儿童家具柔性制造的关键技术与实践∗

王承飞 朱姝蔓 黄琼涛 熊先青 张圣清

随着国民经济水平的快速提升，我国家具产业已经发展壮大，儿童家具作为独立的家具种类，仅用10年时间，就占据了整个家具市场9%～10%的比例[1]，发展相当迅速。

尽管已经达到一定程度的市场规模，但儿童家具行业在总体上还是属于低端市场[2]。近几年，其发展进入瓶颈期，产品款式、功能单一，缺乏设计，质量不达标，消费者很难买到适合的儿童家具，企业的生产成本也在逐渐增加。

基于此，笔者将柔性制造应用于儿童家具，通过其关键技术对国内某企业儿童家具进行柔性制造实践，解决生产中遇到的问题，对于相关企业实施柔性化生产具有一定的指导意义。

1 儿童家具柔性制造的必要性

1.1 儿童家具生产存在的问题

市场所售的儿童家具普遍存在设计、结构不合理，质量、精度不高的问题，其根本原因源自儿童家具与一般成人家具的差异性。由于儿童生理与心理的特殊性，儿童家具在外观、结构、功能、性能、周期等方面的要求都要高于一般成人家具，这给生产带来巨大压力，主要表现为：

1）异形零部件比例高。儿童家具造型多圆滑且复杂多变，这不仅是出于安全的考虑，对儿童的创造力与想象力成长也有一定帮助。

2）尺寸种类多样。儿童的身体会在短期内快速成长，造成了其对家具尺寸的需求远高于一般成人家具。

3）精度、质量要求高。国家相关标准[3]对倒角、孔隙、弹性、稳定性等方面均有规定。

4）换代周期快。无论是外观款式，还是家具尺寸，都会由于儿童心理与生理的快速变化而改变。

这些特点与相关规定对儿童家具提出了更高的要求，也增大了其设计研发与生产成本，多样化的市场需求与快速的换代周期要求儿童家具企业必须具备快速响应市场的生产能力。

1.2 儿童家具柔性制造的必要性

儿童家具对于儿童成长具有重大意义，适宜的儿童家具对于其骨骼发育、智力培养有很大帮助。不少设计师专门针对儿童特点为其设计家具，但由于传统流水线生产模式对于个性化产品的生产能力不足，导致高品质儿童家具制造成本的增加，难以为一般家庭所消费。

在这种情况下，柔性化制造成为了儿童家具发展的一个有力武器，具体体现在：

1）提升车间在零部件的尺寸多样化和异形加工方面的能力。通过柔性制造技术可以提升零部件的标准化程度，实现异形件、各种尺寸规格等复杂多变零件的加工[4]。

2）解决质量与精度问题。依据工艺相似性建立生产模块，有助于工人掌握加工技能，以此提升家具质量与精度。

3）模块化生产可节省加工准备与物流运转时间，缩短生产周期。

4）生产计划的灵活可调。柔性制造系统可以对动态环境进行分析，结合基本设施合理调配资源，优化已经生成的计划表[5]，快速响应市场变化。

儿童家具在设计、生产、销售各环节全方面发展[1]，但缺乏一个较完整的系统结构作指导，导致设计、生产、销售之间相互制约，信息不能快速有效传递，资源无法合理配置。

因此，对儿童家具进行柔性制造势在必行，这不仅有助于企业的转型升级，解决多样化需求对生产造成的压力，同时对于儿童的健康成长也具有相当重要的意义。

2 儿童家具柔性制造技术

2.1 概述

儿童家具的柔性制造基于柔性制造理论对儿童家具生命周期的各个环节进行管控，如图1所示，柔性化设计，是从产品开发设计端开始，通过成组技术实现模块化设计与零部件的标准化，建立工艺产品族与参数化的模型库，形成通用件与异形件两类；柔性化生产，是通过柔性计划灵活安排生产，实现资源、组织、计划与管理的柔性，依据加工相似原理建立生产模块，设备则按区域式布局，同一模块内零件工艺相近、工序相同，从而减少换刀、设备调整与准备时间，将通用件与异形件按“推式”与“拉式”相结合的方式进行生产；整个生产过程通过信息化手段来监管调控，其实质就是将设计、计划、生产及管理等各个环节衔接起来，实现精准的数据转化与高效的信息传递。图中虚线部分为具体操作步骤。

图1 儿童家具柔性制造总结构Fig.1 General structure of children's furniture flexible manufacturing

各企业由于产品造型与工艺不同，具体方法有所区别。笔者以某企业为例对其进行柔性制造实践，该企业儿童家具为美式卧房系列，主要包括床、柜、桌、椅四类家具，生产模式为传统流水线式，适合大批量生产，当订单中家具款式多、数量少时车间便面临着频繁的调机、换刀，物流运转混乱，造成生产周期延长与成本增加。这种生产模式下的新产品开发周期较长，平均一年仅有四款新品的开发，客户订单主要为以往旧款，工人加工基本依靠经验，企业无法快速响应市场，基于此，从设计、生产、管理三方面对其提出柔性改造。

