朱瑞娟 陳媛媛 劉繼武 李治 劉欣

（1 中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)（陜西）有限公司；2 國家建筑衛(wèi)生陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西 西安 710116）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是國家制造水平的重要標(biāo)志。從1959年美國Unimation公司的第一臺機(jī)器人至今，工業(yè)機(jī)器人已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)(FMS)、自動(dòng)化工廠(FA)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMs)最重要的自動(dòng)化工具[1]。

我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代，由于起步晚、技術(shù)薄弱等原因，我國工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家存在很大差距。隨著我國勞動(dòng)力成本的上升、勞動(dòng)力供給的下降以及產(chǎn)業(yè)升級的需要，并伴隨“工業(yè)4.0”的到來和“中國制造2025”的提出，近年來我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速增長(如圖1)。IFR數(shù)據(jù)顯示，2017年中國工業(yè)機(jī)器人市場占有率達(dá)30%以上，已連續(xù)5年成為全球第一大市場[2]。

圖1 2008-2018年中國工業(yè)機(jī)器人銷售情況

陶瓷產(chǎn)業(yè)作為傳統(tǒng)制造行業(yè)，目前在國內(nèi)自動(dòng)化程度均比較低，只能算是半自動(dòng)化，主要依賴人工作業(yè)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等問題。隨著加工成本的增加、解決勞工不足的呼聲愈來愈高及工業(yè)機(jī)器人服務(wù)的安全性、效率和質(zhì)量要求不斷提高，機(jī)器人代替人工勞動(dòng)力成為了陶瓷行業(yè)快速發(fā)展的催化劑。本文主要針對我國衛(wèi)生陶瓷工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了歸納總結(jié)，對發(fā)展中存在的主要問題進(jìn)行了評述。

1 我國衛(wèi)生陶瓷工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用面向行業(yè)主要是汽車、電子工業(yè)等行業(yè)，且這些行業(yè)由于自動(dòng)化程度高，對機(jī)器人有旺盛的需求[3]。由于產(chǎn)業(yè)升級和勞動(dòng)力短缺，陶瓷行業(yè)逐漸對機(jī)器人產(chǎn)生了新的需求，衛(wèi)生陶瓷行業(yè)作為傳統(tǒng)制造行業(yè)，其產(chǎn)品生產(chǎn)要經(jīng)歷毛坯成型、修坯、噴釉、再燒結(jié)成型等工藝流程，工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量難于保證及用工荒等問題日益嚴(yán)重，采用機(jī)器人技術(shù)，建立自動(dòng)化生產(chǎn)線成為衛(wèi)生陶瓷行業(yè)技術(shù)發(fā)展必由之路。

目前衛(wèi)生陶瓷工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在噴釉、拋光打磨及搬運(yùn)包裝等自動(dòng)生產(chǎn)線，市場容量相當(dāng)可觀。國外衛(wèi)生陶瓷行業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線已相當(dāng)成熟。美國匹茲堡大學(xué)的Bopaya Bidanda等[4]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)及噴槍的形狀、噴射距離、噴涂時(shí)間等參數(shù)和要求的前提下，通過建立數(shù)學(xué)模型并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的離線編程技術(shù)，設(shè)計(jì)出施釉機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，從而奠定了施釉機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。希臘德謨克利特大學(xué)的Georgilas I.P.等[5]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。葡萄牙科英布拉大學(xué)Veiga Germano等[6]設(shè)計(jì)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)，利用先進(jìn)的3D圖形系統(tǒng)優(yōu)化陶瓷坯體自動(dòng)拋光機(jī)器人工作軌跡，使其靈活度達(dá)到一個(gè)新的需求。

