陶瓷施釉机器人及其研究进展

羡浩博 虞澎澎

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇333403）

0 引言

陶瓷产品釉面质量的好坏，是提高其市场竞争力的主要因素之一。良好的釉面质量，在提高陶瓷产品的优质品率的同时，又降低了生产成本。就现代陶瓷行业发展趋势来说，提高原料的有效利用，减少资源的消耗，才是在激烈的行业竞争中立足的王道。根据调查，目前国内的陶瓷行业仍普遍采用人工作业的方式进行施釉工作，这就导致了陶瓷产品优质品率低。同时，施釉时产生的粉末对工人的身体健康也产生极大的威胁。

采用施釉机器人不仅可实现陶瓷施釉的高效连续化，还可有效地提高陶瓷产品的施釉质量。施釉机器人属于工业机器人，综合了人对环境的快速反应、分析判断能力和机器持续工作时间长、精确度高和抗恶劣环境的能力，是一种先进的涂装生产设备，它的出现将工人从繁重的施釉工作中解放出来，同时提高了生产效率和产品质量，节约了生产资源，为企业赚取了更多的利润。

近些年来，国内外施釉机器人技术都取得了迅速发展，机器人能够很好地实现对具有复杂型面坯体的喷秞。美国、意大利、德国和日本等国家施釉技术发展相当迅速，已经利用施釉机器人实现了对陶瓷产品的喷釉工艺，其效率远远高于手工施釉的喷秞设备。在国内陶瓷生产领域，采用的施釉机器人多是引进日本、德国和意大利等国的成套设备，近年来国内施釉机器人技术有了一定发展，但距离国外研究水平仍有一定的差距。

为此，本文简要概述施釉机器人构成及其工作机制，分析国内外施釉机器人的研究现状与新动向，展望其发展趋势。

1 陶瓷施釉机器人概述

陶瓷施釉机器人主要由施釉机器人本体、工件及多工位转台、供输釉系统、控制系统和定位系统等部分组成。其施釉生产过程包括陶坯定位、机器人施釉以及陶坯输送三个过程。陶瓷施釉机器人通常具有六个自由度，如图1所示。机器人本身的腰部、下臂和上臂在各自的伺服电机驱动下绕转轴转动，通过这三个自由度来确定手腕处喷枪的空间位置，利用具有正交结构的二自由度的手腕转动控制喷枪摆动方向，再采用工件转台带动工件变速转动，从而实现其与机器人本体各个轴的插补联动，进而控制施釉机器人喷枪与工件表面间的相对距离、方向和速度。供输釉系统主要包括喷枪控制气、回流气等装置以及泵、釉罐、釉料主管道路循环回路。控制系统包括以PLC控制器为核心的人机交互、逻辑及顺序控制、运动控制、伺服驱动、传感检测以及电源管理等部分，负责施釉过程控制和运动控制。

图1 陶瓷施釉机器人本体及工作台示意图

2 国外陶瓷施釉机器人研究现状

早在上世纪九十年代，国外一些发达国家就着手研发用于汽车喷漆等用途的喷涂机器人，在此基础上，鉴于陶瓷生产中的施釉过程易于实现自动控制，通过不断的技术发展，在陶瓷施釉机器人技术上取得了重大突破，并实现了工业化应用。例如：德国ABB公司研制出具有五个自由度关节型施釉机器人，同时与工作转台相结合组成喷釉系统。美国Nutro公司将直角坐标形式喷漆机器人改造成适用于陶瓷自动喷釉的生产线。意大利制造的施釉机器可以快速高效地对卫生陶瓷坯体进行喷釉，与手工施釉设备相比，可节约38%釉浆用量，还将坯体实际附着釉浆量提高约22%。日本安川电机株式会社则生产出MOTOMAN-UP20型具有平移工作能力的机电一体化工业用机器人，并用于陶瓷施釉生产线。

