面向智能制造的家具企业数字化设计与制造

熊先青，马清如，袁莹莹，潘雨婷，牛怡婷

(1. 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心，南京 210037；2. 南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

以“大规模个性化定制”来重塑产业价值链体系[1]，是国务院于2015年5月颁布的《中国制造2025》规划中明确指出的制造业新模式；以“大规模个性化定制”为代表的智能制造，是工业和信息化部、科技部、发展改革委、财政部于2016年联合发布的《智能制造工程实施指南(2016—2020)》中进一步明确需要培育推广的新模式；以“大规模个性化定制试点示范”，实现研发设计、计划排产、柔性制造、物流配送和售后服务的数据采集与分析，提高企业快速、低成本满足用户个性化需求的能力，是工业和信息化部于2016年印发的《智能制造试点示范2016专项行动实施方案》中提出的重点行动之一。由此，“大规模个性化定制”已经为传统制造转型升级提供了新的思路和方法[2]，智能制造的帷幕已经拉开，传统制造业正在向个性化定制、数字化生产转型[3]。

作为传统制造业且在国民经济中占有重要地位的家具产业，也紧跟时代步伐，已将智能制造明确为未来中国家居产业变革的重要方向，并将数字化转型作为未来家具产业发展的目标[4]。家具企业的数字化转型，要改变现有的企业生产模式，一方面是满足用户个性化家具产品需求的大规模定制(mass customization，MC)的商业模式诞生[5]；另一个方面是能对市场需求变化做出快速响应、实现多企业组织协同、更好地满足大规模定制家具客户和生产需求的柔性制造(flexible manufacturing，FM)生产模式的形成[6]。如何将这两种模式进行融合，是实现家具智能制造、数字化转型的关键[7]，而融合的过程错综复杂，不仅要以规模化、标准化和信息化为基础，还要在考虑消费者需求的同时，将下单、组织生产、配送、上门安装以及服务等各个环节信息进行集成与共享，这就要求企业在设计手段上、管理体制上和制造方式上发生根本的改变。但到目前为止，国内对于家具产业数字化设计与制造的技术理论研究还十分缺乏，因此，研究家具产品数字化设计与制造技术，对实现家具产业的智能制造意义重大。

正是由于定制的随意性，定制家居结构发生了重大变化，产生了与传统家居多许多倍的不同式样，造成了加工过程的难度，虽然定制家居市场逐年壮大，但我国定制家居产业制造装备与软件方面与发达国家相比仍存在巨大差距，尤其是家居行业集成制造和应用水平还处于初级阶段。由于无法满足定制结构变化的加工需求，导致生产效率低、出错率高、交货周期长、产品质量难以保证及管控过程信息孤岛等弊端。因此，定制家居的快速发展给企业带来新的挑战，需要突破核心技术，即在企业初步自动化制造的基础上，由传统制造模式向智能制造模式和数字化转变，通过数字化技术来提升生产过程中的局限性和“卡脖子”问题，才能由劳动密集型企业向技术密集型企业转变。这已成为摆在家具企业面前急需解决的关键问题。传统企业向数字化转型升级的趋势愈发成为共识，数字化转型将成为所在企业的战略核心。

基于此，笔者在总结传统家具设计与制造技术的基础上，就如何通过数字化设计与制造的生产方式实现柔性制造，阐述面向智能制造的家具产品数字化技术，旨在为我国家具企业的数字化转型升级提供参考。

1 家具企业数字化转型趋势和特点

1.1 定制家具的快速发展

中国家具产业经过近40年的发展，占到世界家具生产1/4强，是全球生产和出口第一大国，在世界上有着广泛的影响和关注。中国家具产业也是国民经济的重要支柱产业，2018年总产值达到16 000亿元，占中国GDP 2%多。受中国经济新常态的影响，家具制造业也放慢了增长的脚步，但总产值依然在稳步增长，连续多年主营业收入增速水平在10%左右[8]。与此同时，受家具与建筑室内装修结合的影响，传统家具产业正逐步向着“大家居”方向延伸与拓展。