國內(nèi)陶瓷工業(yè)機(jī)器人的起步較晚，核心技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)較為成熟的機(jī)器人生產(chǎn)廠家有安徽埃夫特、廣州數(shù)控、廣東巨輪模具、南京埃斯頓等，佛山新鵬機(jī)器人公司、佛山利迅達(dá)公司、科信達(dá)科技公司、福建長江公司、珠海固得、華恒公司、蘇州博實(shí)機(jī)器人公司等利用國產(chǎn)或者國外機(jī)器人為核心，已成功開發(fā)出噴釉、噴漆、拋光打磨等集成應(yīng)用系統(tǒng)。國內(nèi)的第一臺噴釉機(jī)器人是由佛山新鵬機(jī)器人技術(shù)有限公司與樂華衛(wèi)浴公司合作共同研制。據(jù)悉馬可波羅、東鵬、新明珠等不少知名陶企都已開始使用機(jī)器人生產(chǎn)制造，效果十分可觀。尤其在噴釉方面，傳統(tǒng)人工噴釉易導(dǎo)致不均勻的現(xiàn)象，而噴釉機(jī)器人，能夠通過程序很好地控制噴涂的時(shí)間和量，相對于傳統(tǒng)的大多數(shù)廢品率在3%-6%的衛(wèi)生陶瓷企業(yè)，幾乎可以做到零廢品率，節(jié)省釉量10%左右，且每條噴釉生產(chǎn)線可節(jié)約2/3的人力；其次，在搬運(yùn)碼垛方面，工業(yè)機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器，通過編程完成不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)，無論是抓放物品還是搬運(yùn)距離，都能精確操作，且動(dòng)作響應(yīng)速度快，負(fù)重能力強(qiáng)，工作時(shí)長不受限，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，在注漿、翻坯、立坯、燒成等方面，中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)（陜西）有限公司成功研發(fā)了相關(guān)智能化生產(chǎn)設(shè)備及自動(dòng)化生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率顯著提高。例如，自動(dòng)翻坯出坯機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)石膏模具和青坯的脫離及濕坯的準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)對接，翻坯出坯節(jié)拍時(shí)間1.5分鐘/件，而傳統(tǒng)工藝需兩人配合完成，且容易造成坯體損壞；燒成工段進(jìn)行裝卸窯時(shí)，利用自動(dòng)識別式白坯裝窯機(jī)械手完成白坯裝窯工藝，燒成完成后再通過卸窯機(jī)械手將產(chǎn)品卸至檢驗(yàn)工裝板上，經(jīng)自動(dòng)輸送線送至成品檢驗(yàn)工位，完全滿足一般隧道窯的吞吐需求。

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前佛山陶瓷全行業(yè)應(yīng)用的各種型號工業(yè)機(jī)器人已超1000臺。但由于傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)需要在機(jī)器人應(yīng)用方面根據(jù)廠家的實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行專業(yè)性的機(jī)器人設(shè)計(jì)，而這些市場由于缺乏統(tǒng)一的技術(shù)解決方案，導(dǎo)致陶瓷工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到了很大的限制，尤其是面臨小批量、多品種的陶瓷生產(chǎn)模式，一直難以推廣。從制造業(yè)發(fā)展階段來看，工業(yè)1.0是以蒸汽機(jī)為代表的機(jī)械制造時(shí)代，工業(yè)2.0是以規(guī)模化流水線為代表的電氣化與自動(dòng)化時(shí)代，工業(yè)3.0是以數(shù)控機(jī)床為代表的電子信息化時(shí)代，工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)。如果將陶瓷行業(yè)的現(xiàn)狀對照上述的發(fā)展階段，整個(gè)行業(yè)充其量是介于工業(yè)2.0與工業(yè)3.0之間，離工業(yè)4.0還有漫漫長路。

1.2 存在問題

隨著我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的不斷加速，陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)方式也必將向自動(dòng)化、信息化和智能化方向發(fā)展，但是，迄今為止，我國衛(wèi)生陶瓷工業(yè)機(jī)器人尚處于產(chǎn)業(yè)化初級階段，仍面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）核心部件生產(chǎn)技術(shù)落后

我國工業(yè)機(jī)器人的起步較晚，核心技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，特別是在高性能交流伺服電機(jī)和精密減速機(jī)方面的差距尤其明顯，目前，全球機(jī)器人核心部件幾乎被國外供應(yīng)商壟斷，如減速器基本由納博、哈默納科等幾家日本公司控制，外資廠商即有瑞典的ABB，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA等四家廠商成為全球主要的工業(yè)機(jī)器人供貨商，合計(jì)銷售占據(jù)全球約50%的市場份額。而專門針對衛(wèi)浴行業(yè)的專業(yè)機(jī)器人更是落后于國外陶瓷巨頭，同時(shí)，針對國內(nèi)產(chǎn)品換產(chǎn)頻繁，專業(yè)人才及標(biāo)準(zhǔn)缺乏等問題，更是給行業(yè)帶來更大難題，導(dǎo)致形成嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面，因此，擁有自主研發(fā)的性能可靠的關(guān)鍵零部件是國內(nèi)陶瓷工業(yè)機(jī)器人長足發(fā)展和擴(kuò)大規(guī)模的重要途徑[7]。

