Na sprawnie realizowane procesy pakowania w przemyśle składa się przynajmniej kilka czynników. Coraz częściej wykorzystywane są do tego roboty. Trzeba mieć na uwadze odpowiednie oznaczenia opakowań. Dużym uznaniem cieszą się systemy wizyjne. Przy pakowaniu materiałów sypkich bardzo często zastosowanie znajdują natomiast wagopakarki.
Wciąż przybywa rozwiązań związanych z automatyzacją procesów pakowania, również na naszym rynku. W niniejszym artykule przyjrzymy się kilku aspektom stosowanych obecnie technologii.
Roboty w procesach pakowania
Dużą popularnością w przemyśle cieszą się roboty paletyzujące, pakujące, depaletyzujące oraz komórki robotyczne (robotic cells), przeznaczone do paletyzowania lub pakowania. Do procesów tego rodzaju używa się robotów typu pick & place, zrobotyzowanych technologii pakowania oraz paletyzatorów, depaletyzatorów i maszyn pakujących. Przydatne rozwiązanie stanowią roboty przeznaczone do transportu i załadunku palet. Dzięki specjalnym robotom palety mogą być owijane i taśmowane, stąd też warto zwrócić uwagę nie tylko na owijarki, ale i roboty przeznaczone do nakładania opasek, a także urządzenia do taśmowania, foliowania, kapturowania i obciągania folią. Niejednokrotnie w przemyśle są używane tunele i pistolety obkurczające.
Kluczową rolę w procesach robotycznego pakowania odgrywają kwestie chwytania i przenoszenia produktów. Biorąc pod uwagę budowę jednostki kinematycznej, roboty używane w przemyśle dzieli się na monolityczne i modułowe. Monolityczne cechują się niezmienną konstrukcją mechanizmu, która w ograniczonym zakresie może być uzupełniana o komponenty takie jak chwytak czy narzędzie lub zespół ruchu. Wady rozwiązań tego typu wynikają z ograniczonej elastyczności. Jednostki modułowe są z kolei złożone z dostarczonych przez producenta gotowych zespołów ruchu. Ograniczenia wynikają jedynie z właściwości mechanicznych i dynamicznych dostarczonych modułów. W razie potrzeby jest możliwa wymiana niektórych podzespołów ruchu.
Ze względu na strukturę kinematyczną roboty przemysłowe dzieli się na stacjonarne i mobilne. W ramach robotów stacjonarnych zastosowanie znajdują modele z równoległą i szeregową strukturą kinematyczną (z otwartym łańcuchem kinematycznym), kartezjańskie, cylindryczne, SCARA (Selectively Compliant Assembly Robot Arm), sferyczne oraz przegubowe (antropomorficzne). Urządzenia mobilne to z kolei maszyny poruszające się po stałym torze oraz autonomiczne roboty mobilne.
Roboty kartezjańskie cechują się prostokątnym układem współrzędnych i prostopadłościenną przestrzenią ruchu. Cylindryczne wyposaża się w jeden obrotowy zespół ruchu i dwa liniowe. Oprócz tego przewidziano w nich walcowy układ współrzędnych i cylindryczną przestrzeń ruchu. Zmienne przegubowe są jednocześnie współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy. Przestrzenią roboczą jest niepełny cylinder.
Roboty typu SCARA to modele z trzema osiami równoległymi ? dwiema o ruchu obrotowym i jedną o ruchu postępowym. Ich zastosowanie obejmuje linie technologiczne odpowiedzialne za montaż elementów i podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali i następnie ich sortowanie.
W robotach sferycznych przewidziano jeden liniowy zespół ruchu i dwa obrotowe. Roboty przegubowe (antropomorficzne) bazują na trzech obrotowych osiach. W przypadku robotów z równoległą strukturą kinematyczną przewidziano odpowiednio zaprojektowane ramiona. To właśnie dzięki nim jest możliwe ustawienie pozycji i orientacji ruchomej platformy. W robotach tego typu uwzględnia się trzy ramiona lub sześć ramion wprowadzających oraz odpowiednio trzy lub sześć stopni swobody. Ruchomą platformę wyposażono w efektor z dodatkowym stopniem swobody, umożliwiający np. obrót. Roboty tego typu cieszą się dużą popularnością przede wszystkim w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i elektronicznym. Roboty równoległe w porównaniu z szeregowymi wyróżnia większe dopuszczalne obciążenie i sztywność.
