摘要：为解决陶泥制品生产过程中生产效率低、劳动强度大，以及成品同一性低等问题，针对复杂陶泥形体设计开发了一种含4个生产模块的自动化生产线技术方案。依据陶泥材料特性以及生产工序，确定了陶泥制品自动化成形工艺；设计并开发了二级延压、定长切断、裁切下料以及打卷4个关键生产设备，依据成形工艺及最优生产节拍进行整体布局；在此基础上提出了复杂形体陶泥制品成形时所需陶泥的分层体积计算方法；并在Rhino平台上用Python Script工具开发了自动生成泥坯裁切刀具轮廓的插件。该自动化生产线技术方案可以实现陶泥制品的连续生产，保证了陶制品成形过程中原料的充足供给，有效提升了陶泥制品的良品率，同时减少了人工参与、降低了生产劳动强度、降低了生产成本。

　　关键词：陶泥制品；自动化生产；结构设计；二次开发

　　Design of Key Equipment for Pottery Figurines Automatic Production

　　Liu Zhe，Ji Xiaomin，Zhai Kangjia

　　(School of Art and Design,Xi’an University of Technology,Xi’an 710054,China)

　　Abstract:In order to solve the problems of low production efficiency,high labor intensity and low identity of finished products in the production of clay products,a technical scheme of automatic production line for complex shape including four production modules is designed and developed.According to the characteristics of clay materials and production process,an automatic forming process of clay products is determined.Then,four key production equipment including two-stage pressing,fixed length cutting,cutting and coiling device are designed and developed,the overall layout is carried out according to the forming process and the optimal production tempo.On this basis,a method for calculating the layered volume of clay needed in the forming of complex clay products is put forward.A plug-in for automatically generating the

　　profile of mud cutting tool is developed with Python Script tool on Rhino.The technical scheme of the automatic production line can realize the continuous production of clay products,ensure the sufficient supply of raw materials during the forming of ceramic products,and effectively improve the quality rate of clay products,besides,it can reduce manual participation,the labor intensity of production,and the production cost.Key words:clay products;automatic production;structural design;secondary development

　　0引言

　　随着“中国制造2050”国家发展战略的深入推进，以及"十三五"发展战略行动规划的进一步落地和实施，开发自动化设备和智能装备是制造业未来的发展方向[1]。新时代工业5.0工业模式的提出，为我国的技术创新以及产业体系的转型升级带来了新的标准与方向[2]。21世纪以来，旅游成为人们休闲娱乐生活的重要组成部分，是大众追求美好生活、提升幸福指数的重要途径[3]。陶俑纪念品由于还原了栩栩如生的人物造型受到了大家的广泛的喜爱和追捧[4]，在西安的旅游纪念品中占据重要地位。

　　目前陶泥制品自动化生产水平不高，尤其针对具有复杂型面的陶俑纪念品，完全依靠人工进行生产加工，劳动强度大、工匠短缺且用人成本逐年递增，但生产效率及产品质量无法得到保障。当前生产企业受制于生产设备的缺乏，无法形成自动化生产[5-6]。陶泥制品的加工方式主要有传统手工制法、注浆成形法、可塑成形法和压制法等[7]。传统手工成形的器件具有独特的艺术价值，最主要的缺点就是生产效率非常低[8]；注浆成型对于异型、大型陶泥制品是最为理想的制作方法，但是产量低、成本高[9]；可塑成形以挤压和旋胚成形最为普遍，主要应用于砖瓦以及日用陶瓷的生产[10]；陶俑纪念品区别于工艺美术品，而压制成形是陶俑批量生产的最为理想的制作方法[11]。

　　日用陶瓷工业己经从传统制造业向现代制造业迈进，研制了一批机械化、自动化、智能化的滚压成形生产线、施釉设备、修坯机、酒瓶注浆机等，建筑陶瓷生产机械装备已实现全面国产化，卫浴陶瓷生产企业已经将旧的生产工艺改造成全新的生产工艺，实现了卫生陶瓷生产的整线机械化和自动化[12-14]。

　　为提高陶俑等复杂形体的陶泥制品的生产效率，摆脱人工生产的困境，本文针对此类陶泥制品提出了一种自动化的生产技术方案，以陶俑为对象，设计了生产线中4个关键设备的结构，并提出了一种复杂形体的体积计算方法，运用计算机辅助设计开发了泥坯裁切刀具轮廓生成插件，对于提高陶俑纪念品的生产效率和产品质量具有重大的现实意义。

　　1产线整体方案设计

　　1.1产线整体方案的拟定

　　借鉴目前陶俑制作工艺，对其进行改造升级，提出一套适用于复杂形体陶泥制品自动化加工生产的生产线整体方案，以解决目前生产环节中效率低且良品率低的问题。所提自动化生产线设计采用模块化设计，主要由二级延压、定长切断、裁切下料、泥片打卷以及人工合模5个主要环节组成。

