兩片鋁罐生產(chǎn)智能化手段探討

■ 文/上海寶鋼包裝股份有限公司研發(fā)部部長 張清

世界上第一只飲料罐出現(xiàn)于1935年。這種早期的飲料容器是鋼制三片罐，主要用來灌裝啤酒，如圖1所示。由于其長途運(yùn)輸性能良好，在二次世界大戰(zhàn)期間獲得了廣泛發(fā)展。市場上第一個(gè)兩片鋁罐出現(xiàn)于1958年，由于這種新型金屬容器具有成本低、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)，一出現(xiàn)便迅速占領(lǐng)了飲料包裝的市場。

圖1 世界上第一只飲料罐即鋼制三片啤酒罐

上世紀(jì)60年代初，美國的Renlds公司首創(chuàng)了現(xiàn)代金屬二片罐的“D&I”制造方法，并于1963年制造出了第一個(gè)商業(yè)化的355ml鋁制二片罐，如圖2所示。這種“D&I”生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)了鋁罐的高效率生產(chǎn)，從而使鋁罐獲得了真正意義上的競爭力。鋁罐的研究者們還于70年代中后期相繼推出了“縮頸”和罐底穹面成形工藝，這兩種工藝不但大量節(jié)約了罐用金屬原材料的消耗、增加了鋁罐的美觀度，而且使鋁罐的堆垛性也得到本質(zhì)性提高。這些金屬兩片罐制造史上標(biāo)志性的研究成果，從技術(shù)上保證了鋁罐在相當(dāng)一段長的時(shí)間內(nèi)于包裝行業(yè)保持領(lǐng)先。

圖2 第一個(gè)兩片鋁罐

一、兩片鋁罐智能化生產(chǎn)乃大勢(shì)所趨

從易拉罐制造成本的角度來看，過去多年來兩片飲料易拉罐一直是向著減重（材料減薄）的技術(shù)方向發(fā)展；而從設(shè)備制造商的角度來看，則以開發(fā)高速機(jī)，不斷提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度作為發(fā)展目標(biāo)。

當(dāng)前，兩片罐生產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速、高自動(dòng)化生產(chǎn)，9個(gè)人便可以管理一條2400罐/分鐘的高速生產(chǎn)線，可以說在速度和自動(dòng)化的提升空間上已經(jīng)不大。與此同時(shí)，制罐這個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)卻因工作環(huán)境艱苦而面臨專業(yè)技術(shù)人員青黃不接的問題。在此背景下，兩片罐的智能化生產(chǎn)已成為大勢(shì)所趨。

二、自動(dòng)調(diào)墨系統(tǒng)

如今，社會(huì)已逐漸進(jìn)入人工智能時(shí)代，技術(shù)和數(shù)字革命正在不斷改善我們的世界，也在不斷影響著兩片易拉罐的生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，讓易拉罐的生產(chǎn)變得可以更加安全、高效。兩片罐生產(chǎn)線的主要設(shè)備，如沖杯機(jī)、拉伸機(jī)、彩印機(jī)、縮頸翻邊系統(tǒng)、碼垛機(jī)等，正在逐步實(shí)現(xiàn)智能化操作。例如，由日本公司開發(fā)的自動(dòng)調(diào)墨系統(tǒng)，已經(jīng)在國內(nèi)部分兩片罐生產(chǎn)線上應(yīng)用，此系統(tǒng)是一種可編程的精密配墨管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油墨供給的數(shù)字化控制。與通過調(diào)整油墨上墨間隙來控制上墨量的傳統(tǒng)做法不同，它是讓墨斗輥與墨斗的間隙保持一定，通過改變分割墨輥不同部位與墨斗輥接觸的長度，來控制油墨的供給量（實(shí)現(xiàn)了與原底版顏色同步一致的控制效果）。分割墨輥把需要的油墨量從墨斗輥上沾取下來，沾取量完全由電腦控制。系統(tǒng)可自動(dòng)記錄并保存各個(gè)版面（品種）的壓力和墨量，充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理，在切換品種和換版時(shí)，可及時(shí)調(diào)用已保存在電腦中的檔案數(shù)據(jù)，立刻得到圖案油墨的使用量和印刷壓力大小，讓操作人員的工作時(shí)間、勞動(dòng)強(qiáng)度大大縮短和減少。換版時(shí)間也由原來的平均每次30分鐘降為15分鐘，提升了換版的生產(chǎn)效率并減少了由此而產(chǎn)生的廢罐數(shù)量。同時(shí)，使用此設(shè)備后還可以提高產(chǎn)品印刷質(zhì)量，降低油墨使用量，并保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)調(diào)墨系統(tǒng)

