主要研究方向：智能控制

钦州市科学研究与技术开发计划项目《微型多功能异形坭兴陶成型装置关键技术研发》、合同编号：202116606

1 引言

1.1 研究背景与意义

坭兴陶是中国传统工艺的瑰宝之一，具有悠久的历史和深厚的文化底蕴。然而，随着现代科技的发展和生产方式的改变，传统手工制陶面临着一系列挑战。在这种背景下，引入自动化控制系统成为保护传统陶艺并提高生产效率的重要途径。

自动化控制系统为陶艺生产过程提供了全新的可能性。它能够实现陶艺生产过程的智能化、高效化和稳定化，大大降低人工操作的需求，减少人为因素带来的不稳定性和误差，从而提高产品质量和陶艺的整体竞争力。因此，设计和优化微型多功能异形坭兴陶成型装置的自动化控制系统具有重要的现实意义和实践价值。

1.2 研究目的与内容

本研究的目的是设计一种微型多功能异形坭兴陶成型装置的自动化控制系统，并对成型过程进行优化，以提高陶艺生产效率和产品质量。

2 坭兴陶成型装置概述

2.1 坭兴陶介绍

坭兴陶，以广西钦州市钦江东西两岸特有紫红陶土为原料。制作坭兴陶的过程十分独特，首先将东泥封闭存放，再取回西泥经过日照、雨淋，达到风化状态。随后将东泥与西泥按4:6的比例混合，制成陶器坯料。通过这样的工艺，东泥软为肉，西泥硬为骨，骨肉得以相互支撑并形成坭兴陶。坭兴陶因其厚重朴实、线条流畅、釉色温润和器形独特而备受称赞。[1]

2.2 成型装置设计与发展概述

在广西钦州市近百年来，只有壮锦及坭兴陶两种传统工艺能够得到保持、继承和发展。坭兴陶作为广西最具民族特色的瑰宝之一，在坭兴窑陶瓷制作工艺的保护和创新方面发挥着重要的作用。传统的坭兴陶生产过程主要依赖于手工成型，然而，随着现代科技和自动化技术的发展，引入自动化控制系统成为保护传统陶艺、提高生产效率和质量的迫切需求。[2]

2.3 微型多功能异形坭兴陶成型装置简介

本研究提出了一种微型多功能异形坭兴陶成型装置的概念。该装置采用广西钦州特有的紫红陶土作为原料，结合先进的自动化控制系统，能够实现对坭兴陶成型过程的智能化控制和优化。

主要特点如下：

(1) 多功能性：该装置拥有多种成型模式和工艺设置，使其能够适应不同形状、尺寸的坭兴陶自动成型的需求。

(2) 异形坭兴陶成型能力：配备先进的形状识别与调整功能，可以满足异形坭兴陶的成型需求，提高生产灵活性。

(3) 自动化控制系统：装置采用先进的PLC（可编程逻辑控制器）和传感器技术，实现成型过程的实时监测和智能控制，提高生产稳定性和成型精度。

(4) 自然陶彩：坭兴陶不上釉不上彩，经过高温烧制后窑变产生“自然陶彩”，形成各种绚丽的色彩，使坭兴陶更具独特的艺术魅力。

3. 自动化控制系统设计

3.1 系统设计要求与功能

在设计微型多功能异形坭兴陶成型装置的自动化控制系统时，需要满足以下主要要求和功能：

(1) 多功能性：控制系统应能够实现多种成型模式和工艺设置，以适应不同形状、尺寸的坭兴陶自动成型需求。

(2) 异形坭兴陶成型能力：控制系统应具备先进的形状识别与调整功能，能够应对异形坭兴陶的成型需求，提高生产灵活性。

(3) 自动化控制：系统应采用先进的自动化控制技术，实现成型过程的实时监测和智能控制，提高生产稳定性和成型精度。

(4) 用户友好性：界面设计应简洁直观，操作流程应优化，使操作人员能够轻松设定成型参数和工艺流程。

3.2 控制系统整体架构

3.2.1 传感器与执行器选择与布置

在控制系统中，需要选择合适的传感器用于实时监测成型过程中的各项参数。常见的传感器包括压力传感器、温度传感器、位移传感器等。这些传感器将采集到的数据传输给控制系统，以实现对成型过程的实时监测和数据反馈。[3]

