機(jī)器人系統(tǒng)在液態(tài)奶包裝生產(chǎn)中的應(yīng)用

李政德

（蘇州澳昆智能機(jī)器人技術(shù)有限公司，江蘇蘇州，215300）

機(jī)器人系統(tǒng)在液態(tài)奶包裝生產(chǎn)中的應(yīng)用

李政德

（蘇州澳昆智能機(jī)器人技術(shù)有限公司，江蘇蘇州，215300）

本文介紹蘇州澳昆自行研制的二次包裝分揀高速智能機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)性能（結(jié)構(gòu)、控制和智能化性能）超出利樂的非標(biāo)液態(tài)奶枕式二次包裝成套設(shè)備，達(dá)到世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了我國二次包裝設(shè)備從手工、半自動(dòng)到高速、智能化的重大突破。

機(jī)器人，Delta，分揀，高速，包裝

1 產(chǎn)業(yè)背景和技術(shù)需求

隨著中國經(jīng)濟(jì)總量不斷提升，中國食品工業(yè)近二十年的發(fā)展也迅猛發(fā)展壯大，其中較為突出的是肉類和乳業(yè)等產(chǎn)業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2013年豬牛羊禽肉產(chǎn)量達(dá)到8000余萬噸，市場銷售價(jià)值超出1萬億元（中國肉類協(xié)會(huì)，2013）；而中國乳業(yè)2012年我國乳品產(chǎn)量為2545.1萬噸，市場銷額收入超出3000億元（中國乳品協(xié)會(huì)信息中心，2013）。這些民生行業(yè)涉及千家萬戶，是我國國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分。然而由于消費(fèi)者需求的不斷增加，市場的迅速壯大，食品生產(chǎn)品質(zhì)和衛(wèi)生安全監(jiān)管無法跟上市場發(fā)展的步伐。近幾年來，食品工作尤其是肉類和乳品產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)一些震驚世界的重大事件。對百姓生活造成較大的沖擊，也給國家造成較大的負(fù)面影響。

為了迅速扭轉(zhuǎn)這種被動(dòng)局面，徹底杜絕重大食品衛(wèi)生安全事故的發(fā)生，中國食品工業(yè)在不斷提高企業(yè)對產(chǎn)品品質(zhì)和食品衛(wèi)生安全重要性的認(rèn)知度時(shí)，更是在技術(shù)、設(shè)備和人員方面不斷加大投入力度。目前盡管食品行業(yè)的生產(chǎn)效率和品質(zhì)有了一定的提高，行業(yè)對勞動(dòng)力的需求也有了一定程度的降低。然而，縱觀食品生產(chǎn)系統(tǒng)布局，我們也發(fā)現(xiàn)在保證食品原材料質(zhì)量的同時(shí),整個(gè)食品生產(chǎn)過程中幾大根本性問題還是沒有徹底得到有效的解決，這些問題其中主要集中體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

1)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化、信息化、智能化程度較低，關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)上自動(dòng)化、智能化設(shè)備缺失，在生產(chǎn)過程中大量環(huán)節(jié)還需通過手工作業(yè)來完成，無法保證產(chǎn)品品質(zhì)；

2)產(chǎn)品信息可追溯技術(shù)缺失，產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)在線檢測及剔除、數(shù)據(jù)記錄和信息傳遞；整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備和產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)信息交換和對流，生產(chǎn)過程信息鏈斷裂；

3)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，由于當(dāng)前食品生產(chǎn)基地的生產(chǎn)車間的設(shè)計(jì)和布局大多數(shù)還是基于傳統(tǒng)的手工生產(chǎn)工藝規(guī)范進(jìn)行實(shí)施，設(shè)備安裝的空間位置和設(shè)備布局都在很大的程度上約束了新的設(shè)備的應(yīng)用。

正是因?yàn)檫@些應(yīng)用環(huán)境上所存在的技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，為機(jī)器人系統(tǒng)工程在食品行業(yè)的應(yīng)用推廣提供一個(gè)廣闊的市場空間。如適用于柔性、多規(guī)格、多品種的高速自動(dòng)裝箱機(jī)器人系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量自動(dòng)檢測及自動(dòng)剔除系統(tǒng)、自動(dòng)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)、移動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人（AGV）系統(tǒng)的應(yīng)用等。

