ABB機(jī)器人技術(shù)在包裝行業(yè)中的應(yīng)用研究

何志鋒

（廣東省湛江市第二技工學(xué)校，廣東 湛江524001）

0 引言

產(chǎn)品的包裝工序是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后工序，因此產(chǎn)品的包裝質(zhì)量對(duì)企業(yè)的產(chǎn)品形象及銷售至關(guān)重要。工廠最初都采用人工碼垛、人工包裝，不僅包裝質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，而且難以應(yīng)用于作業(yè)環(huán)境惡劣的情況。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品自動(dòng)包裝機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用，其具有包裝質(zhì)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能、維護(hù)方便的特點(diǎn)，并且具備先進(jìn)的故障診斷功能，極大地促進(jìn)了工業(yè)化的發(fā)展。

1 機(jī)器人技術(shù)概述

1．1 機(jī)器人組成

機(jī)器人一般由2大部分組成：一是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般稱作機(jī)器人操作機(jī)，它完成機(jī)器人的操作和作業(yè)；另一部分是機(jī)器人控制系統(tǒng)，它主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理等功能。機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人中最核心的部分，機(jī)器人性能的優(yōu)劣主要取決于控制系統(tǒng)的品質(zhì)。機(jī)器人控制系統(tǒng)集中體現(xiàn)了各種現(xiàn)代高新技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的最新進(jìn)展。當(dāng)然，要想機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，除去機(jī)器人以外，還需要相應(yīng)的作業(yè)機(jī)構(gòu)及配套的周邊設(shè)備，這些與機(jī)器人一起形成了一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)［1］。

1．2 機(jī)器人控制

1．2．1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

與普通的控制系統(tǒng)相比，機(jī)器人控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：機(jī)器人的控制與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)；一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人至少有3～5個(gè)自由度，比較復(fù)雜的機(jī)器人有十幾個(gè)甚至幾十個(gè)自由度；把多個(gè)獨(dú)立的伺服系統(tǒng)有機(jī)地協(xié)調(diào)起來(lái)，使其按照人的意志行動(dòng)，甚至賦予機(jī)器人一定的“智能”，這個(gè)任務(wù)只能由計(jì)算機(jī)來(lái)完成；描述機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性模型，隨著狀態(tài)的不同和外力的變化，其參數(shù)也在變化，各變量之間還存在耦合。所以，機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理密切相關(guān)的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。由于它的特殊性，經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都不能照搬使用。然而到目前為止，機(jī)器人控制理論還是不完整、不系統(tǒng)的。相信隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人控制理論必將日趨成熟［2］。

1．2．2 機(jī)器人的控制方式

（1）點(diǎn)位式：很多機(jī)器人要求能準(zhǔn)確地控制末端執(zhí)行器的工作位置，而路徑卻無(wú)關(guān)緊要。例如，在印刷電路板上安插元件以及點(diǎn)焊、裝配等工作，都屬于點(diǎn)位式工作方式。一般來(lái)說(shuō)，這種方式比較簡(jiǎn)單，但是要達(dá)到2～3mm的定位精度也是相當(dāng)困難的。（2）力控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時(shí)，除要準(zhǔn)確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)就要利用力（力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過(guò)輸入量和反饋量不是位置信號(hào)，而是力（力矩）信號(hào)，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。（3）智能控制方式：機(jī)器人的智能控制是通過(guò)傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身的知識(shí)庫(kù)作出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，使機(jī)器人具有了較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于近年來(lái)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。

2 ABB機(jī)器人技術(shù)在包裝行業(yè)中的應(yīng)用

2．1 應(yīng)用狀況

ABB機(jī)器人在集成性和柔性方面體現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)代機(jī)電一體化設(shè)備的杰出代表，技術(shù)已相當(dāng)成熟，它在解決勞動(dòng)力不足、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等方面，發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，用機(jī)器人替代人工的包裝設(shè)備越來(lái)越受到人們的青睞。

包裝機(jī)器人已用于冷凍食品、面包糖果、冰淇淋、肉品和魚(yú)類、奶酪、洗發(fā)水和香水等行業(yè)，巧克力機(jī)器人每天可以對(duì)40種不同包裝規(guī)格的巧克力進(jìn)行包裝，只需要簡(jiǎn)單地修改一下軟件系統(tǒng)就可以更換新的包裝規(guī)格。機(jī)器人從一連串的橫向進(jìn)給傳送帶上抓起巧克力并把它們放進(jìn)泡沫塑料盒里。一個(gè)先進(jìn)的視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出巧克力和泡沫盒并把兩者的位置信息傳送給機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器，以保證每個(gè)機(jī)器人準(zhǔn)確地抓起產(chǎn)品并把它們放在泡沫盒里的正確位置。泡沫盒裝滿后被放置在另一個(gè)機(jī)器人模塊下，裝滿的泡沫盒被光學(xué)處理系統(tǒng)識(shí)別，然后被機(jī)器人安全地抓起并放在紙盒中。機(jī)器人包裝減少了工廠里的手工作業(yè)量，更換包裝也更加簡(jiǎn)易方便，使廠商可以快速而從容地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的新需求［3］。

