日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鄭秋榮

（廣東皓明陶瓷科技有限公司，潮州 515642）

1 前言

隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，逐漸認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品智能化、信息化生產(chǎn)的重要性，雖然我國(guó)的日用陶瓷行業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中占據(jù)一足之地，但是作為我國(guó)的新興產(chǎn)業(yè)之一，在國(guó)際起步較晚，再加上日用陶瓷屬于大質(zhì)量、大體系，結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較大的產(chǎn)品，生產(chǎn)中往往需要消耗較大的人力、能源、材料，并且傳統(tǒng)陶瓷制造過(guò)程，傳統(tǒng)制造業(yè)一般對(duì)應(yīng)力控制、屈服響應(yīng)特征進(jìn)行控制分析，但是可靠性不高，自穩(wěn)態(tài)性不足，于是近年來(lái)實(shí)現(xiàn)日用陶瓷的智能化制造成為主要發(fā)展趨勢(shì)。在日用陶瓷行業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)工藝，本文還引入深度學(xué)習(xí)原理，構(gòu)建制造過(guò)程的擬合控制優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的優(yōu)越性能，滿足用戶對(duì)陶瓷的定制化需要。旨在本文對(duì)日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的研究與實(shí)踐工作，可以幫助我國(guó)未來(lái)提升日用陶瓷行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，引領(lǐng)日用陶瓷企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 基于深度學(xué)習(xí)的智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 深度學(xué)習(xí)算法

運(yùn)用柔性無(wú)模制造技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法，試圖在日用陶瓷生產(chǎn)制造過(guò)程尋優(yōu)，構(gòu)建實(shí)體化應(yīng)用模型構(gòu)造模具三維實(shí)體模型，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線控制下，獲得了陶瓷生產(chǎn)智能制造的屈服向應(yīng)力輸出，用u(n)表示，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)軟件輔助控制與深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合，構(gòu)建日用陶瓷生產(chǎn)車(chē)間智能制造穩(wěn)態(tài)分布模型如下：

式中：α代表陶瓷生產(chǎn)過(guò)程智能制造結(jié)構(gòu)誤差反饋修正系數(shù)。

基于有限元分析構(gòu)建了日用陶瓷智能制造穩(wěn)態(tài)控制模型，制造優(yōu)化控制自適應(yīng)率如下[3]：

以切削參數(shù)的分布狀況，通過(guò)運(yùn)用深度學(xué)習(xí)法實(shí)現(xiàn)陶瓷生產(chǎn)車(chē)間的流程自適應(yīng)控制，獲取相應(yīng)的陶瓷智能制造穩(wěn)態(tài)特征分量，相應(yīng)的應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)后，智能制造穩(wěn)態(tài)矩陣用z(t)表示，施加荷載-z向位移曲線，獲得日用陶瓷智能制造協(xié)同控制協(xié)方差矩陣[4]：

根據(jù)上述基于深度學(xué)習(xí)理論的智能制造過(guò)程，系統(tǒng)可以根據(jù)客戶對(duì)日用陶瓷多元化定制需要，建構(gòu)數(shù)字化快速定制設(shè)計(jì)深度學(xué)習(xí)模型，從而優(yōu)化控制智能制造成品質(zhì)量。

2.2 系統(tǒng)總架構(gòu)

通過(guò)從用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、物理層設(shè)計(jì)了日用陶瓷智能制造系統(tǒng)總架構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 智能制造系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

日用陶瓷智能制造系統(tǒng)主要功能執(zhí)行流程（見(jiàn)圖2），根據(jù)下圖所示智能制造生產(chǎn)流程，通過(guò)更改原本需要自行購(gòu)置原礦料磨石制漿的技術(shù)工藝，改用購(gòu)置成品泥餅，從而保障漿料不同批次同樣具有充分穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)自動(dòng)化循環(huán)注漿則可以自動(dòng)化循環(huán)利用石膏模具，在自動(dòng)化開(kāi)合模環(huán)節(jié)，可以滿足模具的開(kāi)合模過(guò)程自動(dòng)化，翻坯出坯之后脫離模具與坯體，并采用半檢濕修等工藝環(huán)節(jié)，確保修坯全過(guò)程都可無(wú)塵操作。二次利用燒制窯爐的余熱進(jìn)行二次制熱，有效打造了干燥立體的區(qū)域化溫濕度差異，保障陶瓷制造加工干燥工藝，有效降低干擾開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生率。并運(yùn)用自動(dòng)施釉工作站，確保陶瓷施釉環(huán)節(jié)質(zhì)量，之后將成品分級(jí)包裝至自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，逐一完成質(zhì)量檢測(cè)，保障了日用陶瓷的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。

