羨浩博 虞澎澎

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

0 引言

陶瓷產(chǎn)品釉面質(zhì)量的好壞，是提高其市場競爭力的主要因素之一。良好的釉面質(zhì)量，在提高陶瓷產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)品率的同時，又降低了生產(chǎn)成本。就現(xiàn)代陶瓷行業(yè)發(fā)展趨勢來說，提高原料的有效利用，減少資源的消耗，才是在激烈的行業(yè)競爭中立足的王道。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)的陶瓷行業(yè)仍普遍采用人工作業(yè)的方式進(jìn)行施釉工作，這就導(dǎo)致了陶瓷產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)品率低。同時，施釉時產(chǎn)生的粉末對工人的身體健康也產(chǎn)生極大的威脅。

采用施釉機(jī)器人不僅可實現(xiàn)陶瓷施釉的高效連續(xù)化，還可有效地提高陶瓷產(chǎn)品的施釉質(zhì)量。施釉機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人，綜合了人對環(huán)境的快速反應(yīng)、分析判斷能力和機(jī)器持續(xù)工作時間長、精確度高和抗惡劣環(huán)境的能力，是一種先進(jìn)的涂裝生產(chǎn)設(shè)備，它的出現(xiàn)將工人從繁重的施釉工作中解放出來，同時提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約了生產(chǎn)資源，為企業(yè)賺取了更多的利潤。

近些年來，國內(nèi)外施釉機(jī)器人技術(shù)都取得了迅速發(fā)展，機(jī)器人能夠很好地實現(xiàn)對具有復(fù)雜型面坯體的噴秞。美國、意大利、德國和日本等國家施釉技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，已經(jīng)利用施釉機(jī)器人實現(xiàn)了對陶瓷產(chǎn)品的噴釉工藝，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工施釉的噴秞設(shè)備。在國內(nèi)陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域，采用的施釉機(jī)器人多是引進(jìn)日本、德國和意大利等國的成套設(shè)備，近年來國內(nèi)施釉機(jī)器人技術(shù)有了一定發(fā)展，但距離國外研究水平仍有一定的差距。

為此，本文簡要概述施釉機(jī)器人構(gòu)成及其工作機(jī)制，分析國內(nèi)外施釉機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與新動向，展望其發(fā)展趨勢。

1 陶瓷施釉機(jī)器人概述

陶瓷施釉機(jī)器人主要由施釉機(jī)器人本體、工件及多工位轉(zhuǎn)臺、供輸釉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)等部分組成。其施釉生產(chǎn)過程包括陶坯定位、機(jī)器人施釉以及陶坯輸送三個過程。陶瓷施釉機(jī)器人通常具有六個自由度，如圖1所示。機(jī)器人本身的腰部、下臂和上臂在各自的伺服電機(jī)驅(qū)動下繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，通過這三個自由度來確定手腕處噴槍的空間位置，利用具有正交結(jié)構(gòu)的二自由度的手腕轉(zhuǎn)動控制噴槍擺動方向，再采用工件轉(zhuǎn)臺帶動工件變速轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)其與機(jī)器人本體各個軸的插補聯(lián)動，進(jìn)而控制施釉機(jī)器人噴槍與工件表面間的相對距離、方向和速度。供輸釉系統(tǒng)主要包括噴槍控制氣、回流氣等裝置以及泵、釉罐、釉料主管道路循環(huán)回路。控制系統(tǒng)包括以PLC控制器為核心的人機(jī)交互、邏輯及順序控制、運動控制、伺服驅(qū)動、傳感檢測以及電源管理等部分，負(fù)責(zé)施釉過程控制和運動控制。

