自動包裝機的技術應用及工作原理
自動包裝機的技術應用及工作原理
自動化水平在制造工業中不斷提高，應用范圍正在拓展。包裝行業中自動化操作正在改變著包裝過程的動作方式和包裝容器及材料的加工方法。實現自動控制的包裝系統能夠極大地提高生產效率和產品質量，顯著消除包裝工序及印刷貼標等造成的誤差，有效減輕職工的勞動強度并降低能源和資源的消耗。
一、自動包裝機自動包裝的作用
具有革命意義的自動化改變著包裝的制造方法及其產品的傳輸方式。設計、安裝的自動控制包裝系統，無論從提高產品質量和生產效率方面，還是從消除加工誤差和減輕勞動強度方面，都表現出十分明顯的作用。尤其是對食品、飲料、藥品、電子等行業而言，都是至關重要的。自動裝置和系統工程方面的技術正在進一步深化，并得到更廣泛的應用。
機器人學(Robotics)已經改變了人機的共存方式。自動包裝的關鍵在于依據生產加工或包裝過程，設計出一個能夠得以實現自動控制的結構方案。顯然，自動裝置(機械手或機器人)的選擇取決于這一過程的需求及特性。依據定義，一個自動裝置即是能通過自動控制或遙控方法完成任務的一臺機器或一個機構。它可以是簡單的，例如，從一個位置移向另一位置的一種單軸結構的氣動壓力聯動裝置;也可以是復雜的，例如，具有六軸結構的能動外科手術的機器人。包裝過程的各個項目選擇以及各類工業自動化機構，可以在一個具體工作場所的空間范圍內，使每一個設計方案完成一項任務。
目前，自動裝置的結構型式是多種多樣的。例如，可以滿足某一項具體操作的需求。工業機械手的結構特點都處在單軸與六軸之間。根據這種軸結構的性能，機械手“臂”的設計在運動可控程序下，操作一個端部操作器或臂端工具。軸的數量代表了機械手臂的“自由度”。另外，還有輔助臂。例如，傳送帶的軸等，但它們通常不是以機械方式與機械手主臂相聯結的。對于不同機械手形式，一般都是根據其“x”、“y”、“z”三個主軸組成的坐標系來分類的。大多數機械屬于下述五種基本類型之～：笛卡爾或直角坐標系、圓柱面坐標系、旋轉式或鉸鏈式坐標系、球面或極坐標系和柔選工組合型機械手(SCARA)。
二、自動包裝機自動功能的外部設備
一個完整的自動化結構方案由很多部件組成，其中，端臂操作工具、材料運送裝置和識別/驗證系統是主要組成部分。
1、臂端操作工具
機械手就是利用與其端部聯接的裝置從一個位置移到另一位置的一種工具。臂端操作工具，即端部操作器，是用來抓取產品、定向移動和感受性能參數的一個部件。在包裝應用中，端部操作器通常設計成能直接使用的真空套、夾緊爪或兩者結合的型式。它們的結構方案可以從單一型的真空套到系列型真空套或夾緊爪的排列式結構等。
2、材料輸送裝置
材料運送及處理裝置是在傳動和制造過程中，為產品的輸送、儲運和控制時自動移動所需要的某些類型的設備。其中包括動力傳送帶、單軌吊車、自動導向車和機械手等。在包裝過程中，需要考慮材料運送處理的因素有：產品形狀、重量及材料性質;在運輸、包裹及裝載期間產品的運速、距離和方向;與其他裝置進行聯接時所需控制水平以及如果需要時允許重新形成構件的機動靈活性。一種典型的材料運送及處理系統包括：帶型輸入傳送器、貼標機、條碼閱讀器、自動裝置和輸出傳送器。一個用戶圖形界面提供了描繪出托盤堆碼形式的容易操作的平臺。根據控制生產的工件數量，機械手抓取、定向移動和安放(堆碼)每個包裝容器(箱、盒、桶和罐等)在正確的托盤位置上。
3、識別及驗證系統
識別、驗證和精確跟蹤產品的能力已經成為整個包裝系統不可缺少的環節。識別方法可以使用傳統的條碼到無線電射頻(RF)傳感器，它們能夠跟蹤托盤或全部產品。聯機的條碼印刷及驗證也是必要的。能夠提供有效可靠手段，確保產品質量的可視技術(Vision technology)可用于包裝的很多場合，例如，產品的檢測和定向、充填水平及計數、光學貼標、文字識別、貼標文案驗證、標貼記錄以及全部文字和圖形的驗證(離開生產線)等。條碼系統通過產品型式、日期/區碼和制造廠名為印前或聯機的印刷工序識別產品。條碼掃描儀和視頻識別系統記錄并驗證產品標貼以確保識別的完整性。一種典型的可視條碼檢測能力可以確認每個條碼對應于每種產品。
三、自動包裝機自動包裝的過程
實現包裝自動化，首要和重要的一步就是定義過程。一項專業的工作項目是根據過程的特點，而不是根據自動化設備來確定設計方案。在定義這一過程時，需要考慮的三項關鍵因素是產品及包裝結構形式、生產總量和勞力人力因素。