作为劳动密集型“大家居”行业，由于受中国制造2025、工业4.0、互联网+等时代背景和“用高新技术改造和提升传统制造业”“大力推进制造业信息化”国家政策导向及产业转型升级的影响，已经逐渐开始向着全屋定制家具(家居)、集成家居、智能家具、智能家居、工厂化装修等模式快速转变，家居产业也逐渐从产品制造商向家居系统集成服务商转变，家具企业从产品研发设计、生产制造、过程管控、营销服务等环节开始尝试数字化、智能化生产经营。特别是“大规模个性化定制家具”的企业越来越多，具有一定规模的生产企业有200余家，以广东、北京、上海、四川等省市为主，其中广东的生产企业较多，约占80%以上，浙江等地有后起之秀的趋势。近10年来定制家具已经在家具行业中占据了重要位置，与成品家具相比，整体增速水平在25%左右，平均营业收入水平显著高于成品家具企业[9]。

1.2 家具产业数字化转型的特征

家具数字化转型实际上也是运用信息技术、数字技术的手段和思想对企业结构和工作流程进行全面的优化和根本性改革，而并非仅从技术层面进行简单的搭建[10]。其关键就在于既要适应个性化定制需求的市场环境变化，又要从思想上建立一种企业智能制造的新模式，是客户参与方式的变革，也涉及企业核心业务流程、员工，以及与供应商、合作伙伴等整个家具产业链交流方式的变革[11]，即让数字技术逐渐融入到产品、服务与流程当中，是构成整个家具产品产业链设计技术、制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，以转变家具企业业务流程及服务交付方式，来体现出全新的制造方式和价值观念，从而提高制造效率和增强企业效益。数字化转型对家具产业来说，是家具产业向着智能制造迈进的关键所在和必然趋势，起到决定性的作用[12]。

1.3 家具企业数字化转型的优势

数字化设计与制造对家具企业来说，不仅是产业转型，更重要的是企业生存发展的必然，是企业在新的时代背景下处于战略核心竞争力的优势所在，是企业实现智能制造的基础。国内目前逐渐走向智能制造的企业如维尚工厂(尚品宅配)、索菲亚衣柜、金牌橱柜、莫干山家居等，无不是在数字化转型的基础上才取得今天的业绩。数字化改造对现有家具企业的竞争优势也非常明显，体现在以下几个方面：

第一，产品生产周期缩短。与传统制造模式相比，由于企业实施数字化改造后，所有企业核心业务流程都在一个网络平台中进行，制造过程由订单式生产向揉单式生产转变、由自主式生产向计划式生产转变，生产过程中排产和管控都以科学的数据说话，因此，可大大缩短产品的生产周期。据不完全统计，以某大规模定制橱柜为例，可将传统制造模式的45～60 d交货期，缩短到7～10 d，这就是数字化制造模式的优势。

第二，企业生产能力提升。数字化生产需要充分发挥各方面优势资源，让计算机服务于整个制造过程中，让制造设备得到最大程度利用，让管控技术在企业生产经营过程中得到充分体现。因此，企业的生产能力将会大大提高。以索菲亚家居为例，其日订单在12 000单，其零部件的数量在百万以上，而且需要在24 h内加工完成，这就是数字化带来的惊人生产能力。

第三，生产成本降低。生产成本的降低关键在制造过程，而数字化制造过程是利用各类软件管控平台和硬件数控机床的融合，由计算机对生产过程进行控制，降低了对工人经验的依赖，由此大大提高了效率、降低出错率、保证零部件的加工质量，从而降低生产成本。以某定制衣柜企业为例，根据企业财务对1年中进行数字化改造和应用前后对比，结果显示，进行数字化生产后原材料利用率由原来的71.97%，提高到87.42%，提高15.45%；单位生产产量可由原来的525.62 m2/人，提高到717.15 m2/人，人均提高191.53 m2，柜体单位生产成本可由155.60元/m2下降至130.4元/m2，下降率16.19%。这就是数字化制造给企业带来的直接经济效益。

