创新技术让包装和码垛机器人解决行业痛点

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产量、质量、人工和投资回报率，这些都让制造商们夜不能寐。不用担心，机器人都已经准备好了。灵巧的机械手以惊人的速度和精度忙碌在包装线上，而强壮的机器人在管理着高高堆起的货物。没有工作太小或者太大。

更快，更便宜，更好

包装和码垛机器人正变得更快更划算。集成控制和直观的人机界面让他们变得更易用。先进的传感技术和软件让它们更智能，更擅于处理差异化的产品。

Delta机器人在高速包装生产线上拾放袋装产品装箱

“我们客户面临的最大挑战是投资回报率，”施耐德包装设备公司副总裁、RIA董事会成员Pete Squires在纽约布鲁尔顿这样说，“我们的客户正在寻找最大化产量和实现最佳投资回报的方法。他们想要故障更少的可靠系统。他们比以往需要处理更多的SKU，并且转换率更高。”

施耐德包装为食品饮料、医药、个人护理、塑料盒造纸等行业提供生产线末端包装解决方案。

“生产线末端包装，这就是我们所做的一切，”Squires说。“我们使用的机器人只是客户需要的一个扩展，我们始终专注于这一目标。成为一个总集成商并不比成为一个包装集成商更重要。产品多种多样，托盘也就不一样。这是一个非常独特的行业。”

“我们看到很多使用现有自动化的客户转向使用机器人，因为机器人更可靠，适应性更强。” Squires解释道。“机器人可以像人一样装包或包装成箱，并可以重复做。”

更易使用

Squires说新的机器人公司可能会误解机器人的操作怎么会简单。

“我们公司几乎所有的设备都是通过罗克韦尔的人机界面进行控制。（他信任罗克韦尔自动化和发那科公司的控制集成。）你不必懂机器人编程或PLC编程就能运行他们。大部分日常的产品更换变得异常简单。只需要改变人机界面上的参数就可以了。”

“在技术工人短缺的现在，这确实可以帮到我们的客户，他们不需要有一个机器人编程人员才能开动这些设备。”他补充说。

集成到包装生产线上的视觉系统还结合了产品检验、质量控制功能以及条形码读取到机器人工艺中。再加上视觉、Delta机器人已经统治了包装应用市场十多年，并有很好的理由。每分钟拾取300次，如果机器带有视觉和传送带跟踪，可以精准的拾放各种物体，这些都已经被人们所熟知。然而，他们也有自己的局限性。

清洁无污染

改善卫生条件在包装行业越来越受关注，特别是那些需要直接接触食品的初级食品包装。没有新内容加入delta拾放机器人的磨损处，就如他的众多竞争对手一样，机器人制造商决定重新审视这个熟悉的设计。

一系列封闭结构的SCARA型机器人，设计用于干净、稳定的串联工作

“在相当长的一段时间内我们拒绝进入拾取型机器人市场，知道我们找到一个替代的解决方案，它在末端提供了大家都想要的速度，但却不产生任何污染，”南卡罗来纳州邓肯的史陶比尔公司产品营销经理Simon Whitton说。

“在包装领域，我们有TP80快速机械手，”Whitton说。“这是一个全封闭结构的机器人，它的拾取区域非常独特。”

“全封闭结构意味着所有的空气管都在机器人内运行，”他解释道。“这样做的目的是让这个机器人的清洁性能更胜于其它性能。当我们进行市场调查，询问集成商和用户他们会设计怎么样的产生和他们想消除什么风险时，TP80都可以满足他们的需求。”

他说，这个4轴机器人拥有“SCARA般的”工作范围，可达800mm。它可以架空安装，在一个传送带旁边，或者在两个传送带之间。

“你可以到达前后左右的一定区域，”Whitton说。“最高可达每分钟200次。”

Whitton已经在机器人行业从业近30年，他最初是在机器人公司Unimation（后来被史陶比尔收购），他认为提高洁净度是机器人进入食品处理和包装行业的一个主要因素。

“如果你有一个干净的产品可以满足行业的需求，你就可以把生产线向后移动，提早介入处理流程，”他说。“你不必等到物品进行预先包装之后再对它们进行二次处理。你将适用于更多的应用。制造商在如何做某些事情的时候就能看出差别。这可能是一条生产线变成一个孤岛，而不是一个连续的过程，因为你可以更早将它打包并保持环境的完整性。”

