日用陶瓷智能制造系統(tǒng)設計研究

鄭立斌，肖 榮，鄭潤東 ，丁志強，謝鐘敏，魏淑鋼

（1. 景德鎮(zhèn)學院 機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2. 景德鎮(zhèn)市第一中學，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

進入21世紀以來，我國的日用陶瓷行業(yè)經(jīng)歷了一個穩(wěn)定發(fā)展時期，技術工藝和裝備日趨成熟，日用陶瓷產量和陶瓷企業(yè)數(shù)量都位于世界前列，已成為世界最大的日用陶瓷生產國。機械裝備經(jīng)歷了機械化、自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的一系列發(fā)展過程。2013年德國提出“工業(yè)4.0”，2015年中國提出《中國制造2025》，標志著智能化網(wǎng)絡化生產制造業(yè)時代的開始。

當前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能推動全球傳統(tǒng)行業(yè)轉型發(fā)展，企業(yè)需要從傳統(tǒng)的產品提供商向綜合服務提供商轉型，在產品提供方式和業(yè)務模式方面需要從傳統(tǒng)的大規(guī)模標準化向大規(guī)模定制化、個性化轉型，也就是向C2B（Customer to Business）模式轉型。基于 C2B的大規(guī)模定制，既包括實物產品，也包括實物 + 服務產品。制造業(yè)產業(yè)模式從生產型制造向服務型制造轉變。數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化技術的廣泛應用，為企業(yè)產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的附加值增值提供了充分的可能性，加快了企業(yè)高附加值產業(yè)鏈條向上下游兩端延伸的速度，促使企業(yè)更快從“以產品為中心”向“以用戶為中心”轉變。

20世紀80年代，隨著對外貿易、對外技術的交流，國內智能制造技術取得了長足的進步與發(fā)展，在一些行業(yè)智能制造裝備取得了一些自主知識產權。國內日用陶瓷行業(yè)從90年代初期引進國外設備和技術，經(jīng)過國內的日用陶瓷機械裝備企業(yè)對這些技術的吸收轉化，已經(jīng)完成了陶瓷整線的國產化。在這些國產化過程中部分日用陶瓷企業(yè)對陶瓷裝備進行了半自動化、自動化改造。但是在智能制造技術方面，國內日用陶瓷行業(yè)落后于汽車、電池、制藥等其他行業(yè)。許多日用陶瓷企業(yè)決策者對智能制造的概念沒有完整的認識，對智能制造在日用陶瓷行業(yè)應用系統(tǒng)框架結構缺乏清晰的了解。也有部分企業(yè)在智能制造方面進行探索，但在實際應用過程中，陶瓷企業(yè)很多停留在傳統(tǒng)項目層面，沒有從全生命周期角度、個性化定制角度來進行系統(tǒng)設計，沒有向“以用戶為中心”轉變。現(xiàn)有公開的文獻中，日用陶瓷智能制造只提到了現(xiàn)狀和展望，沒有日用陶瓷智能制造系統(tǒng)性設計方案的相關研究。

2 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的體系結構

日用陶瓷智能制造系統(tǒng)設計如圖1所示。該系統(tǒng)結構是響應政府號召建設國家陶瓷文化傳承創(chuàng)新試驗區(qū)，打造對外文化交流新平臺。該系統(tǒng)采用四層體系結構，在服務器的支撐下，提供各項功能，實現(xiàn)個性化日用陶瓷的定制業(yè)務。

圖1 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)體系結構

3 業(yè)務流程

日用陶瓷傳統(tǒng)制瓷工藝，基本上源于江西景德鎮(zhèn)市，手工制瓷工藝其核心包括拉坯、利坯、畫坯、上釉、燒窯，隨著工業(yè)化的發(fā)展，傳統(tǒng)工藝在這基礎之上也有所改變。本文構建的日用陶瓷智能制造系統(tǒng)流程如圖2所示，主要包括個性化規(guī)模定制、云工廠、智能化、陶瓷成型、陶瓷裝飾、陶瓷燒制等研究。

圖2 日用陶瓷智能制造生產工藝流程圖

3.1 客戶創(chuàng)意

通過該系統(tǒng)客戶與代理商進行溝通實現(xiàn)個性化規(guī)模定制，虛擬設計庫提供了基礎日用陶瓷器型、基礎裝飾圖案庫的組合定制設計，如果不能滿足客戶的需求，通過再次與代理商溝通，客戶提供素材或者客戶提出需求，實現(xiàn)個性化規(guī)模定制，定制完成之后，客戶可以通過系統(tǒng)來查看訂單的實施狀態(tài)進行跟蹤。

