机器人系统在液态奶包装生产中的应用

李政德

（苏州澳昆智能机器人技术有限公司，江苏苏州，215300）

机器人系统在液态奶包装生产中的应用

李政德

（苏州澳昆智能机器人技术有限公司，江苏苏州，215300）

本文介绍苏州澳昆自行研制的二次包装分拣高速智能机器人系统，系统性能（结构、控制和智能化性能）超出利乐的非标液态奶枕式二次包装成套设备，达到世界先进水平，实现了我国二次包装设备从手工、半自动到高速、智能化的重大突破。

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1 产业背景和技术需求

随着中国经济总量不断提升，中国食品工业近二十年的发展也迅猛发展壮大，其中较为突出的是肉类和乳业等产业。据不完全统计2013年猪牛羊禽肉产量达到8000余万吨，市场销售价值超出1万亿元（中国肉类协会，2013）；而中国乳业2012年我国乳品产量为2545.1万吨，市场销额收入超出3000亿元（中国乳品协会信息中心，2013）。这些民生行业涉及千家万户，是我国国家国民经济发展的一个重要组成部分。然而由于消费者需求的不断增加，市场的迅速壮大，食品生产品质和卫生安全监管无法跟上市场发展的步伐。近几年来，食品工作尤其是肉类和乳品产业出现一些震惊世界的重大事件。对百姓生活造成较大的冲击，也给国家造成较大的负面影响。

为了迅速扭转这种被动局面，彻底杜绝重大食品卫生安全事故的发生，中国食品工业在不断提高企业对产品品质和食品卫生安全重要性的认知度时，更是在技术、设备和人员方面不断加大投入力度。目前尽管食品行业的生产效率和品质有了一定的提高，行业对劳动力的需求也有了一定程度的降低。然而，纵观食品生产系统布局，我们也发现在保证食品原材料质量的同时,整个食品生产过程中几大根本性问题还是没有彻底得到有效的解决，这些问题其中主要集中体现以下几个方面：

1)生产过程中自动化、信息化、智能化程度较低，关键生产环节上自动化、智能化设备缺失，在生产过程中大量环节还需通过手工作业来完成，无法保证产品品质；

2)产品信息可追溯技术缺失，产品无法实现全自动在线检测及剔除、数据记录和信息传递；整个生产线设备和产品无法实现信息交换和对流，生产过程信息链断裂；

3)生产环境复杂，由于当前食品生产基地的生产车间的设计和布局大多数还是基于传统的手工生产工艺规范进行实施，设备安装的空间位置和设备布局都在很大的程度上约束了新的设备的应用。

正是因为这些应用环境上所存在的技术方面的挑战，为机器人系统工程在食品行业的应用推广提供一个广阔的市场空间。如适用于柔性、多规格、多品种的高速自动装箱机器人系统、产品质量自动检测及自动剔除系统、自动码垛机器人系统、移动搬运机器人（AGV）系统的应用等。

图1 我国乳业液态奶包装生产状况（人工完成奶包装箱、奶箱码垛、产品输送）

2 液态奶行业应用

苏州澳昆智能机器人技术有限公司（以下简称澳昆），于2008年8月在江苏昆山创立，是一家集研发、生产、销售及服务为一体的技术生产制造型企业。澳昆的服务对象主要集中在和民生休戚相关的食品、医药及日化等行业，为客户提供高速、高稳定性、高柔性和高智能化的机器人自动化二次包装方案和成套设备。

目前，企业拥有54名员工，博士5名，本硕学位人员占36%以上。公司2014年销售收入预计达5000万元以上，实现人均创收百万元目标。

创业5年，公司已为黑龙江完达山阳光乳业、内蒙古伊利集团、重庆天友乳业、兰州雪顿生物乳业、北京三元食品等乳制品行业提供了100余条液态奶二次包装高速机器人成套自动化生产线，拥有600余台套高速智能机器人包装系统和成套设备，销售额达1亿元人民币，其技术属国内首创，世界领先地位。当前，澳昆正在为国内乳业进行高速枕（≥14000包/小时）二次包装生产线的集成工作。

企业目前拥有74项专利、6项软件著作权、1项注册商标,并牵头制定3项国家标准，共开发出21个机器人及配套产品，3个产品通过省级新产品鉴定，1个荣获江苏省首台套成套设备和江苏省技术创新金奖，并获得新型创新产品金奖。

澳昆公司本着以创新带动创业的发展模式,基于目前国内产品二次分拣包装基本依靠人力,生产方式陈旧、工效低、品质难以保障的落后状况，经过反反复复试验与改进，结合海外20余年产品开发经验和技术见解，充分考虑国内用户的特殊生产安排和需求，针对性地研发专门用于产品分拣包装的智能机器人系统，开发出国内首台液态奶二次包装分拣高速智能机器人系统，产品性能（结构、控制和智能化性能）超出利乐的非标液态奶枕式二次包装成套设备，达到世界先进水平，实现了我国二次包装设备从手工、半自动到高速、智能化的重大突破。