圖1 陶瓷施釉機(jī)器人本體及工作臺示意圖

2 國外陶瓷施釉機(jī)器人研究現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)九十年代，國外一些發(fā)達(dá)國家就著手研發(fā)用于汽車噴漆等用途的噴涂機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上，鑒于陶瓷生產(chǎn)中的施釉過程易于實現(xiàn)自動控制，通過不斷的技術(shù)發(fā)展，在陶瓷施釉機(jī)器人技術(shù)上取得了重大突破，并實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。例如：德國ABB公司研制出具有五個自由度關(guān)節(jié)型施釉機(jī)器人，同時與工作轉(zhuǎn)臺相結(jié)合組成噴釉系統(tǒng)。美國Nutro公司將直角坐標(biāo)形式噴漆機(jī)器人改造成適用于陶瓷自動噴釉的生產(chǎn)線。意大利制造的施釉機(jī)器可以快速高效地對衛(wèi)生陶瓷坯體進(jìn)行噴釉，與手工施釉設(shè)備相比，可節(jié)約38%釉漿用量，還將坯體實際附著釉漿量提高約22%。日本安川電機(jī)株式會社則生產(chǎn)出MOTOMAN-UP20型具有平移工作能力的機(jī)電一體化工業(yè)用機(jī)器人，并用于陶瓷施釉生產(chǎn)線。

近年來，離線編程技術(shù)、視覺定位技術(shù)以及噴墨打印等技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動了工業(yè)施釉機(jī)器人的推廣應(yīng)用及其工作效率的提升。美國匹茲堡大學(xué)的Bopaya Bidanda等于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(zhì)，噴槍的形狀、流量、噴射距離、釉料厚度與允許偏差、噴涂時間等參數(shù)和要求的前提下，通過建立數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化軌跡算法，利用計算機(jī)輔助設(shè)計的離線編程技術(shù)，設(shè)計出施釉機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，希望利用計算機(jī)自動獲取噴槍施釉最佳運動軌跡，從而奠定了施釉機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。德國的Kraus P則設(shè)計出采用光學(xué)物體識別定位系統(tǒng)的衛(wèi)生陶瓷施釉機(jī)器人，以提高其工作效率。希臘德謨克利特大學(xué)的I.P.Georgilas等針對手工結(jié)合機(jī)器人在衛(wèi)生陶瓷施釉過程中存在的一系列問題，如復(fù)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(jù)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(chǎn)過程的新型解決方案，使施釉質(zhì)量得到提升。英國倫敦大學(xué)的Jian Wang等將陶瓷施釉機(jī)器人與噴墨打印機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用施釉機(jī)器人的編程技術(shù)精確控制陶瓷坯體施釉過程，通過調(diào)控水基陶瓷墨水的穩(wěn)定性以及超聲分散處理，嚴(yán)格控制干燥及燒成工藝，獲得了釉面成分偏差僅為1wt%～3wt%的陶瓷樣品。

此外，葡萄牙科英布拉大學(xué)Germano Veiga等設(shè)計了一種交互式編程系統(tǒng)，開發(fā)出了一種簡單而靈活的編程系統(tǒng)，采用兩步式混合編程模型設(shè)計，首先利用空間增強現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品的預(yù)定軌跡草圖，然后依靠先進(jìn)的3D圖形系統(tǒng)優(yōu)化陶瓷坯體自動拋光機(jī)器人工作軌道，用戶的反饋表明該技術(shù)的使用使拋光機(jī)器人的靈活度達(dá)到了一個新的高度。該大學(xué)的J.Norberto Pires等還利用計算機(jī)編程技術(shù)還開發(fā)出無托盤化的衛(wèi)生陶瓷自動輸送系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了陶瓷的生產(chǎn)效率，解放了勞動力。

3 國內(nèi)陶瓷施釉機(jī)器人研究現(xiàn)狀

由于國內(nèi)沒有核心制造技術(shù)，最初我國的施釉機(jī)器人都依賴于進(jìn)口，但是高昂的價格和復(fù)雜的維護(hù)步驟讓陶瓷生產(chǎn)企業(yè)吃不消，為此，近年來國內(nèi)一些科研院所開展了相關(guān)研究。

