ABB机器人技术在包装行业中的应用研究

何志锋

（广东省湛江市第二技工学校，广东 湛江524001）

0 引言

产品的包装工序是产品生产的最后工序，因此产品的包装质量对企业的产品形象及销售至关重要。工厂最初都采用人工码垛、人工包装，不仅包装质量差，生产效率低，而且难以应用于作业环境恶劣的情况。随着机器人技术的发展，产品自动包装机器人得到了广泛的应用，其具有包装质量高、适应性强、环保节能、维护方便的特点，并且具备先进的故障诊断功能，极大地促进了工业化的发展。

1 机器人技术概述

1．1 机器人组成

机器人一般由2大部分组成：一是机器人执行机构，一般称作机器人操作机，它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制系统，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。机器人控制系统是机器人中最核心的部分，机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。当然，要想机器人进行作业，除去机器人以外，还需要相应的作业机构及配套的周边设备，这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统［1］。

1．2 机器人控制

1．2．1 机器人控制系统的特点

与普通的控制系统相比，机器人控制系统具有以下几个特点：机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关；一个简单的机器人至少有3～5个自由度，比较复杂的机器人有十几个甚至几十个自由度；把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机来完成；描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。所以，机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。由于它的特殊性，经典控制理论和现代控制理论都不能照搬使用。然而到目前为止，机器人控制理论还是不完整、不系统的。相信随着机器人技术的不断发展，机器人控制理论必将日趋成熟［2］。

1．2．2 机器人的控制方式

（1）点位式：很多机器人要求能准确地控制末端执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安插元件以及点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。一般来说，这种方式比较简单，但是要达到2～3mm的定位精度也是相当困难的。（2）力控制方式：在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器。（3）智能控制方式：机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。

2 ABB机器人技术在包装行业中的应用

2．1 应用状况

ABB机器人在集成性和柔性方面体现出较大优势，是现代机电一体化设备的杰出代表，技术已相当成熟，它在解决劳动力不足、改进产品质量和降低生产成本等方面，发挥着越来越显著的作用，用机器人替代人工的包装设备越来越受到人们的青睐。

包装机器人已用于冷冻食品、面包糖果、冰淇淋、肉品和鱼类、奶酪、洗发水和香水等行业，巧克力机器人每天可以对40种不同包装规格的巧克力进行包装，只需要简单地修改一下软件系统就可以更换新的包装规格。机器人从一连串的横向进给传送带上抓起巧克力并把它们放进泡沫塑料盒里。一个先进的视觉系统识别出巧克力和泡沫盒并把两者的位置信息传送给机器人的运动控制器，以保证每个机器人准确地抓起产品并把它们放在泡沫盒里的正确位置。泡沫盒装满后被放置在另一个机器人模块下，装满的泡沫盒被光学处理系统识别，然后被机器人安全地抓起并放在纸盒中。机器人包装减少了工厂里的手工作业量，更换包装也更加简易方便，使厂商可以快速而从容地应对市场的新需求［3］。

2．2 在食品包装中的应用分析

食品的卫生状况与人体健康密切相关，所以在食品加工过程中，对于卫生条件的要求非常严格。就目前情况来看，食品加工厂的生产过程多采用人工操作，这是直接造成食品污染的根源。想要解决这个问题，就要避免人体在加工过程中直接接触食品，提高生产线的自动化程度。食品包装机器人之所以受欢迎，主要是因为它们具有的灵活性，可以满足消费者各种不同的要求，食品包装机器人比传统的包装设备更能适应不同尺寸和形状的包装物。例如，对糕点的包装中，机器人首先把从传送带传送过来的糕点抓住，再把糕点部分重叠并装入包装纸盒内。机器人运动轴有相应的防护措施，可以有效防止糕点屑掉到运动轴上，这套机器人设备能适用3种传送糕点方式、5种不同形状和体积的包装盒以及对于不同形状和体积的糕点的码放。在更换不同品种糕点时机器人系统的停机时间最长不超过5min。它可以每小时处理12 000个糕点，每天可工作24h，每周可工作6天。

2．3 包装机器人技术的发展

Gerhard Schubert公司致力于制造高度灵活的ABB机器人，并且在技术革新方面一直走在前列。该公司是一家蓬勃发展的中型家族企业，目前在全球范围内具有1 000多名员工。任何行业、任何形式的散装产品——从药品、化妆品、食品、甜品到奶制品、超低温冷冻品等等都可以在该公司顶端加载包装机上实现装箱和包装。

在散装产品包装方面，该公司率先使用包装机器人来完成，并且随着科技的发展，不断引进新技术，寻求新的解决方案，以使包装过程更加简单、灵活、高效。通过研究，该公司引入了传递模式的包装，即通过一个传递系统实现运输机器人在轨道上的自由活动，每辆机器人机车都安装有一个真空泵驱动电机和其自有的调控电子和电气设备，能量与数据之间可实现无接触转换。每一个单独的模块都要求有自己的容器，例如在设备中安装的纸板盒，正如待包装的产品那样。此外，未来通过这种模式可实现工具的自动转换。在操控领域，该公司最初的带有速度测量系统的控制系统，可满足质量标准的最高要求，并且从其构造上来看更易构思，更加灵活。鉴于生产条件的改变，这一控制系统堪称是在数据管理和设备边缘操控方面的巨大进步。由此，该公司开发了MES制造执行系统，通过这一系统可实现操作过程的横向整合。2010年，MES制造执行系统的数据库模式开发完毕。这一模式涵盖了制造执行系统中的所有功能和部件，对这一模式的进一步研究将按照客户的具体要求进行，以使得研究开发成果能够真正满足市场需求。目前带有整体质量监控功能的控制站已经建成，所有与操控过程和质量有关的数据都在此被持续采集、分析和归类保存。这种管理系统对于监控机器人包装产品的质量和包装效率具有重要意义。

3 结语

由于包装是多种高水平科学技术和文化艺术的综合体现，所以它能够体现一个国家、一个民族的物质文明和精神文明，标志着其科学文化水平。尽管我国已经开始在包装过程中应用机器人技术，但我们应清醒地意识到我们当前同世界先进国家的差距。我们只有深入研究机器人技术，不懈努力，才能提高我国制造业乃至整个工业的装备技术水平，带动制造行业的产业提升，才能使我国跨入世界先进包装国家行列。

［1］钟惠钰，尤林贤．小型遥控水下机器人在水利工程中的运用［J］．水利建设与管理，2008（12）

［2］伍胜．机器人在食品包装中的应用［J］．食品安全导刊，2010（6）

［3］蔡鹤皋．机器人将是21世纪技术发展的热点［J］．中国机械工程，2000（Z1）