圖1 我國乳業(yè)液態(tài)奶包裝生產(chǎn)狀況（人工完成奶包裝箱、奶箱碼垛、產(chǎn)品輸送）

2 液態(tài)奶行業(yè)應(yīng)用

蘇州澳昆智能機(jī)器人技術(shù)有限公司（以下簡稱澳昆），于2008年8月在江蘇昆山創(chuàng)立，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)為一體的技術(shù)生產(chǎn)制造型企業(yè)。澳昆的服務(wù)對象主要集中在和民生休戚相關(guān)的食品、醫(yī)藥及日化等行業(yè)，為客戶提供高速、高穩(wěn)定性、高柔性和高智能化的機(jī)器人自動(dòng)化二次包裝方案和成套設(shè)備。

目前，企業(yè)擁有54名員工，博士5名，本碩學(xué)位人員占36%以上。公司2014年銷售收入預(yù)計(jì)達(dá)5000萬元以上，實(shí)現(xiàn)人均創(chuàng)收百萬元目標(biāo)。

創(chuàng)業(yè)5年，公司已為黑龍江完達(dá)山陽光乳業(yè)、內(nèi)蒙古伊利集團(tuán)、重慶天友乳業(yè)、蘭州雪頓生物乳業(yè)、北京三元食品等乳制品行業(yè)提供了100余條液態(tài)奶二次包裝高速機(jī)器人成套自動(dòng)化生產(chǎn)線，擁有600余臺(tái)套高速智能機(jī)器人包裝系統(tǒng)和成套設(shè)備，銷售額達(dá)1億元人民幣，其技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)，世界領(lǐng)先地位。當(dāng)前，澳昆正在為國內(nèi)乳業(yè)進(jìn)行高速枕（≥14000包/小時(shí)）二次包裝生產(chǎn)線的集成工作。

企業(yè)目前擁有74項(xiàng)專利、6項(xiàng)軟件著作權(quán)、1項(xiàng)注冊商標(biāo),并牽頭制定3項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，共開發(fā)出21個(gè)機(jī)器人及配套產(chǎn)品，3個(gè)產(chǎn)品通過省級(jí)新產(chǎn)品鑒定，1個(gè)榮獲江蘇省首臺(tái)套成套設(shè)備和江蘇省技術(shù)創(chuàng)新金獎(jiǎng)，并獲得新型創(chuàng)新產(chǎn)品金獎(jiǎng)。

澳昆公司本著以創(chuàng)新帶動(dòng)創(chuàng)業(yè)的發(fā)展模式,基于目前國內(nèi)產(chǎn)品二次分揀包裝基本依靠人力,生產(chǎn)方式陳舊、工效低、品質(zhì)難以保障的落后狀況，經(jīng)過反反復(fù)復(fù)試驗(yàn)與改進(jìn)，結(jié)合海外20余年產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)見解，充分考慮國內(nèi)用戶的特殊生產(chǎn)安排和需求，針對性地研發(fā)專門用于產(chǎn)品分揀包裝的智能機(jī)器人系統(tǒng)，開發(fā)出國內(nèi)首臺(tái)液態(tài)奶二次包裝分揀高速智能機(jī)器人系統(tǒng)，產(chǎn)品性能（結(jié)構(gòu)、控制和智能化性能）超出利樂的非標(biāo)液態(tài)奶枕式二次包裝成套設(shè)備，達(dá)到世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了我國二次包裝設(shè)備從手工、半自動(dòng)到高速、智能化的重大突破。

圖2 2009年澳昆在完達(dá)山首創(chuàng)Delta機(jī)器人液態(tài)奶自動(dòng)裝箱應(yīng)用

圖3 Delta機(jī)器人液態(tài)奶自動(dòng)裝箱應(yīng)用的雙機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 Delta機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能分析

2.1 Delta機(jī)器人技術(shù)分析比較

在中低速（＜10000包/小時(shí)）液態(tài)奶自動(dòng)裝箱項(xiàng)目中，采用Delta蜘蛛機(jī)器人完成自動(dòng)裝箱作業(yè)替代人工作業(yè)能滿足生產(chǎn)需求，其中機(jī)器人是生產(chǎn)線中最重要的核心部件。