同时，需要选择合适的执行器用于控制成型装置的运动和操作。执行器可以是伺服电机、气动元件等，通过控制执行器的运动，实现对成型装置的各项动作和操作的控制。

传感器与执行器的布置需要考虑到成型装置的结构和需要监测和控制的部位，以确保成型过程中各个关键参数得到准确的监测和控制。

3.2.2 控制算法设计

控制算法是控制系统的核心部分，它根据传感器采集到的数据，通过计算和逻辑判断，实现对成型装置的智能控制。在设计控制算法时，需要考虑成型过程中的各种情况和变化，以确保系统能够稳定运行并保持成型精度。

控制算法应具备以下功能：

(1) 实时监测和调整成型装置的运动参数，保持成型过程的稳定性和一致性。

(2) 根据异形坭兴陶的需求，自动调整成型装置的形状和尺寸，实现异形坭兴陶的高效生产。

(3) 响应用户设定的成型参数和工艺流程，确保成型装置按照预期进行操作。

3.3 界面设计与用户交互

3.3.1 触摸屏界面设计

为了简化用户操作，提高用户友好性，将在装置上配备直观友好的触摸屏界面。该界面应具备以下设计要求：

(1) 界面简洁明了，主要功能和操作选项应一目了然。

(2) 显示实时成型过程中的关键参数和状态，以便用户实时了解成型情况。

(3) 提供设置成型参数和工艺流程的功能，用户可以通过触摸屏进行设定。

3.3.2 用户操作流程优化

为了使用户操作更加顺畅和高效，需要对用户操作流程进行优化。具体优化措施包括：

(1) 设计简洁明了的操作界面，减少冗余的操作步骤。

(2) 提供直观的操作指引，帮助用户快速上手并正确操作。

(3) 优化参数设置和调整流程，使用户能够方便地进行参数设定和调整。

4. 自动化控制系统实施

4.1 硬件搭建与集成

4.1.1 控制器选择与配置

在实施自动化控制系统时，首先需要选择合适的控制器。考虑到坭兴陶成型装置的复杂性和多功能性，可以选择性能强大且可编程的PLC（可编程逻辑控制器）作为控制器。PLC具有稳定可靠的特点，并且可以根据实际需求进行灵活的编程。

控制器的配置应满足成型装置的控制要求，包括输入输出口数量、通信接口、处理器性能等。

4.1.2 传感器与执行器的连接

根据成型装置的设计，将选定的传感器和执行器连接到PLC的输入输出口。传感器用于实时采集成型过程中的各项参数，包括压力、温度、位移等数据。执行器用于根据PLC的控制指令实现成型装置的动作和操作。