2 大规模定制家具企业信息化建设面临的问题

2.1 家具信息模型的搭建

面向智能制造的家具企业数字化设计与制造，实际是用数据来驱动生产，而信息模型的搭建是提供数据的来源，也是企业进行数据转型的关键。家具信息模型(furniture information model，FIM)是以三维数字化技术为基础，集成了家具各相关信息的数据模型，是家具制造各环节实体与特性的数字化表达。它不是狭义的模型或建模技术，而是一种新的理念，以此为核心的数字化技术才能真正引领家具行业数字化设计与制造的变革。

家具信息模型的特征应包括：家具产品三维几何信息及拓扑关系、产品对象的逻辑结构与装配结构信息、产品对象的工艺与工序信息、产品对象的销售与成本信息等(图1)。同时，模型信息的某个对象发生变化时与之关联的外部对象也会随之更新，从而形成内部对象相互关联；为保证家具信息模型内信息的一致性，不同环节的模型信息必须完全一致，才能发挥信息模型的作用。

图1 家具数字化设计与制造信息模型平台Fig. 1 Model platform of furniture digital design and manufacturing information model platform

2.2 数据的转换和应用过程

依据图1家具信息模型平台，并结合家具企业数字化设计与制造转型的需求，搭建信息模型还必须能实现家具企业信息共享、协同工作，并支持设计、生产与销售一体化，通过实施数字化转型和信息化改造，才能通过数据来驱动家具企业运行模式改变，最终推动家具智能制造进程。因此，在搭建家具信息模型的同时，还需明确数据的转换和应用过程。依据目前定制家具企业的现状，本研究搭建的数据转换过程和应用过程模型见图2。

图2 家具数字化制造的数据转换过程Fig. 2 Data conversion process of furniture digital manufacturing

由图2可知，由搭建的家具信息模型，包括订单管理信息、物料BOM(物料清单)、工艺BOM、图纸BOM、刀具BOM、工时BOM、各种加工程序信息等，传递给企业相关的ERP(企业资源计划)/MES(制造执行系统)/CRM(客户关系管理)等管理系统，实施数据源管理、作业资源管理、加工及备料数据下达、排产管理、操作指示呈现、在制品追踪、ERP数据交换等数据处理后，实现数据在数控加工设备的执行与反馈，从而实现数据的转换和应用过程。

2.3 家具制造过程的数据集成

面向智能制造的家具企业其核心单元应是由数控加工设备(木工数控加工设备、机器人)、物料运输设备(自动运储装置)、自动信息采集与处理设备(采集器)、计算机控制系统等组成的自动化制造系统单元，通过该单元的各类技术集成来适应多品种、小批量家具产品生产，并且能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整[13]。但由于家具智能制造是一个系统的生产过程，具有高度随机性、不确定性和多约束性，造成制造影响因子多而且互相影响，加上我国家具的信息化和数字化建设基础薄弱，这种集成技术还处在实践性的初级阶段，因此，始终都无法摆脱出错率高、效率低下、生产周期长等问题。要摆脱此类瓶颈问题，必须对智能制造过程中零部件的复杂性和非线性生产工艺过程系统性、精确管控和追溯技术、车间层信息流流转和共享技术等进行集成[14]，才是实现家具数字化制造的关键。

