趙盛林 凌愷

摘 要：針對當(dāng)前日用陶瓷滾壓成型加工工序存在自動化程度較低的生產(chǎn)模式，分析滾壓成型加工特點和生產(chǎn)實況現(xiàn)存問題，結(jié)合基本原理針對性研究自動化加工方法解決方案，進(jìn)而設(shè)計出一種柔性化回轉(zhuǎn)式自動滾壓成型陶瓷成坯設(shè)備。依據(jù)產(chǎn)品類型與整體工作原理，配置各功能模塊滿足具體產(chǎn)品專用生產(chǎn)，以模具為關(guān)鍵件采用生產(chǎn)節(jié)拍控制陶瓷滾壓成坯作業(yè)實現(xiàn)循環(huán)式有序化生產(chǎn)。利用數(shù)字化設(shè)計驗證手段建立并優(yōu)化三維模型，通過試制物理樣機(jī)并做對比實驗檢驗實際效果，評估投產(chǎn)后主要經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：日用陶瓷;滾壓成型;虛擬樣機(jī);柔性化

1 前 言

日用陶瓷產(chǎn)品作為我國的傳統(tǒng)工業(yè)，一直以來憑借價廉物美、低碳環(huán)保的優(yōu)點深受國內(nèi)外消費者喜愛，具有廣闊而又牢固的市場。然而我國的日用陶瓷生產(chǎn)技術(shù)長期處于落后狀態(tài)，機(jī)械化和自動化程度相當(dāng)?shù)拖拢蟛糠衷O(shè)備仍處在半手工半機(jī)械操作狀態(tài)。就成型滾壓工序來說，目前均采用單滾頭的壓坯機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，但是工作時滾壓模具的送進(jìn)、取出以及滾壓泥料的進(jìn)給均由手工操作且在同一工作位置進(jìn)行，生產(chǎn)效率低下，平均每個操作工人每班要搬動成型模具兩千余次，勞動強度非常大。目前國外具有類似于多滾頭自動滾壓成型機(jī)的設(shè)備，但價格昂貴，功能有限，售后服務(wù)、保養(yǎng)維護(hù)困難，且物流成本高。

針對日用陶瓷滾壓成型工序存在的諸多問題，利用專利、文獻(xiàn)等知識儲備和經(jīng)驗總結(jié)分析，實現(xiàn)滾壓成型自動化生產(chǎn)已經(jīng)成為了日用陶瓷加工行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。通過圍繞日用陶瓷成坯加工技術(shù)特點，針對性提出使其實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的加工方法，結(jié)合SolidWorks數(shù)字化虛擬樣機(jī)創(chuàng)新設(shè)計和驗證技術(shù)，設(shè)計出一種自動化滾壓成型設(shè)備，改進(jìn)目前落后的加工技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度。并根據(jù)驗證完善后的虛擬樣機(jī)試制物理樣機(jī)，通過現(xiàn)場投產(chǎn)檢驗實際效果。

2 陶瓷滾壓成坯技術(shù)研究與分析

2.1陶瓷滾壓成坯加工技術(shù)特點

日用陶瓷成型工藝主要可分為注漿成型技術(shù)、可塑成型技術(shù)、壓制成型技術(shù)，滾壓成型制坯工藝屬于可塑成型技術(shù)，是指通過利用泥料的可塑性，在外力的作用下對泥料進(jìn)行成型，該外力由分別繞自身軸線同方向旋轉(zhuǎn)的盛放泥料的模具和滾壓設(shè)備的滾壓頭共同作用下產(chǎn)生，并在滾壓頭不斷靠近模具的過程中促使坯料成型，如圖1所示。該方法多用于回轉(zhuǎn)體形狀的日用陶瓷產(chǎn)品制備過程，成型后的坯體結(jié)構(gòu)致密、分布均勻、表面質(zhì)量優(yōu)良。

滾壓成型技術(shù)的生產(chǎn)工藝流程一般為泥料切片—置入模具—模具放入壓坯工位—壓坯—切除飛邊—模具搬離壓坯工位—帶模干燥—脫?！黧w干燥—磨坯—施內(nèi)釉—施外釉—取釉—掃灰檢查—裝匣—窯燒，工序上可以分為備料—滾壓成型—干燥—上釉—燒制，其中泥料切片—置入模具—模具放入壓坯工位—壓坯—切除飛邊—模具搬離壓坯工位—帶模干燥—脫模均屬于泥料的滾壓成型加工工序。