“这在食品、医药甚至含有敏感元件的电子产品上都是非常正确的。”他补充道。

视觉和传送带追踪与包装相配合，所以，史陶比尔在他的拾取机器人上集成了视觉和传送带追踪解决方案。该机器人OEM解决了包装领域的另一个趋势。

集成控制器

为了使机器人更加人性化，一些机器人OEM正将机器人专有控制器集成到使用更广泛的PLC控制器中。正如前面所提到的那样，施耐德包装使用集成的发那科和罗克韦尔控制给信任一个更易用的机器人自动化路径。

“我们认为最好和最简单的方法是使用两个控制器，但必须在一个高集成度的解决方案中，”Squires说。“通过这种方式，不用不必牺牲性能、可靠性和易用性。”

史陶比尔有自己的办法。“我们提供了一个名为Unival的产品，”Whitton解释说。“它可以让你的机器人控制连接到你的运动控制器上，然后在您的环境中操作。一些包装机公司希望将机器人作为包装机的一部分，因此它们可以将馈入和送出作为其解决方案的一部分。使用Unival，他们可以有自己的控制界面，操作员或程序员可以完全使用控制系统的语言工作。”

“人们可以快速启动和运行，因为他们已经熟悉控制供应商的语言，”Whitton补充说。“他们不需要知道VAL3(史陶比尔专有机器人语言)的知识就能创建机器人程序。”

更先进的夹持

机器人制造商和包装和码垛系统集成商不够重视机械臂末端工具（EOAT）的重要性。EOAT正日臻完善。用户需要更轻，更快的末端执行器，以及一个EOAT能够处理快速转换和多种功能的能力。

采用静电吸附技术的新型机器人末端执行器

“机械臂末端工具开始选用碳纤维来做以达到重量轻的目的，现在已经有相当数量的3D打印工具，” 机器人集成商施耐德的Squires说。“我们使用现成的工具转换装置，但我们也有自己的快速更换系统。我们有很多多用途工具，例如拾放产品，增加和去除滑纸片，增加和去除托盘。我们所有的机械臂末端工具都由自己做。我们认为这是任何客户项目中关键部分。”

“我认为行业中的机械臂末端工具没有得到正常的发展，”加利福尼亚州圣克拉拉市的Grabit公司CEO和联合创始人Charlie Duncheon说。 “我们设计的这些漂亮的、柔性的机器人已经变得非常强大。但在过去几年中夹持器的发展很少。我认为现在是时候制造一些跟人手一样灵活的夹持器。这是我们正在努力做的事情。”

Duncheon指的是他们公司的基于静电吸附（electroadhesion）技术的材料处理柔性解决方案。作为2014Game Changer奖的获得者，Grabit的面板夹持器被人们誉为颠覆性技术，将改变包装、码垛和传送带市场。

高混合处理

作为SRI International知名的趴壁机器人的近亲，Grabit的平板夹持器使用相同的“粘性”技术以抓住多种不同外观的东西，从玻璃、塑料盒金属片，到纸板和布料。

在你的头发上摩擦气球，然后你就能看到它可以粘在墙上。这就是静电力。Grabit的技术已经找到了一种可控制的方式来利用这种能量。

“静电力对我们抓取的材料和接触的物体表面起作用，”Duncheon解释说。“盒子、纸箱等都对静电力很友好。我们可以处理多种不同外形和材质的产品，例如玻璃板、显示面板、手持设备、手机和平板、复合板和服装面料。”

“对于大型的盒子和箱子，我们可以采用两个平行的面板夹持器或一个L型的面板夹持器。我们有很多种不同的方式配置这些面板夹持器来处理这些箱子。”

Grabit成立于2011年，是从SRI International的独立研究中心分拆出来的非营利性公司。Duncheon是2000Engelberger机器人奖的获得者，他与联合创始人、Grabit的首席技术官Harsha Prahlad一起创立了这个创业公司。作为航空航天工程的博士，Prahlad是SRI机器人项目静电吸附技术专利的主要发明人。

Duncheon说Grabit目前正在发售其面板夹持器产品。应用领域包括布料、印刷电路板和太阳能电池。现在仍处于早期雏形阶段，静电吸附技术未来的前景更诱人。Grabit称之为必抓夹持器（Each Pick gripper）。

