我國衛生陶瓷工業機器人的發展現狀

朱瑞娟 陳媛媛 劉繼武 李治 劉欣

（1 中國建材檢驗認證集團（陜西）有限公司；2 國家建筑衛生陶瓷質量監督檢驗中心，陜西 西安 710116）

0 引言

工業機器人是國家制造水平的重要標志。從1959年美國Unimation公司的第一臺機器人至今，工業機器人已發展成為柔性制造系統(FMS)、自動化工廠(FA)、計算機集成制造系統(CIMs)最重要的自動化工具[1]。

我國工業機器人起步于20世紀70年代，由于起步晚、技術薄弱等原因，我國工業機器人的技術水平與發達國家存在很大差距。隨著我國勞動力成本的上升、勞動力供給的下降以及產業升級的需要，并伴隨“工業4.0”的到來和“中國制造2025”的提出，近年來我國工業機器人產業實現快速增長(如圖1)。IFR數據顯示，2017年中國工業機器人市場占有率達30%以上，已連續5年成為全球第一大市場[2]。

圖1 2008-2018年中國工業機器人銷售情況

陶瓷產業作為傳統制造行業，目前在國內自動化程度均比較低，只能算是半自動化，主要依賴人工作業，存在安全風險高、勞動強度大、工作效率低等問題。隨著加工成本的增加、解決勞工不足的呼聲愈來愈高及工業機器人服務的安全性、效率和質量要求不斷提高，機器人代替人工勞動力成為了陶瓷行業快速發展的催化劑。本文主要針對我國衛生陶瓷工業機器人發展現狀及趨勢進行了歸納總結，對發展中存在的主要問題進行了評述。

1 我國衛生陶瓷工業機器人發展現狀

1.1 發展現狀

我國工業機器人應用面向行業主要是汽車、電子工業等行業，且這些行業由于自動化程度高，對機器人有旺盛的需求[3]。由于產業升級和勞動力短缺，陶瓷行業逐漸對機器人產生了新的需求，衛生陶瓷行業作為傳統制造行業，其產品生產要經歷毛坯成型、修坯、噴釉、再燒結成型等工藝流程，工作環境差、勞動強度大、質量難于保證及用工荒等問題日益嚴重，采用機器人技術，建立自動化生產線成為衛生陶瓷行業技術發展必由之路。

目前衛生陶瓷工業機器人主要應用在噴釉、拋光打磨及搬運包裝等自動生產線，市場容量相當可觀。國外衛生陶瓷行業機器人自動化生產線已相當成熟。美國匹茲堡大學的Bopaya Bidanda等[4]于1993年在綜合考慮釉料的粘度、干濕比、密度及流速等物理性質及噴槍的形狀、噴射距離、噴涂時間等參數和要求的前提下，通過建立數學模型并利用計算機輔助設計的離線編程技術，設計出施釉機器人離線編程系統，從而奠定了施釉機器人離線編程系統的設計基礎。希臘德謨克利特大學的Georgilas I.P.等[5]針對手工結合機器人在衛生陶瓷施釉過程中存在的一系列問題，如復雜形狀的制品存在的施釉死角和制品表面釉面厚度不均，根據施釉噴槍工作軌跡，提出了制作基于表面CAD 模型的3-D模擬器來輔助控制施釉生產過程的新型解決方案，使施釉質量得到提升。葡萄牙科英布拉大學Veiga Germano等[6]設計了一種交互式編程系統，開發出了一種簡單而靈活的編程系統，利用先進的3D圖形系統優化陶瓷坯體自動拋光機器人工作軌跡，使其靈活度達到一個新的需求。