　　延压与切断装置将经过压滤、真空练泥等前期工作而得到的圆柱状或立方体状的陶泥，经过二级延压使它达到生产规定的厚度，再经辊筒挤压至规定的长度。然后在导泥板上端的切断装置的作业下，将达到规定长度要求的泥片切断滑入输料板，并经输料板滑至裁切下料装置处，完成泥片的定量轮廓切形，得到与陶俑模型在单位高度上等体积大小的泥料，同时将废弃的泥料从输泥板上剥落下来。在经过此环节之后，输泥板上得到与兵马俑模型等高并且体积分布近似的“人形泥片”，最后进入打卷环节，以方便泥料能够顺利进入模具型腔内，工人只需完成最后一步合模即可完成整个制模过程。

　　1.2产线整体布局及工艺流程

　　陶俑自动化生产线根据泥料处理成形工艺及最优生产节拍进行整体布局。如图2所示，主要包括4个生产模块：一维双轨同步滑台；二级延压装置；定长切断装置；裁切下料装置；打卷装置。

　　陶俑自动化生产线的工作过程如下：

　　(1)生产线启动，同步滑台带动输泥板滑到延压装置下料板下方与之平齐，两级延压装置开始持续工作，泥料由上料口处的泥块压制成泥片；

　　(2)达到设计厚度要求的泥片缓慢地从第二级延压装置的下料板挤出，达到设定时间，切断装置旋转切断泥片端部挤压效果不佳的废料，此步骤只在首次开启时运作；

　　(3)切断装置按照时间间隔设定，在下料板上切出长度相等的泥片；

　　(4)泥片切断时沿下料板向下滑，同时输泥板向出滑动，下落的泥片平整落在输泥板上；

　　(5)滑台滑到裁切下料区停止，气缸活塞向下运动带动裁切下料装置完成对泥片的定量裁切与废料剥离的过程；

　　(6)滑台继续向前滑动，在输泥板与搓泥挡板挤压与相对运动的作用下，起卷成筒；

　　(7)随着滑台的远离，成卷的泥筒脱离输泥板，沿着滑槽滚入泥筒的收集盒中；

　　(8)工人在周围的工作台完成陶俑的成形工序；

　　(9)滑台带动输泥板返回初始位置，等待完成下一个循环的工序。

　　2关键设备结构设计

　　以陶俑为对象的自动化生产线方案主要由4个功能模块组成，其中裁切下料装置、打卷装置结构为本文创新设计，其余部分如同步滑台装置、二级延压装置以及定长切断装置主要是应用及改良现有的装置结构。

　　2.1裁切下料装置

　　裁切下料主要结构包括裁切支架、气缸、活塞定位件、活塞连接件、弹簧、顶尖从动件、滑轨托板、连杆和滑块，如图3所示。托板底部结构如图4所示。结合气缸、圆柱凸轮与连杆滑块实现一次下压的动作完成裁切与废料的剥离。

　　该装置工艺流程如下：气缸缸体内通入气体，活塞带动整体裁切模组向下运动，当刀具接触到泥料时，活塞继续向下运动，在弹簧的阻尼作用下完成整个裁切工作。此时刀具接触输泥板，活塞连接件与活塞从动件的弹簧收缩，活塞从动件沿着活塞连接件侧面的圆柱凸轮槽口收缩旋转，从而带动底部的连杆机构运动，底部两侧的滑块向两侧打开，刀具分离并剥落废料。在返程的过程中，气缸活塞回收带动整体部件向上移动，活塞从动件在重力以及弹簧作用下回旋归位，底部的裁切刀具合并结合，等待下一次裁切下料的工作指令。

　　2.2打卷装置

　　在送入磨具之前还需将其打卷以方便泥料能够顺利进入磨具型腔，对打卷机构采用勾卷挡板的形式，主要结构如图5所示。挡板末端形成圆弧形状，在输泥板运送泥料通过挡板时，泥料会沿着圆弧形的轨迹成卷，通过挡板圆弧大小以及倾斜的角度来控制泥料的打卷效果。

　　工艺流程如下：在输泥板的不断向前的运输中，泥料的前端接触到勾卷挡板的圆弧处，在输泥板的运动下开始卷曲，输泥板继续向前完成泥料整个的打卷工序，最终成卷的泥筒在失去输泥板的依托下，落入下料板滚至人工制模区。

　　2.3其他部分装置

　　(1)一维双轨同步滑台

　　一维双轨同步滑台主要由两个并列的滑台本体、导轨滑块、步进驱动系统、联轴器以及连接轴组成，如图6所示。

　　同步滑台用于承载所要加工的泥片，根据生产工艺流程在人工操作区与机器人操作区往复运动。两组同步带直线模组的主动轮用连接轴与联轴器串联起来，保证了滑台在运动过程中的平稳性，使用接近开关配合控制系统，精确控制滑台在各个装置位置处的定位与启停。

