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★貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司

越來(lái)越高的生產(chǎn)需求

飲料灌裝線的速度越來(lái)越高，以能夠在單位時(shí)間輸出更大的產(chǎn)能，進(jìn)而降低成本。為了提高效率，整個(gè)飲料從吹瓶、清洗、灌裝、旋蓋都是連線生產(chǎn)，而在旋蓋之后，就是貼標(biāo)。為了達(dá)到高度的協(xié)作，貼標(biāo)系統(tǒng)也同樣被要求大幅提高速度。

圓盤貼標(biāo)機(jī)是飲料后道的關(guān)鍵貼標(biāo)設(shè)備，考慮到現(xiàn)在的高速灌裝系統(tǒng)已經(jīng)能夠達(dá)到72,000~108,000瓶/小時(shí)的灌裝速度，這意味著后道的貼標(biāo)也必須與之匹配。否則生產(chǎn)線上就會(huì)產(chǎn)生較大的堆積。

另外，就是標(biāo)站的數(shù)量，像普通礦泉水，考慮成本則僅1個(gè)標(biāo)簽即可。而對(duì)于高端的礦泉水則通常會(huì)有兩個(gè)標(biāo)簽，而啤酒則通常會(huì)包括頸標(biāo)、背標(biāo)、正面標(biāo)簽三個(gè)標(biāo)站。當(dāng)然，也有標(biāo)簽為多工位，為了提升速度，例如對(duì)于速度大于60,000瓶/小時(shí)乃至108,000瓶/小時(shí)這個(gè)級(jí)別高速系統(tǒng)更多的托盤，則需要采用雙工位奇偶貼標(biāo)的方式進(jìn)行貼標(biāo)。

圖1 不干膠大圓盤貼標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)與流程

如圖1所示，貼標(biāo)機(jī)通常由送瓶螺桿將瓶子送入到星輪機(jī)構(gòu)，它會(huì)機(jī)械卡住瓶子并送入托盤。在進(jìn)入托盤后，托盤就會(huì)旋轉(zhuǎn)，以使得視覺(jué)系統(tǒng)可以檢測(cè)到瓶子，并知道該貼標(biāo)位置。然后，托盤要將這個(gè)貼標(biāo)位置與標(biāo)站進(jìn)行同步，并按照所需旋轉(zhuǎn)并使得瓶子進(jìn)入標(biāo)站時(shí)，觸發(fā)標(biāo)站的不干膠標(biāo)簽準(zhǔn)確的定位到貼標(biāo)起始位置，并隨著旋轉(zhuǎn)覆蓋整個(gè)標(biāo)簽位置。然后進(jìn)入第二標(biāo)站，再至第三標(biāo)站。最后，還有視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)貼完標(biāo)的標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)，如果不合格，則會(huì)將信號(hào)高速傳遞給剔除機(jī)構(gòu)，當(dāng)瓶子運(yùn)動(dòng)到該位置后剔除。

精密貼標(biāo)的復(fù)雜需求

對(duì)于貼標(biāo)而言，如圖2（a）這種瓶型為圓形，且對(duì)于貼標(biāo)起始位置沒(méi)有要求的，則是最為簡(jiǎn)單的。但是，如圖2（b）所示，如果出現(xiàn)了異形，如方形，則其貼標(biāo)位置，必須從一個(gè)固定位置起始，才能貼好。還有比較復(fù)雜的，像圖2（c）標(biāo)簽必須精準(zhǔn)地貼在瓶子上的凸起部分，或固定的某個(gè)形狀標(biāo)記處；這意味必須精準(zhǔn)的貼到指定的未知，而不能有偏差，否則，就會(huì)影響該產(chǎn)品的品質(zhì)形象。而更難的則是2（d）這種在凹進(jìn)去的部分貼標(biāo)，它的精度要求更高，因?yàn)榧词?.2mm的偏差，也會(huì)影響其形象。通常，對(duì)于高端的飲用水、白酒、橄欖油等而言，這種細(xì)節(jié)的偏差都會(huì)影響其品牌的品質(zhì)。因?yàn)?，?duì)于一個(gè)高端品牌而言，不僅產(chǎn)品要高端，整個(gè)產(chǎn)品的每一個(gè)細(xì)節(jié)都需要高品質(zhì)。

