鄭立斌，肖 榮，鄭潤(rùn)東 ，丁志強(qiáng)，謝鐘敏，魏淑鋼

（1. 景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2. 景德鎮(zhèn)市第一中學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的日用陶瓷行業(yè)經(jīng)歷了一個(gè)穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，技術(shù)工藝和裝備日趨成熟，日用陶瓷產(chǎn)量和陶瓷企業(yè)數(shù)量都位于世界前列，已成為世界最大的日用陶瓷生產(chǎn)國(guó)。機(jī)械裝備經(jīng)歷了機(jī)械化、自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的一系列發(fā)展過程。2013年德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，2015年中國(guó)提出《中國(guó)制造2025》，標(biāo)志著智能化網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)制造業(yè)時(shí)代的開始。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能推動(dòng)全球傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，企業(yè)需要從傳統(tǒng)的產(chǎn)品提供商向綜合服務(wù)提供商轉(zhuǎn)型，在產(chǎn)品提供方式和業(yè)務(wù)模式方面需要從傳統(tǒng)的大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化向大規(guī)模定制化、個(gè)性化轉(zhuǎn)型，也就是向C2B（Customer to Business）模式轉(zhuǎn)型?；?C2B的大規(guī)模定制，既包括實(shí)物產(chǎn)品，也包括實(shí)物 + 服務(wù)產(chǎn)品。制造業(yè)產(chǎn)業(yè)模式從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的附加值增值提供了充分的可能性，加快了企業(yè)高附加值產(chǎn)業(yè)鏈條向上下游兩端延伸的速度，促使企業(yè)更快從“以產(chǎn)品為中心”向“以用戶為中心”轉(zhuǎn)變。

20世紀(jì)80年代，隨著對(duì)外貿(mào)易、對(duì)外技術(shù)的交流，國(guó)內(nèi)智能制造技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展，在一些行業(yè)智能制造裝備取得了一些自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。國(guó)內(nèi)日用陶瓷行業(yè)從90年代初期引進(jìn)國(guó)外設(shè)備和技術(shù)，經(jīng)過國(guó)內(nèi)的日用陶瓷機(jī)械裝備企業(yè)對(duì)這些技術(shù)的吸收轉(zhuǎn)化，已經(jīng)完成了陶瓷整線的國(guó)產(chǎn)化。在這些國(guó)產(chǎn)化過程中部分日用陶瓷企業(yè)對(duì)陶瓷裝備進(jìn)行了半自動(dòng)化、自動(dòng)化改造。但是在智能制造技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)日用陶瓷行業(yè)落后于汽車、電池、制藥等其他行業(yè)。許多日用陶瓷企業(yè)決策者對(duì)智能制造的概念沒有完整的認(rèn)識(shí)，對(duì)智能制造在日用陶瓷行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)缺乏清晰的了解。也有部分企業(yè)在智能制造方面進(jìn)行探索，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，陶瓷企業(yè)很多停留在傳統(tǒng)項(xiàng)目層面，沒有從全生命周期角度、個(gè)性化定制角度來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，沒有向“以用戶為中心”轉(zhuǎn)變。現(xiàn)有公開的文獻(xiàn)中，日用陶瓷智能制造只提到了現(xiàn)狀和展望，沒有日用陶瓷智能制造系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方案的相關(guān)研究。

2 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

日用陶瓷智能制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是響應(yīng)政府號(hào)召建設(shè)國(guó)家陶瓷文化傳承創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)，打造對(duì)外文化交流新平臺(tái)。該系統(tǒng)采用四層體系結(jié)構(gòu)，在服務(wù)器的支撐下，提供各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化日用陶瓷的定制業(yè)務(wù)。