三、易拉罐數(shù)碼打印

現(xiàn)代數(shù)碼印刷技術(shù)的誕生，催生了新一代制罐技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)外多家公司在易拉罐數(shù)碼打印技術(shù)上取得了突破性的發(fā)展，加速了易拉罐的生產(chǎn)向智能化、個(gè)性化邁進(jìn)。目前，歐美發(fā)達(dá)國家的一些制罐設(shè)備供應(yīng)商相繼研發(fā)了曲面數(shù)碼打印技術(shù)，打印機(jī)無須直接接觸易拉罐罐體表面，而是通過墨水噴射方式進(jìn)行高保真彩色圖像打印，打印圖案不會(huì)因熱量和壓力而出現(xiàn)變形。這種打印技術(shù)是利用電腦色彩管理技術(shù)的直接輸出打印方式，圖案或圖像不用在前期做任何打印準(zhǔn)備工作，免去了傳統(tǒng)制罐工藝中印前處理（包括分色、制作菲林、制版）和彩印準(zhǔn)備工作（包括裝版、上版、調(diào)色），以及確認(rèn)樣品效果合格后才能進(jìn)行批量印刷等繁瑣工序。數(shù)碼打印既方便又快捷，只有三個(gè)打印步驟：電腦上確定圖案→打印→烘干，操作極其簡單，一般人都可以操作整個(gè)流程，而不再需要技術(shù)要求很高的專業(yè)人員。易拉罐數(shù)碼打印采用的是UV油墨，利用色料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共計(jì)四種顏色混合疊加，形成所謂“全彩印刷”，如圖4所示。其特點(diǎn)是：打印穩(wěn)定，色彩鮮艷，固化強(qiáng)度高，固化能量低，環(huán)保無異味。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為遠(yuǎn)程個(gè)性化、定制化易拉罐的智能生產(chǎn)提供了可能，也就是說，在網(wǎng)上直接就可定制符合客戶要求的易拉罐產(chǎn)品。可以想象，未來個(gè)人定制的易拉罐生產(chǎn)可以不受數(shù)量、圖案的束縛，多適用性及廣泛的應(yīng)用前景為客戶提供了更多的發(fā)展和選擇機(jī)會(huì)。

圖4 數(shù)碼打印的易拉罐

四、碼垛機(jī)械手

傳統(tǒng)制罐的另一個(gè)重要工序是碼垛。碼垛機(jī)的電氣、機(jī)械等系統(tǒng)的控制復(fù)雜，是一個(gè)故障頻發(fā)的區(qū)域，制約了高速生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代機(jī)器人的廣泛運(yùn)用，將機(jī)器人引入制罐生產(chǎn)線將成為一種趨勢(shì)。目前，機(jī)械手的廣泛應(yīng)用為智能碼垛提供了嶄新的應(yīng)用前景。碼垛機(jī)械手由于結(jié)構(gòu)非常簡單，所以故障率低，容易保養(yǎng)、維修。其主要的構(gòu)成零配件少，所以維修費(fèi)用很低。碼垛機(jī)械手即便是設(shè)置在狹窄的空間也可發(fā)揮有效作用。碼垛機(jī)械手的全部控制可在控制柜屏幕上操作，非常簡單，且通用性強(qiáng)：通過更換機(jī)械手的抓手即可完成對(duì)不同貨物（如易拉罐、墊罐紙）的抓取、碼垛及拆垛，相對(duì)降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，碼垛機(jī)械手既能碼垛，又能卸垛，完全突破了傳統(tǒng)碼垛機(jī)只能碼垛不能卸垛的生產(chǎn)方式，如圖5所示。

