分拣赢家 活力包装

发布时间：2009-05-05 来源：ABB评论

　　产品创新
　　工业领域对新型自动化解决方案的需求十分巨大，在包装行业尤其如此。传统的分拣与包装作业属于劳动密集型工作，经常要把各种分类好的产品高速放入箱盒、托盘或罩板之中并进行包装。使用人工快节奏处理常常会造成生产瓶颈，从而影响产量。同时，由于这一工序重复性高，还可能给雇员的健康造成影响。
　　自动化备选方案颇具吸引力，分拣包装机器人解决方案则是自动化行业发展最为迅速的市场之一。ABB 已安装了 2,500 多台专门为这一领域设计的三角结构机器人，因此奠定了良好的基础。在分拣与包装技术领域，ABB 已是世界领导厂商。最新开发的第二代 FlexPickerTM 将确保 ABB 在这一行业中的领先地位，帮助用户提高生产率。www.cechina.cn
　　几十年来，包装行业一直使用手工作业进行分拣与包装， 将产品放入箱盒、托盘或是罩板之中并进行包装，一个典型的例子就是将各色各样的什锦巧克力捡拾起来并放入罩板之中，这一个工序重复性强，要求作业速度很快。这一类工作简单乏味，通常工资较低，因此招聘或留住这一岗位员工越来越困难 (见图 1 )。另外，对食品安全不断增长的关注也促使这一行业努力寻求更好的食品分拣包装方法，以最大程度减少人体与产品接触的机会。有鉴于此，该行业对自动化方案产生了浓厚的兴趣。
　　20 世纪 90 年代后期，机器人设计通常采用串联方式，机器人的一部分按顺序连接到另一部分，而且各部分均需承载自身电机重量。机器人的机械手重量因此增大，产品处理动作缓慢，无法与每分钟 60 到 100 次节拍的手工作业相竞争。www.cechina.cn
　　ABB FlexPicker
　　ABB 于 1998 年推出了 FlexPicker IRB340 型机器人。FlexPicker 是一种专为分拣作业特殊设计的三角结构机器人 1)，用于分拣包装诸如巧克力这样重量较轻的小物品。设计原则相当简单，所有运动部件均使用轻质材料，如碳纤维，经过阳极氧化处理的铝材和塑料。较重的电机部件则全部安装在一个坚固而且固定的底箱体内，所有的机械臂平行连接，具有三个自由度，连接到一块三角板上，机器人通过三角板又多了一个自由度，称为 θ 轴 (第四轴)。鉴于其独特的布局方式，FlexPicker拥有了一个恰如其分的外号“机器蜘蛛”(见图 2 )。尽管机械臂系统重量很轻，看上去有点弱不禁风，但由于其结构材料的机械强度/重量比较高，机械臂系统实际上极其坚固耐用。机器人的轻质机械臂能够达到 15 m/s2 的加速度，并且其重复精度可以达到 0.1 mm。
　　由于在质量和可靠性方面拥有良好信誉，ABB 成为三角结构机器人市场的领导厂商，不断满足分拣包装行业的需求。www.cechina.cn

