陶瓷洁具生产上釉装置的机械自动化设计

1 引言

陶瓷洁具是现代建筑中不可或缺的卫生设施。其表面所覆盖的釉层不仅赋予产品光滑亮丽的外观和易于清洁的特性，更是实现瓷体防水、防污、耐腐蚀等关键功能的基础。因此，上釉工序的优劣是衡量陶瓷洁具品质的核心指标之一。目前，国内许多陶瓷企业仍大量采用人工手持喷枪的方式进行上釉作业。该方式高度依赖操作工人的经验与熟练程度，易导致釉层厚度波动大、边缘覆盖不均等问题。同时，作业现场釉料粉尘弥漫、有害化学物质挥发也造成了生产环境的污染。此外，人工上釉劳动强度大、招工难、效率瓶颈突出，已成为规模化、标准化发展的关键因素。在此背景下，研发一套全自动、智能化的上釉装置已成为行业发展的必然趋势。机械自动化上釉技术能够将工人从恶劣环境中解放出来，通过精准的运动控制，保证每一件产品釉面质量的均一性和稳定性，大幅提升生产效率和资源利用率，符合现代制造业智能化的发展方向。本文将从机械结构、控制系统、传感技术等维度，对陶瓷洁具自动化上釉装置进行全面的设计研究。

2 自动化上釉系统总体设计方案

2.1 系统总体架构

本设计方案采用“ 上位监控层—运动控制层—现场执行层” 的三层分布式系统架构。现场执行层是系统的物理基础，主要包括六自由度工业机器人本体、专用末端执行器（喷枪系统）、釉浆供给与循环系统、高精度视觉传感系统、产品输送与定位平台（如变频调速输送线、伺服定位托盘）以及安全防护设施（围栏、光栅）；运动控制层是系统的“ 神经中枢” ，核心为机器人的控制器和 PLC（可编程逻辑控制器）。机器人控制器负责规划和执行复杂的空间运动轨迹；PLC 则负责整个工作站的逻辑顺序控制，如输送线的启停、釉泵的开关、气动阀门的通断等，并与机器人控制器进行实时通信；上位监控层采用工业计算机（IPC）配以组态软件，作为人机交互（HMI）界面。

2.2 工作流程

自动化上釉单元的工作可简述为以下流程：

（1）产品输送与请求

载有坯体的托盘随输送线进入上釉工位，光电传感器检测到产品到位后，PLC 发出信号停止输送线。

（2）视觉识别与定位

固定安装的机器视觉系统（3D 相机）对托盘上的坯体进行扫描，获取其三维点云数据，通过图像处理算法精确识别产品的型号、当前位置以及姿态角度，并将位置补偿值发送给机器人控制器。

（3）轨迹规划与运动执行

机器人控制器调用预存于工艺数据库中的、与该产品型号对应的标准上釉轨迹程序，并结合视觉系统反馈的位姿偏差进行实时偏移补偿，生成新的、与实际产品位置完全匹配的作业路径。

（4）精准施釉

机器人带动末端喷枪，严格按照规划好的空间轨迹运动。同时，控制系统精确控制釉浆的供给压力、流量以及雾化空气压力，确保在整个运动过程中釉浆被均匀地喷涂到坯体表面。

3 关键机械结构与子系统设计

3.1 工业机器人选型与运动系统

为实现陶瓷洁具复杂三维型腔（如坐便器管道内部、洗手盆背面）的无死角喷涂，必须选用具有高灵活性的多关节工业机器人。六自由度串联关节机器人是理想选择，其工作空间大、动作灵活，可通过奇特的姿态到达难以触及的区域。选型需考虑最大负载（需包含末端执行器重量）、工作半径（必须覆盖整个产品及喷房空间）、重复定位精度（通常需优于±0.1mm ）以及防尘防潮的防护等级（建议IP54 或以上）。

3.2 专用末端执行器设计

末端执行器通常是一个集成了喷枪、气路、液路和传感器的机械装置。喷枪选型应选用高性能低压空气雾化喷枪，其雾化效果细腻，釉面平整度高。通常为提升效率，会采用双枪甚至多枪设计，以同时覆盖产品的不同区域；设计独立的通路将釉浆和压缩空气从外部源引至喷枪。管路需采用耐腐蚀、易清洁的材料（如不锈钢、特氟龙），接头要求密封可靠；姿态调节机构为确保喷枪始终与坯体表面保持最佳距离和角度（通常为90° 垂直），可在机器人与喷枪之间增加一个或两个自由度的主动或被动调节机构，实现“ 枪随形走” 的复杂运动。

3.3 釉浆供给与循环系统

釉浆供给与循环系统主要由釉浆压力罐、隔膜泵、精密压力与流量传感器、气动调节阀、搅拌器及输送管道等组成。为实现稳定的釉浆供给，该系统采用闭环控制策略，通过 PID 控制器动态调节气动阀开度或泵的转速，以实时补偿因喷涂作业和管道阻力变化导致的压力波动，从而确保釉浆出口处压力与流量的恒定。同时，储罐中的釉料需经持续缓慢搅拌，防止固体颗粒沉淀，维持成分均匀性。此外，针对过喷釉料的回收与再利用，系统还设有回收与净化模块，收集的釉浆需经过筛网过滤、除铁及比重调整等处理工序。

4 控制系统设计与核心技术

4.1 控制系统硬件架构

控制系统以机器人的专用控制器和一台高性能PLC 为核心。两者通过工业以太网（如Profinet、EtherCAT）进行高速通信，实现数据同步。PLC负责连接和控制所有外围设备（输送线电机、釉泵、气动阀、传感器等）。机器视觉系统同样通过以太网与机器人控制器直接通信，传输定位数据。

4.2 软件与轨迹规划

软件作为自动化上釉系统的“ 大脑” ，其核心难点在于三维运动轨迹的生成与优化。该系统通常依托离线编程方式，基于产品的CAD 数字模型，在诸如 RobotStudio、RoboGuide 等专业软件中预先规划出理论最优的喷枪运动路径与姿态，通过合理密集的路径点设置确保喷涂覆盖率和均匀性。进一步地，采用参数化编程策略，将运动轨迹、喷枪启停及流量参数等封装为与产品型号一一对应的工艺包，使操作人员仅需在上位机选择型号即可自动调用完整程序。

4.3 釉浆流体控制策略

釉浆是一种非牛顿流体，其粘度会随剪切速率变化，控制复杂。需建立釉浆压力、流量、雾化空气压力与最终釉层厚度之间的数学模型。通过大量工艺试验，确定不同产品、不同区域的最佳工艺参数组合，并存储在数据库中。在实际控制中，可采用前馈 + 反馈的复合控制算法，以抑制扰动，实现精准喷涂。

5 结束语

本文围绕陶瓷洁具上釉工序的自动化需求，开展了机械结构与控制系统的集成化设计，提出了一种以工业机器人和机器视觉为核心的自动化上釉解决方案。该系统具备三维轨迹精准规划、釉浆参数闭环控制等能力，可显著提高釉面质量的一致性与稳定性，减轻人工操作负担，改善作业环境，并有利于釉料的节约与回收利用。研究表明，该设计在提升陶瓷洁具生产的自动化、智能化及绿色化水平方面具有较高的工程应用价值。

参考文献

[1]王文玖.中国陶瓷机械行业自动化程度的发展现状及展望分析[J].佛山陶瓷,2021,31(03):29- 30+44 .

[2]曾成勇,樊叶利,王化能,李德发,郭程长.绿色生产 智能制造——陶瓷工业转型升级之道[J].陶瓷,2020,(06):45-47.