圖2 復(fù)雜的貼標(biāo)類型

圖2反映了常見(jiàn)的瓶子貼標(biāo)類型，當(dāng)然，真實(shí)的組合不止于此，因?yàn)閷?duì)于異形瓶，盡管它并不多見(jiàn)，但會(huì)給貼標(biāo)帶來(lái)復(fù)雜性的設(shè)計(jì)需求。

高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制

在這個(gè)高速貼標(biāo)系統(tǒng)中，輸送的螺桿、入瓶星輪盤、大圓盤的主軸電機(jī)、托盤電機(jī)、出瓶星輪多達(dá)30乃至60多個(gè)伺服軸，需要精準(zhǔn)的位置同步，才能實(shí)現(xiàn)高精度且高速的貼標(biāo)任務(wù)。貝加萊在該機(jī)器上采用了ACOPOSmotor系列的伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一體化的硬件系統(tǒng)，滿足以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)需求。

圖3 大圓盤灌裝系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

（1）緊湊的布局設(shè)計(jì)：由于大圓盤貼標(biāo)機(jī)少則18個(gè)，多則36/48/60組托盤需要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且要布局在機(jī)器的旋轉(zhuǎn)單元內(nèi)，因此其空間很狹窄，這就需要高緊湊型的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)接入。ACOPOSmotor是將伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)集成于一體，整體比較緊湊，專為食品飲料行業(yè)而設(shè)計(jì)。

（2）高防護(hù)等級(jí)：由于食品飲料行業(yè)需要沖水或液體濺射等情況，因此，HMI、驅(qū)動(dòng)等均需要高防護(hù)等級(jí)。ACOPOSmotor采用的是IP65防護(hù)等級(jí)的設(shè)計(jì)，可以直接安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)械本體內(nèi)。

（3）更少的接線：由于軸比較多，接線成本也會(huì)更高，因此，ACOPOSmotor采用了單電纜設(shè)計(jì)，即采用菊花鏈連接方式，接線成本大幅降低。

（4）滑環(huán)連接：整個(gè)伺服系統(tǒng)接在機(jī)器的旋轉(zhuǎn)圓盤內(nèi)部，與外部的動(dòng)力、信號(hào)、通信必須通過(guò)滑環(huán)連接。ACOPOSmotor的通信、動(dòng)力和信號(hào)都集成于一體，使得其可以方便地通過(guò)滑環(huán)連接。

如圖3所示，通過(guò)滑環(huán)連接，多達(dá)18/24/36/48或更多的伺服軸安裝于機(jī)器內(nèi)，并通過(guò)POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與主軸、星輪等外部伺服軸進(jìn)行高速協(xié)作。

另外，食品行業(yè)對(duì)于Gamp認(rèn)證，也需要更高防護(hù)等級(jí)和滿足食品環(huán)境的HMI，貝加萊的Panel PC有支持IP69K防護(hù)等級(jí)，且客體采用不銹鋼、純平面的面板設(shè)計(jì)，懸臂安裝的方式也滿足行業(yè)客戶的特殊需求。

托盤工站的電子凸輪曲線

除了運(yùn)動(dòng)控制的硬件系統(tǒng)特殊的設(shè)計(jì)需求—滑環(huán)連接，以及單電纜等。在軟件方面，貝加萊的mappMOTION庫(kù)也為機(jī)器的高速、高精度運(yùn)動(dòng)控制提供了便捷的開(kāi)發(fā)支持。

