日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的設計與實踐

鄭秋榮

（廣東皓明陶瓷科技有限公司，潮州 515642）

1 前言

隨著社會發(fā)展進程的不斷加快，逐漸認識到產(chǎn)品智能化、信息化生產(chǎn)的重要性，雖然我國的日用陶瓷行業(yè)在國際市場中占據(jù)一足之地，但是作為我國的新興產(chǎn)業(yè)之一，在國際起步較晚，再加上日用陶瓷屬于大質(zhì)量、大體系，結(jié)構復雜度較大的產(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)陶瓷制造過程，傳統(tǒng)制造業(yè)一般對應力控制、屈服響應特征進行控制分析，但是可靠性不高，自穩(wěn)態(tài)性不足，于是近年來實現(xiàn)日用陶瓷的智能化制造成為主要發(fā)展趨勢。在日用陶瓷行業(yè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，設計智能制造系統(tǒng)實現(xiàn)高效生產(chǎn)工藝，本文還引入深度學習原理，構建制造過程的擬合控制優(yōu)化模型，經(jīng)過測試驗證了日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的優(yōu)越性能，滿足用戶對陶瓷的定制化需要。旨在本文對日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的研究與實踐工作，可以幫助我國未來提升日用陶瓷行業(yè)的國際競爭實力，引領日用陶瓷企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

2 基于深度學習的智能制造系統(tǒng)設計

2.1 深度學習算法

運用柔性無模制造技術和深度學習算法，試圖在日用陶瓷生產(chǎn)制造過程尋優(yōu)，構建實體化應用模型構造模具三維實體模型，在應力-應變曲線控制下，獲得了陶瓷生產(chǎn)智能制造的屈服向應力輸出，用u(n)表示，運用專業(yè)軟件輔助控制與深度學習算法結(jié)合，構建日用陶瓷生產(chǎn)車間智能制造穩(wěn)態(tài)分布模型如下：

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

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

以切削參數(shù)的分布狀況，通過運用深度學習法實現(xiàn)陶瓷生產(chǎn)車間的流程自適應控制，獲取相應的陶瓷智能制造穩(wěn)態(tài)特征分量，相應的應力結(jié)構參數(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)上述基于深度學習理論的智能制造過程，系統(tǒng)可以根據(jù)客戶對日用陶瓷多元化定制需要，建構數(shù)字化快速定制設計深度學習模型，從而優(yōu)化控制智能制造成品質(zhì)量。

2.2 系統(tǒng)總架構

通過從用戶層、業(yè)務層、數(shù)據(jù)層、物理層設計了日用陶瓷智能制造系統(tǒng)總架構（見圖1）。

圖1 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)技術架構

3 智能制造系統(tǒng)功能實現(xiàn)

日用陶瓷智能制造系統(tǒng)主要功能執(zhí)行流程（見圖2），根據(jù)下圖所示智能制造生產(chǎn)流程，通過更改原本需要自行購置原礦料磨石制漿的技術工藝，改用購置成品泥餅，從而保障漿料不同批次同樣具有充分穩(wěn)定性。設計自動化循環(huán)注漿則可以自動化循環(huán)利用石膏模具，在自動化開合模環(huán)節(jié)，可以滿足模具的開合模過程自動化，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)，確保修坯全過程都可無塵操作。二次利用燒制窯爐的余熱進行二次制熱，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，有效降低干擾開裂問題的發(fā)生率。并運用自動施釉工作站，確保陶瓷施釉環(huán)節(jié)質(zhì)量，之后將成品分級包裝至自動化機械設備，逐一完成質(zhì)量檢測，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，進行個性化陶瓷生產(chǎn)定制，系統(tǒng)虛擬設計庫能夠為客戶提供日用陶瓷的基礎成品類型，以及生產(chǎn)裝飾的組合定制樣式，如果最終虛擬設計庫的成品并不能滿足客戶所需，那么可以再次溝通進行個性定制，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 拉坯機器組

在制造生產(chǎn)中使用拉坯機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)的各類成形泥坯。一般此機器組在生產(chǎn)數(shù)量較小的回轉(zhuǎn)體器皿情況中應用較多，應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，設計視覺系統(tǒng)模擬人體眼睛觀感，并利用了AI算法將整個拉坯過程擬人化。