2）陶瓷機(jī)器人行業(yè)整體合力不足

美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了各自的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化模式，中國的機(jī)器人技術(shù)雖然取得了較大的進(jìn)步，但由于起步較晚、基礎(chǔ)較弱，衛(wèi)生陶瓷行業(yè)機(jī)器人整體合力不足，還未達(dá)到規(guī)?；纳a(chǎn)應(yīng)用。首先，我國陶瓷機(jī)器人產(chǎn)業(yè)尚未形成統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用平臺，企業(yè)之間尚未形成密切的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)態(tài)勢，行業(yè)整體發(fā)展缺乏合力，因而質(zhì)量難以控制，也難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；其次，機(jī)器人企業(yè)全國分布較為零散，尚未形成產(chǎn)業(yè)集群，機(jī)器人行業(yè)實(shí)力良莠不齊，各家研究機(jī)構(gòu)過于獨(dú)立封閉，一定程度上影響了行業(yè)的發(fā)展壯大，諸如沃迪等上海一線城市企業(yè)的零部件采購均分散在全國，而上海本地的配套企業(yè)并不多[7]。

3）以工業(yè)機(jī)器人為核心的陶瓷生產(chǎn)系統(tǒng)無法迅速推廣

以工業(yè)機(jī)器人為核心的生產(chǎn)設(shè)備無法迅速推廣是傳統(tǒng)陶瓷行業(yè)升級改造的核心問題。近年來業(yè)內(nèi)偏向于重視工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)研發(fā)，忽視關(guān)鍵技術(shù)突破，關(guān)鍵零部件主要依賴進(jìn)口，造成國產(chǎn)機(jī)器人的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了大多數(shù)陶企的承受能力，嚴(yán)重制約了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和推廣應(yīng)用[8]；工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用系統(tǒng)往往需要操作人員對復(fù)雜的操作控制系統(tǒng)、示教方式和生產(chǎn)工藝等相當(dāng)熟悉，而目前陶企內(nèi)部大量需要機(jī)器代替人工的工種，操作人員和維修維護(hù)人員大部分是學(xué)歷較低的普通工人，很難一下子接受和熟練使用高端裝備，造成使用矛盾，例如，噴涂機(jī)器人由于被噴工件的復(fù)雜曲面特性，導(dǎo)致人工示教和離線編程示教難度非常大，進(jìn)而限制了設(shè)備的推廣；需要拋光打磨的五金件，由于曲線復(fù)雜，手動(dòng)編程有的高達(dá)1 個(gè)月，造成難以推廣，這也是國外的成熟生產(chǎn)系統(tǒng)直接引進(jìn)到國內(nèi)不能發(fā)揮效力的重要原因之一；工業(yè)機(jī)器人諸多技術(shù)方面仍然停留在仿制層面，創(chuàng)新能力不足，制約了陶瓷機(jī)器人市場的拓展。為此，國家為滿足日益增長的機(jī)器人專業(yè)的人才需求，中國電子學(xué)會受國標(biāo)委委托于2015年推出了“全國青少年機(jī)器人技術(shù)等級考試標(biāo)準(zhǔn)”，對未來我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用推廣意義重大。

2 發(fā)展趨勢

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，未來整個(gè)陶瓷行業(yè)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用缺口非常大，雖然國內(nèi)已經(jīng)完成了衛(wèi)生陶瓷工業(yè)機(jī)器人從無到有的突破，但是隨著“機(jī)器換人”的完成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的模塊化、柔性化、產(chǎn)業(yè)化成為未來衛(wèi)生陶瓷行業(yè)智能制造發(fā)展的重要趨勢。