3 面向智能制造的家具企业数字化技术

3.1 家具企业数字化技术架构

面向智能制造的家具数字化制造关键技术应包括设计数字化、生产过程数字化、制造装备数字化、管理数字化等技术。同时，实现数字化制造的关键技术还应从3个方面夯实网络基础建设，即基础技术、单元技术和集成技术，其中基础技术主要由企业数据库管理系统研发及应用和制造过程数控设备研发及应用等；单元技术主要是指数字化设计过程中三维CAD产品的研发及应用、产品模块化和零部件标准化模型的搭建、基于成组技术的产品族、数字化车间管控过程的MES系统研发及应用、管理数字化过程中的ERP产品研发及应用、全生命周期的信息化管理；集成技术是企业实施数字化过程中的网络制造系统研发及应用、企业集成系统的研发及应用，最终实现数据的传递与共享。本研究以定制家具的数字化建设为基础，搭建了面向智能制造的定制家具数字化技术基本架构，如图3所示。

图3 面向智能制造的家具数字化制造关键技术架构Fig. 3 Key technology architecture of furniture digital manufacturing oriented intelligent manufacturing

3.2 网络化基础数据平台的搭建

家具企业数字化设计与制造指通过利用现代信息技术和通信手段(ICT)，借助网络化基础数据平台，以数字化来改变企业为客户创造价值的方式。企业在进行数字化设计与制造时，需要由企业的网络化基础数据平台构建作为基础，将数字化的符号通过该平台进行处理，从而指导生产。依据某定制衣柜企业的数字化转型构建的数字化平台见图4。

由图4可知，家具企业的数字化平台主要包括三大部分的数字化转型，即前端业务层构成的设计数字化转型、中间核心业务层构成的制造过程和管理过程数字化转型及辅助业务层构成的企业辅助资源。其中前端业务数据主要包括客户个性化需求信息和产品设计信息，并能被数控设备识别的零部件加工信息，为生产做准备；而且核心业务层是企业生产和经营管理的核心信息，一切围绕产品制造过程所需的信息，即“人财物、产供销”，也包括生产组织过程，制造资源计划MES系统；辅助业务数据主要辅助生产过程中的信息，包括财务、办公、设备维护等信息。上述所有信息都应集中在企业一个大的网络平台中进行及时共享与传递。

图4 家具数字化基础平台Fig. 4 Furniture digital foundation platform

3.3 数字化设计技术

家具企业实施数字化转型，首先需要的是设计过程的数字化转型。与传统的家具设计相比，家具智能制造过程的数字化转型，主要包括：家居产品三维参数化零部件实例库的建立和家居设计信息交互技术。家居产品三维参数化零部件实例库的建立包括家具产品模块体系构建、标准化接口数字化设计技术、三维参数化零部件实例库，是依据成组技术，基于产品族零部件和产品结构相似性、通用性构建家具产品标准模块，并通过家具产品零部件的特征分析、分类及工艺柔性等方法，综合分析家具产品零件的功能和物理特性，构建关系矩阵和模块体系，形成家具产品标准模块和标准接口，从而构建三维参数化零部件数据库。定制家居设计信息交互技术包括支持多源信息跨平台共享的软件架构技术和开发支持多平台的定制家居快速定制设计系统，是在建立产品族模型所需的质量功能配置、相容决策支持、BOM表和实物特性表等技术基础上，向客户与设计人员提供交流的平台，进行网上虚拟展示与协同定制设计系统开发。该技术需具备自适应数据对接、云端自存储、自设计以及设计信息快速拆解和并组功能，从而解决家具智能制造过程产品设计图纸信息出错率高、设计信息孤岛、在线设计难及智能化程度低等关键问题。

