陶瓷霧化芯基體智能制造技術(shù)的探索與實(shí)踐

葛永能 黃家穎 譚 談

（江門摩爾科技有限公司，江門 529000）

霧化技術(shù)就是借助某種裝置將液體分散成微小液滴，在空氣中形成煙霧狀的氣溶膠。霧化技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，在醫(yī)療、美容、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、煙草行業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

近年來，我國的電子霧化科技發(fā)展迅速，但是陶瓷霧化芯先進(jìn)制造技術(shù)仍處于初級(jí)階段，在裝備自動(dòng)化程度、生產(chǎn)過程控制精度等方面均有待提升，不僅對(duì)一線人工的依賴比較強(qiáng)，而且無法滿足高端產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。為適應(yīng)陶瓷霧化芯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，我國陶瓷霧化芯制造業(yè)必須提高生產(chǎn)過程控制精度及生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自動(dòng)、精細(xì)控制，提升產(chǎn)品的可靠性。

思摩爾國際控股有限公司（以下簡稱思摩爾）是我國最早的霧化科技研發(fā)企業(yè)之一，已成為全球領(lǐng)先的霧化科技解決方案提供商，其霧化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于新型煙草、醫(yī)療、美容等行業(yè)。思摩爾設(shè)計(jì)建設(shè)的年產(chǎn)14 億顆陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)示范線，將實(shí)現(xiàn)從原料投料、注射成型、埋粉脫脂、燒結(jié)到成品外觀檢測等工序全自動(dòng)化精確控制，以滿足高精度、高穩(wěn)定性陶瓷霧化芯基體的生產(chǎn)要求。自動(dòng)化工藝流程，如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

1 陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)裝置

1.1 原料自動(dòng)化投料裝置

傳統(tǒng)原料投料方式為人工加料，加料效率、及時(shí)性、準(zhǔn)確性不高，注塑生坯質(zhì)量不穩(wěn)定。思摩爾建設(shè)的原料自動(dòng)投料系統(tǒng)主要由料位感應(yīng)器、計(jì)量裝置、軟連接組件、電氣控制系統(tǒng)、儲(chǔ)料倉、上料裝置和運(yùn)輸軌道等部分組成，通過注塑機(jī)臺(tái)料位感應(yīng)、自動(dòng)投料稱量系統(tǒng)螺旋給料、軌道小車運(yùn)輸至發(fā)出需求信號(hào)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的全自動(dòng)計(jì)量補(bǔ)給，提升整體加料效率和計(jì)量精度[1-2]。

與傳統(tǒng)人工稱量及投料相比，自動(dòng)化、數(shù)字化原料投料生產(chǎn)裝備的加料效率明顯提高，降低了人工失誤率，加料及時(shí)性、準(zhǔn)確性達(dá)到100%，注塑坯體質(zhì)量穩(wěn)定性也得到提升。

1.2 全自動(dòng)注塑成型及智能分配轉(zhuǎn)運(yùn)裝置

思摩爾采用全自動(dòng)油壓注塑機(jī)和自動(dòng)去毛刺專用裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注料、自動(dòng)取坯、自動(dòng)去毛刺、自動(dòng)清潔和溫度智能補(bǔ)償?shù)瘸尚筒僮?。原料在一定溫度、壓力、射速下注入模具型腔，自然冷卻后形成注塑生坯。注塑生坯經(jīng)自動(dòng)取坯、去毛刺一體機(jī)械手抓取落到料框內(nèi)，并對(duì)其批次性、機(jī)臺(tái)信息進(jìn)行賦碼。滿載生坯的料框通過輥道傳送至自動(dòng)疊框機(jī)疊框，再由自動(dòng)導(dǎo)向車（Automated Guided Vehicle，AGV）將料架輸送至埋粉工序。

生坯取坯及自動(dòng)去毛刺一體機(jī)械手，如圖2 所示。通過注塑生坯全自動(dòng)成型、取坯、去毛刺及轉(zhuǎn)運(yùn)裝置建設(shè)，思摩爾陶瓷霧化芯基體生產(chǎn)線成型至排膠工序?qū)崿F(xiàn)了無人化操作，降低了人工成本。

