在开料工序，工人根据混合订单的开料任务单统一领料、开料，不必分多次领料，或者多次调取系统数据，大大减少了开料工人的工作量。揉单生产的一批订单里尺寸相同的部件，可以进行叠开，开料效率大大提高。与此同时，相同分堆号的板件在封边工序和打孔工序流转的生产设备和加工工艺是相同的，因此封边带不需要多次更换，打孔文件不需要多次调取，工人搬运的次数减少，揉单生产使得生产率大大提高。
2.2 智能分拣系统的必要性
虽然揉单生产提高了板材利用率、设备利用率和生产率，但同时造成了分拣压力的增大。由于多个订单统一排版开料，开料之后按照工艺路线的不同把板件进行分堆，后续的工艺按照分堆号进行流转和加工,会出现各个工序加工时间不等，存在等待现象。采用智能分拣系统可以避免人工分拣导致的较低分拣效率和较高分拣错误率[16]。因此，智能分拣系统对于板式定制家具的揉单生产有很大意义。
3 智能分拣系统关键技术
板式定制家具智能分拣系统的关键技术主要包括硬件技术和软件技术，通过软硬件技术的有效结合，共同完成板件的自动传送、自动检测、板件分拣和自动分放，提高家具企业的制造能力和管理水平[17-19]。如图2所示，硬件技术主要包括信息采集技术、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）和智能机械设备。由信息采集技术获取待分拣板件的各种信息并上传到PLC控制器，PLC通过控制程序发出控制指令，最后由智能设备接收指令完成指定的运输和分拣动作[20-21]。软件技术包括PLC编程和机器人编程，指导智能设备完成相关的分拣工作。
3.1 硬件技术
1）信息采集技术[22]。目前板式定制家具企业主要采用的信息采集技术为条形码识别技术。在实际生产中，开料后的每块板件贴有一个条形码标签，条形码标签承载着板件所有工艺信息和订单信息，由激光扫描器读取条形码的标签信息，并将信息输入到控制系统中。但是条形码识别系统也存在一些缺点：如人工黏贴条形码，位置具有随机性，无法保证扫描器的高效准确读取。此外，条形码识别技术读取距离短，不可重复使用。
图2 智能分拣系统关键技术
Fig.2 Key technologies of intelligent sorting system
目前最先进的自动识别方式是射频识别技术（Radio frequency identification ,简称 RFID），它利用无线电波进行通讯，是一种非接触形式的自动识别技术。RFID电子标签不仅可以实现远距离识别，还可以实现高速运动情况下自动识别，且同时识别多个附有电子标签的板件。RFID技术还有诸多优势：读取速度快、出错率低、可重复利用。但是RFID电子标签价格比较高，且不是同一厂家的电子标签和阅读器无法相互识别，系统比较封闭。
2）可编程逻辑控制器。智能分拣系统控制模块不仅要控制分拣机械准确地完成分拣动作，还要识别和处理一系列分拣信息。可编程逻辑控制器作为控制技术的核心，通过数字信号的输入和输出，作出信息处理形成对机械设备和生产过程的控制指令，并启动运动控制器控制各类机械完成分拣执行工作。PLC控制器通过软件控制，程序简单易行，易于扩展，具有功能强大、可靠性高、性价比高等优势。
3）智能机械设备。智能机械设备是智能分拣系统的执行部分，主要负责接收控制指令并执行分拣工作。智能设备主要包括辊台输送机、分拣机器人、存储架等。
（1）辊台输送机
辊台输送机是分拣系统中最常见的设备，由电机驱动滚筒完成板件的输送。辊台输送机适合于输送底部较平的物品，且机构之间衔接方便，可广泛用于板式定制家具的自动分拣系统中。为了利于板件的输送，还可通过滚筒表面套有橡胶，来增大摩擦力。辊台输送机结构简单、可靠性高、使用和维护都较为方便。
（2）分拣机器人
分拣机器人是智能分拣系统中最核心的自动化加工设备，其由计算机控制可进行编程[23]，主要负责准确抓取分拣线上的板件并放至系统指定的货架位置。分拣机器人在机器人软件技术的控制下，使得机械手上下左右不同方向运动和抓取，目前常见的夹取方式包括真空吸附或真空吸盘式、内撑式、外夹式等[24]。
