技術創新（上）--推動食品和飲料業自動包裝機器人的前沿發展

長期以來，機器人被工業界及包裝界推崇為最為理想、永動、精確的“操作工人”。和所有操作工人一樣，在過去，機器人產品并不完美，其主要缺點包括了在速度、載荷能力、易用性等方面的缺陷，以及其高昂的成本。但是無論如何，包裝機器人技術領域中的技術進展，已在相當大的程度上使得機器人產品更為強勁耐用、速度更快、更為靈活，而所有這些優勢均使其更具性價比優勢。
因此，理所當然，全球市場中機器人系統的銷量正在逐步攀升，并成為了開創記錄的行業主流趨勢。據工業貿易組織——Robotic Industries Association機器人工業協會的報告顯示，在2011年，北美地區機器人公司的產品銷量達到了前所未有的水準——較2005年曾突破的18,228臺機器人的銷量，2011年的總銷量達到了19337臺，總價值為11.7億美金，實現了突破歷史的新高。這些銷量的增長，主要歸功于逐步成長的汽車業以及包裝業。根據RIA的報告，在“物料處理”環節中應用的機器人在2012年增長了30%，形成了機器人行業中的顯著增長點。
“相比于五年之前，當今的機器人承擔著更為快速的生產任務，”Stubli公司食品和包裝工業的專家Bob Rochelle表示，“伴隨著近期機器人行業中機器人和視覺系統技術的進展，機器人可以對信號做出快速的回應，并且以更快的速度做出響應。”

圖1 安全及無損：避免了人工操作的風險，一臺模塊化的機器人正在將包裝袋輸送到粉末食品原料的雙頭灌裝閥門處。

美國Premier工業技術裝備集團的產品總監Stephane Marceau認為，機器人技術是包裝行業中最為重要的主流發展趨勢，特別是在其完成拾取、包裝、碼垛等生產任務時。“機器人高度的靈活性、可靠性以及生產速度，均支持了其成為主流發展趨勢。由于針對機器人行業的技術研究層出不窮，以及創新的末端工具技術的不斷發展，當前機器人可以勝任針對不同形狀和規格產品的多種生產任務。”
Stephane Marceau認為，機器人技術相比傳統的自動化技術在碼垛領域中擁有更多技術優勢。機器人所需的占地空間更小，適應性更強，可以適應不同型號的托盤以及產品類型，并且可以自動地處理多種不同類型的產品，比如袋包裝、箱包裝、桶包裝以及瓶包裝。

圖2 前端執行機構：兩個實例表明，機器人的操作已經滲透到了一些其它的操作環節中，比如清洗環節。

Stephane Marceau同時指出，相對于傳統的自動化設備，機器人系統的機械構造更為簡單，這帶來了很少的設備維護工作量，以及由設備發生故障而造成停機的概率。Stephane Marceau表示：“機器人通常可以連續工作幾千個小時，而不會發生故障。”
Motoman公司的高級經理Dean Elkins表示，如下的技術優勢促進了機器人在包裝領域中的應用：
拾取機器人在操作速度及負重載荷方面擁有顯著優勢；
托盤碼垛機器人的負重載荷在持續增加；
傳送帶跟蹤機器人的性能不斷提升；
機器人在視覺應用方面具有極簡單的優勢。
Dean Elkins補充道：“較高的載荷能力，使得機器人可以被應用于碼垛中的堆層操作環節，而這一工序在過去是由傳統的碼垛機完成的。在一次和二次包裝過程中，由于提升的生產速度和載荷能力，Delta機器人可以適應更為快速的拾取和包裝任務。基于機器視覺系統的傳送帶跟蹤技術以及調度軟件，可以使機器人的編程工序相比過去更具效率。”

圖3 前衛及柔性：機器人領域中末端執行器所取得的技術進展以及定位的精確性，意味著機器人可以更為輕柔地將包裝好的產品輸送至二次包裝環節。

“食品飲料包裝市場正在尋求‘統一控制’的策略，同時機器人能夠采用可編程邏輯控制器（PLC）的原理實現編程，”Dean Elkins繼續表示，“這一編程原理可以削減機器人系統的整合成本，降低員工的培訓成本，并將最終降低自動化技術投資的所有權成本。”
環球機器人公司（Universal Robotics）的首席執行官David Peters表示，軟件技術的改進在機器人行業中至關重要，并且他認為該公司即將發布的控制系統軟件產品具備非常重要的意義。“此款軟件將使得機器人產品僅需數分鐘便可以被預定好程序，以適應完全不同的工作任務。而在過去，同樣的過程經常需要耗費數個小時。包裝商可以利用機器人完成短批次的生產任務，并且也可以提升機器人在班次轉換時的生產能力，”David Peters解釋道，“多功能、擁有小型夾具的機器人，可以提升生產效率，以及提升企業的投資回報率。”
發那科機器人公司北美分公司的高級客戶經理Dick Motley表示，專業的系統集成商取得了很大的改進，領先的仿真技術、提升的安全性能、改進的傳訊功能，以及與其它系統平臺實現整合的新功能層出不窮。這些技術創新，提升了機器人產品的操作速度以及整體的生產性能，使機器人產品“可應用更為尖端的視覺加工技術實現操作——完全突破了人工操作的視覺局限，并且可以完成載荷更重的工作任務，比如飲料托盤的堆層碼垛工序。”

圖4 適用于軟包裝飲料的裝備產品：RIA的數據表明，機器人的應用正在逐步增長，特別是適用于軟包裝飲料包裝的堆垛、碼垛機器人在市場中已非常常見。

Motley公司是機器人業內特別關注以及注重改進機器視覺系統技術的供應商之一，該公司認為機器視覺技術可以使得機器人系統“看得更好、執行穩妥”。
美國Premier工業技術裝備集團的產品總監Stephane Marceau認為，“在越來越多的機器人應用場合中，視覺系統技術正在變得愈發普遍。機器人可以提供高度的靈活性，并且可以提供前所未有的多種應用方向。比如，我們曾應用機器人技術完成針對堆疊的袋包裝和桶包裝的卸垛工藝。機器視覺系統可被用于識別形狀不同和擺放不規則的產品。”
一些包裝設備供應商也采用了租賃機器人的方式，在其生產線上的多個環節執行設備操作，比如Bradman Lake公司。該公司的銷售及市場副總裁Nick Bishop表示，當前的生產能力證實了機器人在整條包裝生產線上的應用價值：
針對未包裝產品的識別及檢測，并將其拾取及放置于初級包裝環節；
針對初級包裝的自動化整理及裝載，將一次包裝放置到紙箱或薄膜等二次包裝之中；
自動將二次包裝整理或放置到箱包裝、托盤包裝、收縮或拉伸裹包包裝之中，以用于后續的堆碼。
ABB機器人公司美國地區的消費工業領域商務拓展經理Rick Tallian表示，如下的一些主要技術進展推動了自動包裝機器人技術的創新及拓展：
外圍的視覺系統技術，比如線上掃描設備、彩色及3D機器視覺系統；
提升技術的易用性，以簡化復雜的機器人編程工作；
精確的機器人仿真技術解決方案在機器人產品的設計及制造工序之前，便削減了產品的研發風險及工程缺陷；
采用衛生清潔設計理念的機器人產品可用于處理原料及未包裝的產品。
機器人產品的最后一個優勢，被數位業內專家認為使得機器人可被應用到更多類型的包裝生產線上。