在圓盤貼標(biāo)里，最為重要在于每個(gè)托盤必須在多種情況下，確保與貼標(biāo)站的標(biāo)簽達(dá)到高精度的位置同步。如圖4所示，需要獲得一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度使得其剛好可以作為貼標(biāo)的起點(diǎn)，而另一方面，這個(gè)托盤在進(jìn)入貼標(biāo)區(qū)域的時(shí)候，它必須與貼標(biāo)頭保持線速度的一致，然后再去回零，整個(gè)過(guò)程根據(jù)貼標(biāo)尺寸的變化，是一個(gè)電子凸輪曲線（CAM）位置環(huán)控制，這個(gè)就需要托盤高速跟隨主軸，并且隨著貼標(biāo)尺寸規(guī)格的變化可以自動(dòng)計(jì)算凸輪曲線，并獲得光滑的切換能力。圖4則顯示了每個(gè)托盤都需要進(jìn)行的這一運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程。

圖4 托盤的檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制

ACOPOSmotor本身的電子凸輪曲線（AutoCAM）能夠達(dá)到極高精度，可以規(guī)避機(jī)械的精度不足，且能夠獲得非常光滑的曲線，確保低的機(jī)械沖擊。另外，在程序?qū)崿F(xiàn)上，可以多種靈活的觸發(fā)，編碼器、程序或時(shí)間觸發(fā)均可。

機(jī)器的功能性設(shè)計(jì)

在圓盤貼標(biāo)機(jī)中，針對(duì)冷膠、熱熔膠、不干膠標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)、自由配對(duì)，機(jī)械模塊化、電氣硬件模塊化，同時(shí)軟件也實(shí)現(xiàn)模塊化。

（1）配方存儲(chǔ)與切換：在該機(jī)器中，由于經(jīng)常需要重復(fù)生產(chǎn)，或者經(jīng)常變化尺寸規(guī)格、材料等，工藝配方可以進(jìn)行存儲(chǔ)并調(diào)用。

（2）缺瓶檢測(cè)：確保無(wú)瓶不貼標(biāo)，降低不必要的標(biāo)簽損耗，節(jié)省成本；

（3）自動(dòng)換卷、換標(biāo)、自動(dòng)接標(biāo)：可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，保持整個(gè)產(chǎn)線的高OEE運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，并可以對(duì)OEE狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算并記錄。

數(shù)字化集成

除了在機(jī)器本身控制方面的設(shè)計(jì)，貝加萊的mapp數(shù)字化模塊，也讓機(jī)器能夠提供更強(qiáng)的數(shù)字化集成能力，在圓盤灌裝及其他食品飲料設(shè)備中，這些模塊也被廣泛應(yīng)用。

（1）mappOEE

食品飲料的生產(chǎn)企業(yè)，尤其關(guān)注OEE這個(gè)指標(biāo)。在貝加萊mapp中OEE可以獲取機(jī)器相關(guān)的速度、運(yùn)營(yíng)時(shí)間、良品計(jì)數(shù)等參數(shù)，提供OEE計(jì)算的支持。

（2）mappRecipe

在貼標(biāo)機(jī)中，機(jī)器的各種工藝配方（尺寸規(guī)格、機(jī)械傳動(dòng)參數(shù)）均可被配置，并在機(jī)器運(yùn)行中由操作人員進(jìn)行配置。隨著機(jī)器變得更為復(fù)雜，需要對(duì)各種控制工藝、產(chǎn)品規(guī)格等進(jìn)行配方管理，而在這里mappRecipe可以讓機(jī)器的開(kāi)發(fā)者快速配置出更好的機(jī)器。

（3）mappUserX

對(duì)于工廠的機(jī)器而言，它需要考慮安全性，那么，對(duì)于不同的人，它就會(huì)需要不同的訪問(wèn)權(quán)限。mappUserX可以建立這樣的“角色”，這來(lái)自于OPCUA的角色分配。因?yàn)榛诿嫦蚍?wù)的架構(gòu)，數(shù)據(jù)作為一項(xiàng)服務(wù)獨(dú)立于用戶。

mappUserX可以對(duì)機(jī)器的相關(guān)人員進(jìn)行權(quán)限管理，加密與授權(quán)訪問(wèn)。制造避免未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。在食品飲料這樣的行業(yè)尤為關(guān)鍵，它必須符合21CFRPart11的認(rèn)證，以獲得不可篡改的電子簽名認(rèn)證。