圖2 智能制造流程示意圖

4 日用陶瓷智能制造功能實(shí)現(xiàn)

4.1 客戶創(chuàng)意

此智能制造系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)制造商和客戶之間的溝通情況，進(jìn)行個(gè)性化陶瓷生產(chǎn)定制，系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)庫(kù)能夠?yàn)榭蛻籼峁┤沼锰沾傻幕A(chǔ)成品類(lèi)型，以及生產(chǎn)裝飾的組合定制樣式，如果最終虛擬設(shè)計(jì)庫(kù)的成品并不能滿足客戶所需，那么可以再次溝通進(jìn)行個(gè)性定制，直至客戶滿意正式投產(chǎn)，客戶也可利用云端查看此生產(chǎn)訂單的具體制造狀態(tài)。

4.2 加工成型

4.2.1 拉坯機(jī)器組

在制造生產(chǎn)中使用拉坯機(jī)器組可以取代人工拉坯，滿足生產(chǎn)0.5m直徑、1m高度、0.1m厚度最大尺寸以內(nèi)的各類(lèi)成形泥坯。一般此機(jī)器組在生產(chǎn)數(shù)量較小的回轉(zhuǎn)體器皿情況中應(yīng)用較多，應(yīng)用大量模擬人體的神經(jīng)元傳感器，代替人手制造陶瓷的觸感反饋，設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)模擬人體眼睛觀感，并利用了AI算法將整個(gè)拉坯過(guò)程擬人化。

4.2.2 注漿模具小車(chē)

模具作為陶瓷制造加工成型工藝流程的重要單元，運(yùn)載陶瓷模具在生產(chǎn)線循環(huán)利用，結(jié)合工藝生產(chǎn)制作要求進(jìn)行一系列的移動(dòng)、定位、開(kāi)合等動(dòng)作，整個(gè)模具小車(chē)可以確保裝載模具，通過(guò)小車(chē)方便模具的簡(jiǎn)便安裝及精準(zhǔn)定位。小車(chē)還可滿足動(dòng)畫(huà)開(kāi)合，確保模具結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度。以模具的個(gè)性化注漿要求為依據(jù)，確保整個(gè)注漿過(guò)程不會(huì)發(fā)生漏漿情況，放漿但是不存漿，確保整個(gè)小車(chē)達(dá)到“一車(chē)”通用的模具定位安裝過(guò)程。那么自動(dòng)循環(huán)注漿成型生產(chǎn)線，也作為實(shí)現(xiàn)模具小車(chē)自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵工藝，通過(guò)設(shè)計(jì)導(dǎo)向?qū)к壗Y(jié)構(gòu)保證磨具小車(chē)的自動(dòng)化運(yùn)行無(wú)誤，并提供牽引動(dòng)力組與定位阻擋器，用于控制磨具小車(chē)的啟停往返，保證整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)爬行路線的精準(zhǔn)穩(wěn)定。

4.2.3 快速注漿模具成型

運(yùn)用智能化快速自動(dòng)模具制造工藝，可以對(duì)陶瓷模具的狀態(tài)做到實(shí)時(shí)跟蹤，之后自動(dòng)化注漿，開(kāi)關(guān)模的生產(chǎn)流程。此工藝在不規(guī)則、小批量陶瓷生產(chǎn)中適用性極高。可以根據(jù)客戶的個(gè)性化定制需求，智能ERP系統(tǒng)可以向快速成型系統(tǒng)發(fā)送具體的加工任務(wù)，即可根據(jù)訂單的數(shù)量與狀態(tài)，制作注漿成型模具，以RFID標(biāo)簽對(duì)模具的成型狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤。此工藝過(guò)程中的智能立體模具庫(kù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模具具體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以AI數(shù)據(jù)庫(kù)完成自動(dòng)化存取。整個(gè)過(guò)程主要由模具庫(kù)測(cè)量生產(chǎn)數(shù)據(jù)之后，對(duì)模具狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)接ERP系統(tǒng)獲得生產(chǎn)定制相關(guān)數(shù)據(jù)，以具體需求選擇最佳模具生產(chǎn)狀態(tài)，結(jié)合之前生產(chǎn)數(shù)據(jù)判定是否可以增加或報(bào)廢模具。