（3）存储架
板件按照工艺路线的不同在车间内流转，由于加工时间不一，到了分拣区域会出现等待现象。存储架就用于临时存储分拣机器人分拣的板件，并按照订单的不同分放在分拣架不同的仓位。当某一个订单全部到齐后，由系统软件获取自动包装数据，按照板件的先后顺序自动发出板件，继续完成后续的检验包装。
3.2 软件技术
智能分拣系统的软件技术主要包括PLC和机器人两部分。在操作系统的选择上，Linux与 Windows 相比较，Linux具有对硬件更高的兼容性、强大的稳定性和开源等优势，因此， Linux操作系统是PLC和机器人手臂软件运行的首选。
1）PLC编程[25]。PLC编程采用的软件主要接收和处理信息采集技术上传的数据和信息，并发出控制指令，实现对传送带运转和板件推送的控制，及PLC与分拣机器人的通讯信号交流。工业上PLC的软件设计主要有梯形图编程和SFC块两种方式。常用的是三菱PLC，采用GX Developer软件进行编程设计，内容主要包括：系统启动、接收数据并转换成控制命令、PLC的急停和恢复等。编程设计好后，进行编译并下载到PLC中，对软件调试运行。
2）机器人编程。机器人采用的软件技术可以实现机器人与PLC之间的信息和指令收发，完成对板件的分拣入库工作。机器人编程常用RT ToolBox2软件进行设计，需要考虑的内容主要包括：提供机器启动和停机命令、分拣动作的执行命令、提供机器关键状态的上报等。
3.3 智能分拣系统的管控过程
智能分拣系统的管控过程如图3所示：在管控过程中，PLC接收扫描器或者阅读器读取到的板件信息，及系统内的原始板件信息。同时，板件输送过程中会经过一系列的传感器，传感器会检测到板件的一些属性，这些属性信号也会上传给PLC。PLC统一处理这些信息并转换为控制指令，由机器人利用软件技术接收控制指令完成板件的抓取和分放工作。当仓位中某一客户订单全部齐套时，在系统软件的控制下，调取自动包装的数据，根据不同订单之间及同一订单内板件的组合关系发出板件，从而实现订单的分拣工作。分拣后的板件在包装工序进行检验包装。
图3 智能分拣系统管控过程
Fig.3 Intelligent sorting system management process
4 智能分拣系统的应用
我国智能分拣技术的应用始于1960年代，最先在邮政系统中得到使用。经过数十年发展，我国不断学习和引进发达国家的先进技术和自动化设备，自动分拣系统和技术逐渐趋于成熟，并且普及到了其他行业。比如图书出版发行业、烟草制造业等。这些行业都有一些相同的地方：即产品种类较多，涉及的大都是随机性、高频次的配送业务，且对准确性、及时性要求高。
总结以上行业智能分拣系统的应用经验，并结合家具行业内智能分拣项目的实施经验，可知信息化生产对于各行各业发展的重要性，是未来企业的发展趋势[26]。所调研目标企业智能分拣系统的应用方案主要由分拣库存管理软件、二维码识别系统、六轴机器人、存储架、顶升移栽机构、升降机构等部分组成。该项目的难点是考虑分拣机器人的工作节拍是否与前面生产工序的生产速度相匹配，及分拣缓存区的规划设计、板件的区分问题。
智能分拣系统的应用可以为目标企业带来较好的经济效益和社会效益。首先打破了企业车间分拣工序完全依赖人工模式的瓶颈，分拣工序的劳动力消耗大大减少，由8人优化到2人参与分拣工作。其次，大大提高分拣效率。原有的人工分拣模式由人工扫码、搬运和大小板分放，在左右手配合执行分拣工作的情况下，两块板的分拣时间需要45 s。而智能分拣系统的应用，分拣机器人每18 s可实现一进一出分拣作业，大幅度提高分拣效率。
5 结语
随着板式定制家具的蓬勃发展，人工分拣必将被智能分拣系统所代替。智能分拣系统可以降低人工分拣导致的较高分拣错误率、耗费的时间成本和劳动力成本。通过详细介绍智能分拣系统的关键技术及其应用，希望为板式定制家具行业提供一些参考依据。由于定制家具行业生产的特殊性，关于智能分拣技术、系统的组成和规划设计还有待进一步研究。
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