下面以某品牌Delta機(jī)器人為例，簡要介紹其結(jié)構(gòu)。

隨著生產(chǎn)走量的整體提升，雖然機(jī)器人的抓取點(diǎn)速度可以提升到10m/s，多臺(tái)蜘蛛機(jī)器人可以滿足奶包輸入頻率，但隨著機(jī)器人速度的不斷提升，液態(tài)奶奶包外形易產(chǎn)生變形，甚至產(chǎn)生撕裂。

通過圖4可以看出，Delta機(jī)器人單軸的扭矩峰值變化大。

機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度是靠中心伸縮桿來實(shí)現(xiàn)的，因此位置的控制特性與機(jī)器人的位置變化和連桿的長度變化有關(guān)。其連桿變形以如下公式表示 ：

可以看出，連桿的變形與連桿的長度和扭矩的大小成正比。

同理，連桿振動(dòng)頻率以如下公式表示：

因此，整個(gè)機(jī)器人的振動(dòng)會(huì)因連桿長度增加、剛性降低而增加。由于機(jī)器人連桿的變形及振動(dòng)等因素，Delta機(jī)器人在高速抓取奶包時(shí)，由于包內(nèi)液態(tài)奶運(yùn)動(dòng)特性，其慣性力將會(huì)對奶包的復(fù)合材料產(chǎn)生變形和撕裂作用，這對產(chǎn)品品質(zhì)保障極為不利。

2.2 柔性生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn)

目前，鮮奶生產(chǎn)線處理的液態(tài)奶包產(chǎn)品的設(shè)計(jì)走量大于20000包/小時(shí)，產(chǎn)品單件在輸送帶上的最大線速度達(dá)到920mm/s，以前是通過高速機(jī)器人的加減速來直接降速、排列和抓取工序來實(shí)現(xiàn)包裝生產(chǎn)。雖然高速機(jī)器人速度可達(dá)（10m/s），加減速可達(dá)19G（19倍重力加速度）=190m/s2。但在0.25s的時(shí)間間隔內(nèi)速度從645mm/s降到0，并在0.25s內(nèi)實(shí)現(xiàn)工夾具平移-奶包下降-工夾具放包-工夾具提升-機(jī)器人回位，將奶包平整放入包裝箱內(nèi)，則機(jī)器人工夾具在抓取放包的運(yùn)動(dòng)過程中的加速度將達(dá)到32.9m/s2，奶包將承受大約8.225N的慣性外力。這樣一個(gè)外加慣性力會(huì)因?yàn)闇p速帶來的慣性力改變奶包外形結(jié)構(gòu)，對奶包產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。

利樂包是由紙、鋁、塑組成的六層復(fù)合紙包裝，能夠有效阻隔空氣和光線，這種軟包裝有鋁質(zhì)復(fù)合材料夾層，材料特別脆，在包裝輸送過程中，包裝材料不能在縱向和橫向受到任何外力，不能折彎、受擠壓，包裝材料一旦變形，鋁質(zhì)包材就可能發(fā)生斷裂，造成漏氣、漏光等引起鮮奶變質(zhì)。

本項(xiàng)目通過探測傳感器，對高速輸送帶上的液態(tài)奶奶包進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集，得出位置參數(shù)。計(jì)算機(jī)將處理的相應(yīng)參數(shù)分別送至不同的控制系統(tǒng)和執(zhí)行單元進(jìn)一步處理。奶包經(jīng)過傳感器后，由高速高頻分道器進(jìn)行無級(jí)分道，分成多道（以4道為例），這樣奶包在輸送速度上沒有降低，但在奶包的處理時(shí)間上，奶包的位置間隔時(shí)間上增加400%的額外時(shí)間。分道完畢之后，奶包被送入一多道伺服奶包整合處理器，通過伺服控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，奶包在降速的同時(shí)被分隔在同步帶內(nèi)。奶包進(jìn)入伺服奶包整合處理器的次序是按照1-2-3-4，1-2-3-4……的順序來進(jìn)行的，這樣，奶包原有645mm/s的速度在處理頻率上降低3Hz。當(dāng)奶包在整合道上從645mm/s的速度降到0時(shí)，時(shí)間間隔增加了0.75s，這為后期包裝處理在時(shí)間、空間和加減速度上爭取了更多的寬裕量，從而最大程度地避免了奶包在高速運(yùn)行時(shí)受力和碰撞，保證了奶包在二次包裝過程中不會(huì)受損。