连接传感器和执行器时需要确保连接稳固可靠，避免因连接问题导致数据传输中断或操作失效。

4.2 控制程序编程与测试

4.2.1 PLC编程

进行PLC编程，根据控制系统设计要求和功能，在PLC上编写控制程序。控制程序包括监测传感器数据、执行控制算法和输出控制指令等部分。

编程时要考虑到成型装置的不同工艺和多功能性，确保程序的灵活性和稳定性。此外，对于异形坭兴陶的成型要求，需要在控制程序中加入形状识别和调整的逻辑。

4.2.2 控制算法验证与调试

编写完控制程序后，对控制算法进行验证和调试。在实际操作前，可以通过模拟数据和虚拟仿真平台进行初步测试。

验证时需关注以下方面：

确保传感器数据的准确性和稳定性，检查数据是否与实际成型情况一致。

确认控制算法的正确性，观察系统对不同成型要求的响应是否符合预期。

验证控制指令对执行器的控制效果，检查成型装置的动作和操作是否准确。

在调试过程中，可能需要对控制程序进行逐步调整和优化，以确保系统能够稳定运行，并实现预期的成型效果。

5. 异形坭兴陶成型过程优化

5.1 生产工艺分析

5.1.1 异形坭兴陶成型工艺流程

首先，进行异形坭兴陶成型的工艺流程分析，明确成型过程的步骤和关键环节。根据工艺流程，确定每个步骤所需的参数和控制要点，为优化提供依据。

5.1.2 生产参数收集与分析

收集异形坭兴陶成型过程中的各项生产参数，包括成型速度、压力、温度等数据。通过对数据的分析，了解当前成型过程的表现和存在的问题，为优化提供参考依据。

5.2 成型过程优化

5.2.1 成型速度与压力优化

成型速度和压力是影响成型过程的两个主要参数。通过合理调整成型速度和压力，可以达到以下优化目标：

(1) 提高生产效率：优化成型速度，使成型装置能够在更短的时间内完成成型过程，提高生产效率。

(2) 提高成型精度：通过优化成型压力，确保成型装置对坭兴陶的成型力度均匀，提高成型精度。

(3) 降低能耗：合理调整成型速度和压力，降低能耗，提高能源利用效率。

5.2.2 异形坭兴陶成型质量改进

成型质量是异形坭兴陶生产的重要指标。通过优化成型过程，改进成型质量，可以实现以下目标：

(1) 提高成型一致性：通过优化成型参数，确保每个成型产品的尺寸和形状一致，提高成型一致性。

(2) 减少成型缺陷：通过优化成型速度和压力，减少成型过程中可能出现的缺陷，如开裂、变形等。

(3) 提高异形坭兴陶的生产成功率：通过优化成型工艺，提高异形坭兴陶的生产成功率，减少废品率，降低生产成本。

5.3 成型装置维护与保养

除了优化成型过程，还需要定期对成型装置进行维护和保养。定期检查和维修成型装置，确保设备的正常运行和稳定性，防止设备故障对生产造成影响。

在维护保养过程中，还可以对成型装置的性能进行评估，了解设备运行状态，发现潜在问题，并及时进行处理和改进。

5.4 员工培训与技能提升

成型装置的优化和维护还需要有经验丰富的操作人员。进行员工培训，提升员工的技术水平和操作技能，确保操作人员能够熟练地操作成型装置，并能及时发现和解决可能出现的问题。

通过以上优化措施，可以提高异形坭兴陶的生产效率和成型质量，保障传统坭兴陶工艺的传承和发展，提升坭兴陶的竞争力和市场价值。

6. 总结与展望

6.1 研究成果总结

本论文旨在探讨微型多功能异形坭兴陶成型装置的自动化控制系统设计与优化。通过对坭兴陶的介绍和成型装置概述，明确了研究背景与意义。在自动化控制系统设计中，建立了控制系统的整体架构，包括传感器与执行器的选择与布置，控制算法设计以及用户交互界面的设计。在实施阶段，对硬件进行搭建与集成，并进行了控制程序编程与测试。在成型过程优化中，着重关注了成型速度与压力的优化，以及异形坭兴陶成型质量的改进。通过优化成型过程，初步展示了自动化控制系统的应用潜力，有望提高生产效率和成型质量，对坭兴陶工艺的传承与发展具有积极影响。

6.2 自动化控制系统的优势与局限性

自动化控制系统在异形坭兴陶成型装置中具有一定优势。它可以实现生产过程的智能化和自动化，降低了人工操作的依赖，提高了生产效率和成型质量。然而，需要明确指出，本论文未进行实际系统搭建和测试，所述内容仅限于理论推测和研究设想。在实际应用中，自动化控制系统的建设与调试将涉及到实际硬件集成和参数优化，需要严格测试和验证。

6.3 未来发展方向与展望

未来，为了更好地推动坭兴陶成型装置的自动化控制系统发展，需要在实践中持续进行改进与研究。具体而言，需要进行以下方面的探索：

实际系统搭建与测试： 对于自动化控制系统，必须进行实际系统的搭建、集成和测试，以验证系统的可行性和稳定性。

系统参数优化： 在实际应用中，需收集具体参数数据，并通过实验和测试，对成型速度、压力等参数进行优化，以获得最佳的生产效率和成型质量。

系统智能化与优化： 结合人工智能和大数据技术，探索更智能化的控制算法，实现自动化系统的智能优化和决策。

可靠性和安全性保障： 强化系统的故障诊断和安全保护措施，确保自动化控制系统在异常情况下能够及时停机和报警，避免潜在的安全风险。

参考文献

[1]梁雁冰,韦书绮.数字赋能钦州坭兴陶产业转型升级路径探索[J].陶瓷研究,2023,38(03):74-76.DOI:10.16649/j.cnki.36-1136/tq.2023.03.037.

[2]蒋庆华,朱艳,贾广攀等.陶瓷自动拉坯装置设计[J].大众标准化,2021(16):242-244+247.

[3]袁宗坤, 陶罐底子成型装置. 重庆市,重庆安都陶瓷有限公司,2020-09-15.