國內陶瓷工業機器人的起步較晚，核心技術落后于發達國家，國內較為成熟的機器人生產廠家有安徽埃夫特、廣州數控、廣東巨輪模具、南京埃斯頓等，佛山新鵬機器人公司、佛山利迅達公司、科信達科技公司、福建長江公司、珠海固得、華恒公司、蘇州博實機器人公司等利用國產或者國外機器人為核心，已成功開發出噴釉、噴漆、拋光打磨等集成應用系統。國內的第一臺噴釉機器人是由佛山新鵬機器人技術有限公司與樂華衛浴公司合作共同研制。據悉馬可波羅、東鵬、新明珠等不少知名陶企都已開始使用機器人生產制造，效果十分可觀。尤其在噴釉方面，傳統人工噴釉易導致不均勻的現象，而噴釉機器人，能夠通過程序很好地控制噴涂的時間和量，相對于傳統的大多數廢品率在3%-6%的衛生陶瓷企業，幾乎可以做到零廢品率，節省釉量10%左右，且每條噴釉生產線可節約2/3的人力；其次，在搬運碼垛方面，工業機器人可安裝不同的末端執行器，通過編程完成不同形狀和狀態的工件搬運，無論是抓放物品還是搬運距離，都能精確操作，且動作響應速度快，負重能力強，工作時長不受限，大大降低了工人勞動強度。此外，在注漿、翻坯、立坯、燒成等方面，中國建材檢驗認證集團（陜西）有限公司成功研發了相關智能化生產設備及自動化生產線，生產效率顯著提高。例如，自動翻坯出坯機能夠實現石膏模具和青坯的脫離及濕坯的準確旋轉對接，翻坯出坯節拍時間1.5分鐘/件，而傳統工藝需兩人配合完成，且容易造成坯體損壞；燒成工段進行裝卸窯時，利用自動識別式白坯裝窯機械手完成白坯裝窯工藝，燒成完成后再通過卸窯機械手將產品卸至檢驗工裝板上，經自動輸送線送至成品檢驗工位，完全滿足一般隧道窯的吞吐需求。

據初步統計，目前佛山陶瓷全行業應用的各種型號工業機器人已超1000臺。但由于傳統的陶瓷行業需要在機器人應用方面根據廠家的實際生產工藝進行專業性的機器人設計，而這些市場由于缺乏統一的技術解決方案，導致陶瓷工業機器人產業化應用受到了很大的限制，尤其是面臨小批量、多品種的陶瓷生產模式，一直難以推廣。從制造業發展階段來看，工業1.0是以蒸汽機為代表的機械制造時代，工業2.0是以規模化流水線為代表的電氣化與自動化時代，工業3.0是以數控機床為代表的電子信息化時代，工業4.0是以智能制造為主導。如果將陶瓷行業的現狀對照上述的發展階段，整個行業充其量是介于工業2.0與工業3.0之間，離工業4.0還有漫漫長路。

1.2 存在問題

隨著我國工業轉型升級的不斷加速，陶瓷產品生產方式也必將向自動化、信息化和智能化方向發展，但是，迄今為止，我國衛生陶瓷工業機器人尚處于產業化初級階段，仍面臨一系列嚴峻的挑戰，主要體現在以下三個方面：

1）核心部件生產技術落后

我國工業機器人的起步較晚，核心技術落后于發達國家，特別是在高性能交流伺服電機和精密減速機方面的差距尤其明顯，目前，全球機器人核心部件幾乎被國外供應商壟斷，如減速器基本由納博、哈默納科等幾家日本公司控制，外資廠商即有瑞典的ABB，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA等四家廠商成為全球主要的工業機器人供貨商，合計銷售占據全球約50%的市場份額。而專門針對衛浴行業的專業機器人更是落后于國外陶瓷巨頭，同時，針對國內產品換產頻繁，專業人才及標準缺乏等問題，更是給行業帶來更大難題，導致形成嚴重依賴進口的局面，因此，擁有自主研發的性能可靠的關鍵零部件是國內陶瓷工業機器人長足發展和擴大規模的重要途徑[7]。

2）陶瓷機器人行業整體合力不足

美國、日本等發達國家已經形成了各自的機器人產業化模式，中國的機器人技術雖然取得了較大的進步，但由于起步較晚、基礎較弱，衛生陶瓷行業機器人整體合力不足，還未達到規模化的生產應用。首先，我國陶瓷機器人產業尚未形成統一的產業標準和相關的技術應用平臺，企業之間尚未形成密切的產業關聯態勢，行業整體發展缺乏合力，因而質量難以控制，也難以實現批量生產；其次，機器人企業全國分布較為零散，尚未形成產業集群，機器人行業實力良莠不齊，各家研究機構過于獨立封閉，一定程度上影響了行業的發展壯大，諸如沃迪等上海一線城市企業的零部件采購均分散在全國，而上海本地的配套企業并不多[7]。