圖6 擁有核心技術(shù)的分道整合系統(tǒng)

圖7 智能機(jī)器人液態(tài)奶二次包裝生產(chǎn)核心裝備

針對液態(tài)奶生產(chǎn)速度高、包材特殊、產(chǎn)品要求等各方面考慮，代表國際領(lǐng)先水平的高速蜘蛛機(jī)器人已經(jīng)無法滿足高速生產(chǎn)的品質(zhì)需求，為突破蜘蛛機(jī)器人高速抓取的局限和弊端，本項(xiàng)目需要采用國產(chǎn)六軸機(jī)器人，從產(chǎn)品輸送入手，將奶包高速輸送經(jīng)過無級(jí)降次降速分道，采用伺服柔性整合技術(shù)，使機(jī)器人抓取產(chǎn)品的速度和穩(wěn)定性達(dá)到客戶生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)高速（12000-20000包/小時(shí)）自動(dòng)裝箱生產(chǎn)。

圖8 奶包受力分析

分道系統(tǒng)采用無級(jí)驅(qū)動(dòng)形式可以實(shí)現(xiàn)1x3、2x2或2x3等分道形式；這種分道形式采用伺服電機(jī)、線性電機(jī)或電磁驅(qū)動(dòng)器控制奶包托板在高速前行時(shí)橫向移動(dòng)，使奶包在除底部摩擦力和重力之外不受任何外力作用。奶包在托盤上的外力可以由以下函數(shù)表示：

要保持奶包不從托盤滑下而且還要隨托盤一起運(yùn)動(dòng)，平衡外力F是關(guān)鍵，這需要在整個(gè)控制過程中以驅(qū)動(dòng)源和奶包位置建立一個(gè)函數(shù)關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)和控制元件實(shí)現(xiàn)奶包在運(yùn)輸過程的平衡。從數(shù)學(xué)角度，上述平衡公式可以表述成以下狀態(tài)空間模型，以形成計(jì)算機(jī)控制模型。

圖8 智能機(jī)器人液態(tài)奶二次包裝生產(chǎn)核心裝備

2.3 高速智能靶向柔體抓取技術(shù)

梯形浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的吸盤液態(tài)奶產(chǎn)品抓取方式，采用柔性抓取技術(shù)，一次三箱或四箱同時(shí)抓取，大大提高系統(tǒng)抓取速度、效率和穩(wěn)定性，無破損、漏取。

圖9 擁有自主核心技術(shù)的專用工夾具

3 技術(shù)創(chuàng)新

液態(tài)奶機(jī)器人高速自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了在線奶包產(chǎn)品品質(zhì)測定、漏損產(chǎn)品的檢測和自動(dòng)剔除，提升了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，保障液態(tài)奶生產(chǎn)衛(wèi)生安全。

研制發(fā)明了世界上最先進(jìn)的、適用于液態(tài)奶奶包產(chǎn)品的伺服控制抓取機(jī)械手和利樂包整合、分流和伺服控制技術(shù)。

智能分道整合設(shè)備通過可控磁力、電機(jī)驅(qū)動(dòng)力或電磁驅(qū)動(dòng)力技術(shù)與伺服輸送整合機(jī)構(gòu)協(xié)同完成承載物料牽引滑塊的平面二維（X、Y方向）高速聯(lián)動(dòng)位移，有序進(jìn)行分道與整合。運(yùn)用因式分解降次求解原理，采用低速運(yùn)行機(jī)器人或其他機(jī)械手一次大量抓取高速運(yùn)行的物料，極大地提高了生產(chǎn)效率，減少物料的破損率，減少設(shè)備故障。

產(chǎn)品品質(zhì)跟蹤完成產(chǎn)品外漏、缺失和生產(chǎn)損傷在線監(jiān)測與剔除。

生產(chǎn)過程全程信息可追溯。

多導(dǎo)航模式兼容。AGV自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)創(chuàng)造性地將電、磁導(dǎo)航和激光導(dǎo)航技術(shù)兼容共用，即在同一臺(tái)AGV上可以共用兩種以上的導(dǎo)航模式，同一個(gè)系統(tǒng)中也可以兼容多種導(dǎo)航模式的AGV車輛。這項(xiàng)技術(shù)的意義在于：在一些工藝復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，如長距離輸送中需要使用激光導(dǎo)航模式以提高AGV搬運(yùn)的速度和靈活性；當(dāng)AGV運(yùn)行到不方便架設(shè)反光板的環(huán)境中（比如貨物直接立體碼垛的情況），就只能在地面鋪設(shè)磁點(diǎn)或磁條，AGV直接切換為磁導(dǎo)航模式運(yùn)行。這一技術(shù)擴(kuò)大了AGV的應(yīng)用范圍，提高了AGV產(chǎn)品的競爭力。