圖1 日用陶瓷智能制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3 業(yè)務(wù)流程

日用陶瓷傳統(tǒng)制瓷工藝，基本上源于江西景德鎮(zhèn)市，手工制瓷工藝其核心包括拉坯、利坯、畫坯、上釉、燒窯，隨著工業(yè)化的發(fā)展，傳統(tǒng)工藝在這基礎(chǔ)之上也有所改變。本文構(gòu)建的日用陶瓷智能制造系統(tǒng)流程如圖2所示，主要包括個(gè)性化規(guī)模定制、云工廠、智能化、陶瓷成型、陶瓷裝飾、陶瓷燒制等研究。

圖2 日用陶瓷智能制造生產(chǎn)工藝流程圖

3.1 客戶創(chuàng)意

通過該系統(tǒng)客戶與代理商進(jìn)行溝通實(shí)現(xiàn)個(gè)性化規(guī)模定制，虛擬設(shè)計(jì)庫(kù)提供了基礎(chǔ)日用陶瓷器型、基礎(chǔ)裝飾圖案庫(kù)的組合定制設(shè)計(jì)，如果不能滿足客戶的需求，通過再次與代理商溝通，客戶提供素材或者客戶提出需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化規(guī)模定制，定制完成之后，客戶可以通過系統(tǒng)來(lái)查看訂單的實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。

3.2 陶瓷成型

（1）拉坯機(jī)器人

拉坯機(jī)器人是一種替代手工回旋體拉坯的機(jī)器人。成形泥坯最大尺寸為直徑0. 5 m、高度1 m、厚度0. 1 m。拉坯機(jī)器人主要應(yīng)用于數(shù)量較小的回轉(zhuǎn)體器皿訂單，使用關(guān)節(jié)機(jī)器人替代人手，輔助以大量的神經(jīng)元傳感器模擬人手的觸感反饋，并使用機(jī)器視覺系統(tǒng)替代眼睛的功能，通過采用先進(jìn)的AI算法的核心系統(tǒng)控制整個(gè)拉坯機(jī)器人的擬人化運(yùn)行。

（2）快速注漿模具成型

快速注漿模具成型是一種智能快速自動(dòng)制造模具、智能跟蹤模具狀態(tài)、智能自動(dòng)注漿、自動(dòng)開模的無(wú)人生產(chǎn)流水線。模具最大尺寸為長(zhǎng)1 m、寬1 m、高1 m。注漿成形坯體最大尺寸為長(zhǎng)0.6 m、寬0.6 m、高0.6 m?？焖僮{成形主要應(yīng)用于小批量的不規(guī)則形狀產(chǎn)品的生產(chǎn)，通過智能的ERP系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)至快速成型系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)訂單的數(shù)量和訂單周期制作注漿成型模具，并通過RFID實(shí)時(shí)跟蹤模具狀態(tài)，達(dá)成高效柔性生產(chǎn)。

智能立體模具庫(kù)是一種無(wú)人立體模具庫(kù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控模具狀態(tài)，按照AI數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)提醒補(bǔ)充和報(bào)廢模具，自動(dòng)存取模具。 智能立體模具庫(kù)通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)和多種參數(shù)的測(cè)量，實(shí)時(shí)監(jiān)控模具的狀態(tài)和壽命，與云工廠ERP系統(tǒng)對(duì)接，獲取生產(chǎn)需求的數(shù)據(jù)，根據(jù)需求選擇最佳狀態(tài)的模具進(jìn)行生產(chǎn)，并根據(jù)之前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)判定是否要增加或者報(bào)廢模具；智能模具庫(kù)與廠內(nèi)智能物流系統(tǒng)對(duì)接，在接到云工廠ERP系統(tǒng)發(fā)來(lái)的生產(chǎn)指令后，通過RFID快速識(shí)別模具位置，并將其運(yùn)送至加工區(qū)域。