圖2 生坯取坯及去毛刺機(jī)械手

1.3 脫脂工序全自動(dòng)化裝置

思摩爾陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)線脫脂裝置包括自動(dòng)混料埋粉系統(tǒng)、自動(dòng)傳送系統(tǒng)、機(jī)械手自動(dòng)上下窯系統(tǒng)、自動(dòng)脫脂燒結(jié)系統(tǒng)、自動(dòng)篩粉系統(tǒng)和埋燒粉自動(dòng)收集回流系統(tǒng)等。自動(dòng)混料系統(tǒng)采用機(jī)械手自動(dòng)添加注塑生坯和埋燒粉進(jìn)行混料，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)埋粉，如圖3 所示。注塑生坯與埋燒粉自動(dòng)混合后分裝到載具，由輥道線傳送至推板窯進(jìn)行脫脂燒結(jié)[3]。

圖3 自動(dòng)混料系統(tǒng)

脫脂燒結(jié)采用連續(xù)式推板窯進(jìn)行生產(chǎn)，推板窯上、下料裝置具備來料數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別、有序和定位擺放等功能。下窯處設(shè)置取樣點(diǎn)，按批次人工進(jìn)行相關(guān)性能測試，測試結(jié)果自動(dòng)輸入制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）進(jìn)行判定。判定異常批次產(chǎn)品自動(dòng)傳送至異常產(chǎn)品暫存?zhèn)}由人工分析處理，合格產(chǎn)品流轉(zhuǎn)至自動(dòng)篩粉裝置。

自動(dòng)篩粉系統(tǒng)如圖4 所示，可實(shí)現(xiàn)粉料分離。該系統(tǒng)同樣具備來料信息管理功能，埋燒粉批次信息自動(dòng)識(shí)別、收集、傳送、回流至自動(dòng)混料處循環(huán)使用。粉料分離完成后，陶瓷基體流轉(zhuǎn)至智能立體倉，待MES 系統(tǒng)下達(dá)高級(jí)計(jì)劃調(diào)度（Advanced Planning Scheduling，APS）指令傳送到下一工序。

圖4 自動(dòng)篩粉系統(tǒng)

通過全自動(dòng)化裝置建設(shè)后，思摩爾陶瓷霧化芯基體脫脂生產(chǎn)工序可實(shí)現(xiàn)無人化操作。與傳統(tǒng)人工擺盤、埋粉、上下窯裝舟、轉(zhuǎn)運(yùn)操作相比，脫脂工序可減少70%用工，生產(chǎn)效率提高180%，生產(chǎn)成本大幅下降，作業(yè)環(huán)境得到改善。

1.4 燒結(jié)至振拋清洗烘干全自動(dòng)化裝置

燒結(jié)工序采用全自動(dòng)推板窯進(jìn)行連續(xù)性生產(chǎn)。來料通過輥道自動(dòng)運(yùn)輸、全自動(dòng)數(shù)料機(jī)、裝疊舟機(jī)按設(shè)定重量和數(shù)量進(jìn)行裝舟、疊舟，再通過輥道輸送進(jìn)入燒結(jié)推板窯按照工藝溫度燒結(jié)。燒結(jié)溫度可根據(jù)批次試燒信息系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控。燒結(jié)后，使用機(jī)械手抓取燒結(jié)舟將產(chǎn)品倒入載具料籃內(nèi)，自動(dòng)輸送到振拋清洗烘干一體機(jī)，如圖5 所示。振拋粉與基體自動(dòng)分離后，粉自動(dòng)輸送到回收系統(tǒng)，重復(fù)利用。產(chǎn)品烘干后自動(dòng)進(jìn)入線邊緩存庫架，性能測試合格的產(chǎn)品調(diào)庫出庫，通過軌道輸送到下一外觀檢驗(yàn)工序，不合格產(chǎn)品則等待人工分析處理。