多通道智能切換安全保護(hù)。安全是所有設(shè)備運(yùn)行之本，特別是像AGV這樣經(jīng)?？焖俅┧笤诓煌囬g和人行通道中的自動(dòng)設(shè)備，安全尤為重要。澳昆在AGV上引入二級(jí)安全監(jiān)測和多區(qū)域激光安全檢測裝置，同時(shí)通過對系統(tǒng)軟件和車載軟件的設(shè)計(jì)修改，使AGV具備了多通道智能切換安全保護(hù)功能。當(dāng)障礙物進(jìn)入減速區(qū)時(shí)，AGV小車以預(yù)先設(shè)定好的速度減速運(yùn)行；當(dāng)障礙物進(jìn)入停止區(qū)時(shí)，AGV小車立即停止。AGV小車具有探測運(yùn)行前方0-5m內(nèi)障礙物的功能，具體的減速區(qū)、停止區(qū)、監(jiān)測區(qū)域范圍及形狀可根據(jù)實(shí)際要求，由軟件靈活地進(jìn)行變更，并可根據(jù)具體的運(yùn)行路線進(jìn)行改變，設(shè)置多組不同的監(jiān)測區(qū)域等。

液態(tài)奶機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線集成技術(shù)，將二次包裝機(jī)器人、產(chǎn)品品質(zhì)在線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)、自動(dòng)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)、生產(chǎn)過程全程信息可追溯系統(tǒng)、設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷技術(shù)等集成在一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)、檢測、包裝、碼垛、輸送自動(dòng)化，克服了生產(chǎn)過程中的瓶頸環(huán)節(jié)，是整條機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線高效、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 應(yīng)用的主要技術(shù)要求和指標(biāo)

1）機(jī)器人系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)1.5-2.5萬件/小時(shí)利樂枕常溫液態(tài)奶生產(chǎn)一次灌裝、二次包裝的自動(dòng)生產(chǎn)檢測、剔除、取樣和包裝功能；

2）單線機(jī)器人柔性化工夾具和軟件功能的自動(dòng)切換，可使單一生產(chǎn)線滿足3個(gè)以上不同規(guī)格型號(hào)產(chǎn)品的二次自動(dòng)包裝；

3）機(jī)器人系統(tǒng)品質(zhì)處理信息可以重新記錄在單一產(chǎn)

4）95%生產(chǎn)線設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷；

5）機(jī)器人系統(tǒng)包裝生產(chǎn)的產(chǎn)品漏損率小于等于5件/10萬；

6）AGV關(guān)鍵零部件（導(dǎo)引、控制和驅(qū)動(dòng)）國產(chǎn)化率到達(dá)65%以上。

5 結(jié)論

機(jī)器人系統(tǒng)工程是食品工業(yè)形成規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化的最佳契機(jī)，反之亦然。通過以市場為導(dǎo)向，以企業(yè)為主體，以突破關(guān)鍵技術(shù)為核心，以規(guī)模化應(yīng)用為抓手，以產(chǎn)學(xué)研用為紐帶，以急需提升產(chǎn)品質(zhì)量的食品生產(chǎn)行業(yè)為依托，通過“機(jī)器人高端柔性包裝生產(chǎn)系統(tǒng)+AGV自動(dòng)物流輸送系統(tǒng)+信息管理及產(chǎn)品品質(zhì)可追溯”機(jī)器人工程項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)食品生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、信息化、智能化示范應(yīng)用。該技術(shù)和機(jī)器人系統(tǒng)工程后續(xù)進(jìn)一步可推廣到藥品、日用品等生產(chǎn)系統(tǒng)中，可降低成本、增大應(yīng)用數(shù)量，為民族品牌機(jī)器人在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用樹立起成功典范，為國產(chǎn)機(jī)器人把握機(jī)遇，迎頭趕超國際同行開辟新的途徑和平臺(tái)。