我国卫生陶瓷工业机器人的发展现状

朱瑞娟 陈媛媛 刘继武 李治 刘欣

（1 中国建材检验认证集团（陕西）有限公司；2 国家建筑卫生陶瓷质量监督检验中心，陕西 西安 710116）

0 引言

工业机器人是国家制造水平的重要标志。从1959年美国Unimation公司的第一台机器人至今，工业机器人已发展成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMs)最重要的自动化工具[1]。

我国工业机器人起步于20世纪70年代，由于起步晚、技术薄弱等原因，我国工业机器人的技术水平与发达国家存在很大差距。随着我国劳动力成本的上升、劳动力供给的下降以及产业升级的需要，并伴随“工业4.0”的到来和“中国制造2025”的提出，近年来我国工业机器人产业实现快速增长(如图1)。IFR数据显示，2017年中国工业机器人市场占有率达30%以上，已连续5年成为全球第一大市场[2]。

图1 2008-2018年中国工业机器人销售情况

陶瓷产业作为传统制造行业，目前在国内自动化程度均比较低，只能算是半自动化，主要依赖人工作业，存在安全风险高、劳动强度大、工作效率低等问题。随着加工成本的增加、解决劳工不足的呼声愈来愈高及工业机器人服务的安全性、效率和质量要求不断提高，机器人代替人工劳动力成为了陶瓷行业快速发展的催化剂。本文主要针对我国卫生陶瓷工业机器人发展现状及趋势进行了归纳总结，对发展中存在的主要问题进行了评述。

1 我国卫生陶瓷工业机器人发展现状

1.1 发展现状

我国工业机器人应用面向行业主要是汽车、电子工业等行业，且这些行业由于自动化程度高，对机器人有旺盛的需求[3]。由于产业升级和劳动力短缺，陶瓷行业逐渐对机器人产生了新的需求，卫生陶瓷行业作为传统制造行业，其产品生产要经历毛坯成型、修坯、喷釉、再烧结成型等工艺流程，工作环境差、劳动强度大、质量难于保证及用工荒等问题日益严重，采用机器人技术，建立自动化生产线成为卫生陶瓷行业技术发展必由之路。

目前卫生陶瓷工业机器人主要应用在喷釉、抛光打磨及搬运包装等自动生产线，市场容量相当可观。国外卫生陶瓷行业机器人自动化生产线已相当成熟。美国匹兹堡大学的Bopaya Bidanda等[4]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及喷枪的形状、喷射距离、喷涂时间等参数和要求的前提下，通过建立数学模型并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，从而奠定了施釉机器人离线编程系统的设计基础。希腊德谟克利特大学的Georgilas I.P.等[5]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。葡萄牙科英布拉大学Veiga Germano等[6]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，利用先进的3D图形系统优化陶瓷坯体自动抛光机器人工作轨迹，使其灵活度达到一个新的需求。

国内陶瓷工业机器人的起步较晚，核心技术落后于发达国家，国内较为成熟的机器人生产厂家有安徽埃夫特、广州数控、广东巨轮模具、南京埃斯顿等，佛山新鹏机器人公司、佛山利迅达公司、科信达科技公司、福建长江公司、珠海固得、华恒公司、苏州博实机器人公司等利用国产或者国外机器人为核心，已成功开发出喷釉、喷漆、抛光打磨等集成应用系统。国内的第一台喷釉机器人是由佛山新鹏机器人技术有限公司与乐华卫浴公司合作共同研制。据悉马可波罗、东鹏、新明珠等不少知名陶企都已开始使用机器人生产制造，效果十分可观。尤其在喷釉方面，传统人工喷釉易导致不均匀的现象，而喷釉机器人，能够通过程序很好地控制喷涂的时间和量，相对于传统的大多数废品率在3%-6%的卫生陶瓷企业，几乎可以做到零废品率，节省釉量10%左右，且每条喷釉生产线可节约2/3的人力；其次，在搬运码垛方面，工业机器人可安装不同的末端执行器，通过编程完成不同形状和状态的工件搬运，无论是抓放物品还是搬运距离，都能精确操作，且动作响应速度快，负重能力强，工作时长不受限，大大降低了工人劳动强度。此外，在注浆、翻坯、立坯、烧成等方面，中国建材检验认证集团（陕西）有限公司成功研发了相关智能化生产设备及自动化生产线，生产效率显著提高。例如，自动翻坯出坯机能够实现石膏模具和青坯的脱离及湿坯的准确旋转对接，翻坯出坯节拍时间1.5分钟/件，而传统工艺需两人配合完成，且容易造成坯体损坏；烧成工段进行装卸窑时，利用自动识别式白坯装窑机械手完成白坯装窑工艺，烧成完成后再通过卸窑机械手将产品卸至检验工装板上，经自动输送线送至成品检验工位，完全满足一般隧道窑的吞吐需求。