4.2.2 注漿模具小車

模具作為陶瓷制造加工成型工藝流程的重要單元，運載陶瓷模具在生產(chǎn)線循環(huán)利用，結(jié)合工藝生產(chǎn)制作要求進行一系列的移動、定位、開合等動作，整個模具小車可以確保裝載模具，通過小車方便模具的簡便安裝及精準定位。小車還可滿足動畫開合，確保模具結(jié)構的準確度。以模具的個性化注漿要求為依據(jù)，確保整個注漿過程不會發(fā)生漏漿情況，放漿但是不存漿，確保整個小車達到“一車”通用的模具定位安裝過程。那么自動循環(huán)注漿成型生產(chǎn)線，也作為實現(xiàn)模具小車自動化運行的關鍵工藝，通過設計導向?qū)к壗Y(jié)構保證磨具小車的自動化運行無誤，并提供牽引動力組與定位阻擋器，用于控制磨具小車的啟停往返，保證整個運轉(zhuǎn)爬行路線的精準穩(wěn)定。

4.2.3 快速注漿模具成型

運用智能化快速自動模具制造工藝，可以對陶瓷模具的狀態(tài)做到實時跟蹤，之后自動化注漿，開關模的生產(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?？梢愿鶕?jù)客戶的個性化定制需求，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，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標簽對模具的成型狀態(tài)實時跟蹤。此工藝過程中的智能立體模具庫實現(xiàn)了對模具具體狀態(tài)的實時監(jiān)控，以AI數(shù)據(jù)庫完成自動化存取。整個過程主要由模具庫測量生產(chǎn)數(shù)據(jù)之后，對模具狀態(tài)實時監(jiān)控，對接ERP系統(tǒng)獲得生產(chǎn)定制相關數(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，此技術同樣在少量不規(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有效避免打印瓷泥時坍塌變形，運用傳感器匹配機器視覺系統(tǒng)，實時監(jiān)控打印成品的最終干濕度、出泥量，對出泥狀態(tài)可以自動化調(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

陶瓷制造在進入裝飾工序時，主要利用以下智能裝飾工藝：首先，設計智能吹釉機器人，可以有效取代人工吹釉過程，滿足吹釉多樣化成品。具體過程由機器人通過關節(jié)機器組，對吹釉的角度和力度精準控制，用流量傳感器實時反饋吹釉狀態(tài)，視覺識別系統(tǒng)觀察吹釉效果。其次，智能3D印花通過多個關節(jié)機器組共同作用，設計了多個傳感器組件，與激光測距系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)相結(jié)合，測繪制造目標的外形裝飾質(zhì)量。再者，智能3D噴繪，同樣需要應用激光測距、機器視覺兩大智能系統(tǒng)，測繪目標外形并運行AI算法，對關節(jié)機器組和目標陶瓷噴繪角度精準控制，及時識別最終的噴繪效果。最后，對陶瓷坯胎使用智能3D雕刻機器組，可以滿足個性化陶瓷成品選用鏤空、深雕、淺雕等差異化技術。

4.4 燒制成品

在最后陶瓷成品燒制工藝環(huán)節(jié)至關重要，通過引入機器人裝窯技術，可以取代人工并對陶瓷產(chǎn)品的碼放合理計算自動完成，這一技術搭載云工廠ERP系統(tǒng)，了解將要裝窯坯體的重量、外形、干濕度、厚度等相關信息，計算抓取力度與最佳抓取點，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。燒制之后進入開窯環(huán)節(jié)，應用開窯機器人同樣搭載云工廠ERP系統(tǒng)，實時了解裝窯產(chǎn)品的燒制狀況，利用機器視覺系統(tǒng)輔助查看成品燒制效果，對抓取點合理調(diào)節(jié)并對燒制成品是否合格實現(xiàn)智能化判定，之后通過智能物流系統(tǒng)即可將陶瓷成品進行分送，分別為包裝區(qū)、不良品區(qū)。

5 實驗測試

為了驗證本次日用陶瓷生產(chǎn)智能制造系統(tǒng)的性能，利用CATIA、MATLAB軟件進行仿真測試，構建陶瓷生產(chǎn)構件模型，控制制造工藝微觀參數(shù)，（見表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，滿足客戶對陶瓷成品的個性化需要。

表1 參數(shù)擬合結(jié)果

6 結(jié)論

總之，通過設計日用陶瓷智能制造系統(tǒng)，進行實驗測試結(jié)果證實此系統(tǒng)提高了日用陶瓷生產(chǎn)制造過程的參數(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)實踐中，可以實現(xiàn)客戶創(chuàng)意、加工成型、生產(chǎn)裝飾、燒制成品等功能，我國日用陶瓷行業(yè)未來智能化發(fā)展將有廣闊前景。