图2 2009年澳昆在完达山首创Delta机器人液态奶自动装箱应用

图3 Delta机器人液态奶自动装箱应用的双机结构

图4 Delta机器人动态性能分析

2.1 Delta机器人技术分析比较

在中低速（＜10000包/小时）液态奶自动装箱项目中，采用Delta蜘蛛机器人完成自动装箱作业替代人工作业能满足生产需求，其中机器人是生产线中最重要的核心部件。

下面以某品牌Delta机器人为例，简要介绍其结构。

随着生产走量的整体提升，虽然机器人的抓取点速度可以提升到10m/s，多台蜘蛛机器人可以满足奶包输入频率，但随着机器人速度的不断提升，液态奶奶包外形易产生变形，甚至产生撕裂。

通过图4可以看出，Delta机器人单轴的扭矩峰值变化大。

机器人旋转角度是靠中心伸缩杆来实现的，因此位置的控制特性与机器人的位置变化和连杆的长度变化有关。其连杆变形以如下公式表示 ：

可以看出，连杆的变形与连杆的长度和扭矩的大小成正比。

同理，连杆振动频率以如下公式表示：

因此，整个机器人的振动会因连杆长度增加、刚性降低而增加。由于机器人连杆的变形及振动等因素，Delta机器人在高速抓取奶包时，由于包内液态奶运动特性，其惯性力将会对奶包的复合材料产生变形和撕裂作用，这对产品品质保障极为不利。

2.2 柔性生产技术改进

目前，鲜奶生产线处理的液态奶包产品的设计走量大于20000包/小时，产品单件在输送带上的最大线速度达到920mm/s，以前是通过高速机器人的加减速来直接降速、排列和抓取工序来实现包装生产。虽然高速机器人速度可达（10m/s），加减速可达19G（19倍重力加速度）=190m/s2。但在0.25s的时间间隔内速度从645mm/s降到0，并在0.25s内实现工夹具平移-奶包下降-工夹具放包-工夹具提升-机器人回位，将奶包平整放入包装箱内，则机器人工夹具在抓取放包的运动过程中的加速度将达到32.9m/s2，奶包将承受大约8.225N的惯性外力。这样一个外加惯性力会因为减速带来的惯性力改变奶包外形结构，对奶包产生撕裂现象。

利乐包是由纸、铝、塑组成的六层复合纸包装，能够有效阻隔空气和光线，这种软包装有铝质复合材料夹层，材料特别脆，在包装输送过程中，包装材料不能在纵向和横向受到任何外力，不能折弯、受挤压，包装材料一旦变形，铝质包材就可能发生断裂，造成漏气、漏光等引起鲜奶变质。

本项目通过探测传感器，对高速输送带上的液态奶奶包进行相关的数据采集，得出位置参数。计算机将处理的相应参数分别送至不同的控制系统和执行单元进一步处理。奶包经过传感器后，由高速高频分道器进行无级分道，分成多道（以4道为例），这样奶包在输送速度上没有降低，但在奶包的处理时间上，奶包的位置间隔时间上增加400%的额外时间。分道完毕之后，奶包被送入一多道伺服奶包整合处理器，通过伺服控制驱动系统，奶包在降速的同时被分隔在同步带内。奶包进入伺服奶包整合处理器的次序是按照1-2-3-4，1-2-3-4……的顺序来进行的，这样，奶包原有645mm/s的速度在处理频率上降低3Hz。当奶包在整合道上从645mm/s的速度降到0时，时间间隔增加了0.75s，这为后期包装处理在时间、空间和加减速度上争取了更多的宽裕量，从而最大程度地避免了奶包在高速运行时受力和碰撞，保证了奶包在二次包装过程中不会受损。

图6 拥有核心技术的分道整合系统

图7 智能机器人液态奶二次包装生产核心装备

针对液态奶生产速度高、包材特殊、产品要求等各方面考虑，代表国际领先水平的高速蜘蛛机器人已经无法满足高速生产的品质需求，为突破蜘蛛机器人高速抓取的局限和弊端，本项目需要采用国产六轴机器人，从产品输送入手，将奶包高速输送经过无级降次降速分道，采用伺服柔性整合技术，使机器人抓取产品的速度和稳定性达到客户生产要求，实现高速（12000-20000包/小时）自动装箱生产。

图8 奶包受力分析

分道系统采用无级驱动形式可以实现1x3、2x2或2x3等分道形式；这种分道形式采用伺服电机、线性电机或电磁驱动器控制奶包托板在高速前行时横向移动，使奶包在除底部摩擦力和重力之外不受任何外力作用。奶包在托盘上的外力可以由以下函数表示：