柔性抓手

静电技术在工业上的应用已经不是什么新鲜事。上世纪80年代晶圆厂就开始部署静电吸盘，用于运输各工站之间的半导体晶片。

Duncheon表示，这种柔性静电吸附技术是全新的技术，拥有大量的专利。 “这是个好消息，这项技术已经很成熟。但是，我们的技术的新颖性在于，我们将正，负电极印刷在可以沿不规则表面弯曲的柔性聚合物表面上，这有点像软饮料的热收缩膜包装。”

“我们可以抓取任何东西，”他说。 “我们给薄膜加载电荷，然后相反的电荷其吸附在表面上。表面的导电性越好，加载的电荷越多，吸力也就更大。”

虽然静电吸附技术在高电压下工作时，但是只需要很小的电流，一般只有微安级。 Duncheon认为还是非常安全的。

“事实上，我们的控制器设计不允许上面有任何你可以感觉得到的电流。”

他指出，在之前的视频中，接合的速度看似非常缓慢，那只是用于演示目的。同样，视频里的那些明显的电线，或“筋”，也只是简单的示范。他们对后续的设计还有更强健的解决方案。

“和我们的抓手一起开发的还有强大的控制器，其可以让用户使用各种配置，以快速拾取和释放，”Duncheon说。 “实践表明，我们在许多应用中具备在50毫秒内拾取并在50毫秒内释放的能力。”

更少的能源消耗

据Grabit公司透露，静电吸附技术令现有和潜在的使用者都感到非常兴奋，它可以降低能耗。

“我们抓手所需的能耗还不及真空夹持器的三分之一，”Duncheon说。 “而且更安静，更轻便，无需真空软管和真空泵。当你在搬运手机或显示器的面板时，真空杯往往会留下污迹。而通过我们客户的测试，你看不到任何的Grabit抓手处理过的痕迹。”

他还表示，Grabit面板抓手在成本上也可以媲美真空抓手。

回顾机器人的发展史，Duncheon从中看到Grabit的静电吸附技术在输送领域的巨大潜力。“我们认为在智能输送线上还有很大的应用空间，上面有带电区域，可以放置零件，然后再沿着输送线将其适当放置。我们有一个客户就正在开发这样的输送线。”

超重码垛

尽管未来机器人潜在的颠覆性技术已经慢慢隐现，我们现在还是需要处理各种产品和容器的包装。在这个领域机器人还是相对较新的技术。码垛机器人是材料搬运可靠的小伙伴。

“码垛是机器人早期的应用之一，理由很简单，”史陶比尔的Whitton说。 “很多材料重量都很重，而且堆垛的高度也高，很难管理。投资回报率很高，所以很快就普及开来。”

大多数传统的机器人制造商都提供码垛机器人。我们看惯了这些灵活的操纵臂堆放产品的包装箱。然而，当产品重量，或者所需跨域的距离进一步增加时，作业就变得更具挑战性了。这时候，龙门式机器人和机器人轨道开始发挥作用。

一个用于汽车轮胎堆垛的龙门架机器人系统的鸟瞰图

“有效载荷和工作空间是两个大的优势，”位于密歇根州Ann Arbor的 Güdel公司的副总裁Joe Campbell说。“我们的大悬臂可以处理的有效载荷高达5000磅。我们做了很多处理机车车轮和车轴的项目。当普通的机器人不能满足时，可以考虑大型龙门机器人。”

“还有一个是空间的问题，”他继续说。 “我们看到这个配送中心覆盖的面积非常大。只用一个机器人肯定不能满足要求，而且在轨道上加设多个机器人也不现实。”

大型工作区

今年年初，我们曾探讨过机器人在大型的配送中心的使用越来越多。

Güdel设计和制造了单轴和双轴系统用于机床的上下料。还有一些的单轴系统被用作穿梭工具或分度工具，或嵌入在机床上。Güdel的FP龙门架机器人按配置不同分别有3、4、5、6轴等配置。

“我们的产品还可以当作大型的操作工，” Campbell说。 “我们制造单轴到X轴的机构。在许多情况下，我们的龙门机器人都配置了多个运输架，彼此独立控制和操作（通常只有一个控制器）。”