圖5 機(jī)械手碼垛

五、機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)

另外，視覺檢測系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)易拉罐連續(xù)化生產(chǎn)過程中的智能檢測和篩選。在高速生產(chǎn)線上生產(chǎn)易拉罐時(shí)，難免會(huì)發(fā)生壞罐、混罐，以往主要靠人工進(jìn)行檢測和挑選。如今，利用機(jī)器視覺對(duì)易拉罐進(jìn)行表面檢測的方法已在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。它是通過光電成像技術(shù)將被攝取易拉罐的360o圖文信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素的分布、亮度、顏色等信息通過各種圖像處理算法來抽取目標(biāo)的特征，對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量進(jìn)行判別，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作，如圖6所示。用機(jī)器視覺進(jìn)行易拉罐檢測分選的最大優(yōu)點(diǎn)是無接觸、高速度、高精度、大信息量，而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)更加集成化、智能化，這是其他檢測方式無法比擬的。

圖6 機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

我們可以簡單地將檢測流程分為四個(gè)部分：學(xué)習(xí)、比對(duì)、判別、輸出結(jié)果。圖像的采集需要得到易拉罐360o的圖像，由于易拉罐外形結(jié)構(gòu)為圓柱體，所以成像面為曲面，根據(jù)光學(xué)成像原理可知，拍攝的圖像會(huì)有圖像畸變。由于圖像畸變不利于軟件檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此得到易拉罐360o無畸變圖像是必須具備的關(guān)鍵技術(shù)。

我們?cè)趩喂掭斔途€上分4個(gè)工位安裝四臺(tái)高速照相機(jī)，分別用于易拉罐四個(gè)側(cè)面的圖像采集，如圖7所示。每個(gè)工位相機(jī)采集易拉罐158o左右的圖像，四個(gè)相機(jī)采集圖像后經(jīng)過軟件處理系統(tǒng)畸變校正，各取其中90o進(jìn)行拼合，最終得到完整的360o圖像，如圖8所示。

圖7 相機(jī)成像方案圖

圖8 四相機(jī)方案圖像拼合圖

此項(xiàng)技術(shù)，由于識(shí)別和處理易拉罐速度快、精度高，所以與傳統(tǒng)彩印相比大大降低了印刷質(zhì)量問題，同時(shí)也降低了因生產(chǎn)線輸送過程導(dǎo)致的其他質(zhì)量問題，保證了生產(chǎn)線的正常高速運(yùn)作和產(chǎn)品質(zhì)量，并大大降低了人力成本，更為將來的易拉罐智能分選提供了技術(shù)保障。

六、結(jié)語

總而言之，人工智能的加入對(duì)當(dāng)前兩片罐的生產(chǎn)有兩大益處：一是降低了對(duì)熟練操作和維修人員的數(shù)量需求，二是促進(jìn)行業(yè)對(duì)未來無人工廠發(fā)展的重新思索。相信在不久的未來，從原材料、配件的領(lǐng)取、生產(chǎn)線智能制造的廣泛推進(jìn)，以及智能倉庫的成熟運(yùn)用，一個(gè)個(gè)全新的兩片罐智能化生產(chǎn)工廠將展現(xiàn)在我們面前，新一代人工智能技術(shù)將會(huì)為社會(huì)帶來重大的顛覆性、替代性的影響，成為引領(lǐng)新一代科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力量。

參考文獻(xiàn)

[1]胡國勝,曹清. 鋼制兩片飲料罐及其在中國市場發(fā)展的意義和展望.寶鋼技術(shù),1997(06).