4.2.4 打印成型

在打印成型環(huán)節(jié)使用3D打印成型技術(shù)，此技術(shù)同樣在少量不規(guī)則與單件產(chǎn)品制造中比較適用，可以利用堆砌成型技術(shù)有效避免打印瓷泥時(shí)坍塌變形，運(yùn)用傳感器匹配機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控打印成品的最終干濕度、出泥量，對(duì)出泥狀態(tài)可以自動(dòng)化調(diào)節(jié)，保證最終獲得均勻厚度、緊密質(zhì)地的坯體。

4.3 生產(chǎn)裝飾

陶瓷制造在進(jìn)入裝飾工序時(shí)，主要利用以下智能裝飾工藝：首先，設(shè)計(jì)智能吹釉機(jī)器人，可以有效取代人工吹釉過(guò)程，滿足吹釉多樣化成品。具體過(guò)程由機(jī)器人通過(guò)關(guān)節(jié)機(jī)器組，對(duì)吹釉的角度和力度精準(zhǔn)控制，用流量傳感器實(shí)時(shí)反饋吹釉狀態(tài)，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)觀察吹釉效果。其次，智能3D印花通過(guò)多個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器組共同作用，設(shè)計(jì)了多個(gè)傳感器組件，與激光測(cè)距系統(tǒng)、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，測(cè)繪制造目標(biāo)的外形裝飾質(zhì)量。再者，智能3D噴繪，同樣需要應(yīng)用激光測(cè)距、機(jī)器視覺(jué)兩大智能系統(tǒng)，測(cè)繪目標(biāo)外形并運(yùn)行AI算法，對(duì)關(guān)節(jié)機(jī)器組和目標(biāo)陶瓷噴繪角度精準(zhǔn)控制，及時(shí)識(shí)別最終的噴繪效果。最后，對(duì)陶瓷坯胎使用智能3D雕刻機(jī)器組，可以滿足個(gè)性化陶瓷成品選用鏤空、深雕、淺雕等差異化技術(shù)。

4.4 燒制成品

在最后陶瓷成品燒制工藝環(huán)節(jié)至關(guān)重要，通過(guò)引入機(jī)器人裝窯技術(shù)，可以取代人工并對(duì)陶瓷產(chǎn)品的碼放合理計(jì)算自動(dòng)完成，這一技術(shù)搭載云工廠ERP系統(tǒng)，了解將要裝窯坯體的重量、外形、干濕度、厚度等相關(guān)信息，計(jì)算抓取力度與最佳抓取點(diǎn)，之后以陶瓷燒制的差異化厚度與釉色要求，在不同燒制溫度區(qū)域擺放陶瓷產(chǎn)品，依次按序完成燒制。燒制之后進(jìn)入開(kāi)窯環(huán)節(jié)，應(yīng)用開(kāi)窯機(jī)器人同樣搭載云工廠ERP系統(tǒng)，實(shí)時(shí)了解裝窯產(chǎn)品的燒制狀況，利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輔助查看成品燒制效果，對(duì)抓取點(diǎn)合理調(diào)節(jié)并對(duì)燒制成品是否合格實(shí)現(xiàn)智能化判定，之后通過(guò)智能物流系統(tǒng)即可將陶瓷成品進(jìn)行分送，分別為包裝區(qū)、不良品區(qū)。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本次日用陶瓷生產(chǎn)智能制造系統(tǒng)的性能，利用CATIA、MATLAB軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，構(gòu)建陶瓷生產(chǎn)構(gòu)件模型，控制制造工藝微觀參數(shù)，（見(jiàn)表1）獲得參數(shù)擬合結(jié)果，從下列參數(shù)可以直觀看出此智能制造系統(tǒng)，可以有效提升日用陶瓷生產(chǎn)中的參數(shù)擬合性能，滿足客戶對(duì)陶瓷成品的個(gè)性化需要。

表1 參數(shù)擬合結(jié)果

6 結(jié)論

總之，通過(guò)設(shè)計(jì)日用陶瓷智能制造系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證實(shí)此系統(tǒng)提高了日用陶瓷生產(chǎn)制造過(guò)程的參數(shù)擬合性能，還可以提高制造成品精度與合格率。用于日用陶瓷生產(chǎn)實(shí)踐中，可以實(shí)現(xiàn)客戶創(chuàng)意、加工成型、生產(chǎn)裝飾、燒制成品等功能，我國(guó)日用陶瓷行業(yè)未來(lái)智能化發(fā)展將有廣闊前景。