（3）3D打印成型

3D打印成型是一種通過3D打印技術(shù)快速制作不規(guī)則特殊形狀的坯體。3D打印最大尺寸為長(zhǎng)0.5 m、寬0.5 m、高0.3 m。3D打印主要用于單件或少量不規(guī)則特殊形狀產(chǎn)品的制作，通過研究特殊的堆砌成型技術(shù)防止瓷泥在打印過程中出現(xiàn)變形坍塌，采用傳感器和機(jī)器視覺系統(tǒng)匹配，監(jiān)控打印口出泥量和干濕度，智能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)出泥狀態(tài)，使得打印出的坯體厚度均勻、質(zhì)地緊密便于燒制。

3.3 陶瓷裝飾

（1）智能吹釉機(jī)器人

智能吹釉機(jī)器人是一種可以達(dá)到自動(dòng)吹釉機(jī)的吹釉速度，并替代人工吹釉的多樣性的機(jī)器人。吹釉坯體最大回轉(zhuǎn)直徑2 m，最大高度2 m，雙槍頭。吹釉機(jī)器人使用關(guān)節(jié)機(jī)器人控制吹釉角度，流量傳感器和機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別狀態(tài)和效果，并通過AI控制吹釉效果。

（2）智能3D印花機(jī)器人

智能3D印花機(jī)器人是一種替代人工對(duì)異形產(chǎn)品印花的機(jī)器人。最大印花面高度差0.1 m。3D印花機(jī)器人使用多個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人協(xié)作，使用多種傳感器配合激光測(cè)距系統(tǒng)和機(jī)器視覺系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)外形的測(cè)繪，通過AI算法同時(shí)操作多個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)器人同時(shí)印花，并通過機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）智能3D噴繪機(jī)器人

智能3D噴繪機(jī)器人是一種替代人工對(duì)異形產(chǎn)品噴繪的機(jī)器人。最大噴繪面高度差0.1 m。3D印花機(jī)器人使用關(guān)節(jié)機(jī)器人，使用激光測(cè)距系統(tǒng)和機(jī)器視覺系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)外形的測(cè)繪，通過AI算法控制關(guān)節(jié)機(jī)器人與目標(biāo)之間的角度，使用流量傳感器和機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別噴繪效果。

（4）智能手繪機(jī)器人

智能手繪機(jī)器人是一種替代人工對(duì)產(chǎn)品手繪的機(jī)器人。最大手繪面0.5 m×0.5 m，最大高度差0.05 m。手繪機(jī)器人采用大數(shù)據(jù)與AI結(jié)合的系統(tǒng)控制模式，具有自我學(xué)習(xí)的能力，核心控制系統(tǒng)使用大量的視頻數(shù)據(jù)采集，分析機(jī)器人持筆角度、落筆角度、落筆速度、筆尖形狀、顏料飽和度等關(guān)鍵因素，通過視覺系統(tǒng)識(shí)別和學(xué)習(xí)工作狀態(tài)的差異，以達(dá)到擬人效果。

（5）智能3D雕刻機(jī)器人

智能3D雕刻機(jī)器人是一種可以對(duì)坯胎表面形狀自動(dòng)識(shí)別的機(jī)器人，雕刻刀能夠?qū)崿F(xiàn)鏤空、淺雕、深雕等陶瓷工藝技術(shù)。

3.4 陶瓷燒制

陶瓷燒制是制瓷的最后一道關(guān)鍵性工序，景德鎮(zhèn)傳統(tǒng)制瓷工藝是將瓷坯胎裝入匣缽，然后送入窯爐當(dāng)中，用木材取火，通常燒制穩(wěn)定為1 200℃～1 300℃，通常需要經(jīng)歷24小時(shí)，把坯胎燒制成瓷器。

（1）裝窯機(jī)器人

裝窯機(jī)器人是一種替代人工自動(dòng)合理計(jì)算產(chǎn)品碼放、自動(dòng)碼放硼板和產(chǎn)品的機(jī)器人。最大窯寬2 m、窯高3 m、窯深3 m。裝窯機(jī)器人通過云工廠ERP系統(tǒng)獲知即將裝窯坯體的外形、重量、厚度、干濕度等信息，計(jì)算出最佳的抓取點(diǎn)和抓取力度，然后根據(jù)厚度和釉色等信息將產(chǎn)品擺放在窯內(nèi)不同的溫區(qū)，根據(jù)所有需要裝窯產(chǎn)品的信息安排燒制順序，拼搭硼板。