　　尽管这款机器人设计简洁，制造方便，但对其进行整体控制却十分困难。使用小型电机可以相对容易获得高速运动，但要同时保证不产生窜动现象，且不损坏机械手，则成为了一项很大的挑战。ABB 能够应对这一挑战。对于标准机器人而言，ABB 先进的运动控制器要比竞争对手更加出色，并且这一技术在分拣机器人开发过程中得到了应用，最终诞生了 IRB 340 型机器人，它比其它机器人能更快捷、更轻巧地分拣摆放产品。
　　市场开发
　　包装工业规模巨大却又十分分散。全球有 25,000 多家食品工厂，包括大型跨国公司如卡夫食品、雀巢。这些大公司规模虽大，但其所占的市场份额却不到 5%。包装系统公司也是数不胜数，且分散不齐。因此在寻求有效的客户销售渠道时，ABB 困难重重。www.cechina.cn
　　起初，ABB 的策略是销售产品，而不是提供全套的解决方案或安装系统。在当时看来，最有效的策略是将产品销售给那些已经在包装行业十分活跃的系统集成厂商和设备制造商，其目标是在已有的各种解决方案市场中创造出对 ABB 机器人自动化系统的需求。这时的挑战不仅仅在于将 ABB 机器人卖给那些系统集成厂商，还在于扩大市场认知度，从而引导最终用户使用以机器人为基础的解决方案。2003 年，这一努力开始获得回报，离最初推出产品的时间已有五年了。现在，该产品销售每年增长 30 % 到40 %。今天，FlexPicker 机器人主要的行业客户为食品、医药和太阳能电池。www.cechina.cn
　　第二代 FlexPicker
　　在推出 IRB 340 型十年之后，ABB 又推出了第二代高速分拣机器人——IRB 360 型 (见图 3 )。由于市场当时急需新型分拣机器人， 因此推出时机相当不错。新型号满足这一需求，甚至为新领域提供了解决方案，创造了新的市场，同时也大幅增加了销量。
　　影响推出时机的一个重要因素是原有专利不再有效了，该专利是为了阻止竞争对手在机器人上使用平行机械臂。注册专利在欧洲到 2006 年年底失效，在美国到 2007 年年底失效。现在，任何人都可以制造一台三角结构机器人与 ABB 展开竞争了。很明显，由于竞争激烈，其它公司可立刻开始生产三角结构机器人。ABB 现在的竞争优势在于其制造这类机器人的长期经验、良好的质量信誉，以及销售量所体现的较大市场份额。为了保持市场领先地位，ABB 通过改进原有的 FlexPicker以增强优势，使新型 FlexPicker 能够承载较大的负载，并能够用于包装工业中新领域。对零部件设计和强度的改进使机器人更加坚固耐用，从而能够减小维护保养工作量，延长运行寿命。