圖5 自動(dòng)振拋清洗烘干一體化裝置

本工序主要建設(shè)完成智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)、輥道自動(dòng)輸送系統(tǒng)、全自動(dòng)數(shù)料機(jī)、自動(dòng)裝疊舟機(jī)、燒結(jié)推板窯自動(dòng)上下窯、自動(dòng)振拋清洗烘干系統(tǒng)、振拋粉回收儲(chǔ)存系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了無人化操作。

1.5 外觀缺陷在線自動(dòng)檢測裝置

思摩爾與光子科技公司共同研發(fā)了不同于傳統(tǒng)工業(yè)視覺技術(shù)的多孔陶瓷霧化芯基體外觀缺陷在線檢測裝置，如圖6 所示。此系統(tǒng)采用復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)架，只需通過標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)就可以得到一個(gè)強(qiáng)大的模型。視覺檢測系統(tǒng)共采用6 套高速動(dòng)態(tài)工業(yè)相機(jī)配套光學(xué)系統(tǒng)對(duì)要檢測的產(chǎn)品進(jìn)行圖像抓取，帶圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）加速的高速工業(yè)計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，檢測陶瓷霧化芯產(chǎn)品6 個(gè)面的缺料、裂紋等瑕疵。

圖6 外觀在線檢測裝置圖

陶瓷霧化芯基體外觀缺陷在線檢測裝置建設(shè)完成后，思摩爾陶瓷霧化芯基體成品分揀工段將減少90%人工，外觀分析效率和分揀質(zhì)量將得到進(jìn)一步提升，生產(chǎn)成本下降。

1.6 智能化建設(shè)思考

思摩爾陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)已借助自動(dòng)化設(shè)備、軟件信息系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原料料位、注塑成型參數(shù)、燒結(jié)溫度曲線等關(guān)鍵參數(shù)的在線檢測、智能化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)陶瓷霧化芯基體成品外觀的在線檢測，通過數(shù)字化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升管理效率，降低制造成本。但是在智能化建設(shè)過程中仍遇到很多瓶頸，如振拋清洗后產(chǎn)品孔隙率和導(dǎo)油率等關(guān)鍵性能在線檢測難以實(shí)現(xiàn)、高溫?zé)Y(jié)條碼自動(dòng)識(shí)別可靠性低、燒成基體表面凹凸不平自動(dòng)檢測識(shí)別難度大，導(dǎo)致不能全部取代人工作業(yè)。因此，建設(shè)的陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)線距離智能化生產(chǎn)還有一定差距。

2 智能制造技術(shù)在陶瓷霧化芯基體生產(chǎn)中應(yīng)用的主要瓶頸

2.1 振拋后孔隙率、導(dǎo)油等性能無法實(shí)現(xiàn)在線檢測

現(xiàn)有陶瓷霧化芯基體振拋清洗烘干工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)上料、自動(dòng)入庫，基體孔隙率、導(dǎo)油等性能檢測合格后才能出庫。但是，目前孔隙率、導(dǎo)油等檢測主要依靠人工取樣測試，檢測效率低，無法做到實(shí)時(shí)反饋和建立反饋機(jī)制。行業(yè)內(nèi)還沒有應(yīng)用相關(guān)自動(dòng)化檢測設(shè)備，也缺少核心技術(shù)支撐，因此振拋后基體出庫還需要人工參與調(diào)庫，無法實(shí)現(xiàn)智能化。如果孔隙率、導(dǎo)油等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，并反饋給后端調(diào)控，那么振拋清洗烘干后基體從入庫、出庫到外觀檢驗(yàn)工序即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率[4-5]。