結(jié)合目前的半自動生產(chǎn)方式中出現(xiàn)的諸多問題，從滾壓成型工序的生產(chǎn)工藝流程來看，影響生產(chǎn)效率、增加工人勞動強度的工藝問題主要在于：

（1）傳統(tǒng)原料泥條切割好后由人工運輸?shù)綕L壓設(shè)備旁邊，由于切割好后到滾壓存在時間差，導(dǎo)致切割面風(fēng)干，從而影響滾壓質(zhì)量。

（2）模具放入壓坯工位、模具搬離壓坯工位、脫模工序的自動化程度低，平均每個操作工人每班要搬動成型模具兩千余次，相當(dāng)于來回搬動30噸重的貨物，操作人員勞動強度大。

2.2自動化加工方法研究

針對以上問題，本文對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究：

（1）日用陶瓷生產(chǎn)過程中，如何通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝和利用自動化技術(shù)，盡可能減少工人工作量，確保在減少工人工作量的前提下，保證陶瓷的質(zhì)量和產(chǎn)量。

（2）各操作工藝之間應(yīng)做到有序銜接，減少中間不必要作業(yè)等待時間，避免影響作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

傳統(tǒng)原料泥條切割好后由人工運輸?shù)綕L壓設(shè)備旁邊，由于切割好后到滾壓存在時間差，導(dǎo)致切割面風(fēng)干，從而影響滾壓質(zhì)量，對此可針對性研發(fā)原料泥條自動輸送切割技術(shù)及設(shè)備，根據(jù)滾壓需要量即時切割泥條，避免了上述問題。

考慮采用自動化生產(chǎn)線的節(jié)拍循環(huán)作業(yè)方式，對模具進(jìn)行自動化改造，代替工人手動在滾壓機(jī)生產(chǎn)工位不斷循環(huán)地搬運模具進(jìn)行‘取模、‘放模的工作步驟，物理上將滾壓生產(chǎn)工位、‘取模放模工位、脫模工位合并精簡或者通過中轉(zhuǎn)搬運裝置輔助，并通過閉環(huán)輸送線的設(shè)計方式有序銜接各工位，如圖2所示。

綜合考慮合理設(shè)置‘取模放模工位、 ‘脫模工位等工位位置，保證工人作業(yè)方便并減少工人數(shù)量。如圖2A所示，閉環(huán)輸送線以模具做為載體，在模具行進(jìn)方向上依次設(shè)置上料、滾壓、脫模、模具干燥工位，滾壓工位直接安排在輸送線上，通過生產(chǎn)節(jié)拍安排輸送線和滾壓工作交替啟停，上料節(jié)拍和脫模節(jié)拍同滾壓工作節(jié)拍保持一致，帶坯體的模具通過輸送線輸送經(jīng)過模具干燥區(qū)域干燥，完成后進(jìn)行脫模，坯體通過外部輸送線送入下道工序。如圖2B所示，增設(shè)中轉(zhuǎn)搬運裝置，實現(xiàn)‘取模放模工作，可以便于合理安排各工位物理位置，使其更緊湊，節(jié)省工位操作工數(shù)量。

根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品品種形狀的復(fù)雜程度，針對性設(shè)計‘脫模方案，盤碟碗類闊口陶瓷由于所用模具結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)全自動化脫模作業(yè)，通過抓手實現(xiàn)坯體抓取后配合生產(chǎn)節(jié)拍自動放置到運動中的鏈?zhǔn)礁稍餀C(jī)。而使用模具較為復(fù)雜的缸瓶桶類陶瓷產(chǎn)品則需要人工和機(jī)械相結(jié)合的方式進(jìn)行‘脫模。

滾壓生產(chǎn)工位、‘取模放模工位之間以模具做為關(guān)鍵件，工位之間具有中轉(zhuǎn)搬運功能的聯(lián)結(jié)裝置，如圖3所示，具有夾持機(jī)構(gòu)，能夠夾持獲取模具，并將模具提升使其離開原有的工位，在動力機(jī)構(gòu)的作用下，聯(lián)結(jié)裝置帶動模具進(jìn)行轉(zhuǎn)位，將待滾壓加工的具有泥料的模具從輸送線上搬運到滾壓工位，同時另一個旋臂將帶有已經(jīng)滾壓成型坯料的模具從滾壓工位搬運到輸送線上，松開夾持后，通過節(jié)拍控制系統(tǒng)安排輸送線移動模具，實現(xiàn)‘a(chǎn)->b->c->a循環(huán)作業(yè)，配合成型滾壓機(jī)在工業(yè)電腦PLC的控制下完成連續(xù)滾壓成型工作。滾壓成型后，帶坯體的模具實現(xiàn)自動化抓放功能，要求抓放工序不能損傷坯體。