2．2 在食品包裝中的應(yīng)用分析

食品的衛(wèi)生狀況與人體健康密切相關(guān)，所以在食品加工過(guò)程中，對(duì)于衛(wèi)生條件的要求非常嚴(yán)格。就目前情況來(lái)看，食品加工廠的生產(chǎn)過(guò)程多采用人工操作，這是直接造成食品污染的根源。想要解決這個(gè)問(wèn)題，就要避免人體在加工過(guò)程中直接接觸食品，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。食品包裝機(jī)器人之所以受歡迎，主要是因?yàn)樗鼈兙哂械撵`活性，可以滿足消費(fèi)者各種不同的要求，食品包裝機(jī)器人比傳統(tǒng)的包裝設(shè)備更能適應(yīng)不同尺寸和形狀的包裝物。例如，對(duì)糕點(diǎn)的包裝中，機(jī)器人首先把從傳送帶傳送過(guò)來(lái)的糕點(diǎn)抓住，再把糕點(diǎn)部分重疊并裝入包裝紙盒內(nèi)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸有相應(yīng)的防護(hù)措施，可以有效防止糕點(diǎn)屑掉到運(yùn)動(dòng)軸上，這套機(jī)器人設(shè)備能適用3種傳送糕點(diǎn)方式、5種不同形狀和體積的包裝盒以及對(duì)于不同形狀和體積的糕點(diǎn)的碼放。在更換不同品種糕點(diǎn)時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)5min。它可以每小時(shí)處理12 000個(gè)糕點(diǎn)，每天可工作24h，每周可工作6天。

2．3 包裝機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展

Gerhard Schubert公司致力于制造高度靈活的ABB機(jī)器人，并且在技術(shù)革新方面一直走在前列。該公司是一家蓬勃發(fā)展的中型家族企業(yè)，目前在全球范圍內(nèi)具有1 000多名員工。任何行業(yè)、任何形式的散裝產(chǎn)品——從藥品、化妝品、食品、甜品到奶制品、超低溫冷凍品等等都可以在該公司頂端加載包裝機(jī)上實(shí)現(xiàn)裝箱和包裝。

在散裝產(chǎn)品包裝方面，該公司率先使用包裝機(jī)器人來(lái)完成，并且隨著科技的發(fā)展，不斷引進(jìn)新技術(shù)，尋求新的解決方案，以使包裝過(guò)程更加簡(jiǎn)單、靈活、高效。通過(guò)研究，該公司引入了傳遞模式的包裝，即通過(guò)一個(gè)傳遞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)器人在軌道上的自由活動(dòng)，每輛機(jī)器人機(jī)車都安裝有一個(gè)真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其自有的調(diào)控電子和電氣設(shè)備，能量與數(shù)據(jù)之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸轉(zhuǎn)換。每一個(gè)單獨(dú)的模塊都要求有自己的容器，例如在設(shè)備中安裝的紙板盒，正如待包裝的產(chǎn)品那樣。此外，未來(lái)通過(guò)這種模式可實(shí)現(xiàn)工具的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在操控領(lǐng)域，該公司最初的帶有速度測(cè)量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最高要求，并且從其構(gòu)造上來(lái)看更易構(gòu)思，更加靈活。鑒于生產(chǎn)條件的改變，這一控制系統(tǒng)堪稱是在數(shù)據(jù)管理和設(shè)備邊緣操控方面的巨大進(jìn)步。由此，該公司開(kāi)發(fā)了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，通過(guò)這一系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的橫向整合。2010年，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式開(kāi)發(fā)完畢。這一模式涵蓋了制造執(zhí)行系統(tǒng)中的所有功能和部件，對(duì)這一模式的進(jìn)一步研究將按照客戶的具體要求進(jìn)行，以使得研究開(kāi)發(fā)成果能夠真正滿足市場(chǎng)需求。目前帶有整體質(zhì)量監(jiān)控功能的控制站已經(jīng)建成，所有與操控過(guò)程和質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)都在此被持續(xù)采集、分析和歸類保存。這種管理系統(tǒng)對(duì)于監(jiān)控機(jī)器人包裝產(chǎn)品的質(zhì)量和包裝效率具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

由于包裝是多種高水平科學(xué)技術(shù)和文化藝術(shù)的綜合體現(xiàn)，所以它能夠體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族的物質(zhì)文明和精神文明，標(biāo)志著其科學(xué)文化水平。盡管我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始在包裝過(guò)程中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，但我們應(yīng)清醒地意識(shí)到我們當(dāng)前同世界先進(jìn)國(guó)家的差距。我們只有深入研究機(jī)器人技術(shù)，不懈努力，才能提高我國(guó)制造業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)的裝備技術(shù)水平，帶動(dòng)制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)提升，才能使我國(guó)跨入世界先進(jìn)包裝國(guó)家行列。

［1］鐘惠鈺，尤林賢．小型遙控水下機(jī)器人在水利工程中的運(yùn)用［J］．水利建設(shè)與管理，2008（12）

［2］伍勝．機(jī)器人在食品包裝中的應(yīng)用［J］．食品安全導(dǎo)刊，2010（6）

［3］蔡鶴皋．機(jī)器人將是21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)［J］．中國(guó)機(jī)械工程，2000（Z1）