2.2 耐高溫編碼自動(dòng)識(shí)別可靠性低，批次追溯難度大

思摩爾陶瓷霧化芯基體自動(dòng)化生產(chǎn)線鋪設(shè)SAP、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）、MES 等軟件系統(tǒng)，實(shí)施各生產(chǎn)工序的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全過程監(jiān)控與管理。目前，燒結(jié)段由于溫度較高，編碼材料不耐高溫，或隨燒結(jié)次數(shù)增加，編碼逐步淡化、模糊，掃碼自動(dòng)識(shí)別可靠性低，導(dǎo)致批次追溯難度大，是建設(shè)陶瓷霧化芯基體制造企業(yè)智能追溯系統(tǒng)的主要瓶頸。

2.3 基體表面凹凸不平，自動(dòng)識(shí)別難度大

思摩爾與光子科技公司共同研發(fā)了多孔陶瓷霧化芯外觀在線檢測系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了陶瓷霧化芯產(chǎn)品6 個(gè)面的缺料、裂紋等瑕疵的自動(dòng)化檢測。但是，受光源類別、精度等影響，陶瓷霧化芯基體絲印面出現(xiàn)的凹凸不平問題目前還無法準(zhǔn)確檢測，需要人工進(jìn)行輔助判定。如果漏檢，將對(duì)后段絲印造成質(zhì)量影響。因此，如何提高絲印面凹凸不平瑕疵的檢測精度，是陶瓷霧化芯基體外觀全自動(dòng)化檢測建設(shè)面臨的一大挑戰(zhàn)。

3 促進(jìn)我國陶瓷霧化芯基體智能制造發(fā)展的對(duì)策建議

3.1 加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)

我國陶瓷霧化芯行業(yè)的在線檢測設(shè)備起步較晚，為加快產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)，應(yīng)大力推動(dòng)陶瓷霧化芯材料行業(yè)在線檢測設(shè)備核心、關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。以中國制造2025 為突破口，從硬件和軟件兩個(gè)方面制定合理有效的創(chuàng)新能力提升策略，形成持續(xù)效應(yīng)，包括陶瓷孔隙率、導(dǎo)油、外觀缺陷等在線檢測設(shè)備的研發(fā)投入保障、高水平科技成果培育、配套設(shè)施建設(shè)等，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)競爭優(yōu)勢由傳統(tǒng)要素向高新技術(shù)的轉(zhuǎn)型。

3.2 加大耐高溫條碼材料研發(fā)投入

加大耐高溫、適用陶瓷霧化芯基體生產(chǎn)的條碼材料的研發(fā)投入，提升條碼識(shí)別可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備接口的集成、統(tǒng)一調(diào)度和監(jiān)控?；谏a(chǎn)批次，通過條碼系統(tǒng)關(guān)聯(lián)制品物料在生產(chǎn)全過程的信息記錄，支撐訂單執(zhí)行進(jìn)度追蹤與質(zhì)量過程的數(shù)據(jù)追溯[6]。

3.3 大力培養(yǎng)智能制造技術(shù)人才

從創(chuàng)新管理、科研與人才激勵(lì)、科技創(chuàng)新經(jīng)費(fèi)保障等方面建立一系列有效的管理制度，實(shí)現(xiàn)智能制造人才隊(duì)伍建設(shè)上的突破。通過定期培訓(xùn)提高人員的勞動(dòng)技能，以不斷適應(yīng)制造業(yè)變革所需要的技能要求，維護(hù)智能制造型企業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語

思摩爾陶瓷霧化芯基體生產(chǎn)線在自動(dòng)化、智能化建設(shè)程度上雖然已經(jīng)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，但是仍然存在很多問題，距離智能化生產(chǎn)還有一定差距。文章提出的振拋清洗后基體孔隙率、導(dǎo)油等性能無法實(shí)現(xiàn)在線檢測、出庫無法智能化、條碼自動(dòng)識(shí)別可靠性低、批次追溯難度大、絲印面凹凸不平以及瑕疵自動(dòng)識(shí)別難度大，是影響陶瓷霧化芯基體智能制造的主要因素?；诖?，提出針對(duì)性的對(duì)策建議，以推動(dòng)我國陶瓷霧化芯智能制造技術(shù)的快速發(fā)展。