陶瓷施釉機器人及其研究進展

羨浩博 虞澎澎

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333403）

0 引言

陶瓷產品釉面質量的好壞，是提高其市場競爭力的主要因素之一。良好的釉面質量，在提高陶瓷產品的優質品率的同時，又降低了生產成本。就現代陶瓷行業發展趨勢來說，提高原料的有效利用，減少資源的消耗，才是在激烈的行業競爭中立足的王道。根據調查，目前國內的陶瓷行業仍普遍采用人工作業的方式進行施釉工作，這就導致了陶瓷產品優質品率低。同時，施釉時產生的粉末對工人的身體健康也產生極大的威脅。

采用施釉機器人不僅可實現陶瓷施釉的高效連續化，還可有效地提高陶瓷產品的施釉質量。施釉機器人屬于工業機器人，綜合了人對環境的快速反應、分析判斷能力和機器持續工作時間長、精確度高和抗惡劣環境的能力，是一種先進的涂裝生產設備，它的出現將工人從繁重的施釉工作中解放出來，同時提高了生產效率和產品質量，節約了生產資源，為企業賺取了更多的利潤。

近些年來，國內外施釉機器人技術都取得了迅速發展，機器人能夠很好地實現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展相當迅速，已經利用施釉機器人實現了對陶瓷產品的噴釉工藝，其效率遠遠高于手工施釉的噴秞設備。在國內陶瓷生產領域，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，近年來國內施釉機器人技術有了一定發展，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，分析國內外施釉機器人的研究現狀與新動向，展望其發展趨勢。

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、工件及多工位轉臺、供輸釉系統、控制系統和定位系統等部分組成。其施釉生產過程包括陶坯定位、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動下繞轉軸轉動，通過這三個自由度來確定手腕處噴槍的空間位置，利用具有正交結構的二自由度的手腕轉動控制噴槍擺動方向，再采用工件轉臺帶動工件變速轉動，從而實現其與機器人本體各個軸的插補聯動，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、釉料主管道路循環回路。控制系統包括以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狀

早在上世紀九十年代，國外一些發達國家就著手研發用于汽車噴漆等用途的噴涂機器人，在此基礎上，鑒于陶瓷生產中的施釉過程易于實現自動控制，通過不斷的技術發展，在陶瓷施釉機器人技術上取得了重大突破，并實現了工業化應用。例如：德國ABB公司研制出具有五個自由度關節型施釉機器人，同時與工作轉臺相結合組成噴釉系統。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線。意大利制造的施釉機器可以快速高效地對衛生陶瓷坯體進行噴釉，與手工施釉設備相比，可節約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出MOTOMAN-UP20型具有平移工作能力的機電一體化工業用機器人，并用于陶瓷施釉生產線。

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展，進一步推動了工業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，噴槍的形狀、流量、噴射距離、釉料厚度與允許偏差、噴涂時間等參數和要求的前提下，通過建立數學模型和優化軌跡算法，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，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的衛生陶瓷施釉機器人，以提高其工作效率。希臘德謨克利特大學的I.P.Georgilas等針對手工結合機器人在衛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過程的新型解決方案，使施釉質量得到提升。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，通過調控水基陶瓷墨水的穩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，開發出了一種簡單而靈活的編程系統，采用兩步式混合編程模型設計，首先利用空間增強現實技術設計產品的預定軌跡草圖，然后依靠先進的3D圖形系統優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出無托盤化的衛生陶瓷自動輸送系統，進一步提高了陶瓷的生產效率，解放了勞動力。

3 國內陶瓷施釉機器人研究現狀

由于國內沒有核心制造技術，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企業吃不消，為此，近年來國內一些科研院所開展了相關研究。

例如：山東輕工業學院的邱書波開發出基于單片機控制的衛生陶瓷機器人噴釉生產線，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以及三工位轉臺構成了自動噴釉生產線。在2004年，清華大學與唐山陶瓷集團衛生陶瓷有限公司共同成功開發研制了用于衛生陶瓷生產的施釉機器人，該施釉機器人綜合運用了計算機視覺定位和位置伺服、間歇式旋轉噴涂、激光測距儀輔助示教和三維仿真生產過程監控等提高示教效率新的技術，并依據人工智能思想設計的間歇式轉臺旋轉噴涂工藝系統，便于施釉機器人示教及陶坯偏差系統修正，通過視覺定位技術實現了陶坯檢測及托盤位置在線修正。

此后，國內的科研人員針對施釉機器人在生產過程中出現的問題進行了攻關，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的問題，這也為我國的施釉機器人發展注入了強大力量。長安大學的鄧春花提出了基于圖像處理的衛生陶瓷施釉機器人示教系統設計方法，利用圖像處理技術分析攝像系統所獲取的目標物體圖像施釉面的空間坐標及面形狀信息，并匯總生產工藝中施釉機器人的操作運動軌跡、運動姿態和速度等信息，將上述信息傳送給施釉機器人，以達到示教的目的。景德鎮陶瓷學院的張軍艦針對施釉機器人噴涂作業中內外表面的噴涂問題，對施釉機器人的噴槍軌跡進行規劃，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化。

此外，河北聯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。景德鎮陶瓷學院于盛睿等則提出了基于人工神經網絡擬合釉料厚度沉積率模型的方法，通過試驗結果對比分析表明，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劃的軟件編程和仿真實現提供了模型依據與方法指導。

4 展望

隨著陶瓷行業的快速發展，陶瓷生產越來越趨向于高效、穩定的生產方式，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的市場前景十分廣闊。雖然國內已經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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