Wymagania wobec rozwiązań automatyki wykorzystujących roboty i manipulatory są zróżnicowane i złożone. Coraz mniejsze rozmiary partii produkcyjnych oraz rosnąca liczba wariantów produktów wymagają szybszych czasów przezbrajania przy jednocześnie wciąż efektywnej kosztowo produkcji. Koszty jednostkowe inwestycji powinny być rozważone także pod kątem możliwej do uzyskania większej wydajności. Standardowe systemy manipulacyjne typu H (operacja w przestrzeni płaskiej X-Y) i typu T (praca w układzie Y-Z) pochodzą z grupy bardzo wydajnych rozwiązań, pozwalających uzyskać najkrótsze czasy cyklu ruchowego. Dostarczany pakiet automatyki jest zoptymalizowany pod kątem sprostania wymaganiom dynamicznym, odznaczając się jednocześnie łatwością konfigurowania z wykorzystaniem specjalizowanego sterownika wieloosiowego. Portale typu H i T zostały zaprojektowane do dynamicznego pozycjonowania w przestrzeni przedmiotów o masie do 3 kg, z wysoką precyzją. Coraz częściej w nowoczesnych układach automatyki stosuje się inteligentne systemy umożliwiające adaptację układu manipulacyjnego do zmieniających się warunków pracy.
Badania rynkowe potwierdzają wzrost zainteresowania robotami do pakowania i paletyzacji. Najnowszy raport Międzynarodowej Federacji Robotyki (IFR), ?Industrial Robots 2016?, wskazuje, że w Polsce w latach 2014?2015 dostawy robotów przeznaczonych do aplikacji paletyzacji zwiększyły się o 188%, zaś do obsługi operacji pakowania i pick & place wzrosły o 35%.
Z naszej redakcyjnej ankiety, przeprowadzonej na potrzeby raportu ?Pakowanie i paletyzacja? (Control Engineering Polska 1/2017), wynika, że zdaniem 45% ankietowanych użytkowników w ich zakładach w liniach pakowania/paletyzacji najczęściej wykorzystywane są roboty średnie, o udźwigu od 6 do 100 kg. W zakładach ok. 40% respondentów stosuje się roboty duże, mające udźwig powyżej 100 kg, a w ok. 20% przedsiębiorstw ? małe, o udźwigu nie większym niż 6 kg.
Z informacji udzielonych przez ankietowanych wynika, że automatyzacja pakowania/paletyzacji w ich firmach opiera się na robotach przemysłowych (42%) albo manipulatorach (17%), lub też zarówno na robotach przemysłowych, jak i manipulatorach (34%).
Oznaczanie opakowań
Systemy oznaczania są istotne w wielu procesach produkcyjnych, przy czym konkretną technologię znakowania dobiera się ściśle pod kątem określonej technologii wytwarzania.
Sterowanie systemem oznaczania najczęściej odbywa się za pomocą komputera PC lub sterownika PLC. Niejednokrotnie urządzenia oznaczające pracują samodzielnie.
Interesującymi rozwiązaniami są aplikacje, w których systemem oznaczania zarządza się poprzez smartfon. Dla skutecznego działania systemu oznaczania niezbędna jest szybka i skuteczna identyfikacja. Odczyt może być wzrokowy lub automatyczny. W tym drugim przypadku uwzględnia się skanery, czytniki oraz kamery.