3.4 数字化制造技术

面向智能制造的家具企业数字化制造技术主要应突破两个方面，即制造过程中的自动信息采集和流转、信息跟踪与追溯技术。其中自动信息采集和流转技术，要解决的是柔性生产线搭建和揉单生产后的高效排产。实际应用过程中应以定制家具产品柔性生产线建设为突破对象，采用技术集成的方法，针对生产线数控机床和机器手，分析制造工艺规划系统，对生产流程中物料和工艺数据进行统计、分析和管理，并将生产线上所有执行机构、检测系统的数据与计划、工艺、品质要求融合协同优化形成数字化的加工技术，实现成组排产、多订单混流生产；信息跟踪与追溯技术，需要通过计划管理与车间管理两大数据处理核心部分，结合自动采集技术(如二维码技术)，将生产计划制定、工序优化、车间加工过程跟踪、分拣包装信息记录等流程数据化管理，并依据定制家具管理软件ERP平台，将数据实时与2020、IMOS、CUTRITE优化软件、CNC加工设备和普通加工设备组成信息接口与交互，从而实现零部件流转加工过程和揉单生产过程的信息流追溯，其信息跟踪技术架构如图5所示。

图5 定制家具数字化制造信息跟踪技术模型Fig. 5 Information tracking technology model for digital manufacturing of customized furniture

3.5 数字化管理技术

面向智能制造的家具企业数字化管理技术，应通过定制家居数字化生产过程中实时数据的采集，针对定制加工过程中出现的信息传递错误、揉单排产难、信息不准、生产执行跟踪难、浪费严重等问题，如何通过多机器人协同控制及指令系统，实现家具生产过程多机协同运行；并对设备运行状态在线监控和订单生产信息智能分析，做出相应的分析和处理，开发家具企业资源规划ERP系统、揉单生产自动排产和多机协同管控MES系统[15]，整合定制家具集成车间加工过程管控，并最终搭建信息集成管控平台。结合某定制家具企业实践，本研究搭建的家具企业智能制造信息集成管控平台如图6所示。

图6 定制家居产品信息(ERP+MES+WCS+WMS+EAS)集成平台Fig. 6 Information integration platform for customized home products (ERP+MES+WCS+WMS+EAS)

由图6可知，该平台以B/S架构ERP系统+MES系统+WCS系统+WMS系统，结合C/S架构EAS系统，通过工厂内部服务器+云服务器的方式，结合电脑、云终端、智能手机、PDA、扫描枪等多类型硬件终端，打通内部局域网络与外部互联网的信息流串接，实现由门店下单、报价审核、订单BOM拆解、采购外协跟进、生产计划制定、车间制造物流管控、仓储入库发货、成本统计核算、门店收货反馈、客户售后服务等全业务流程；结合立体存储仓库、环形存储仓、机器人分拣、龙门机器人、物料自动运输设备等，可实现定制家具产品的智能制造信息集成与管控技术，从而解决家具柔性生产过程中的信息交互与实时管控技术难题，为企业提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造环境。

3.6 装备数字化技术

面向智能制造的家具企业数字化装备技术，是实现数字化制造的基础。主要包括：数控设备的研发技术、机器人技术、自动物流技术。其中，数控设备的研发技术应在自动化和普通CNC研发基础上加大五轴联动数控木工机床开发，这将会是家具企业实施数字化制造装备技术处于竞争优势的标志性产品；机器人技术在我国家具制造业中的应用仍处于起步阶段，虽然机器人的种类很多，但是实际运用非常有限，主要在装配、搬运、焊接、铸造、喷涂、码垛、分拣等生产过程中。对数字化制造而言，需要对新型结构的家具制造机器人及其操作系统和控制系统、视觉反馈等关键技术进行研发[16]，才能突破“机器换人”过程中复杂工作实施的技术瓶颈。自动物流技术应包括对自动化立体创库、AGV智能小车和资源定位系统等方面的技术进行突破。

4 结 语

对家具企业而言，通过数字化可帮助企业实现规范化管理，为企业经营战略服务。本研究面向智能制造的家具企业数字化制造关键技术，是在结合企业实际情况的基础上形成的，对整个家具企业即将实施数字化智能制造具有一定的借鉴作用。但由于我国家具企业实施信息化改造和数字化制造的基础薄弱，加上家具生产和结构的特殊性，数字化转型还处于初级摸索阶段，其更为优化的技术措施还有待进一步深入研究。