据初步统计，目前佛山陶瓷全行业应用的各种型号工业机器人已超1000台。但由于传统的陶瓷行业需要在机器人应用方面根据厂家的实际生产工艺进行专业性的机器人设计，而这些市场由于缺乏统一的技术解决方案，导致陶瓷工业机器人产业化应用受到了很大的限制，尤其是面临小批量、多品种的陶瓷生产模式，一直难以推广。从制造业发展阶段来看，工业1.0是以蒸汽机为代表的机械制造时代，工业2.0是以规模化流水线为代表的电气化与自动化时代，工业3.0是以数控机床为代表的电子信息化时代，工业4.0是以智能制造为主导。如果将陶瓷行业的现状对照上述的发展阶段，整个行业充其量是介于工业2.0与工业3.0之间，离工业4.0还有漫漫长路。

1.2 存在问题

随着我国工业转型升级的不断加速，陶瓷产品生产方式也必将向自动化、信息化和智能化方向发展，但是，迄今为止，我国卫生陶瓷工业机器人尚处于产业化初级阶段，仍面临一系列严峻的挑战，主要体现在以下三个方面：

1）核心部件生产技术落后

我国工业机器人的起步较晚，核心技术落后于发达国家，特别是在高性能交流伺服电机和精密减速机方面的差距尤其明显，目前，全球机器人核心部件几乎被国外供应商垄断，如减速器基本由纳博、哈默纳科等几家日本公司控制，外资厂商即有瑞典的ABB，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA等四家厂商成为全球主要的工业机器人供货商，合计销售占据全球约50%的市场份额。而专门针对卫浴行业的专业机器人更是落后于国外陶瓷巨头，同时，针对国内产品换产频繁，专业人才及标准缺乏等问题，更是给行业带来更大难题，导致形成严重依赖进口的局面，因此，拥有自主研发的性能可靠的关键零部件是国内陶瓷工业机器人长足发展和扩大规模的重要途径[7]。

2）陶瓷机器人行业整体合力不足

美国、日本等发达国家已经形成了各自的机器人产业化模式，中国的机器人技术虽然取得了较大的进步，但由于起步较晚、基础较弱，卫生陶瓷行业机器人整体合力不足，还未达到规模化的生产应用。首先，我国陶瓷机器人产业尚未形成统一的产业标准和相关的技术应用平台，企业之间尚未形成密切的产业关联态势，行业整体发展缺乏合力，因而质量难以控制，也难以实现批量生产；其次，机器人企业全国分布较为零散，尚未形成产业集群，机器人行业实力良莠不齐，各家研究机构过于独立封闭，一定程度上影响了行业的发展壮大，诸如沃迪等上海一线城市企业的零部件采购均分散在全国，而上海本地的配套企业并不多[7]。

3）以工业机器人为核心的陶瓷生产系统无法迅速推广

以工业机器人为核心的生产设备无法迅速推广是传统陶瓷行业升级改造的核心问题。近年来业内偏向于重视工业机器人的系统研发，忽视关键技术突破，关键零部件主要依赖进口，造成国产机器人的成本远远超过了大多数陶企的承受能力，严重制约了机器人产业化进程和推广应用[8]；工业机器人集成应用系统往往需要操作人员对复杂的操作控制系统、示教方式和生产工艺等相当熟悉，而目前陶企内部大量需要机器代替人工的工种，操作人员和维修维护人员大部分是学历较低的普通工人，很难一下子接受和熟练使用高端装备，造成使用矛盾，例如，喷涂机器人由于被喷工件的复杂曲面特性，导致人工示教和离线编程示教难度非常大，进而限制了设备的推广；需要抛光打磨的五金件，由于曲线复杂，手动编程有的高达1 个月，造成难以推广，这也是国外的成熟生产系统直接引进到国内不能发挥效力的重要原因之一；工业机器人诸多技术方面仍然停留在仿制层面，创新能力不足，制约了陶瓷机器人市场的拓展。为此，国家为满足日益增长的机器人专业的人才需求，中国电子学会受国标委委托于2015年推出了“全国青少年机器人技术等级考试标准”，对未来我国机器人产业的创新发展和应用推广意义重大。