W procesie oznaczania niejednokrotnie zastosowanie znajduje technologia RFID (Radio Frequency Identification), wykorzystująca odczyt i zapis danych oparty na falach radiowych. Używane są przy tym urządzenia elektroniczne przytwierdzone do kontrolowanego materiału. Kompleksowy system składa się z czytnika zawierającego nadajnik wysokiej częstotliwości i dekoder. Ważny jest również transponder, w praktyce nazywany znacznikiem lub tagiem. W zależności od sposobu zasilania tagi mogą przybrać postać urządzeń aktywnych lub pasywnych. Jeżeli transponder pobiera energię niezbędną do jego zasilania z pola elektromagnetycznego czytnika, to mowa jest o tagu pasywnym. W przypadku własnego źródła zasilania tag ma charakter aktywny. Operacja odczytywania informacji polega na zbliżeniu czytnika do tagu. Wygenerowane pole elektromagnetyczne dekoduje zawartość znacznika. Technologia RFID wykorzystuje najczęściej częstotliwość 125 kHz, co pozwala na odczyt z odległości do 0,5 m. Bardziej rozbudowane systemy, o częstotliwości 13,56 MHz, zapewniają zasięg do kilku metrów.
Nie mniej ważne przy oznaczaniu są systemy kodów kreskowych bazujące na kilkudziesięciu odmianach i rodzajach kodowania. Poszczególne rodzaje kodów kreskowych odróżnia przede wszystkim wygląd i zastosowanie. Najprostsze kody stanowią wersje jednowymiarowe, w których o standardzie odczytu decyduje zbiór kresek oraz połączeń między nimi. Informacja zawiera litery, cyfry bądź ich kombinacje. Dodatkowo kod obejmuje znaki sterujące, a także cyfry kontrolne. Metoda odczytu opiera się na odbijaniu fal świetlnych od powierzchni płaskich oraz absorbowaniu światła przez powierzchnie zaczernione. Czytniki, generując wiązkę świetlną, analizują odbite światło i konwertują je na sygnał elektryczny.
Systemy wizyjne
W kwestiach związanych z pakowaniem coraz większe zainteresowanie budzą systemy wizyjne umożliwiające lepszą niż dotąd kontrolę jakości produktów. Czujniki wizyjne mają wbudowany układ analizy obrazu, oświetlacz, optykę oraz odpowiednie wejścia i wyjścia, tak aby zapewnić inspekcję wizyjną. Jako zalety sensorów tego typu należy wymienić przede wszystkim stuprocentową kontrolę jakości z możliwością wykonywania szybkich pomiarów bez potrzeby zatrzymywania maszyn produkcyjnych. Zwraca się uwagę na intuicyjną i elastyczną pracę z możliwością definiowania podstawowych parametrów użytkowania, takich jak przestrzeń działania czy odległość. Z kolei dzięki modułowej budowie aplikacja może być łatwo rozbudowana o dodatkowe elementy i narzędzia kontrolne.
Najprostszymi urządzeniami znajdującymi zastosowanie w kontroli wizyjnej są czujniki wizyjne. Niektóre aplikacje bazują na inteligentnych kamerach wizyjnych, które mogą już samodzielnie przeprowadzić kompleksową kontrolę wizyjną. Najbardziej zaawansowanymi rozwiązaniami są kamery wizyjne współpracujące ze specjalistycznym oprogramowaniem zainstalowanym na komputerze PC. Oprócz tego jest możliwa współpraca z innymi urządzeniami automatyki ? np. sterownikami PLC.
Na etapie projektowania nowoczesnych systemów wizyjnych stawia się na duże prędkości przetwarzanego obrazu, a odpowiednie funkcje mogą badać kąt obrotu. Niejednokrotnie zastosowanie znajduje funkcja OCR. Oprócz tego przydatne rozwiązanie stanowią złącza przeznaczone do podłączenia dwóch kamer oraz gniazdo kart CompactFlash, pozwalających na przechowywanie obrazów i danych. Wiele funkcji w czujniku jest w stanie zaprogramować się samoczynnie, w zależności od potrzeb aplikacji. W czujnikach zazwyczaj wykorzystuje się metody pomiarowe, takie jak porównywanie sceny z zapisanym w pamięci wzorcem, detekcję obecności, położenie kształtu i typu obiektów, a także badanie: jasności obszarów, niejednorodności powierzchni, obecności ciągu znaków i szerokości obszarów (wykrywanie krawędzi) oraz wykrywanie brakujących liter, pomiar powierzchni według koloru i zliczanie liczby elementów.