3 陶瓷成坯加工設(shè)備設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)和3D模型

SolidWorks是一款具有數(shù)字化設(shè)計和仿真檢驗功能的三維CAD系統(tǒng)，通過數(shù)字化建模和檢驗手段為用戶提供足量的試驗支持。它功能強大、性能穩(wěn)定、易學(xué)易用，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜實體造型的建構(gòu)，減少設(shè)計失誤，縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量[3]。本文采用SolidWorks 2010對設(shè)備進(jìn)行三維建模。

為實現(xiàn)陶瓷成坯加工的功能，針對生產(chǎn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計專用型滾壓成型設(shè)備，概括而言，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括自動滾壓成型機(jī)、回轉(zhuǎn)式模具承托線以及可選裝的模具搬運裝置三大功能部件。例如，如圖4所示，用于盤類陶瓷自動化滾壓成型的生產(chǎn)線，采用滾壓工位直接安排在輸送線上的方案，包括自動滾壓成型機(jī)、回轉(zhuǎn)式模具承托線二大功能部件，無需模具搬運裝置。

3.2自動滾壓成型機(jī)

自動滾壓成型機(jī)仍然采用原有的滾壓成型原理，但對于傳統(tǒng)的半自動化滾壓成型機(jī)進(jìn)行自動化升級改造，使其能夠配合生產(chǎn)節(jié)拍完成滾壓成型工藝生產(chǎn)，使得該工位實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，節(jié)省人力資源，也可根據(jù)實際產(chǎn)品采用多滾頭滾壓成型機(jī)作業(yè)，進(jìn)一步提升效率。

如圖5所示，自動滾壓成型機(jī)可分為滾壓頭機(jī)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、修坯機(jī)構(gòu)。滾壓頭機(jī)構(gòu)具有獨立的電機(jī)通過帶輪傳輸機(jī)構(gòu)驅(qū)動滾壓頭沿自身軸線旋轉(zhuǎn)。機(jī)身結(jié)構(gòu)采用多連桿復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠在獨立的驅(qū)動裝置作用下做周期往復(fù)性運動，使得滾壓頭沿規(guī)劃軌跡運動運動。修坯機(jī)構(gòu)配合機(jī)身結(jié)構(gòu)做周期往復(fù)性運動做為聯(lián)動輔助裝置，當(dāng)滾壓頭在機(jī)身結(jié)構(gòu)的周期運動中接觸并滾壓模具中的泥料時，修配機(jī)構(gòu)開始工作，使得修坯刀片緊貼模具上沿，切除碾壓成型后多余的泥料，便于標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)。

滾壓產(chǎn)品成品率取決于滾壓頭轉(zhuǎn)速、模型主軸轉(zhuǎn)速和滾壓頭下降速度，根據(jù)陶土特性設(shè)置合適的轉(zhuǎn)速和下降速度，反復(fù)測試和參數(shù)設(shè)定，擇取最優(yōu)機(jī)械參數(shù)。

3.3模具搬運裝置

模具搬運裝置的設(shè)計目的是為了解決 ‘取模、‘放模工作的自動化作業(yè)問題，在物理上將承托線與滾壓工位聯(lián)系起來，通過模具搬運裝置實現(xiàn)各工位之間的物料傳遞，即搬運模具。

如圖6所示，是用于脫模較困難的瓶類陶瓷生產(chǎn)中使用的結(jié)構(gòu)較為簡單的二旋臂搬運裝置。搬運裝置上的夾持機(jī)構(gòu)夾取模具，動力機(jī)構(gòu)控制并驅(qū)動搬運裝置，提升模具使其離開所處工位表面，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)位，將待滾壓加工的具有泥料的模具從輸送線上搬運到滾壓工位，同時另一個旋臂將帶有已經(jīng)滾壓成型坯料的模具從滾壓工位搬運到輸送線上，實現(xiàn)滾壓工位的上料和下料，即所說的‘取模、‘放模工作的自動化作業(yè)。

