摘 要：為了提高陶瓷生產(chǎn)效率、降低能耗和人工成本，基于機(jī)器人技術(shù)對(duì)陶瓷生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了智能化改造。以江西省某陶瓷企業(yè)為例，分析機(jī)器人在生產(chǎn)線上的應(yīng)用及其對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的提升效果。結(jié)果表明，智能化改造顯著提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率，并大幅降低了能耗與人工成本，為陶瓷行業(yè)智能化升級(jí)提供了可行的路徑。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù)；智能化改造；陶瓷生產(chǎn)

1 前言

陶瓷生產(chǎn)行業(yè)面臨效率低、能耗高及人工成本過(guò)高等問(wèn)題，亟須通過(guò)技術(shù)革新實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)[1]。機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造領(lǐng)域的重要驅(qū)動(dòng)力，已在多個(gè)行業(yè)取得顯著成效[2]。本文旨在探討基于機(jī)器人技術(shù)的陶瓷生產(chǎn)設(shè)備智能化改造，以江西省某陶瓷企業(yè)為例，系統(tǒng)分析智能化改造對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗及成本控制的影響，為陶瓷行業(yè)提供可行的技術(shù)路徑及應(yīng)用參考。

2智能化改造需求分析

2.1現(xiàn)有陶瓷生產(chǎn)設(shè)備性能評(píng)估

采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如西門(mén)子PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。分析結(jié)果顯示，傳統(tǒng)施釉工序的產(chǎn)品合格率僅為91.5%，遠(yuǎn)低于行業(yè)95%的平均水平[3]。能耗方面，窯爐單位能耗達(dá)到1.8kWh/kg，比國(guó)際先進(jìn)水平高出20%。自動(dòng)化程度不足導(dǎo)致人工成本占總成本的35%，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平[4]。

2.2陶瓷生產(chǎn)智能化改造目標(biāo)確定

基于現(xiàn)有設(shè)備性能評(píng)估結(jié)果，結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，制定了明確的智能化改造目標(biāo)。首要目標(biāo)是將產(chǎn)品合格率提高到國(guó)際領(lǐng)先水平。并引入智能化設(shè)備和優(yōu)化生產(chǎn)流程，將生產(chǎn)效率提高30%，使單線日產(chǎn)能從8萬(wàn)片提升至10.4萬(wàn)片。能耗方面，目標(biāo)是將窯爐單位能耗降低至1.5kWh/kg，減少15%的能源消耗。自動(dòng)化程度方面，計(jì)劃將人工成本占比從35%降低至20%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序100%的自動(dòng)化率。質(zhì)量檢測(cè)速度目標(biāo)為每小時(shí)3000件，較原來(lái)的800件/小時(shí)提升275%。

3陶瓷生產(chǎn)設(shè)備智能化改造方案設(shè)計(jì)

3.1陶瓷生產(chǎn)線機(jī)器人系統(tǒng)集成方案

3.1.1陶瓷生產(chǎn)線機(jī)器人選型與布局設(shè)計(jì)

針對(duì)陶瓷生產(chǎn)線的特點(diǎn)，選擇多類(lèi)型、高性能的機(jī)器人系統(tǒng)。在坯體成型環(huán)節(jié)，采用ABB IRB 6700系列機(jī)器人，負(fù)載能力達(dá)300kg，滿(mǎn)足大型陶瓷坯體的搬運(yùn)需求。施釉工序引入FANUC LR Mate 200iD/7L六軸機(jī)器人，具備±0.02mm的高精度，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)化釉料噴涂。裝飾環(huán)節(jié)選用KUKA KR CYBERTECH nano系列，其靈活的6軸設(shè)計(jì)適合復(fù)雜圖案的精準(zhǔn)繪制。機(jī)器人布局采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬仿真優(yōu)化，通過(guò)Siemens Tecnomatix Plant Simulation軟件，模擬不同布局方案的生產(chǎn)效率。

3.1.2陶瓷質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

陶瓷質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的核心采用高分辨率CCD相機(jī)陣列，配合LED結(jié)構(gòu)光源，可捕捉微小至0.05mm的表面缺陷。圖像處理采用基于深度學(xué)習(xí)的缺陷識(shí)別算法，通過(guò)TensorFlow框架訓(xùn)練的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。系統(tǒng)還整合了X射線厚度檢測(cè)儀，精度可達(dá)±0.01mm，用于監(jiān)控釉層厚度均勻性。同時(shí)，引入基于聲發(fā)射技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)陶瓷內(nèi)部微裂紋，提前發(fā)現(xiàn)潛在質(zhì)量問(wèn)題。數(shù)據(jù)處理和分析采用邊緣計(jì)算架構(gòu)，每秒可處理高達(dá)500張高清圖像，檢測(cè)速度提升至每小時(shí)3500件，較原系統(tǒng)提高337.5%。