　　新增加的设计特性使得新一代三角结构机器人的通用性进一步加强，小型化设计可使其占用的厂房面积更小，另一款用于食品行业的机器人则可以按照标准的工业方式进行全身水洗。当然，简单的三角结构机器人概念易于复制，而现在也有许多公司已完成了自己的原型机设计，但问题在于他们生产的新产品竞争优势在哪里？难道这些产品能比 ABB 更好？甚至减少 ABB 的市场份额，造成 ABB 潜在客户的流失吗？
　　先进的动作控制是 ABB 三角结构机器人最重要的特性之一，是整机总体性能的基础。制造一台三角结构的机器人，装上一台大扭矩电机使其易于快速运动。而困难之处就在于运动既要快速，还要精确，同时还需保证长期的运行寿命。由于机器人的重量增加会减缓运动速度，因而“增强”机械设计并不能够补偿运动控制器功能较差的缺陷。高性能来自先进的运动控制器。ABB 机器人控制器的回路能够计划机械手的运动，就是因为考虑到其动态特性可以减小机械应力。
　　ABB 曾赢得一家瑞士椒盐脆饼公司的订单，先进的运动控制带来的好处就显现出来了。ABB 之所以能够击败竞争对手赢得合同，是因为 ABB机器人不但能够高速分拣并摆放椒盐脆饼，而且还能够将废品率由 12 % 降低到 4 %。ABB的动作控制系统被恰如其分地命名为 QuickMoveTM 和TrueMoveTM，IRB 360 型开发中使用了最新的第二代 QuickMove 和TrueMove 运动控制器，显著改善了作业循环时间。相比于 IRB 340，IRB 360 速度平均提高 20 %，负载为 1.5 公斤到 3 公斤时效果最佳。在分拣包装作业过程中，产品偶而也会出现在分拣生产线上令人意想不到的地方。例如，冷冻食品有时会冻结在一起，之后在运动过程中相互分开，或者，产品可能在输送带突然停机时变换了位置。这样的产品位置变化会给机器人造成麻烦，并可能产生预料之外的撞击。而对于 FlexPicker 来说，其轻质机械臂系统遭遇沉重撞击时会脱离开。机械臂系统使用一个弹簧装置固定就位，遇到机械冲击时，甚至在加速度的情况下，可以保护机械臂不受损伤。这样的安全功能保护了机器人，来自用户的反馈意见显示，当机械臂系统脱落时机器人立即会停止工作，这就同时保护了产品和输送带。现在，新型的 QuickMove和 TrueMove 运动控制器能够监测到机械臂系统故障，并自动将机器人停机。这是 ABB 三角结构机器人的一个独特特点，有效支撑了 ABB 在高速分拣领域的领先地位。先进的运动控制系统是 ABB三角结构机器人最重要的特点之一，它可以保证快速、平稳、精确和重复的工具运动。www.cechina.cn
　　坚固耐用的机器人
　　一台典型的高速分拣机器人一分钟内可以完成 130 个循环。对于一条由几台机器人组成的生产线，这就等同于每天要做一百多万个循环动作，一年就是二亿多次节拍动作。即便是百万分之一这样低的故障率，出现故障的机会每天也可能会发生。这样的故障率也让人无法接受，而想降低故障率，就只能将机器人建造得坚固耐用。加强万向节、第四轴 ( θ 轴) 和紧固螺栓等关键零部件是必须的，相关的零件要更加坚固，以保证更长的使用时间和更少的维护工作。改进后的设计确保了即使是技术水平不高的技工也能轻易更换零件。这些特性包括加大螺栓尺寸和增加操作指南，有助于服务维修工作轻松简单，同时保证不会出错。
　　将刹车释放按钮从相对不易接触的机器人中心部位移到外部，是改进设计有助于方便使用的一个案例。这使得操作人员和机器人共事时可以更加容易地触摸这一按钮。由于使用了低摩擦力的塑料轴承，机器人清洗之后无需重新加油润滑成为另一项改进。
　　用于食品工业的机器人
　　第一代 IRB 340 型可选配不锈钢机座，用于食品工业。许多其它零部件仍由经过阳极化处理的铝材制造，该材料不仅耐洗，更重要的是质量较轻。但是经过阳极化处理的铝质材料不能经受划伤，也不能经受食品工业所使用的有腐蚀性的清洗剂。因此食品工业其它设备上能用的一些的清洗方法在 IRB 340 型上却无法使用， 它需要一种相对柔和的清洗处理 (见图 4 )。新一代IRB 360 型改善了卫生方面的设计，虽然重量增加了， 但清洗变得方便了。新型号全部采用了不锈钢材料零件，包括第四轴、三角基板和机械臂的接头帽， 这些都达到了 IP 69K 的防护等级，因此可以承受高压热水的近距离冲洗。这就意味着不再需要为清洗机器人安排一些耗时的专项工作了。可以像其它设备一样对待机器人。