2 发展趋势

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，未来整个陶瓷行业工业机器人的应用缺口非常大，虽然国内已经完成了卫生陶瓷工业机器人从无到有的突破，但是随着“机器换人”的完成，实现生产过程的模块化、柔性化、产业化成为未来卫生陶瓷行业智能制造发展的重要趋势。

2.1 模块化

所谓模块化就是为实现产品(系统)的总功能，在功能分析的基础上，将整个产品分解为若干特定模块，然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求[9]。由于卫生陶瓷产品设计千变万化，导致其生产工艺多种多样，模块化设计可以满足其不同的需求；能够使机器人零部件便于拆卸，便于组件的运送、替换和维修；通过组件的不同搭配，既可满足不同用户群体的诸多个性化需求，又可以降低制造成本[8]。

2.2 柔性化

柔性化生产是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，并具有一定管理功能。柔性生产是全面的，可实现设备、管理、人员和软件的综合柔性[10]。例如，卫生陶瓷机器人在施釉和翻模、坯胎出模的工序中适应了不同的工件和模具。不仅可以取代粉尘大、作业复杂、劳动强度大及精度要求高等工作，还可以大大提高产品质量和劳动生产率。其次，信息控制系统可“存入”许多工件的最佳施釉工作“曲线”，且操作简单，即便工件发生变化，机器人也能以最快的速度适应工件，喷涂出高质量的陶瓷釉面，使生产过程具有更完善的判断和适应力[11]。经调查两种做产品喷涂程序的使用情况显示，相同产品条件下，模拟人工操作的方式，做一款程序大约需要10-30分钟，而人工手动示教操作，做一款程序的时间为5-7天，相差十分明显。

2.3 产业化

陶瓷制造强国意大利、德国和日本等国在机器人应用方面已经基本实现普及，尤其在喷釉工艺方面，其效率远远高于手工施釉的喷釉设备。而我国在该产业的工业机器人应用比例过低，当前主要依靠人力[12]。随着我国劳动力成本的上升、劳动力供给的下降以及产业升级的需要,采用机器人技术，实现陶瓷产品从毛坯成形、修坯、喷釉、再烧结成型等全过程的自动化生产显得尤为重要。例如，在固定作业机器人中，为了提高动作灵活度，多关节、多自由度的机械臂等机构开始出现。其次，机器人修坯打磨系统相对于人工打磨效率提高25%。喷釉机器人的使用可使每条喷釉线节省2/3的人员，生产效率提高80%，大大节省人工成本。更重要的是机器人上岗后，可让生产工人远离粉尘、噪音等的伤害，基本杜绝职业病的 产生，从而大大降低了企业的经营风险。因此，实现陶瓷工业机器人产业化是陶瓷行业迫切需要完成的发展目标。

3 结语

陶瓷企业目前面临着产能过剩、绿色制造和互联网冲击等多重压力，一方面就是进行信息化改造和智能制造，以便于及时对市场变化做出反应；其次，生产管理水平的高低也决定着整个制造产业竞争力的高低，尤其是类似陶瓷行业面临的管理复杂性和人才缺失等因素，生产管理是实施自动化制造发展战略的关键环节。此外，相关措施的制定可进一步推进陶瓷工业机器人的发展进程。例如：加大政府投资力度，制定具体的扶持政策；加大工业机器人教育方面的支持，保证高端专业研发人才的持续供应等；促进创新成果及产学研实际转化率，加强高校与企业，企业与企业之间的交流合作。相信陶瓷行业迈向工业4.0的智能时代指日可待。