多工位聯(lián)結(jié)搬運裝置則包括模具提升機(jī)構(gòu)、夾取機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)通過以電機(jī)為驅(qū)動裝置，導(dǎo)柱、滑板、離合剎車總成等為傳動裝置，模座作為驅(qū)動對象，貫穿各工位進(jìn)行工藝加工。模具提升機(jī)構(gòu)由模座、電機(jī)等器件構(gòu)成，模具放置在底部中空的吊籃中，在電機(jī)周期驅(qū)動作用下，模座在豎直方向上周期運動，當(dāng)模座向上運動時候，模座將模具托起，模具與吊籃分離，實現(xiàn)‘取模操作;當(dāng)模座向下運動時候，模座與模具分離，模具重新落在吊籃上，實現(xiàn)‘放模操作。在與模具輸送承托線交互的上料工位由夾持機(jī)構(gòu)將位于輸送線上的具有泥料的模具搬運到搬運裝置的吊籃中，并完成‘放模作業(yè)，通過傳動裝置控制轉(zhuǎn)位至滾壓工位實現(xiàn)泥料的滾壓作業(yè)，完成后通過傳動裝置控制轉(zhuǎn)位到與模具輸送承托線交互的下料工位，進(jìn)行‘取模操作，由夾持機(jī)構(gòu)將位于搬運裝置的吊籃中的具有坯體的模具搬運到輸送承托線。如圖7所示。

3.4回轉(zhuǎn)式模具輸送承托線

回轉(zhuǎn)式模具輸送承托線主要目的是以模具為執(zhí)行對象，實現(xiàn)成坯后自動放置到運動鏈?zhǔn)礁稍餀C(jī)中進(jìn)行干燥作業(yè)，并銜接脫模工位，對干燥后模具與坯體的脫模作業(yè)提供物料，并將空模具輸送到泥料上料工位，以便進(jìn)行后道加工，如圖8所示。

模具輸送承托線從滾壓工位接收到滾壓完成后帶有坯體的模具，按照生產(chǎn)節(jié)拍啟停承托線的鏈?zhǔn)絺鲃?，依次將成型好的濕坯連同模具送到干燥區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過一段時間的干燥處理，在干燥區(qū)域的出口位置依次輸出帶有干坯的模具，輸送線的長度依據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和濕坯所需理論干燥時間計算得出。帶有干坯的模具經(jīng)脫模工位脫離坯體，空載模具在承托線的輸送下進(jìn)入清理等待區(qū)，以待泥料上料進(jìn)行下一周期的滾壓成型循環(huán)。以模具為關(guān)鍵件視角，模具在承托線上配合生產(chǎn)節(jié)拍依次流轉(zhuǎn)。

4 設(shè)備工作原理

回轉(zhuǎn)式陶瓷自動滾壓成型設(shè)備根據(jù)實際生產(chǎn)產(chǎn)品類型的不同可以具有多種不同的設(shè)計方案，但總體上都包括自動滾壓成型機(jī)、回轉(zhuǎn)式模具承托線二大功能部件，考慮模具的重量以及各工位物理位置可操作性而后決定模具搬運裝置是否需要設(shè)立。但結(jié)合上述各功能部件工作特點，設(shè)備總的工作原理可以總結(jié)為：回轉(zhuǎn)式模具承托線按照生產(chǎn)節(jié)拍運載著從干燥區(qū)域出來的空石膏模具，人工置于上料工位或者通過上料裝置將泥餅料投入石膏模具內(nèi)，模具承托線傳送帶轉(zhuǎn)動，如果是不采用模具搬運裝置，則模具承托線將帶有泥料的石膏模具輸送到自動滾壓成型機(jī)所在的滾壓工位，石膏模具不離開模具承托線，直接通過自動滾壓成型機(jī)滾壓成型，而設(shè)計有模具搬運裝置的設(shè)備設(shè)計方案，則模具承托線將帶有泥料的石膏模具輸送到與模具搬運裝置交互的位置后，模具搬運裝置提升石膏模具與模具承托線傳送帶分離，并通過夾取機(jī)構(gòu)夾取石膏模具，可選擇夾取機(jī)構(gòu)將石膏模具轉(zhuǎn)放入模具搬運裝置中的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)并通過轉(zhuǎn)位動作輸送到滾壓工位，也可以采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)直接帶動夾取機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)位動作，將石膏模具輸送并放入滾壓工位，這時滾壓機(jī)主軸帶動滾壓頭旋轉(zhuǎn)，滾壓機(jī)上滾頭下降進(jìn)行滾壓，滾壓完成后，滾壓成型好的石膏模被模具承托線輸送帶帶走進(jìn)入干燥箱進(jìn)行干燥。干燥脫坯后的空石膏模又被送到進(jìn)模輸送帶處進(jìn)入下一工作，循環(huán)如此反復(fù)工作。