　　(2)二级延压装置

　　二级延压装置主要结构由上料仓、泥带输送带、两组压辊和电机以及与之配套的传动机构组成，如图7所示。该装置能够得到大小适宜、厚度确定的泥片，以便在输料板上完成后续各个环节的加工流程。

　　二级延压装置工艺流程如下：同步带将电机输入的动力带动主动辊筒转动，进而带动一对压泥辊筒同步转动，实现泥料从上料板到两辊旋转完成挤压的第一级延压工序，在压泥装置的左侧为泥带输送带，通过高度差将泥带传递给下一级工序，从而能够使完成一级延压工序的泥带送入下一级延压装置中，使泥料经历两次延压，得到设计所需厚度的泥料。

　　(3)定长切断装置

　　泥带定长切断装装置安装于二级延压装置的下料板处，该装置的主要结构如图8所示，包括辊筒切刀、电动机与机架。

　　完成切割的执行工件为圆辊刀，通过步进电机来带动圆辊刀筒运动，辊筒每旋转一周，辊刀刃转动至与下料板接触重合，从而对该处的泥带进行一次切断动作，随着圆辊刀筒不断地旋转来实现泥带的切割动作的重复，辊筒轴每转一周的启停时间计算确定，每两次相邻切断动作间隔时间相等，以确保得到的每段泥片长度相等。

　　3复杂形体陶泥分层体积计算

　　针对具有复杂型面的陶泥制品，在利用模具成形的过程中，陶泥形变在径向容易发生而在长度方向不易，本文提出了一种复杂形体陶泥分层体积计算方法，将陶泥制品等高切片，在厚度确定的泥片上，把每部分的体积折算成泥带长度，如图9所示。对于陶俑成形来说，陶泥的含水量较低且模具型腔内比较复杂，在压模的过程中泥料在型腔内大范围转移较为困难，所以在泥料进入型腔之前，要保证泥料在陶俑每一个单位高度内供料充足，以保证优良的成形效果，应用复杂形体陶泥分层体积计算的方法可以解决该问题。

　　设计思路：将兵马俑数模按一定的高度等数值切分，根据每一部分模型的体积确认每一高度内所需的泥料体积，裁切泥料的厚度是确定的，模型分割的单位高度对应每一条泥料的宽度，通过体积计算公式算出每一条泥料的长度，最后根据每一条泥料的尺寸拼凑成整个刀具的形状，根据数学微分的思维，分层的单位高度越小泥料在成形时横向的移动越小，最终经过圆滑处理的刀具轮廓越准确。

　　4刀具轮廓自动生成插件开发

　　Rhino开发环境是一个软件模块，它通过添加命令、特性或功能来扩展Rhino的功能。而Python具有简单而有效的语法以及功能强大的编程功能、面向对象的功能与非常丰富的参考库，能够实现通过算法处理几何模型，并且可以自动执行大量重复的计算，提高设计刀具轮廓的效率[15-16]。本文最终确定在Rhino平台上用Python Script基于Python语言的编写插件。工具界面如图10所示。

　　利用Rhino内置的Rhinoscriptsyntax功能模块和Math模块将导入的兵马俑模型等高切分并得到每部分体积，得到的每部分体积分别除以切分的高度与泥片的厚度得到每层泥料的长度，将这些值依次转化为点坐标，最后将这些点云平滑的连成曲线得到裁切刀具的形状，具体步骤如下：

　　(1)使用包围盒指令确定模型的空间位置，得到八个包围盒顶点坐标；

　　(2)以包围盒底部顶点坐标为参照，将模型置于地平面上；

　　(3)引入输入与计算模块，确定分割的层高，计算需要生成的分割网格面的数量；

　　(4)等高循环生成数个网格面并对网格模型进行分割；

　　(5)自下而上依次得到每一部分网格模型的体积；

　　(6)输入泥片的厚度参数，由体积、厚度、层高计算得出每一层高所需泥料的长度；

　　(7)由层高确定纵坐标，由宽度确定横坐标，得到转折处所有点的坐标；

　　(8)由这组点坐标生成陶俑裁切刀具的形状轮廓。

　　5结束语

　　本文针对具有复杂型面的陶泥制品生产存在生产效率低、劳动强度大等问题，提出了一种包括4个生产模块的自动化生产线技术方案，以陶俑为对象并对方案中的各个装置结构进行了设计，很大程度上实现了陶俑纪念品的自动化生产，解决了具有复杂型面陶泥制品生产设备的空缺。与人工生产模式相比，陶俑自动化生产线具有生产效率高、产品一致性高等优点。同时本文依据陶泥在成形过程中纵向流动困难的状况，设计提出了一种复杂形体陶泥分层体积计算方法，并以之开发了刀具轮廓自动生成插件，使生产线能够快速适应不同的陶制形体，并且保证原料供给均匀充分，保障了陶泥制品的成形质量，对陶俑等具有复杂型面的陶泥制品的批量生产有重要意义。

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