2.1 模塊化

所謂模塊化就是為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能，在功能分析的基礎(chǔ)上，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定模塊，然后通過模塊的不同組合得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求[9]。由于衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品設(shè)計(jì)千變?nèi)f化，導(dǎo)致其生產(chǎn)工藝多種多樣，模塊化設(shè)計(jì)可以滿足其不同的需求；能夠使機(jī)器人零部件便于拆卸，便于組件的運(yùn)送、替換和維修；通過組件的不同搭配，既可滿足不同用戶群體的諸多個(gè)性化需求，又可以降低制造成本[8]。

2.2 柔性化

柔性化生產(chǎn)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)，并具有一定管理功能。柔性生產(chǎn)是全面的，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、管理、人員和軟件的綜合柔性[10]。例如，衛(wèi)生陶瓷機(jī)器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中適應(yīng)了不同的工件和模具。不僅可以取代粉塵大、作業(yè)復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大及精度要求高等工作，還可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。其次，信息控制系統(tǒng)可“存入”許多工件的最佳施釉工作“曲線”，且操作簡單，即便工件發(fā)生變化，機(jī)器人也能以最快的速度適應(yīng)工件，噴涂出高質(zhì)量的陶瓷釉面，使生產(chǎn)過程具有更完善的判斷和適應(yīng)力[11]。經(jīng)調(diào)查兩種做產(chǎn)品噴涂程序的使用情況顯示，相同產(chǎn)品條件下，模擬人工操作的方式，做一款程序大約需要10-30分鐘，而人工手動(dòng)示教操作，做一款程序的時(shí)間為5-7天，相差十分明顯。

2.3 產(chǎn)業(yè)化

陶瓷制造強(qiáng)國意大利、德國和日本等國在機(jī)器人應(yīng)用方面已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)普及，尤其在噴釉工藝方面，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工施釉的噴釉設(shè)備。而我國在該產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用比例過低，當(dāng)前主要依靠人力[12]。隨著我國勞動(dòng)力成本的上升、勞動(dòng)力供給的下降以及產(chǎn)業(yè)升級的需要,采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)品從毛坯成形、修坯、噴釉、再燒結(jié)成型等全過程的自動(dòng)化生產(chǎn)顯得尤為重要。例如，在固定作業(yè)機(jī)器人中，為了提高動(dòng)作靈活度，多關(guān)節(jié)、多自由度的機(jī)械臂等機(jī)構(gòu)開始出現(xiàn)。其次，機(jī)器人修坯打磨系統(tǒng)相對于人工打磨效率提高25%。噴釉機(jī)器人的使用可使每條噴釉線節(jié)省2/3的人員，生產(chǎn)效率提高80%，大大節(jié)省人工成本。更重要的是機(jī)器人上崗后，可讓生產(chǎn)工人遠(yuǎn)離粉塵、噪音等的傷害，基本杜絕職業(yè)病的 產(chǎn)生，從而大大降低了企業(yè)的經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化是陶瓷行業(yè)迫切需要完成的發(fā)展目標(biāo)。

3 結(jié)語

陶瓷企業(yè)目前面臨著產(chǎn)能過剩、綠色制造和互聯(lián)網(wǎng)沖擊等多重壓力，一方面就是進(jìn)行信息化改造和智能制造，以便于及時(shí)對市場變化做出反應(yīng)；其次，生產(chǎn)管理水平的高低也決定著整個(gè)制造產(chǎn)業(yè)競爭力的高低，尤其是類似陶瓷行業(yè)面臨的管理復(fù)雜性和人才缺失等因素，生產(chǎn)管理是實(shí)施自動(dòng)化制造發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，相關(guān)措施的制定可進(jìn)一步推進(jìn)陶瓷工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)程。例如：加大政府投資力度，制定具體的扶持政策；加大工業(yè)機(jī)器人教育方面的支持，保證高端專業(yè)研發(fā)人才的持續(xù)供應(yīng)等；促進(jìn)創(chuàng)新成果及產(chǎn)學(xué)研實(shí)際轉(zhuǎn)化率，加強(qiáng)高校與企業(yè)，企業(yè)與企業(yè)之間的交流合作。相信陶瓷行業(yè)邁向工業(yè)4.0的智能時(shí)代指日可待。