ABB機器人技術在包裝行業中的應用研究

何志鋒

（廣東省湛江市第二技工學校，廣東 湛江524001）

0 引言

產品的包裝工序是產品生產的最后工序，因此產品的包裝質量對企業的產品形象及銷售至關重要。工廠最初都采用人工碼垛、人工包裝，不僅包裝質量差，生產效率低，而且難以應用于作業環境惡劣的情況。隨著機器人技術的發展，產品自動包裝機器人得到了廣泛的應用，其具有包裝質量高、適應性強、環保節能、維護方便的特點，并且具備先進的故障診斷功能，極大地促進了工業化的發展。

1 機器人技術概述

1．1 機器人組成

機器人一般由2大部分組成：一是機器人執行機構，一般稱作機器人操作機，它完成機器人的操作和作業；另一部分是機器人控制系統，它主要完成信息的獲取、處理、作業編程、規劃、控制以及整個機器人系統的管理等功能。機器人控制系統是機器人中最核心的部分，機器人性能的優劣主要取決于控制系統的品質。機器人控制系統集中體現了各種現代高新技術和相關學科的最新進展。當然，要想機器人進行作業，除去機器人以外，還需要相應的作業機構及配套的周邊設備，這些與機器人一起形成了一個完整的工業機器人作業系統［1］。

1．2 機器人控制

1．2．1 機器人控制系統的特點

與普通的控制系統相比，機器人控制系統具有以下幾個特點：機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關；一個簡單的機器人至少有3～5個自由度，比較復雜的機器人有十幾個甚至幾十個自由度；把多個獨立的伺服系統有機地協調起來，使其按照人的意志行動，甚至賦予機器人一定的“智能”，這個任務只能由計算機來完成；描述機器人狀態和運動的數學模型是一個非線性模型，隨著狀態的不同和外力的變化，其參數也在變化，各變量之間還存在耦合。所以，機器人控制系統是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統。由于它的特殊性，經典控制理論和現代控制理論都不能照搬使用。然而到目前為止，機器人控制理論還是不完整、不系統的。相信隨著機器人技術的不斷發展，機器人控制理論必將日趨成熟［2］。

1．2．2 機器人的控制方式

（1）點位式：很多機器人要求能準確地控制末端執行器的工作位置，而路徑卻無關緊要。例如，在印刷電路板上安插元件以及點焊、裝配等工作，都屬于點位式工作方式。一般來說，這種方式比較簡單，但是要達到2～3mm的定位精度也是相當困難的。（2）力控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（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，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統中必須有力（力矩）傳感器。（3）智能控制方式：機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環境的知識，并根據自身的知識庫作出相應的決策。采用智能控制技術，使機器人具有了較強的環境適應性及自學習能力。智能控制技術的發展有賴于近年來人工神經網絡、基因算法、遺傳算法、專家系統等人工智能的迅速發展。

2 ABB機器人技術在包裝行業中的應用

2．1 應用狀況

ABB機器人在集成性和柔性方面體現出較大優勢，是現代機電一體化設備的杰出代表，技術已相當成熟，它在解決勞動力不足、改進產品質量和降低生產成本等方面，發揮著越來越顯著的作用，用機器人替代人工的包裝設備越來越受到人們的青睞。

包裝機器人已用于冷凍食品、面包糖果、冰淇淋、肉品和魚類、奶酪、洗發水和香水等行業，巧克力機器人每天可以對40種不同包裝規格的巧克力進行包裝，只需要簡單地修改一下軟件系統就可以更換新的包裝規格。機器人從一連串的橫向進給傳送帶上抓起巧克力并把它們放進泡沫塑料盒里。一個先進的視覺系統識別出巧克力和泡沫盒并把兩者的位置信息傳送給機器人的運動控制器，以保證每個機器人準確地抓起產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機器人模塊下，裝滿的泡沫盒被光學處理系統識別，然后被機器人安全地抓起并放在紙盒中。機器人包裝減少了工廠里的手工作業量，更換包裝也更加簡易方便，使廠商可以快速而從容地應對市場的新需求［3］。

