技术创新（上）--推动食品和饮料业自动包装机器人的前沿发展

长期以来，机器人被工业界及包装界推崇为最为理想、永动、精确的“操作工人”。和所有操作工人一样，在过去，机器人产品并不完美，其主要缺点包括了在速度、载荷能力、易用性等方面的缺陷，以及其高昂的成本。但是无论如何，包装机器人技术领域中的技术进展，已在相当大的程度上使得机器人产品更为强劲耐用、速度更快、更为灵活，而所有这些优势均使其更具性价比优势。
因此，理所当然，全球市场中机器人系统的销量正在逐步攀升，并成为了开创记录的行业主流趋势。据工业贸易组织——Robotic Industries Association机器人工业协会的报告显示，在2011年，北美地区机器人公司的产品销量达到了前所未有的水准——较2005年曾突破的18,228台机器人的销量，2011年的总销量达到了19337台，总价值为11.7亿美金，实现了突破历史的新高。这些销量的增长，主要归功于逐步成长的汽车业以及包装业。根据RIA的报告，在“物料处理”环节中应用的机器人在2012年增长了30%，形成了机器人行业中的显著增长点。
“相比于五年之前，当今的机器人承担着更为快速的生产任务，”Stubli公司食品和包装工业的专家Bob Rochelle表示，“伴随着近期机器人行业中机器人和视觉系统技术的进展，机器人可以对信号做出快速的回应，并且以更快的速度做出响应。”

图1 安全及无损：避免了人工操作的风险，一台模块化的机器人正在将包装袋输送到粉末食品原料的双头灌装阀门处。

美国Premier工业技术装备集团的产品总监Stephane Marceau认为，机器人技术是包装行业中最为重要的主流发展趋势，特别是在其完成拾取、包装、码垛等生产任务时。“机器人高度的灵活性、可靠性以及生产速度，均支持了其成为主流发展趋势。由于针对机器人行业的技术研究层出不穷，以及创新的末端工具技术的不断发展，当前机器人可以胜任针对不同形状和规格产品的多种生产任务。”
Stephane Marceau认为，机器人技术相比传统的自动化技术在码垛领域中拥有更多技术优势。机器人所需的占地空间更小，适应性更强，可以适应不同型号的托盘以及产品类型，并且可以自动地处理多种不同类型的产品，比如袋包装、箱包装、桶包装以及瓶包装。

图2 前端执行机构：两个实例表明，机器人的操作已经渗透到了一些其它的操作环节中，比如清洗环节。

Stephane Marceau同时指出，相对于传统的自动化设备，机器人系统的机械构造更为简单，这带来了很少的设备维护工作量，以及由设备发生故障而造成停机的概率。Stephane Marceau表示：“机器人通常可以连续工作几千个小时，而不会发生故障。”
Motoman公司的高级经理Dean Elkins表示，如下的技术优势促进了机器人在包装领域中的应用：
拾取机器人在操作速度及负重载荷方面拥有显著优势；
托盘码垛机器人的负重载荷在持续增加；
传送带跟踪机器人的性能不断提升；
机器人在视觉应用方面具有极简单的优势。
Dean Elkins补充道：“较高的载荷能力，使得机器人可以被应用于码垛中的堆层操作环节，而这一工序在过去是由传统的码垛机完成的。在一次和二次包装过程中，由于提升的生产速度和载荷能力，Delta机器人可以适应更为快速的拾取和包装任务。基于机器视觉系统的传送带跟踪技术以及调度软件，可以使机器人的编程工序相比过去更具效率。”

图3 前卫及柔性：机器人领域中末端执行器所取得的技术进展以及定位的精确性，意味着机器人可以更为轻柔地将包装好的产品输送至二次包装环节。

“食品饮料包装市场正在寻求‘统一控制’的策略，同时机器人能够采用可编程逻辑控制器（PLC）的原理实现编程，”Dean Elkins继续表示，“这一编程原理可以削减机器人系统的整合成本，降低员工的培训成本，并将最终降低自动化技术投资的所有权成本。”
环球机器人公司（Universal Robotics）的首席执行官David Peters表示，软件技术的改进在机器人行业中至关重要，并且他认为该公司即将发布的控制系统软件产品具备非常重要的意义。“此款软件将使得机器人产品仅需数分钟便可以被预定好程序，以适应完全不同的工作任务。而在过去，同样的过程经常需要耗费数个小时。包装商可以利用机器人完成短批次的生产任务，并且也可以提升机器人在班次转换时的生产能力，”David Peters解释道，“多功能、拥有小型夹具的机器人，可以提升生产效率，以及提升企业的投资回报率。”
发那科机器人公司北美分公司的高级客户经理Dick Motley表示，专业的系统集成商取得了很大的改进，领先的仿真技术、提升的安全性能、改进的传讯功能，以及与其它系统平台实现整合的新功能层出不穷。这些技术创新，提升了机器人产品的操作速度以及整体的生产性能，使机器人产品“可应用更为尖端的视觉加工技术实现操作——完全突破了人工操作的视觉局限，并且可以完成载荷更重的工作任务，比如饮料托盘的堆层码垛工序。”

图4 适用于软包装饮料的装备产品：RIA的数据表明，机器人的应用正在逐步增长，特别是适用于软包装饮料包装的堆垛、码垛机器人在市场中已非常常见。

Motley公司是机器人业内特别关注以及注重改进机器视觉系统技术的供应商之一，该公司认为机器视觉技术可以使得机器人系统“看得更好、执行稳妥”。
美国Premier工业技术装备集团的产品总监Stephane Marceau认为，“在越来越多的机器人应用场合中，视觉系统技术正在变得愈发普遍。机器人可以提供高度的灵活性，并且可以提供前所未有的多种应用方向。比如，我们曾应用机器人技术完成针对堆叠的袋包装和桶包装的卸垛工艺。机器视觉系统可被用于识别形状不同和摆放不规则的产品。”
一些包装设备供应商也采用了租赁机器人的方式，在其生产线上的多个环节执行设备操作，比如Bradman Lake公司。该公司的销售及市场副总裁Nick Bishop表示，当前的生产能力证实了机器人在整条包装生产线上的应用价值：
针对未包装产品的识别及检测，并将其拾取及放置于初级包装环节；
针对初级包装的自动化整理及装载，将一次包装放置到纸箱或薄膜等二次包装之中；
自动将二次包装整理或放置到箱包装、托盘包装、收缩或拉伸裹包包装之中，以用于后续的堆码。
ABB机器人公司美国地区的消费工业领域商务拓展经理Rick Tallian表示，如下的一些主要技术进展推动了自动包装机器人技术的创新及拓展：
外围的视觉系统技术，比如线上扫描设备、彩色及3D机器视觉系统；
提升技术的易用性，以简化复杂的机器人编程工作；
精确的机器人仿真技术解决方案在机器人产品的设计及制造工序之前，便削减了产品的研发风险及工程缺陷；
采用卫生清洁设计理念的机器人产品可用于处理原料及未包装的产品。
机器人产品的最后一个优势，被数位业内专家认为使得机器人可被应用到更多类型的包装生产线上。