3.1.3陶瓷生產(chǎn)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

陶瓷生產(chǎn)智能控制系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)從設(shè)備層到企業(yè)管理層的全面集成。底層采用西門(mén)子S7-1500系列PLC和ET 200SP分布式I/O系統(tǒng)，確保毫秒級(jí)的控制精度。中間層使用OPC UA協(xié)議，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)縫通信。上層采用定制開(kāi)發(fā)的MES系統(tǒng)，集成SAP ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、質(zhì)量管理、設(shè)備維護(hù)等功能的智能化。系統(tǒng)核心引入基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能決策模塊，通過(guò)分析歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，如窯爐溫度曲線和釉料配比。另外，系統(tǒng)還集成數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，可進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程的虛擬仿真和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

3.2陶瓷生產(chǎn)智能化人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.2.1陶瓷生產(chǎn)操作界面設(shè)計(jì)原則

陶瓷生產(chǎn)操作界面設(shè)計(jì)遵循人因工程學(xué)原則，采用扁平化設(shè)計(jì)風(fēng)格，以提高操作效率和降低誤操作率。界面布局采用網(wǎng)格系統(tǒng)，將復(fù)雜的生產(chǎn)信息分層展示，核心生產(chǎn)參數(shù)如：窯爐溫度、釉料流量等，以醒目的數(shù)字和趨勢(shì)圖形式呈現(xiàn)。色彩方案采用高對(duì)比度設(shè)計(jì)，提高關(guān)鍵信息的識(shí)別度。交互設(shè)計(jì)采用觸摸屏優(yōu)化的大尺寸按鈕和滑動(dòng)條，按鈕最小尺寸不低于1.5cm×1.5cm，確保操作精準(zhǔn)度。界面響應(yīng)時(shí)間控制在100ms以?xún)?nèi)，給予操作者及時(shí)反饋。

3.2.2陶瓷生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作系統(tǒng)基于WebSocket協(xié)議和HTML5技術(shù)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、低延遲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和控制。后端采用Node.js服務(wù)器，前端使用Vue.js框架，確保系統(tǒng)的高性能和良好的用戶(hù)體驗(yàn)。數(shù)據(jù)傳輸采用SSL加密，并實(shí)施雙因素認(rèn)證，保障遠(yuǎn)程操作的安全性。系統(tǒng)支持多級(jí)權(quán)限管理，管理員可根據(jù)角色分配不同的操作權(quán)限。實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控集成H.265編碼技術(shù)，在1080p分辨率下將帶寬需求降低了50%，同時(shí)保持了畫(huà)面質(zhì)量。遠(yuǎn)程操作延遲控制在200ms以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制需求。系統(tǒng)還集成了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的異常檢測(cè)算法，可提前預(yù)警潛在的生產(chǎn)問(wèn)題。

3.3陶瓷生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1陶瓷生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置

陶瓷生產(chǎn)線的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點(diǎn)布置采用分層分布式架構(gòu)，覆蓋從原料處理到成品入庫(kù)的全流程。關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點(diǎn)參數(shù)如表1，在原料處理環(huán)節(jié)，布置高精度的激光粒度儀和X射線熒光光譜儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原料粒度分布和化學(xué)成分。坯體成型階段集成力傳感器陣列，精確控制壓力分布。干燥環(huán)節(jié)采用分布式溫濕度傳感網(wǎng)絡(luò)，使用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。窯爐區(qū)域部署光纖光柵傳感系統(tǒng)，沿窯體均勻分布100個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。釉料噴涂工序引入高速攝像系統(tǒng)，配合圖像識(shí)別算法實(shí)時(shí)監(jiān)控釉層均勻度。質(zhì)檢環(huán)節(jié)集成3D激光掃描儀，可全方位檢測(cè)產(chǎn)品尺寸和表面質(zhì)量。