其它mapp如mappAlarmX用于對(duì)機(jī)器的報(bào)警進(jìn)行記錄、呈現(xiàn)與報(bào)告。mappReport可以生成機(jī)器的報(bào)表，以PDF、CSV等不可篡改形式提供。

精彩觀點(diǎn)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司技術(shù)傳播經(jīng)理 宋華振

記者：貝加萊近年來(lái)在食品飲料行業(yè)發(fā)展情況如何？您認(rèn)為當(dāng)前食品飲料行業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)正發(fā)生著哪些變化，呈現(xiàn)出哪些特點(diǎn)？

宋華振：食品飲料市場(chǎng)是貝加萊最為成熟、業(yè)績(jī)最為廣泛的領(lǐng)域，尤其是在飲料灌裝領(lǐng)域，基本上國(guó)際國(guó)內(nèi)的主要設(shè)備制造商，均采用貝加萊的系統(tǒng)。這與貝加萊在包裝領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)、業(yè)績(jī)緊密相關(guān)。食品飲料包裝領(lǐng)域最為顯著的特點(diǎn)就是“變化”，因?yàn)楫a(chǎn)品的規(guī)格、工藝、流程千變?nèi)f化，這使得食品飲料包裝是一個(gè)對(duì)于系統(tǒng)靈活性設(shè)計(jì)、模塊化能力具有特別高要求的領(lǐng)域。

食品飲料領(lǐng)域一直以來(lái)都是變化比較大的領(lǐng)域，只是當(dāng)前這種變化加劇，更為明顯。例如，現(xiàn)在的復(fù)合型飲料就超出想象，果汁+牛奶、咖啡+牛奶、茶+果汁等，這些使得飲料的組合變得更為豐富。這就對(duì)灌裝、包裝設(shè)備也產(chǎn)生了非常大的挑戰(zhàn)。因此，為了提供更為靈活的生產(chǎn)，在自動(dòng)化領(lǐng)域，像柔性輸送技術(shù)就開(kāi)始進(jìn)入了產(chǎn)線規(guī)劃中，貝加萊的ACOPOStrak就是為了這樣的場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)在眾多的飲料企業(yè)得到應(yīng)用。

記者：貝加萊為食品飲料行業(yè)提供的產(chǎn)品或者解決方案具有哪些特色或優(yōu)勢(shì)？

宋華振：眾所周知，在自動(dòng)化行業(yè)，貝加萊是一個(gè)“方案導(dǎo)向型”公司。貝加萊的產(chǎn)品技術(shù)都是源自行業(yè)的需求，最初可能源自某個(gè)大的客戶需求，然后有更多的該領(lǐng)域用戶的共性需求，匯集這個(gè)共性為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

首先，在硬件上，針對(duì)食品飲料行業(yè)的防護(hù)等級(jí)，貝加萊的PanelPC有專門IP69K防護(hù)等級(jí)的產(chǎn)品，就是為飲料、制藥等領(lǐng)域的機(jī)器設(shè)計(jì)的。而ACOPOSmotor伺服驅(qū)動(dòng)與電機(jī)一體，也是為了食品飲料行業(yè)設(shè)備空間緊湊、防護(hù)等級(jí)要求高，它是IP65防護(hù)等級(jí)，并且采用了“單電纜技術(shù)”，即，通信、動(dòng)力和信號(hào)都被集成在一根電纜中，這樣可以像以太網(wǎng)一進(jìn)一出的連接方式擴(kuò)展，大幅降低接線，因?yàn)樵诤芏嘣O(shè)備上往往數(shù)十個(gè)伺服軸。而為了響應(yīng)高速灌裝電子閥控制，貝加萊還有專門的閥島控制器。包括1微秒級(jí)的reACTION功能，也是為了高速的I/O需求而設(shè)計(jì)。