　　节省占地空间
　　占地空间对各行业非常重要，食品工业也不例外。机器人经常遇到的要求之一就是要在一定的占地面积之内提高生产率。然而，应用于食品和制药行业的 ABB 标准型机器人控制器占地过大，从而促使 ABB几年前开发出一种改进型的控制器。通过紧凑安放零部件，增加高度，从而减少了占地面积。这种新型控制器很快获得了包装行业用户的青睐，由于控制器可安装在用户现有的控制柜中，就能节省宝贵的占地面积并且降低成本。对于研发团队而言，开发新型机器人要将减少占地面积当作一个基本要求，无论如何，从成本方面考虑，尽量减少零部件数量也十分重要。www.cechina.cn
　　第二代 FlexPicker IRB 360 具有更快的工作循环速度，能够承载更大的负载，结构更加紧凑并能够方便地进行清洗。控制工程网
　　原有的 IRB 340 上臂，在伸直情况下会占据较大的占地面积。通过缩短上臂，减小工作包络线，新型的IRB 360 即使在不更换机座箱的情况下，也能满足减少占地面积的要求(可减 30 % )。同时，FlexPicker 单机的宽度由 965 mm 减少到 810 mm，其长度由 980 mm 减少到 820 mm。如果考虑到 IRB 360 型所增加的工作循环速度，实际上节省的空间更大。高性能意味着使用七台 IRB 360 型机器人可以替代八台 IRB 340 型机器人，因此节约的占地面积就可达 40 %。
　　从分拣到包装
　　FlexPicker IRB 340 三角结构机器人，最初的开发是为了分拣与包装重量较轻的小件物品，它使用简单的真空吸盘夹具，也能容易地重新就位。当 IRB 340 推向市场时，它很快应用于各种不同的产品分拣与包装领域。现在常见的应用是从包裹袋里倒出，然后再包装到箱盒之中。典型的工艺方法是使用一个较大的多头真空吸盘一次抓取 8 到 12 件物品。当然，这样负载就会增加，并且在一定程度上降低了 FlexPicker 的速度。更为严重的是，这样还增大了夹具的转动惯量。距离机器人夹具的中心位置越远，FlexPicker 性能也就越差。如果操作人员擅自修改系统，就有可能造成机器不能经济的运行。如果机器人一直处于超负载运行，则会大大影响到机器人的使用寿命和维护保养成本。
　　开发 IRB 360 旨在通过增加中间位置的第四轴 ( θ 轴) 扭矩以提高承载能力，从而提高机器人的通用性能，并在不减少机器人使用寿命的情况下，增加其应用范围。FlexPicker进行箱盒包装这样常见的应用工艺中，承载能力由 2 kg 提高到了 3 kg，从而使包装的应用范围大幅增加。相比使用 0.7 kg 抓手分拣最多1.3 kg香肠包装的 IRB 340 机器人，IRB 360机器人能够分拣更重的物品，它可使用 1 kg 抓手处理 2 kg 的香肠包装。这一性能改进也就意味着可使生产能力加大一倍。
　　

　　前面讨论的重点是重新设计机械臂系统以提高承载能力。通过分离平行机械臂，新型机器人变得更强壮了，但这也影响了它的自身重量。另外，由于不同负载可能需要不同的机械臂系统， 这样就带来一个新的问题，造成所需零件数量的增加。新型动作控制器又一次解决了这些问题。通过改进机器人的运动控制，实际上能用原先的机械臂处理 3 kg 的负载，甚至还减少了节拍时间。由于机器人运动变得更加平稳，加之对机器人受限原因有了更好的理解，在 2 kg 负载的情况下，IRB 360 型比 IRB 340 型的性能提高了30 %。在进行分拣与包装时，产能可提高 30 % 到 50 % (见图 5 )。www.cechina.cn
　　销售发布
　　IRB 360 型的销售始于 2008年 4 月，上一代 IRB 340 型则于 2008 10 月完全退出。由于 IRB 360 型能完全替代并超出了 IRB 340 型的性能范围，加之两种机型十分相似，IRB 340 型向 IRB 360 型的过渡因此十分平稳，由于分拣机器人市场的扩大，即便近来有新竞争对手加入这一市场，我们预计未来销量仍将持续增长。对于高负载的衍生机型，由于其性能要比竞争对手的标准机器人解决方案优越，因此也获得了显著的销售业绩。在肉类行业中，预计 FlexPicker 的不锈钢机型将有很好的前景。事实上，在世界各地，拥用大规模包装生产线的行业都对有限面积内安装可靠机器人颇感兴趣。对三角结构高速机器人自动化方案的市场需求的确存在。在工业高速增长的国家，如土耳其、拉脱维亚、俄罗斯、印度、沙特阿拉伯以及其它国家，都已提出了安装请求。ABB 已经做好了准备，将使用第二代 FlexPicker 产品和已有的应用经验，满足这些需求。

本文摘自《ABB评论》