何志鋒

（廣東省湛江市第二技工學校，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。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品自動包裝機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、環(huán)保節(jié)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(yè)化的發(fā)展。

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

1．2 機器人控制

1．2．1 機器人控制系統(tǒng)的特點

與普通的控制系統(tǒng)相比，機器人控制系統(tǒng)具有以下幾個特點：機器人的控制與機構(gòu)運動學及動力學密切相關(guān)；一個簡單的機器人至少有3～5個自由度，比較復(fù)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(tǒng)有機地協(xié)調(diào)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(wù)只能由計算機來完成；描述機器人狀態(tài)和運動的數(shù)學模型是一個非線性模型，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，機器人控制系統(tǒng)是一個與運動學和動力學原理密切相關(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，機器人控制理論還是不完整、不系統(tǒng)的。相信隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)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(zhí)行器的工作位置，而路徑卻無關(guān)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(tǒng)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(huán)境的知識，并根據(jù)自身的知識庫作出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，使機器人具有了較強的環(huán)境適應(yīng)性及自學習能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于近年來人工神經(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機器人在集成性和柔性方面體現(xiàn)出較大優(yōu)勢，是現(xiàn)代機電一體化設(shè)備的杰出代表，技術(shù)已相當成熟，它在解決勞動力不足、改進產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，用機器人替代人工的包裝設(shè)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(fā)水和香水等行業(yè)，巧克力機器人每天可以對40種不同包裝規(guī)格的巧克力進行包裝，只需要簡單地修改一下軟件系統(tǒng)就可以更換新的包裝規(guī)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(tǒng)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(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機器人模塊下，裝滿的泡沫盒被光學處理系統(tǒng)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(yè)量，更換包裝也更加簡易方便，使廠商可以快速而從容地應(yīng)對市場的新需求［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)，所以在食品加工過程中，對于衛(wèi)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(chǎn)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(chǎn)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(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(nèi)。機器人運動軸有相應(yīng)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(shè)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(tǒng)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(shù)的發(fā)展

Gerhard Schubert公司致力于制造高度靈活的ABB機器人，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上實現(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器人來完成，并且隨著科技的發(fā)展，不斷引進新技術(shù)，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(tǒng)實現(xiàn)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(qū)動電機和其自有的調(diào)控電子和電氣設(shè)備，能量與數(shù)據(jù)之間可實現(xiàn)無接觸轉(zhuǎn)換。每一個單獨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，未來通過這種模式可實現(xiàn)工具的自動轉(zhuǎn)換。在操控領(lǐng)域，該公司最初的帶有速度測量系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可滿足質(zhì)量標準的最高要求，并且從其構(gòu)造上來看更易構(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步。由此，該公司開發(fā)了MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)可實現(xiàn)操作過程的橫向整合。2010年，MES制造執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模式開發(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(fā)成果能夠真正滿足市場需求。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)對于監(jiān)控機器人包裝產(chǎn)品的質(zhì)量和包裝效率具有重要意義。

3 結(jié)語

由于包裝是多種高水平科學技術(shù)和文化藝術(shù)的綜合體現(xiàn)，所以它能夠體現(xiàn)一個國家、一個民族的物質(zhì)文明和精神文明，標志著其科學文化水平。盡管我國已經(jīng)開始在包裝過程中應(yīng)用機器人技術(shù)，但我們應(yīng)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(shù)，不懈努力，才能提高我國制造業(yè)乃至整個工業(yè)的裝備技術(shù)水平，帶動制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)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(shè)與管理，2008（12）

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

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