3.2 陶瓷成型

（1）拉坯機器人

拉坯機器人是一種替代手工回旋體拉坯的機器人。成形泥坯最大尺寸為直徑0. 5 m、高度1 m、厚度0. 1 m。拉坯機器人主要應用于數(shù)量較小的回轉體器皿訂單，使用關節(jié)機器人替代人手，輔助以大量的神經(jīng)元傳感器模擬人手的觸感反饋，并使用機器視覺系統(tǒng)替代眼睛的功能，通過采用先進的AI算法的核心系統(tǒng)控制整個拉坯機器人的擬人化運行。

（2）快速注漿模具成型

快速注漿模具成型是一種智能快速自動制造模具、智能跟蹤模具狀態(tài)、智能自動注漿、自動開模的無人生產流水線。模具最大尺寸為長1 m、寬1 m、高1 m。注漿成形坯體最大尺寸為長0.6 m、寬0.6 m、高0.6 m。快速注漿成形主要應用于小批量的不規(guī)則形狀產品的生產，通過智能的ERP系統(tǒng)發(fā)送任務至快速成型系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)訂單的數(shù)量和訂單周期制作注漿成型模具，并通過RFID實時跟蹤模具狀態(tài)，達成高效柔性生產。

智能立體模具庫是一種無人立體模具庫，能實時監(jiān)控模具狀態(tài)，按照AI數(shù)據(jù)庫自動提醒補充和報廢模具，自動存取模具。 智能立體模具庫通過生產數(shù)據(jù)和多種參數(shù)的測量，實時監(jiān)控模具的狀態(tài)和壽命，與云工廠ERP系統(tǒng)對接，獲取生產需求的數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇最佳狀態(tài)的模具進行生產，并根據(jù)之前的生產數(shù)據(jù)判定是否要增加或者報廢模具；智能模具庫與廠內智能物流系統(tǒng)對接，在接到云工廠ERP系統(tǒng)發(fā)來的生產指令后，通過RFID快速識別模具位置，并將其運送至加工區(qū)域。

（3）3D打印成型

3D打印成型是一種通過3D打印技術快速制作不規(guī)則特殊形狀的坯體。3D打印最大尺寸為長0.5 m、寬0.5 m、高0.3 m。3D打印主要用于單件或少量不規(guī)則特殊形狀產品的制作，通過研究特殊的堆砌成型技術防止瓷泥在打印過程中出現(xiàn)變形坍塌，采用傳感器和機器視覺系統(tǒng)匹配，監(jiān)控打印口出泥量和干濕度，智能實時調節(jié)出泥狀態(tài)，使得打印出的坯體厚度均勻、質地緊密便于燒制。

3.3 陶瓷裝飾

（1）智能吹釉機器人

智能吹釉機器人是一種可以達到自動吹釉機的吹釉速度，并替代人工吹釉的多樣性的機器人。吹釉坯體最大回轉直徑2 m，最大高度2 m，雙槍頭。吹釉機器人使用關節(jié)機器人控制吹釉角度，流量傳感器和機器視覺系統(tǒng)識別狀態(tài)和效果，并通過AI控制吹釉效果。

（2）智能3D印花機器人

智能3D印花機器人是一種替代人工對異形產品印花的機器人。最大印花面高度差0.1 m。3D印花機器人使用多個關節(jié)機器人協(xié)作，使用多種傳感器配合激光測距系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)完成對目標外形的測繪，通過AI算法同時操作多個關節(jié)機器人同時印花，并通過機器視覺系統(tǒng)對產品質量進行檢驗。

（3）智能3D噴繪機器人

智能3D噴繪機器人是一種替代人工對異形產品噴繪的機器人。最大噴繪面高度差0.1 m。3D印花機器人使用關節(jié)機器人，使用激光測距系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)完成對目標外形的測繪，通過AI算法控制關節(jié)機器人與目標之間的角度，使用流量傳感器和機器視覺系統(tǒng)識別噴繪效果。

（4）智能手繪機器人

智能手繪機器人是一種替代人工對產品手繪的機器人。最大手繪面0.5 m×0.5 m，最大高度差0.05 m。手繪機器人采用大數(shù)據(jù)與AI結合的系統(tǒng)控制模式，具有自我學習的能力，核心控制系統(tǒng)使用大量的視頻數(shù)據(jù)采集，分析機器人持筆角度、落筆角度、落筆速度、筆尖形狀、顏料飽和度等關鍵因素，通過視覺系統(tǒng)識別和學習工作狀態(tài)的差異，以達到擬人效果。