例如：山東輕工業(yè)學(xué)院的邱書波開發(fā)出基于單片機(jī)控制的衛(wèi)生陶瓷機(jī)器人噴釉生產(chǎn)線，其以六自由度MOTOMAN機(jī)器人為主體，氣動噴槍噴釉裝置、紅外探測器定位系統(tǒng)以及三工位轉(zhuǎn)臺構(gòu)成了自動噴釉生產(chǎn)線。在2004年，清華大學(xué)與唐山陶瓷集團(tuán)衛(wèi)生陶瓷有限公司共同成功開發(fā)研制了用于衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)的施釉機(jī)器人，該施釉機(jī)器人綜合運用了計算機(jī)視覺定位和位置伺服、間歇式旋轉(zhuǎn)噴涂、激光測距儀輔助示教和三維仿真生產(chǎn)過程監(jiān)控等提高示教效率新的技術(shù)，并依據(jù)人工智能思想設(shè)計的間歇式轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)噴涂工藝系統(tǒng)，便于施釉機(jī)器人示教及陶坯偏差系統(tǒng)修正，通過視覺定位技術(shù)實現(xiàn)了陶坯檢測及托盤位置在線修正。

此后，國內(nèi)的科研人員針對施釉機(jī)器人在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了攻關(guān)，基本解決了施釉機(jī)器人在離線編程仿真、誤差矯正及控制技術(shù)等方面所出現(xiàn)的問題，這也為我國的施釉機(jī)器人發(fā)展注入了強大力量。長安大學(xué)的鄧春花提出了基于圖像處理的衛(wèi)生陶瓷施釉機(jī)器人示教系統(tǒng)設(shè)計方法，利用圖像處理技術(shù)分析攝像系統(tǒng)所獲取的目標(biāo)物體圖像施釉面的空間坐標(biāo)及面形狀信息，并匯總生產(chǎn)工藝中施釉機(jī)器人的操作運動軌跡、運動姿態(tài)和速度等信息，將上述信息傳送給施釉機(jī)器人，以達(dá)到示教的目的。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院的張軍艦針對施釉機(jī)器人噴涂作業(yè)中內(nèi)外表面的噴涂問題，對施釉機(jī)器人的噴槍軌跡進(jìn)行規(guī)劃，并在噴槍空間路徑生成的基礎(chǔ)上，對生成的噴槍軌跡分段進(jìn)行優(yōu)化。

此外，河北聯(lián)合大學(xué)李晨輝提出了一種五自由度手把手示教型施釉專用關(guān)節(jié)機(jī)器人，分別利用D-H法、應(yīng)用解析法和應(yīng)用蒙特卡洛法分析了施釉機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運動學(xué)、尺度綜合及工作空間。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院于盛睿等則提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合釉料厚度沉積率模型的方法，通過試驗結(jié)果對比分析表明，提出的方法符合工程實際，有助于提高施釉機(jī)器人釉料厚度的控制精度，為陶瓷施釉自動軌跡規(guī)劃的軟件編程和仿真實現(xiàn)提供了模型依據(jù)與方法指導(dǎo)。

4 展望

隨著陶瓷行業(yè)的快速發(fā)展，陶瓷生產(chǎn)越來越趨向于高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)方式，陶瓷施釉機(jī)器人則可以達(dá)到這樣的要求，其在未來的陶瓷行業(yè)的市場前景十分廣闊。雖然國內(nèi)已經(jīng)完成了施釉機(jī)器人從無到有的突破，但是與國外相比還是有很大的差距，比如穩(wěn)定性差、占用空間大、運動軌跡不合理等缺陷有待改善。利用離線編程以及視覺定位等技術(shù)改進(jìn)控制方法使施釉機(jī)器人更加智能化，而運用多連桿組合的方式，可以減小陶瓷施釉機(jī)器人的工作空間。

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