3）以工業機器人為核心的陶瓷生產系統無法迅速推廣

以工業機器人為核心的生產設備無法迅速推廣是傳統陶瓷行業升級改造的核心問題。近年來業內偏向于重視工業機器人的系統研發，忽視關鍵技術突破，關鍵零部件主要依賴進口，造成國產機器人的成本遠遠超過了大多數陶企的承受能力，嚴重制約了機器人產業化進程和推廣應用[8]；工業機器人集成應用系統往往需要操作人員對復雜的操作控制系統、示教方式和生產工藝等相當熟悉，而目前陶企內部大量需要機器代替人工的工種，操作人員和維修維護人員大部分是學歷較低的普通工人，很難一下子接受和熟練使用高端裝備，造成使用矛盾，例如，噴涂機器人由于被噴工件的復雜曲面特性，導致人工示教和離線編程示教難度非常大，進而限制了設備的推廣；需要拋光打磨的五金件，由于曲線復雜，手動編程有的高達1 個月，造成難以推廣，這也是國外的成熟生產系統直接引進到國內不能發揮效力的重要原因之一；工業機器人諸多技術方面仍然停留在仿制層面，創新能力不足，制約了陶瓷機器人市場的拓展。為此，國家為滿足日益增長的機器人專業的人才需求，中國電子學會受國標委委托于2015年推出了“全國青少年機器人技術等級考試標準”，對未來我國機器人產業的創新發展和應用推廣意義重大。

2 發展趨勢

隨著陶瓷行業的快速發展，陶瓷生產越來越趨向于高效、穩定的生產方式，未來整個陶瓷行業工業機器人的應用缺口非常大，雖然國內已經完成了衛生陶瓷工業機器人從無到有的突破，但是隨著“機器換人”的完成，實現生產過程的模塊化、柔性化、產業化成為未來衛生陶瓷行業智能制造發展的重要趨勢。

2.1 模塊化

所謂模塊化就是為實現產品(系統)的總功能，在功能分析的基礎上，將整個產品分解為若干特定模塊，然后通過模塊的不同組合得到不同品種、不同功能的產品，以滿足市場的各種需求[9]。由于衛生陶瓷產品設計千變萬化，導致其生產工藝多種多樣，模塊化設計可以滿足其不同的需求；能夠使機器人零部件便于拆卸，便于組件的運送、替換和維修；通過組件的不同搭配，既可滿足不同用戶群體的諸多個性化需求，又可以降低制造成本[8]。

2.2 柔性化

柔性化生產是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統，并具有一定管理功能。柔性生產是全面的，可實現設備、管理、人員和軟件的綜合柔性[10]。例如，衛生陶瓷機器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中適應了不同的工件和模具。不僅可以取代粉塵大、作業復雜、勞動強度大及精度要求高等工作，還可以大大提高產品質量和勞動生產率。其次，信息控制系統可“存入”許多工件的最佳施釉工作“曲線”，且操作簡單，即便工件發生變化，機器人也能以最快的速度適應工件，噴涂出高質量的陶瓷釉面，使生產過程具有更完善的判斷和適應力[11]。經調查兩種做產品噴涂程序的使用情況顯示，相同產品條件下，模擬人工操作的方式，做一款程序大約需要10-30分鐘，而人工手動示教操作，做一款程序的時間為5-7天，相差十分明顯。

2.3 產業化

陶瓷制造強國意大利、德國和日本等國在機器人應用方面已經基本實現普及，尤其在噴釉工藝方面，其效率遠遠高于手工施釉的噴釉設備。而我國在該產業的工業機器人應用比例過低，當前主要依靠人力[12]。隨著我國勞動力成本的上升、勞動力供給的下降以及產業升級的需要,采用機器人技術，實現陶瓷產品從毛坯成形、修坯、噴釉、再燒結成型等全過程的自動化生產顯得尤為重要。例如，在固定作業機器人中，為了提高動作靈活度，多關節、多自由度的機械臂等機構開始出現。其次，機器人修坯打磨系統相對于人工打磨效率提高25%。噴釉機器人的使用可使每條噴釉線節省2/3的人員，生產效率提高80%，大大節省人工成本。更重要的是機器人上崗后，可讓生產工人遠離粉塵、噪音等的傷害，基本杜絕職業病的 產生，從而大大降低了企業的經營風險。因此，實現陶瓷工業機器人產業化是陶瓷行業迫切需要完成的發展目標。

3 結語

陶瓷企業目前面臨著產能過剩、綠色制造和互聯網沖擊等多重壓力，一方面就是進行信息化改造和智能制造，以便于及時對市場變化做出反應；其次，生產管理水平的高低也決定著整個制造產業競爭力的高低，尤其是類似陶瓷行業面臨的管理復雜性和人才缺失等因素，生產管理是實施自動化制造發展戰略的關鍵環節。此外，相關措施的制定可進一步推進陶瓷工業機器人的發展進程。例如：加大政府投資力度，制定具體的扶持政策；加大工業機器人教育方面的支持，保證高端專業研發人才的持續供應等；促進創新成果及產學研實際轉化率，加強高校與企業，企業與企業之間的交流合作。相信陶瓷行業邁向工業4.0的智能時代指日可待。