（5）智能3D雕刻機器人

智能3D雕刻機器人是一種可以對坯胎表面形狀自動識別的機器人，雕刻刀能夠實現(xiàn)鏤空、淺雕、深雕等陶瓷工藝技術。

3.4 陶瓷燒制

陶瓷燒制是制瓷的最后一道關鍵性工序，景德鎮(zhèn)傳統(tǒng)制瓷工藝是將瓷坯胎裝入匣缽，然后送入窯爐當中，用木材取火，通常燒制穩(wěn)定為1 200℃～1 300℃，通常需要經(jīng)歷24小時，把坯胎燒制成瓷器。

（1）裝窯機器人

裝窯機器人是一種替代人工自動合理計算產品碼放、自動碼放硼板和產品的機器人。最大窯寬2 m、窯高3 m、窯深3 m。裝窯機器人通過云工廠ERP系統(tǒng)獲知即將裝窯坯體的外形、重量、厚度、干濕度等信息，計算出最佳的抓取點和抓取力度，然后根據(jù)厚度和釉色等信息將產品擺放在窯內不同的溫區(qū)，根據(jù)所有需要裝窯產品的信息安排燒制順序，拼搭硼板。

（2）開窯機器人

開窯機器人是一種替代人工自動取出燒制好的產品，智能檢驗，分區(qū)擺放的機器人。最大窯寬2 m、窯高3 m、窯深3 m。開窯機器人通過云工廠ERP系統(tǒng)獲取裝窯產品的形狀，并輔以機器視覺系統(tǒng)查看產品的燒成情況，調節(jié)抓取點，抓取的同時智能判定產品是否合格，將產品通過智能物流系統(tǒng)分別傳送至包裝區(qū)和不良品區(qū)。

（3）微波烘干及燒制

除了傳統(tǒng)的窯爐燒制瓷器，現(xiàn)在還可以利用微波窯爐技術進行瓷器的燒制。微波窯爐技術是利用具有特殊波段的微波與材料的基本細微結構耦合而產生熱量，使陶瓷材料內外均勻加熱實現(xiàn)致密化，制品的熱應力和非均質性比普通工藝要低得多。與傳統(tǒng)常壓燒結技術相比，微波燒結具有升溫速度快、溫度均勻、能耗低和綠色環(huán)保等特點，并能減少因升溫不均勻引起的微觀結構差異和內應力等缺陷，提高產品均勻性、物化性能和成品率。利用微波技術可以實現(xiàn)日用陶瓷的烘干以及燒制，但是對于文化傳承，傳統(tǒng)的窯爐燒制工藝依舊有著廣闊的市場。

4 互聯(lián)網(wǎng)技術支撐

4.1 智能物流系統(tǒng)

智能物流系統(tǒng)實時監(jiān)控產品從原材料到客戶收到產品的過程中的狀態(tài)。智能物流系統(tǒng)分為廠內智能物流系統(tǒng)和廠外智能物流系統(tǒng)。廠內智能物流系統(tǒng)使用機器視覺和RFID系統(tǒng)實時監(jiān)控產品的位置和狀態(tài)上傳至云工廠ERP系統(tǒng)云端。廠外智能物流系統(tǒng)主要通過與快遞物流公司的數(shù)據(jù)連接，監(jiān)控產品運輸過程和狀態(tài)，并通過識別客戶反饋信息完善生產工藝流程。

4.2 云工廠ERP系統(tǒng)

云工廠ERP系統(tǒng)是一種通過智能AI算法達成的智慧工廠核心控制系統(tǒng)。云工廠ERP系統(tǒng)是整個工廠運行的核心，通過分析訂單數(shù)據(jù)、設備狀況、材料、工具、模具等信息智能安排生產，保證工廠運行流暢，減少或消除閑置產能。

4.3 客戶定制設計軟件

客戶定制設計軟件是一種基于電腦軟件和手機APP系統(tǒng)，能夠和智慧工廠數(shù)據(jù)對接的設計軟件。軟件通過對綜合評估器型形狀、大小、瓷土的特性、裝飾樣式、制作工藝、高溫燒制時的變形和受力等情況在客戶設計時反饋設計的可行性，預估產品的成品率，并進行線上報價；客戶確定訂單后，軟件將產品的模型參數(shù)發(fā)送至云工廠自動安排生產。

5 結束語