5 樣機(jī)制造及實際投產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益評估

5.1樣機(jī)試制

根據(jù)上述技術(shù)方案分析以及三維模型設(shè)計與數(shù)字化校驗后，進(jìn)行樣機(jī)開發(fā)，針對盤類陶瓷產(chǎn)品配置設(shè)計雙滾頭無搬運裝置自動化滾壓成型生產(chǎn)線并制作物理樣機(jī)，如圖9所示。

本裝置設(shè)置為雙滾頭滾壓，單排進(jìn)出模輸送帶，能同時滾壓成型2個產(chǎn)品。此外工廠需生產(chǎn)不同的品種時，只需在模具輸送承托線上更換模具和更換調(diào)校滾頭即可，同傳統(tǒng)滾壓生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)效果對比見下表：

從上表可見，本發(fā)明相對傳統(tǒng)單頭滾壓成型機(jī)，效率提高50%～67%，成品率提高2%，石膏模破損率降低3%左右，模具壽命增加50%以上，顯著的降低了生產(chǎn)成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。由于本機(jī)操作簡單，只需人工投泥，對操作投泥人員沒有特殊要求，一般1名工人都可操作，節(jié)省人力資源。

5.2實際投產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益評估

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)行各自動化滾壓成型設(shè)備運轉(zhuǎn)情況來看，企業(yè)使用本項目研發(fā)的設(shè)備，每條生產(chǎn)線每班可減員3～4人，三個班減少9人，按每人工資2000元計算，每月可減少工資開支9×2000=1.8萬元，一條生產(chǎn)線一年可減少1.8×12=21.6萬元。如本設(shè)備在容縣某瓷廠投入使用以來，減少壓坯、投泥工人12人，每年節(jié)省該項工資支出將近30萬元，充分降低人力資源消耗情況，較大程度緩解勞動生產(chǎn)強度和勞動力緊缺壓力。

設(shè)備滿負(fù)荷生產(chǎn)可以24小時產(chǎn)出，產(chǎn)量比手工滾壓成型提高20%以上，本設(shè)備開機(jī)一小時可產(chǎn)900件，8小時內(nèi)可連續(xù)生產(chǎn)，中途不用停機(jī)，每班 7200件，人工滾壓一小時可產(chǎn)840件，但不能滿產(chǎn)，每班只能工作7個小時，因此人工滾壓可產(chǎn)5880件。則每班本機(jī)比人工滾壓高1320件，三個班合計多3960件，月多產(chǎn)3960×30=118800件，年多產(chǎn)118800×11=1306800件，按每件坯0.1元人工工資計，年可減少支付人工工資1306800×0.1=13.068萬元兩項合計每可為用戶減少支出21.6+13=33.6萬元，規(guī)模效益可觀。

6 結(jié) 論

日用陶瓷滾壓成型加工特點和針對性自動化加工方法研究充分結(jié)合制造實況和基本原理，考慮到各工位銜接以及合理利用現(xiàn)有設(shè)備資源，得到配置較為靈活的柔性化自動化滾壓成型加工解決方案。依據(jù)產(chǎn)品類型與整體工作原理，充分利用機(jī)械設(shè)計方法，構(gòu)建具體產(chǎn)品專用型設(shè)備，以石膏模具為流轉(zhuǎn)媒介，循環(huán)式實現(xiàn)陶瓷滾壓成坯作業(yè)，采用線體生產(chǎn)節(jié)拍控制有序化生產(chǎn)，研發(fā)過程遵循數(shù)字化設(shè)計驗證與實際物理樣機(jī)測定相結(jié)合的方式，縮短研發(fā)周期，提高設(shè)備糾錯和迭代速度，并根據(jù)對比試驗檢驗實際效果，合理預(yù)估新型設(shè)備產(chǎn)生的主要經(jīng)濟(jì)效益。

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