2.2 柔性设计

设计的柔性化是儿童家具柔性制造的基础。多品种小批量的生产模式下的家具生产工艺应该灵活可更改，这就要求设计与生产之间的数据可以对接，即设计方案与生产BOM（物料清单）之间的快速转换。

传统方式为设计与生产人员进行沟通，时间慢、效率低，且易出错。设计的柔性化强调在设计初期对零部件进行标准化，建立零部件工艺产品族，同时对儿童家具产品进行参数化模型库的建立，随着设计方案的积累，产品族与模型库不断扩充，不仅有助于设计人员针对儿童需求快速设计，同时企业可以根据设计方案迅速对生产工艺进行调整优化。

2.2.1 关键技术

1）零部件工艺产品族

划分工艺产品族的目的在于对儿童家具结构进行模块化[6]与标准化，提高零部件重复率，减少异形零部件过多而造成的生产压力。要注意的是产品族应该包括通用零件与异形零件两类，通用零件采取推动式生产，上工序无需为下工序负责，生产出产品后按照计划把产品送达后工序即可，缩短生产时间，并形成一定库存；异形零件采取拉动式生产，由下道工序向上道工序产生需求，实现异形零件的精益生产，即“推拉结合式生产”[7]。

图2 儿童家具柔性设计程序Fig.2 Flexible design program of children's furniture

新产品开发设计程序，如图2。模块化设计：先由设计人员结合儿童的喜好、市场的热点、流行趋势等因素对儿童家具的主题进行设计, 形成抽象的产品形态；功能模块设计:通过对用户的生理与心理特征调研分析确定其功能诉求，根据功能确定单元模块，形成具象的儿童家具形态；功能结构设计:由生产人员提供技术支持，确定家具结构与连接组合方式；工艺工序设计：通过成组技术对零部件尺寸、结构、刀型进行标准化，去掉多余无用的零部件，通过分析加工工艺与工序，形成零部件的工艺产品族。图中虚线部分为具体操作步骤。

2）零部件参数化模型库

产品族建立后按各产品族的结构与工艺特点对所有零部件进行编码[8]，编码包括产品系列、结构特点、工艺工序、交货期等信息，建立标准化体系，随着设计方案的不断积累，形成一个参数化的模型库，如图2。设计师在进行后续开发时可直接从模块库中调取成熟的模块零件，其工艺数据也可通过模型库自动生成。

2.2.2 实践研究

对某企业儿童家具实行柔性化改造，先将床、床头柜、桌、椅四类家具的零部件拆分开来，打破隶属关系，依据上述产品族划分关键技术，按照结构与工艺相似性重新划分产品族，主要可分为条块、柱形、曲线、直线、抽屉、板料六类，如图3。

图3 儿童家具零部件产品族Fig.3 Product family of children's furniture parts

1）条块类：一般无复杂结构，外形为规整的长方体，加工流程较为简单。主要包含：托条、支撑脚、封边条、连接板、三角木、路轨条、加固条、横档等结构部件。

2）柱形类：需经过二次拼板，主要加工设备为木工车床。主要包含：车脚、床柱、桌/椅腿凳回转形部件。

3）曲线类：整体形状为弯曲线条，主要加工设备为带锯机、立铣机。主要包含：床顶线、面板、柜脚、椅脑、椅脚、坐垫板、桌面板、桌腿等。

4）直线类：整体形状为直线条，一般用四面刨加工成型。主要包含：床/柜/桌/椅脚、垫条、脚方块、立柱等。

5）抽屉类：抽屉部件的生产，主要加工设备为开料锯、锯铣机（开榫）。主要包含：抽屉，抽面/后/侧/底板；键盘抽，键盘前/侧横、键盘底/面/侧/后板等。

6）板料类：所有人造板零部件的备料加工。主要包含：床挺基板、肚板、贴条、面/侧/底/背板、垫板等。

产品族内零部件结构相似，工艺流程基本相同，后续方案可在此基础上向零部件的系列化、标准化延伸，有利于设计方案向生产BOM的转换，大大缩短了设计研发周期，解决了家具随儿童长大而更新换代的问题，可适应不同儿童的个性化需求。

2.3 柔性生产

柔性化生产包括柔性生产计划与柔性化机加工两部分。前者指通过柔性思想来安排生产，体现在可根据订单要求、产能及人力等情况采取各种方法灵活地调整生产计划，以满足市场需求的变化[9]。后者是前者实现的具体方法，主要包括模块化生产、柔性布局及推拉结合式生产。

