浅析陶瓷洁具制造机械设备的自动化改造

1 引言

当前我国陶瓷洁具制造业仍以劳动密集型生产模式为主，整体自动化水平较低。根据行业调研数据，规模以上企业中实现全线自动化的比例不足 15% ，特别是在成型、修坯、施釉等关键工序，人工参与度仍高达 60% 以上。这种生产模式导致产品合格率普遍低于 85% ，远低于国际先进水平的 95%. 。我国传统制造模式面临多重挑战。首先，劳动力成本持续上升，近五年行业平均人工成本涨幅达 12% /年；其次，产品质量稳定性差，不同批次产品色差、厚度差异等质量问题频发；再次，能耗居高不下，陶瓷烧成工序的能耗占总成本比重超过 35% ；最后，环保压力日益加大，国家对工业排放的要求不断提高。随着工业 4.0 时代的到来和"中国制造 2025"战略的深入推进，陶瓷洁具制造业的自动化改造已刻不容缓。实施自动化改造可有效解决产品质量不稳定、生产效率低下、能耗过高的问题，同时能够改善作业环境，减少对熟练技术工人的依赖，提升企业市场竞争力。

2 自动化改造的技术体系与实施方案

2.1 核心技术架构

自动化改造需要构建一个完整的多层次技术体系，这个体系应该包括四个主要层级：基础层、控制层、数据层和应用层。基础层主要包括工业机器人系统、智能传感设备、自动化输送系统和执行机构等硬件设施。在选择工业机器人时，需要考虑其工作范围、负载能力、重复定位精度等参数，确保能够满足陶瓷洁具生产的特殊要求。智能传感设备包括视觉传感器、力觉传感器、温度传感器等，用于实时采集生产过程中的各种参数。控制层采用可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等实现设备之间的协调控制和联动运行。这一层需要确保控制系统的实时性和可靠性，采用冗余设计和故障自诊断功能，提高系统的稳定性。数据层通过工业物联网平台实现生产数据的采集、存储和处理，建立统一的数据模型和数据交换标准。应用层包含制造执行系统（MES）、企业资源计划（ERP）、产品生命周期管理（PLM）等管理系统，实现生产过程的数字化管理和优化。

2.2 关键工序改造方案

在成型工序的自动化改造中，需要采用六自由度工业机器人实现自动注浆和取坯作业。机器人系统应该配备高精度的伺服控制系统，确保注浆量的精确控制和取坯位置的准确性。通过机器视觉系统对坯体进行三维扫描，实时检测坯体的外形尺寸和表面质量，建立数字化的质量档案。施釉工序的改造重点在于采用智能喷涂机器人系统，这个系统应该配备高精度的流量控制和雾化装置。流量控制系统采用伺服电机驱动的计量泵，配合高精度的流量传感器，确保釉料供给的稳定性和准确性。雾化装置需要根据釉料的特性调整雾化压力和流量，保证釉料雾化效果的一致性。机器人轨迹规划系统需要根据产品的三维模型自动生成最优的喷涂路径，确保釉层厚度的均匀性，将厚度偏差控制在 ±0.1mm 以内。

2.3 系统集成与数据管理

系统集成需要建立统一的数据管理平台，这个平台应该采用面向服务的架构（SOA），实现各工序生产数据和质量管理数据的集成与共享。数据采集系统需要支持多种工业通信协议，包括OPC UA、Modbus、Profinet等，能够与不同厂商的设备进行数据交换。数据存储采用时序数据库和关系数据库相结合的方式，时序数据库用于存储设备运行数据和工艺参数等实时数据，关系数据库用于存储产品信息、质量数据等结构化数据。数据传输网络采用工业以太网构建车间级网络，网络拓扑采用星型或环型结构，确保网络的可靠性和实时性。重要的数据通信链路应该采用冗余设计，避免单点故障。生产监控系统需要开发可视化的监控看板，实时显示设备运行状态、生产进度、质量指标等关键数据。监控看板应该支持多维度数据展示，包括实时数据曲线、历史数据查询、统计分析报表等功能。

3 实施过程中的挑战与应对策略

3.1 技术改造难点

自动化改造面临多项技术挑战，需要系统性的解决方案。首先，现有生产设备型号繁杂，年代差异大，接口协议不统一，包括传统的继电器控制、PLC 多种品牌协议以及新型设备的以太网接口，这给系统集成带来巨大困难。为解决这一问题，需要采用工业物联网关和协议转换技术，建立统一的设备接入标准，同时开发适配不同协议的驱动程序。其次，陶瓷生产工艺复杂多变，不同产品类型的生产工艺参数差异显著，自动化设备需要具备足够的柔性来适应这种多样性。这要求设备控制系统具备参数化调整功能，能够根据产品型号自动调用相应的工艺参数库。再次，陶瓷生产环境具有高温、高湿、多粉尘的特点，常规自动化设备难以稳定运行。这就需要针对特殊环境选用防护等级达到IP65 以上的设备，并采取额外的防护措施。

3.2 人才与培训需求

实施自动化改造需要建立多层次的人才队伍和培训体系。首先需要培养既懂陶瓷生产工艺又熟悉自动化技术的复合型技术团队，这个团队应该包括机械、电气、软件等不同专业背景的技术人员。企业可以通过与高校合作开展定向培养、组织技术人员到设备供应商处学习、聘请专家进行内部培训等方式来培养这类人才。其次要建立分级培训体系，针对不同岗位人员开展针对性培训：对操作人员重点培训设备操作规范和日常维护知识；对维修人员重点培训设备原理和故障诊断技能；对工艺人员重点培训工艺参数优化和设备性能调整方法。

3.3 投资与效益分析

自动化改造需要进行详细的投资预算和效益评估。投资成本主要包括以下几个方面：设备采购费用约占总投资 60% ，包括工业机器人、自动化设备、检测仪器等；系统集成费用约占 20% ，包括软件开发、系统调试、接口改造等；厂房改造费用约占 10% ，包括设备基础、管线布置、环境改造等；培训和其他费用约占 10% 。效益分析应该从多个维度进行：直接经济效益包括产品合格率提升带来的质量效益，预计可提高 5-8 个百分点；人工成本节约，可减少直接生产人员 30-50% ；能耗降低，通过精确控制可节约能源 20-30% 。间接效益包括生产周期缩短、库存减少、场地利用率提高等。

4 结束语

本文系统分析了自动化改造的技术体系、实施方案以及面临的挑战，提出了相应的解决策略。通过构建多层次的技术架构，实施关键工序的自动化改造，建立完善的数据管理系统，可以有效解决当前制造业面临的质量不稳定、效率低下、能耗高等问题。同时，需要重视技术改造难点攻关、人才培养体系建设和投资效益分析，确保改造项目的顺利实施。

参考文献

[1]申兆亮,朱景红,蒋新启.特种陶瓷渣浆泵自动翻转装配平台的设计[J].农业装备与车辆工程,2021,59(04):94-96+109.

[2]王富坤.陶瓷制造机械设备的自动化改造浅析[J].才智,2019,(06):239.