在軟件層面，針對(duì)食品飲料的特殊行業(yè)需求，貝加萊包含色標(biāo)、張力、溫控、電子凸輪裁切、稱重等功能塊集成。其實(shí)，食品飲料類設(shè)備，基本上都是由這些功能構(gòu)成，例如物料稱重與填充、材料放卷、熱封裁切，吹瓶溫控、貼標(biāo)的凸輪曲線等，機(jī)器都會(huì)由不同的工藝模塊搭建，貝加萊積累了數(shù)十年該領(lǐng)域的機(jī)器應(yīng)用模塊，讓客戶可以快速搭建機(jī)器的軟件。其它的還包括這個(gè)領(lǐng)域?qū)Ｓ械男枨?，貝加萊的mapp中包括mappPackML針對(duì)包裝領(lǐng)域的設(shè)備連接規(guī)范、mappAudit針對(duì)食品飲料、制藥行業(yè)的審計(jì)追蹤需求、mappOEE針對(duì)產(chǎn)線的設(shè)備綜合效率統(tǒng)計(jì)。

記者：在智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)下，您認(rèn)為食品飲料行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在哪些方面？對(duì)此，貝加萊有哪些針對(duì)性的策略解決？

宋華振：所以，食品飲料行業(yè)的挑戰(zhàn)一直存在，當(dāng)前的趨勢(shì)是時(shí)間粒度更小、組合更多、批量卻又更小。對(duì)于制造生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，個(gè)性化會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)下降（不良品率大幅上升）、交付能力下降。因此，過(guò)去、今天、未來(lái)，我們都要致力解決這些問(wèn)題。

貝加萊前瞻性地觀察道這一行業(yè)趨勢(shì)，結(jié)合用戶需求，在2019年即推出ACOPOStrak柔性輸送，它可以在產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分流、合流，通過(guò)動(dòng)子的任意組合形成產(chǎn)品的變化，取消過(guò)去的螺桿送瓶機(jī)構(gòu)，并可以在機(jī)器間形成有序隊(duì)列，同步的連續(xù)生產(chǎn)，由于沒(méi)有太多機(jī)械的磨損，可以大幅提高產(chǎn)品的后道組裝效率。并且，在2022年推出更為靈活的ACOPOS 6D，在日化、制藥領(lǐng)域已經(jīng)為客戶所采用。

另外，貝加萊在2022年還推出并聯(lián)型機(jī)器人，其是為食品飲料、制藥行業(yè)等潔凈度要求高的領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的機(jī)器人，主要用于撿取、分類，因?yàn)檫@是食品飲料行業(yè)的主要場(chǎng)景。

除了在硬件上的組合擴(kuò)充，貝加萊還針對(duì)食品飲料強(qiáng)化了智能軟件方面的研發(fā)，包括智能的配料稱重、液體稱重、在貼標(biāo)機(jī)上集成視覺(jué)缺陷檢測(cè)。針對(duì)機(jī)器的關(guān)鍵零配件的預(yù)測(cè)性維護(hù)M.Doctor的開(kāi)發(fā)。并且，針對(duì)ACOPOStrak增強(qiáng)了其軟件、在線任務(wù)檢測(cè)、調(diào)度等方面的能力。

未來(lái)，貝加萊仍將聚焦在“柔性輸送技術(shù)”，我們確信，ACOPOStrak、ACOPOS 6D技術(shù)的確能夠?yàn)槭称凤嬃瞎I(yè)帶來(lái)“變革”，因?yàn)樗淖兞嗽械膹?fù)雜產(chǎn)線設(shè)計(jì)，并且使得“軟件定義制造”成為可能。此外，貝加萊將會(huì)繼續(xù)結(jié)合包裝領(lǐng)域用戶應(yīng)用，開(kāi)發(fā)更為靈活易用的功能，如mappTrak就是為了讓軌道編排任務(wù)更為方便而設(shè)計(jì)的，我們還有很多正在整合中的技術(shù)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年5月刊