1、產品/包裝結構形式
產品/包裝的結構設計直接影響到所需自動操作器和材料運送處理的形式。產品/包裝的結構尺寸、形狀、材料和重量將決定端部操作器的結構設計方案和自動器有效載荷的需求。具有復雜形狀特征的包裝件結構設計，如橢圓形包裝容器比標準的圓形或方形包裝件具有更困難的定向問題。增加系統復雜性的定向需求，應在加工實施以前進行仔細研究和分析。在進行充填箱盒的情況下，機械手端部自動操作器一般都提供一種工序，即能夠抓住足量的產品，一次性充填一個完整的箱盒。這樣，使得自動操作器的移動距離盡可能減少并保持傳送帶或生產線上的產品連續行進。
2、產品生產通過量
促進包裝自動化設計的主要動力在于產品生產總的通過量。生產線的速度越快，應用自動抓手和分類裝置有助于降低自動器的工作負荷，而跟隨包裝件的標準自動器可能會越少。生產線速度不但影響到處理產品的自動化裝置，對貼標操作和可視檢驗也有影響。為了達到有效可視檢測技術，必須表明幾項相關問題。其中包括：零件圖形一致性、檢測可重復性、傳遞速度一致性(例如生產線的波動情況)、需要完成檢測的數量和合適的軟件程序等。這些因素突出地影響到一個可視系統的形式和成本。按一般規則，如需檢測的數量越多，視頻運轉速度就越快，這樣就會導致更復雜更昂貴的結構方案。當視頻裝置與自動機構組合成一體后，整個自動器就能連續一致地并以可重復方式實現包裝件的定向和展現。
3、勞力或人力因素
自動化包裝設備的運行是管理、工程和生產各部門之間不斷有效的合作、交流、互動創造的成果。所有相關人員及技術部門必須集合在一個緊密團結的集體中——這個集體按照制訂的工作過程共同行動一一以同一目標為動力、以戰略方式體現出一種凝聚力。
四、自動系統的項目管理
如前所述，自動化結構方案總是基于良好設計的完整過程。這就需要一個具有一定管理水平的項目，此項目確保所有相關問題均已進入設計中。在研制一個自動化方案時，首先要建立好隊伍。這支隊伍應包括包裝過程中各個部門的代表——采購、投資、質保、工程、生產、后勤、保健、安 全、管理以及與賣方的系統協調。內部和外部用戶須形成伙伴關系。
例如，系統的協調管理者必須成為集體中的一分子。賣方應成為包裝質量管理過程中的組成部分。這樣，每個人都制訂有明確的要求，都能遵循這些要求，并且能評價并糾正不規范之處。其次是制訂包裝系統的規范和要求。這些構成發展為一個詳細系統設計的主要框架。最好的辦法是同賣方協同工作，創造出一個“功能性設計規范”，使其同時滿足公司和賣方兩者的要求。規范應該詳細確定諸如運行速度和檢測方法等項目的指標，但還不是能達到的具體硬件或軟件模型。沒有專家或協調者參與的輸入信息，有可能造成過度性規范，會限制設計創新和技術發展。一項優良的規范將使一個過程和項目在目標上有清晰明確的表達和理解，并且可以作為有效的包裝過程的開始。
系統規范提供了一個方案性研制的系統框架。方案設計，或稱初步設計或預備方案，是用來說明包裝過程或系統將如何解決項目規范中具體的規定和要求。方案設計時常是制造廠方和自動線賣方之間的聯合工作，其內容是多方面的，可以從簡單的二維圖形直至主體的三維圖形等。
對于自動化技術的理論須有深刻的理解，而自動控制包裝的規范及準則仍然是以實施過程為基礎。成功的自動化可以歸結為以下幾個方面：
1、管理方面
通過管理形成一個具有凝聚力的集體，其中包括被賣方所確認的項目運行是穩定的和可行的。須認識到，人員素質的影響程度將超過技術因素。在制訂工作計劃時，要以每周而不是每日進行預測，以便及時修正失誤之處并加以完善。
2、主動性方面
過程是每個人員獲得成功工作的結果。技術人員和生產工人須要了解所生產的機器，而他們本身就是操作和維護機器并使其處于正常生產的關鍵。
3、培訓方面
來自生產線組織的教育和評估將會減小過程運行中的阻力。關鍵崗位上的工程師和技術人員，在機械產品交貨裝運之前，應利用一段時間與包裝系統協調管理人員一起進行培訓。
4、協調性方面
像所有人際關系問題那樣，與賣方關系達到充分協調需要時間和耐心。賣方受到滿足客戶要求的挑戰。所以，精心確定的規范要求將有助于保證項目的成功。一個制造商肯定會小心謹慎，項目的變更必須由雙方批準并用書面文件加以確認。