要保持奶包不从托盘滑下而且还要随托盘一起运动，平衡外力F是关键，这需要在整个控制过程中以驱动源和奶包位置建立一个函数关系，通过计算机和控制元件实现奶包在运输过程的平衡。从数学角度，上述平衡公式可以表述成以下状态空间模型，以形成计算机控制模型。

图8 智能机器人液态奶二次包装生产核心装备

2.3 高速智能靶向柔体抓取技术

梯形浮动结构的吸盘液态奶产品抓取方式，采用柔性抓取技术，一次三箱或四箱同时抓取，大大提高系统抓取速度、效率和稳定性，无破损、漏取。

图9 拥有自主核心技术的专用工夹具

3 技术创新

液态奶机器人高速自动化生产实现了在线奶包产品品质测定、漏损产品的检测和自动剔除，提升了生产效率及产品质量，保障液态奶生产卫生安全。

研制发明了世界上最先进的、适用于液态奶奶包产品的伺服控制抓取机械手和利乐包整合、分流和伺服控制技术。

智能分道整合设备通过可控磁力、电机驱动力或电磁驱动力技术与伺服输送整合机构协同完成承载物料牵引滑块的平面二维（X、Y方向）高速联动位移，有序进行分道与整合。运用因式分解降次求解原理，采用低速运行机器人或其他机械手一次大量抓取高速运行的物料，极大地提高了生产效率，减少物料的破损率，减少设备故障。

产品品质跟踪完成产品外漏、缺失和生产损伤在线监测与剔除。

生产过程全程信息可追溯。

多导航模式兼容。AGV自动导引车系统创造性地将电、磁导航和激光导航技术兼容共用，即在同一台AGV上可以共用两种以上的导航模式，同一个系统中也可以兼容多种导航模式的AGV车辆。这项技术的意义在于：在一些工艺复杂的应用环境中，如长距离输送中需要使用激光导航模式以提高AGV搬运的速度和灵活性；当AGV运行到不方便架设反光板的环境中（比如货物直接立体码垛的情况），就只能在地面铺设磁点或磁条，AGV直接切换为磁导航模式运行。这一技术扩大了AGV的应用范围，提高了AGV产品的竞争力。

多通道智能切换安全保护。安全是所有设备运行之本，特别是像AGV这样经常快速穿梭在不同车间和人行通道中的自动设备，安全尤为重要。澳昆在AGV上引入二级安全监测和多区域激光安全检测装置，同时通过对系统软件和车载软件的设计修改，使AGV具备了多通道智能切换安全保护功能。当障碍物进入减速区时，AGV小车以预先设定好的速度减速运行；当障碍物进入停止区时，AGV小车立即停止。AGV小车具有探测运行前方0-5m内障碍物的功能，具体的减速区、停止区、监测区域范围及形状可根据实际要求，由软件灵活地进行变更，并可根据具体的运行路线进行改变，设置多组不同的监测区域等。

液态奶机器人自动化生产线集成技术，将二次包装机器人、产品品质在线实时检测系统、自动导引车系统、自动码垛机器人系统、生产过程全程信息可追溯系统、设备在线运行状态监控和远程诊断技术等集成在一起，实现产品生产、检测、包装、码垛、输送自动化，克服了生产过程中的瓶颈环节，是整条机器人自动化生产线高效、可靠、稳定运行。

4 应用的主要技术要求和指标

1）机器人系统工程实现1.5-2.5万件/小时利乐枕常温液态奶生产一次灌装、二次包装的自动生产检测、剔除、取样和包装功能；

2）单线机器人柔性化工夹具和软件功能的自动切换，可使单一生产线满足3个以上不同规格型号产品的二次自动包装；

3）机器人系统品质处理信息可以重新记录在单一产

4）95%生产线设备可以实现在线运行状态监控和远程诊断；

5）机器人系统包装生产的产品漏损率小于等于5件/10万；

6）AGV关键零部件（导引、控制和驱动）国产化率到达65%以上。

5 结论

机器人系统工程是食品工业形成规模化和产业化的最佳契机，反之亦然。通过以市场为导向，以企业为主体，以突破关键技术为核心，以规模化应用为抓手，以产学研用为纽带，以急需提升产品质量的食品生产行业为依托，通过“机器人高端柔性包装生产系统+AGV自动物流输送系统+信息管理及产品品质可追溯”机器人工程项目的实施，实现食品生产过程的自动化、信息化、智能化示范应用。该技术和机器人系统工程后续进一步可推广到药品、日用品等生产系统中，可降低成本、增大应用数量，为民族品牌机器人在相关行业的应用树立起成功典范，为国产机器人把握机遇，迎头赶超国际同行开辟新的途径和平台。