Specjalistyczne oprogramowanie nadzoruje nie tylko pracę czujnika. Steruje bowiem obsługą oświetlenia, filtrowaniem itp., a w niektórych modelach uwzględniono wyjście do monitora oraz konfigurowanie przez sieć Ethernet. Dzięki współpracy systemu wizyjnego z aplikacjami komputerowymi w sposób automatyczny tworzone są bazy danych oraz statystyki dotyczące jakości. Aplikacje komputerowe, bazując na informacjach pozyskanych z systemów wizyjnych, są w stanie dokumentować kontrolę zgodnie z przyjętymi kryteriami.
Wagopakarki
Jeśli chcemy zważyć materiał, a następnie przetransportować go odpowiednią instalacją do systemu napełniającego opakowania, używamy do tego celu wagopakarki ? dozownika wagowego, w którym proces ważenia odbywa się automatycznie. Budowa typowej wagopakarki bazuje na zbiorniku z uchylnym dnem. Zważona porcja jest wsypywana do worka, a po zakończeniu napełniany worek może być zwalniany manualnie lub samoczynnie. Z pewnością przyda się również funkcja zliczania napełnianych worków. Do dyspozycji operatora pozostaje licznik bieżący i dzienny. Niektóre modele wagopakarek są przystosowane do napełniania worków wentylowych. Stąd też zastosowanie znajdują specjalne przystawki wyposażone w szybkoobrotowy podajnik ślimakowy. Ważny jest przy tym system ubijania napełnionego worka. W niektórych systemach ubijania uwzględnia się łożyska wahliwe, a więc poziom hałasu jest zminimalizowany.
W wagopakarkach istotną rolę odgrywają: licznik porcji oraz sumy masy (niekasowalny), możliwość wprowadzenia kodu towaru, kodu operatora itp., a także zegar czasu rzeczywistego. Nowoczesne urządzenia bazują na sterowaniu za pomocą ekranów dotykowych i aplikacji wizualizacyjnych. Ponadto można podłączyć drukarkę w celu wydrukowania wszystkich danych.
O tym, jaka w wagopakarce będzie uwzględniona technologia transportowania materiału, decydują przede wszystkim jego rodzaj oraz właściwości wpływające na proces ważenia, transportowania i pakowania.
Za pomocą przenośników ślimakowych ? zarówno jedno-, jak i dwuwałowych ? transportowane są materiały takie jak mąka, koncentraty paszowe, prefiksy itp. Podajniki tego typu zazwyczaj wykonuje się ze stali nierdzewnej. Istotną rolę odgrywa dwustopniowe dozowanie (zgrubne i precyzyjne), przy wadze zapakowanych worków mieszczącej się pomiędzy 2 a 25 kg. Z kolei pneumatyczne systemy transportowe znajdują zastosowanie w procesie pakowania towarów w worki wentylowane. W szczególności chodzi o materiał taki jak parafina, pylisty PCW, suche betony z dużą zawartością piasku i kruszywa, a także siarka, fosforaty, mąka czy też gips. Zakres ważenia zazwyczaj mieści się pomiędzy 10 a 25 kg. Dodatkowo można zastosować system automatycznego zrzutu worków.
W procesie związanym z pakowaniem worków otwartych i wentylowanych o masie od 10 do 25 kg zazwyczaj uwzględnia się technologię grawitacyjnego transportowania materiału. W szczególności chodzi o materiał w postaci nawozów granulowanych, zboża, piasku kwarcowego, a także kruszywa, soli, cukru, ryżu czy granulowanych tworzyw sztucznych. W konstrukcjach tego typu bardzo często przewiduje się zastosowanie stali węglowej lub kwasoodpornej. Nie mniej ważna jest przy tym waga elektroniczna z systemem dozowania dwustopniowego oraz ręczny lub automatyczny zrzut worków.
Jeżeli konieczne jest transportowanie materiałów pylistych, warto zastosować rozwiązania turbinowe, które pozwalają na zasypywanie worków wentylowanych w zakresie od 5 do 25 kg. Tym sposobem zazwyczaj transportowane są: cement, wapno, gips, kleje do glazury, suche zaprawy tynkarskie itp.
Autor: Damian Żabicki jest dziennikarzem, redaktorem, autorem zajmującym się tematyką techniczną i przemysłową, a także specjalistą public relations firm z branży technicznej.