Campbell表示，他们的系统可以适配多种控制器。 “我们的客户使用各种的控制器来控制我们的设备，有ABB的机器人控制器或PLC，以及来自像西门子和发那科等公司的专用运动控制器、CNC控制器等。”

“如果你看过龙门机器人，就知道其基本结构，有两条平行的轨道，然后上面有一座横跨的桥，桥上有一个Z轴方向的运输架，”Campbell坎贝尔解释说。“这两个长轨是X轴，桥是Y轴，然后运输架是Z轴。龙门架的好处是，我们可以把在给定的导轨上架设多个龙门架，每个龙门架都可以在整个工作区域独立运作。”

“龙门机器人有几大优势，特别是在码垛方面。” Campbell说。“首先，如果某个区域的工作量增加，可以在该区域同时使用两个龙门架。其次，如果你有某个龙门架需要进行维护，你可以将其放回端部的维修区进行维护，其余的龙门架可以处理整个区域。”

“可能吞吐量变少了，但你仍然在运行。而在传统的机器人单元，如果机器人熄火，你就什么都不用干了。”

“我们在轮胎行业已经有很多成功案例，” Campbell说。“轮胎首先在成型车间成型，然后按不同的型号和尺寸分类。分类车间差不多有半个足球场大小，在这里对轮胎进行分类码垛，最多可以放六个轮胎的高度。我们的龙门机器人负责将一个个的轮胎拿起来，放到合适的托盘上。到了出货时，则把整个的托盘运送出去。

更大的工作空间

今年八月，Güdel 推出了其第三代Trackmotion模块，这是一种用于扩大机器人工作范围单轴设备。有时也被称为第7轴，轨道可铺设在地面（TMF）或空中（TMO）。其他的制造商称之为RTU（机器人运输单元）。

“在种类多，批量小的码垛应用中，你可能会发现码垛机器人需要前前后后移动40-60英尺以堆垛多个托盘，” Campbell说。 “在包装方面，我们也开始看到很多小批量多种类的自动化应用，让机器人移动起来比起单个的机器人单元更有优势。”

“在轨道上的单个机器人的成本明显要比两个机器人低，后者需要两台机器人，两个抓手，两台控制器，两套安全系统，所有都是双份的，”他补充道。

Campbell表示，对机器人轨道的一个常见的误解是认为其大而笨拙。而且，这绝不是个案。 Güdel最新的轨道都采用一体化结构，整体更坚固，重量更轻，同时所需空间小，还采用了其它的一些设计改进。

“事实上，我们还有一个很有趣的使用空中轨道让机器人在包装站之间移动的柔性包装线方案。”他说。“在很多工厂中，不是所有的生产线都是每天运转。所以有很大一批的固定资产闲置在那里。我们发现，我们可以用空中轨道和地面轨道去解决这种问题，这在以前是不可能的。”

更高的投资回报，更小的占地面积

有些应用，机器人需要龙门架、轨道去生产，但在大多数应用中，往往只需要机器人就可以，例如只需一个独立的码垛单元。

独立的码垛单元用来处理各种形状，尺寸和重量的产品

“对于码垛，我们的客户对循环时间非常重视，这是一个很重要的因素，” 加拿大安大略省伯灵顿的Tech-Con自动化副总裁兼总经理Nino LaDuca说。

据LaDuca透露，Tech-Con在2008-09年时开始开发码垛线，当时由于经济衰退，传统汽车领域增长开始减慢。他们为汽车座椅生产商以及洗衣机，烘干机和洗碗机等家电制造商建造码垛为主的装配线。Tech-Con还为食品和饮料行业开发了标准和定制的码垛解决方案。

他表示，在食品和饮料行业的投资回报分析与汽车行业是不一样的。

“在汽车行业，费用和日常开销成本相比在食品和饮料要更高，因此对码垛应用的投资回报周期需要更长的时间。而食品和饮料的客户对于码垛的真正需要是确定的循环时间和预算，同时还有更小的占地面积。

独立的码垛单元可以解决这些预算和占用空间的挑战。

“我们的码垛单元，你可以将其放在仓库的任何角落，” LaDuca说。 “你几乎可以把用铲车将其抬起并搬走，非常容易部署。”

Tech-Con表示，其独立码垛单元减少了的定制设计，从而交货周期更短。同时由于模块化以及可扩展的设计方案也降低了成本，可以满足大多数码垛的需求。

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