2．2 在食品包裝中的應用分析

食品的衛生狀況與人體健康密切相關，所以在食品加工過程中，對于衛生條件的要求非常嚴格。就目前情況來看，食品加工廠的生產過程多采用人工操作，這是直接造成食品污染的根源。想要解決這個問題，就要避免人體在加工過程中直接接觸食品，提高生產線的自動化程度。食品包裝機器人之所以受歡迎，主要是因為它們具有的靈活性，可以滿足消費者各種不同的要求，食品包裝機器人比傳統的包裝設備更能適應不同尺寸和形狀的包裝物。例如，對糕點的包裝中，機器人首先把從傳送帶傳送過來的糕點抓住，再把糕點部分重疊并裝入包裝紙盒內。機器人運動軸有相應的防護措施，可以有效防止糕點屑掉到運動軸上，這套機器人設備能適用3種傳送糕點方式、5種不同形狀和體積的包裝盒以及對于不同形狀和體積的糕點的碼放。在更換不同品種糕點時機器人系統的停機時間最長不超過5min。它可以每小時處理12 000個糕點，每天可工作24h，每周可工作6天。

2．3 包裝機器人技術的發展

Gerhard Schubert公司致力于制造高度靈活的ABB機器人，并且在技術革新方面一直走在前列。該公司是一家蓬勃發展的中型家族企業，目前在全球范圍內具有1 000多名員工。任何行業、任何形式的散裝產品——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上實現裝箱和包裝。

在散裝產品包裝方面，該公司率先使用包裝機器人來完成，并且隨著科技的發展，不斷引進新技術，尋求新的解決方案，以使包裝過程更加簡單、靈活、高效。通過研究，該公司引入了傳遞模式的包裝，即通過一個傳遞系統實現運輸機器人在軌道上的自由活動，每輛機器人機車都安裝有一個真空泵驅動電機和其自有的調控電子和電氣設備，能量與數據之間可實現無接觸轉換。每一個單獨的模塊都要求有自己的容器，例如在設備中安裝的紙板盒，正如待包裝的產品那樣。此外，未來通過這種模式可實現工具的自動轉換。在操控領域，該公司最初的帶有速度測量系統的控制系統，可滿足質量標準的最高要求，并且從其構造上來看更易構思，更加靈活。鑒于生產條件的改變，這一控制系統堪稱是在數據管理和設備邊緣操控方面的巨大進步。由此，該公司開發了MES制造執行系統，通過這一系統可實現操作過程的橫向整合。2010年，MES制造執行系統的數據庫模式開發完畢。這一模式涵蓋了制造執行系統中的所有功能和部件，對這一模式的進一步研究將按照客戶的具體要求進行，以使得研究開發成果能夠真正滿足市場需求。目前帶有整體質量監控功能的控制站已經建成，所有與操控過程和質量有關的數據都在此被持續采集、分析和歸類保存。這種管理系統對于監控機器人包裝產品的質量和包裝效率具有重要意義。

3 結語

由于包裝是多種高水平科學技術和文化藝術的綜合體現，所以它能夠體現一個國家、一個民族的物質文明和精神文明，標志著其科學文化水平。盡管我國已經開始在包裝過程中應用機器人技術，但我們應清醒地意識到我們當前同世界先進國家的差距。我們只有深入研究機器人技術，不懈努力，才能提高我國制造業乃至整個工業的裝備技術水平，帶動制造行業的產業提升，才能使我國跨入世界先進包裝國家行列。

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

［2］伍勝．機器人在食品包裝中的應用［J］．食品安全導刊，2010（6）

［3］蔡鶴皋．機器人將是21世紀技術發展的熱點［J］．中國機械工程，2000（Z1）