（2）開窯機(jī)器人

開窯機(jī)器人是一種替代人工自動(dòng)取出燒制好的產(chǎn)品，智能檢驗(yàn)，分區(qū)擺放的機(jī)器人。最大窯寬2 m、窯高3 m、窯深3 m。開窯機(jī)器人通過云工廠ERP系統(tǒng)獲取裝窯產(chǎn)品的形狀，并輔以機(jī)器視覺系統(tǒng)查看產(chǎn)品的燒成情況，調(diào)節(jié)抓取點(diǎn)，抓取的同時(shí)智能判定產(chǎn)品是否合格，將產(chǎn)品通過智能物流系統(tǒng)分別傳送至包裝區(qū)和不良品區(qū)。

（3）微波烘干及燒制

除了傳統(tǒng)的窯爐燒制瓷器，現(xiàn)在還可以利用微波窯爐技術(shù)進(jìn)行瓷器的燒制。微波窯爐技術(shù)是利用具有特殊波段的微波與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，使陶瓷材料內(nèi)外均勻加熱實(shí)現(xiàn)致密化，制品的熱應(yīng)力和非均質(zhì)性比普通工藝要低得多。與傳統(tǒng)常壓燒結(jié)技術(shù)相比，微波燒結(jié)具有升溫速度快、溫度均勻、能耗低和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，并能減少因升溫不均勻引起的微觀結(jié)構(gòu)差異和內(nèi)應(yīng)力等缺陷，提高產(chǎn)品均勻性、物化性能和成品率。利用微波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)日用陶瓷的烘干以及燒制，但是對(duì)于文化傳承，傳統(tǒng)的窯爐燒制工藝依舊有著廣闊的市場(chǎng)。

4 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐

4.1 智能物流系統(tǒng)

智能物流系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品從原材料到客戶收到產(chǎn)品的過程中的狀態(tài)。智能物流系統(tǒng)分為廠內(nèi)智能物流系統(tǒng)和廠外智能物流系統(tǒng)。廠內(nèi)智能物流系統(tǒng)使用機(jī)器視覺和RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的位置和狀態(tài)上傳至云工廠ERP系統(tǒng)云端。廠外智能物流系統(tǒng)主要通過與快遞物流公司的數(shù)據(jù)連接，監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)輸過程和狀態(tài)，并通過識(shí)別客戶反饋信息完善生產(chǎn)工藝流程。

4.2 云工廠ERP系統(tǒng)

云工廠ERP系統(tǒng)是一種通過智能AI算法達(dá)成的智慧工廠核心控制系統(tǒng)。云工廠ERP系統(tǒng)是整個(gè)工廠運(yùn)行的核心，通過分析訂單數(shù)據(jù)、設(shè)備狀況、材料、工具、模具等信息智能安排生產(chǎn)，保證工廠運(yùn)行流暢，減少或消除閑置產(chǎn)能。

4.3 客戶定制設(shè)計(jì)軟件

客戶定制設(shè)計(jì)軟件是一種基于電腦軟件和手機(jī)APP系統(tǒng)，能夠和智慧工廠數(shù)據(jù)對(duì)接的設(shè)計(jì)軟件。軟件通過對(duì)綜合評(píng)估器型形狀、大小、瓷土的特性、裝飾樣式、制作工藝、高溫?zé)茣r(shí)的變形和受力等情況在客戶設(shè)計(jì)時(shí)反饋設(shè)計(jì)的可行性，預(yù)估產(chǎn)品的成品率，并進(jìn)行線上報(bào)價(jià)；客戶確定訂單后，軟件將產(chǎn)品的模型參數(shù)發(fā)送至云工廠自動(dòng)安排生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)