陶瓷施釉機器人及其研究進展

羨浩博 虞澎澎

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，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)的方式進行施釉工作，這就導致了陶瓷產(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。施釉機器人屬于工業(yè)機器人，綜合了人對環(huán)境的快速反應、分析判斷能力和機器持續(xù)工作時間長、精確度高和抗惡劣環(huán)境的能力，是一種先進的涂裝生產(chǎn)設備，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)外施釉機器人技術都取得了迅速發(fā)展，機器人能夠很好地實現(xiàn)對具有復雜型面坯體的噴秞。美國、意大利、德國和日本等國家施釉技術發(fā)展相當迅速，已經(jīng)利用施釉機器人實現(xiàn)了對陶瓷產(chǎn)品的噴釉工藝，其效率遠遠高于手工施釉的噴秞設備。在國內(nèi)陶瓷生產(chǎn)領域，采用的施釉機器人多是引進日本、德國和意大利等國的成套設備，近年來國內(nèi)施釉機器人技術有了一定發(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器人構成及其工作機制，分析國內(nèi)外施釉機器人的研究現(xiàn)狀與新動向，展望其發(fā)展趨勢。

1 陶瓷施釉機器人概述

陶瓷施釉機器人主要由施釉機器人本體、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、機器人施釉以及陶坯輸送三個過程。陶瓷施釉機器人通常具有六個自由度，如圖1所示。機器人本身的腰部、下臂和上臂在各自的伺服電機驅(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)其與機器人本體各個軸的插補聯(lián)動，進而控制施釉機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?？刂葡到y(tǒng)包括以PLC控制器為核心的人機交互、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，負責施釉過程控制和運動控制。

圖1 陶瓷施釉機器人本體及工作臺示意圖

2 國外陶瓷施釉機器人研究現(xiàn)狀

早在上世紀九十年代，國外一些發(fā)達國家就著手研發(fā)用于汽車噴漆等用途的噴涂機器人，在此基礎上，鑒于陶瓷生產(chǎn)中的施釉過程易于實現(xiàn)自動控制，通過不斷的技術發(fā)展，在陶瓷施釉機器人技術上取得了重大突破，并實現(xiàn)了工業(yè)化應用。例如：德國ABB公司研制出具有五個自由度關節(jié)型施釉機器人，同時與工作轉(zhuǎn)臺相結(jié)合組成噴釉系統(tǒng)。美國Nutro公司將直角坐標形式噴漆機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器可以快速高效地對衛(wèi)生陶瓷坯體進行噴釉，與手工施釉設備相比，可節(jié)約38%釉漿用量，還將坯體實際附著釉漿量提高約22%。日本安川電機株式會社則生產(chǎn)出MOTOMAN-UP20型具有平移工作能力的機電一體化工業(yè)用機器人，并用于陶瓷施釉生產(chǎn)線。

近年來，離線編程技術、視覺定位技術以及噴墨打印等技術的發(fā)展，進一步推動了工業(yè)施釉機器人的推廣應用及其工作效率的提升。美國匹茲堡大學的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)學模型和優(yōu)化軌跡算法，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(tǒng)，希望利用計算機自動獲取噴槍施釉最佳運動軌跡，從而奠定了施釉機器人離線編程系統(tǒng)的設計基礎。德國的Kraus P則設計出采用光學物體識別定位系統(tǒng)的衛(wèi)生陶瓷施釉機器人，以提高其工作效率。希臘德謨克利特大學的I.P.Georgilas等針對手工結(jié)合機器人在衛(wèi)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(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。英國倫敦大學的Jian Wang等將陶瓷施釉機器人與噴墨打印機技術相結(jié)合，利用施釉機器人的編程技術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Germano Veiga等設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計，首先利用空間增強現(xiàn)實技術設計產(chǎn)品的預定軌跡草圖，然后依靠先進的3D圖形系統(tǒng)優(yōu)化陶瓷坯體自動拋光機器人工作軌道，用戶的反饋表明該技術的使用使拋光機器人的靈活度達到了一個新的高度。該大學的J.Norberto Pires等還利用計算機編程技術還開發(fā)出無托盤化的衛(wèi)生陶瓷自動輸送系統(tǒng)，進一步提高了陶瓷的生產(chǎn)效率，解放了勞動力。

3 國內(nèi)陶瓷施釉機器人研究現(xiàn)狀

由于國內(nèi)沒有核心制造技術，最初我國的施釉機器人都依賴于進口，但是高昂的價格和復雜的維護步驟讓陶瓷生產(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研究。

例如：山東輕工業(yè)學院的邱書波開發(fā)出基于單片機控制的衛(wèi)生陶瓷機器人噴釉生產(chǎn)線，其以六自由度MOTOMAN機器人為主體，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)臺構成了自動噴釉生產(chǎn)線。在2004年，清華大學與唐山陶瓷集團衛(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)的施釉機器人，該施釉機器人綜合運用了計算機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，并依據(jù)人工智能思想設計的間歇式轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)噴涂工藝系統(tǒng)，便于施釉機器人示教及陶坯偏差系統(tǒng)修正，通過視覺定位技術實現(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器人在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題進行了攻關，基本解決了施釉機器人在離線編程仿真、誤差矯正及控制技術等方面所出現(xiàn)的問題，這也為我國的施釉機器人發(fā)展注入了強大力量。長安大學的鄧春花提出了基于圖像處理的衛(wèi)生陶瓷施釉機器人示教系統(tǒng)設計方法，利用圖像處理技術分析攝像系統(tǒng)所獲取的目標物體圖像施釉面的空間坐標及面形狀信息，并匯總生產(chǎn)工藝中施釉機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器人，以達到示教的目的。景德鎮(zhèn)陶瓷學院的張軍艦針對施釉機器人噴涂作業(yè)中內(nèi)外表面的噴涂問題，對施釉機器人的噴槍軌跡進行規(guī)劃，并在噴槍空間路徑生成的基礎上，對生成的噴槍軌跡分段進行優(yōu)化。

此外，河北聯(lián)合大學李晨輝提出了一種五自由度手把手示教型施釉專用關節(jié)機器人，分別利用D-H法、應用解析法和應用蒙特卡洛法分析了施釉機器人的機構運動學、尺度綜合及工作空間。景德鎮(zhèn)陶瓷學院于盛睿等則提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡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。

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，陶瓷施釉機器人則可以達到這樣的要求，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改進控制方法使施釉機器人更加智能化，而運用多連桿組合的方式，可以減小陶瓷施釉機器人的工作空間。

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