3.3.2陶瓷生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法

陶瓷生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法采用多層次的處理架構(gòu)。在邊緣層，采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理和降噪。中間層使用Apache Flink流處理框架，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)聚合和簡(jiǎn)單分析。核心算法層采用深度學(xué)習(xí)模型。為處理高維數(shù)據(jù)，引入t-SNE算法進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，有效降維到3D空間，便于操作員直觀理解生產(chǎn)狀態(tài)。并采用Prophet時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)如能耗、產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4基于機(jī)器人技術(shù)的陶瓷生產(chǎn)設(shè)備智能化改造實(shí)例分析

4.1案例背景介紹

本案例聚焦于江西省景德鎮(zhèn)市一家年產(chǎn)500萬(wàn)件高檔陶瓷器皿的大型企業(yè)。近年來(lái)面臨生產(chǎn)效率低下、能耗高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。2022年數(shù)據(jù)顯示，該企業(yè)的產(chǎn)品合格率僅為92%，遠(yuǎn)低于國(guó)際同行的97%水平；能耗指標(biāo)為1.9kWh/kg，比行業(yè)先進(jìn)水平高出26%；人工成本占總成本的38%，嚴(yán)重影響了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和不斷上升的人工成本，企業(yè)決定全面實(shí)施基于機(jī)器人技術(shù)的智能化改造，以提升生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，重塑企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2智能化改造方案實(shí)施

智能化改造方案實(shí)施分三個(gè)階段進(jìn)行，歷時(shí)18個(gè)月。第一階段（6個(gè)月）重點(diǎn)是生產(chǎn)線的機(jī)器人化改造。引入了20臺(tái)ABB IRB 6700系列機(jī)器人用于坯體搬運(yùn)和裝窯，12臺(tái)FANUC R-2000iC系列機(jī)器人用于施釉工序。第二階段（8個(gè)月）聚焦于智能控制系統(tǒng)的升級(jí)。采用西門(mén)子TIA Portal V16集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了基于OPC UA協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全流程的數(shù)字化管理。同時(shí)，引入基于深度學(xué)習(xí)的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，并采用YOLOv5算法。第三階段（4個(gè)月）著重于數(shù)據(jù)分析和決策支持系統(tǒng)的構(gòu)建。利用TensorFlow框架開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)性維護(hù)模型，以有效減少設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。整個(gè)改造過(guò)程中，采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛擬調(diào)試，將系統(tǒng)集成時(shí)間縮短了30%。

4.3改造效果評(píng)估

4.3.1陶瓷生產(chǎn)效率提升分析

通過(guò)引入機(jī)器人和智能控制系統(tǒng)，生產(chǎn)線的整體效率提高了35%（圖1）。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間從原來(lái)的45秒/件縮短到30秒/件，日產(chǎn)能從11.1萬(wàn)件提升到16.7萬(wàn)件。第二，設(shè)備利用率從78%提高到92%，設(shè)備故障率降低了60%。第三，智能調(diào)度系統(tǒng)優(yōu)化了生產(chǎn)計(jì)劃，使生產(chǎn)線切換時(shí)間減少了40%，產(chǎn)品多樣性應(yīng)對(duì)能力大幅提升。第四，能源利用效率顯著提高，窯爐單位能耗從1.9kWh/kg降低到1.45kWh/kg，節(jié)能率達(dá)23.7%。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素是窯爐溫度曲線的精確控制（R2=0.87）。

4.3.2陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量改善評(píng)估

引入基于機(jī)器視覺(jué)的智能檢測(cè)系統(tǒng)和精準(zhǔn)控制技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量得到全面提升。產(chǎn)品合格率從92%提高到98.5%，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。次品率降低帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益每年約1200萬(wàn)元。產(chǎn)品一致性顯著提高，關(guān)鍵尺寸公差從±0.5mm提升到±0.2mm，色差ΔE值從原來(lái)的2.5降低到1.2，遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和閉環(huán)控制，釉面質(zhì)量大幅提升，氣泡和針孔等缺陷發(fā)生率降低了85%。同時(shí)，建立了基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從原料到成品的全流程質(zhì)量管控，為持續(xù)改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

5結(jié)論

智能化改造通過(guò)機(jī)器人技術(shù)的引入，有效提升了陶瓷生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了能耗與人工成本，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。未來(lái)，進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能分析與優(yōu)化，推動(dòng)更多環(huán)節(jié)的全自動(dòng)化改造，將有助于提升企業(yè)在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)為制造業(yè)的智能化升級(jí)提供更多創(chuàng)新路徑與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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