近年来，离线编程技术、视觉定位技术以及喷墨打印等技术的发展，进一步推动了工业施釉机器人的推广应用及其工作效率的提升。美国匹兹堡大学的Bopaya Bidanda等于1993年在综合考虑釉料的粘度、干湿比、密度及流速等物理性质，喷枪的形状、流量、喷射距离、釉料厚度与允许偏差、喷涂时间等参数和要求的前提下，通过建立数学模型和优化轨迹算法，利用计算机辅助设计的离线编程技术，设计出施釉机器人离线编程系统，希望利用计算机自动获取喷枪施釉最佳运动轨迹，从而奠定了施釉机器人离线编程系统的设计基础。德国的Kraus P则设计出采用光学物体识别定位系统的卫生陶瓷施釉机器人，以提高其工作效率。希腊德谟克利特大学的I.P.Georgilas等针对手工结合机器人在卫生陶瓷施釉过程中存在的一系列问题，如复杂形状的制品存在的施釉死角和制品表面釉面厚度不均，根据施釉喷枪工作轨迹，提出了制作基于表面CAD模型的3-D模拟器来辅助控制施釉生产过程的新型解决方案，使施釉质量得到提升。英国伦敦大学的Jian Wang等将陶瓷施釉机器人与喷墨打印机技术相结合，利用施釉机器人的编程技术精确控制陶瓷坯体施釉过程，通过调控水基陶瓷墨水的稳定性以及超声分散处理，严格控制干燥及烧成工艺，获得了釉面成分偏差仅为1wt%～3wt%的陶瓷样品。

此外，葡萄牙科英布拉大学Germano Veiga等设计了一种交互式编程系统，开发出了一种简单而灵活的编程系统，采用两步式混合编程模型设计，首先利用空间增强现实技术设计产品的预定轨迹草图，然后依靠先进的3D图形系统优化陶瓷坯体自动抛光机器人工作轨道，用户的反馈表明该技术的使用使抛光机器人的灵活度达到了一个新的高度。该大学的J.Norberto Pires等还利用计算机编程技术还开发出无托盘化的卫生陶瓷自动输送系统，进一步提高了陶瓷的生产效率，解放了劳动力。

3 国内陶瓷施釉机器人研究现状

由于国内没有核心制造技术，最初我国的施釉机器人都依赖于进口，但是高昂的价格和复杂的维护步骤让陶瓷生产企业吃不消，为此，近年来国内一些科研院所开展了相关研究。

例如：山东轻工业学院的邱书波开发出基于单片机控制的卫生陶瓷机器人喷釉生产线，其以六自由度MOTOMAN机器人为主体，气动喷枪喷釉装置、红外探测器定位系统以及三工位转台构成了自动喷釉生产线。在2004年，清华大学与唐山陶瓷集团卫生陶瓷有限公司共同成功开发研制了用于卫生陶瓷生产的施釉机器人，该施釉机器人综合运用了计算机视觉定位和位置伺服、间歇式旋转喷涂、激光测距仪辅助示教和三维仿真生产过程监控等提高示教效率新的技术，并依据人工智能思想设计的间歇式转台旋转喷涂工艺系统，便于施釉机器人示教及陶坯偏差系统修正，通过视觉定位技术实现了陶坯检测及托盘位置在线修正。

此后，国内的科研人员针对施釉机器人在生产过程中出现的问题进行了攻关，基本解决了施釉机器人在离线编程仿真、误差矫正及控制技术等方面所出现的问题，这也为我国的施釉机器人发展注入了强大力量。长安大学的邓春花提出了基于图像处理的卫生陶瓷施釉机器人示教系统设计方法，利用图像处理技术分析摄像系统所获取的目标物体图像施釉面的空间坐标及面形状信息，并汇总生产工艺中施釉机器人的操作运动轨迹、运动姿态和速度等信息，将上述信息传送给施釉机器人，以达到示教的目的。景德镇陶瓷学院的张军舰针对施釉机器人喷涂作业中内外表面的喷涂问题，对施釉机器人的喷枪轨迹进行规划，并在喷枪空间路径生成的基础上，对生成的喷枪轨迹分段进行优化。

此外，河北联合大学李晨辉提出了一种五自由度手把手示教型施釉专用关节机器人，分别利用D-H法、应用解析法和应用蒙特卡洛法分析了施釉机器人的机构运动学、尺度综合及工作空间。景德镇陶瓷学院于盛睿等则提出了基于人工神经网络拟合釉料厚度沉积率模型的方法，通过试验结果对比分析表明，提出的方法符合工程实际，有助于提高施釉机器人釉料厚度的控制精度，为陶瓷施釉自动轨迹规划的软件编程和仿真实现提供了模型依据与方法指导。

4 展望

随着陶瓷行业的快速发展，陶瓷生产越来越趋向于高效、稳定的生产方式，陶瓷施釉机器人则可以达到这样的要求，其在未来的陶瓷行业的市场前景十分广阔。虽然国内已经完成了施釉机器人从无到有的突破，但是与国外相比还是有很大的差距，比如稳定性差、占用空间大、运动轨迹不合理等缺陷有待改善。利用离线编程以及视觉定位等技术改进控制方法使施釉机器人更加智能化，而运用多连杆组合的方式，可以减小陶瓷施釉机器人的工作空间。

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