2.3.1 关键技术

1）柔性生产计划

客户下单后家具企业需要依据交货期及企业资源做出相应的计划，在具体实施过程中又会受物料供给、车间产能、交货期改变等条件影响而进行调整，这便需要与计划相关的所有环节都参与进来进行协调。而柔性生产计划的目的则是通过柔性战略思维，对企业的资源、组织、计划以及管理环节进行柔性战略部署，灵活运用企业各项资源以应对市场环境的快速变化。

图4 柔性生产计划结构Fig.4 Structure of flexible production planning

如图4，资源采购与分配上要灵活，在先进先出与先出先进之间做好协调；对各部门组织适当放权，提升管理能力与沟通效率；生产中出现问题可及时进行调控，协调好生产与计划之间的关系。

2）柔性机加工

柔性机加工是柔性制造的核心，柔性生产计划需要靠柔性机加工来实现。基本流程为：依据零部件工艺零件族建立相应的生产模块，对各模块的生产工艺进行设计，通过车间各工序的加工能力确定设备型号与数量，据此对模块内的设备进行布局，最后进行整体的布局与物流规划[10]。

①生产模块的建立

儿童家具相对于一般家具在工艺标准和质量要求上更为严格，柔性化生产即根据工艺产品族中零部件的结构与工艺相似性建立相对应的生产模块，工人由于长期生产同一类结构工艺相似的零部件，可熟练掌握该类部件的加工工艺与技巧，从而提升儿童家具的精度与质量，且节省调机、换刀、换模的准备时间以及物流运转时间。要注意的是生产模块建立时要符合成组技术理念和要求，以提高生产效率为目的[11]。

②模块内的设备布局

设备布局方式有直线布局与区域布局[11]。直线布局在大批量的生产任务下效率更高，但不具备柔性，一旦工艺顺序有所改变，整个布局都需重新规划。区域布局更具稳定性，当工序或任务改变时，区域内部依然可在物流距离最短的条件下实现局部流水线生产，所以各模块设备一般采用区域式布局。

③推拉结合式生产

在制定生产方案之初先将儿童家具零部件产品族分为标准化通用件和多样化异形零部件两类。对于通用件采取“推动式生产”[7]，根据预测提前生产，并做一定的安全库存，实现批量化生产的规模效益，降低成本；对于异形零部件则采取“拉动式生产”，由下道工序向上道工序产生需求拉动生产，来缩短其生产周期，从而缩短个性化儿童家具的交货期。基于零部件通用件的批量性和异形件的多样性，将“推”和“拉”相结合，解决批量化生产与个性化需求之间的矛盾。

2.3.2 实践研究

依据加工相似性，在2.2产品族基础上依据上述关键技术对族内工艺流程与所需设备进行规划设计，建立生产模块，如表1。

所有零部件均要经过备料，故在产品族的基础上增加实木与板料备料模块。上述各模块内的零部件结构相似，工艺相同，对模块内设备进行区域式布局，采用推拉结合式生产，可实现模块内的批量化生产，当生产任务改变时，可灵活启用生产模块以实现柔性化生产。

表1 生产模块工艺表Tab.1 Working procedure of production module

2.4 信息化管理

信息化管理是儿童家具柔性制造的有力保障，计划的灵活调节必须要建立在对有效信息的准确分析与判断上，因此要对生产进行实时的过程监控与高效的信息传递。一般生产环节的信息化管理结构为：

1）生产信息的传递：包括生产任务与工艺信息，生产任务由计划部与生产部根据交货期、物料到位情况以及车间生产能力制定；工艺信息由工艺部、设计部与生产部根据产品方案与车间设备制定工艺文件与物料定额，包括CAD图纸、物料定额、工艺流程、机床CAM加工工艺方案、技术与设备参数、操作方法及验收标准等。

2）信息的储存与读取：工人在生产时需要对工艺信息进行储存与读取以指导生产，可通过纸质文件、样品模板以及数字终端等方式实现。

3）车间数据的实时采集[12]：包括生产进度、设备型号、运行速度、运行时间、运行效率、操作人员等工艺技术参数的采集及传递。

4）生产调控：生产部与计划部结合市场订单需求及车间采集的信息对生产进行分析处理，包括订单数量增减、工艺更改、优先排产、交货期的提前与推迟等指令的下达。

5）车间的信息反馈：包括LED显示屏以显示生产计划、进度及变更通知等信息，移动终端以传递图片信息与语音命令，传真、打印机等设备形成纸质文件。

通过生产管理的信息化，可以实现对于生产过程的数据的实时监控与调整优化，通过对其信息的分析与判断，生产计划才能灵活指挥机加工，从而实现柔性制造。

3 结语

随着信息技术与工业技术的不断融合，我国制造行业正面临前所未有的风险与机遇。在这种趋势下将柔性制造技术应用于儿童家具行业，通过柔性设计、柔性生产以及信息化管理手段来提升儿童家具制造水平，有助于其满足多样化市场需求，降低生产成本与周期，提高质量，对于企业转型升级、儿童健康成长都有着极为重要的意义。

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