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★貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司

越來越高的生產(chǎn)需求

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

圓盤貼標機是飲料后道的關鍵貼標設備，考慮到現(xiàn)在的高速灌裝系統(tǒng)已經(jīng)能夠達到72,000~108,000瓶/小時的灌裝速度，這意味著后道的貼標也必須與之匹配。否則生產(chǎn)線上就會產(chǎn)生較大的堆積。

另外，就是標站的數(shù)量，像普通礦泉水，考慮成本則僅1個標簽即可。而對于高端的礦泉水則通常會有兩個標簽，而啤酒則通常會包括頸標、背標、正面標簽三個標站。當然，也有標簽為多工位，為了提升速度，例如對于速度大于60,000瓶/小時乃至108,000瓶/小時這個級別高速系統(tǒng)更多的托盤，則需要采用雙工位奇偶貼標的方式進行貼標。

圖1 不干膠大圓盤貼標機結構與流程

如圖1所示，貼標機通常由送瓶螺桿將瓶子送入到星輪機構，它會機械卡住瓶子并送入托盤。在進入托盤后，托盤就會旋轉，以使得視覺系統(tǒng)可以檢測到瓶子，并知道該貼標位置。然后，托盤要將這個貼標位置與標站進行同步，并按照所需旋轉并使得瓶子進入標站時，觸發(fā)標站的不干膠標簽準確的定位到貼標起始位置，并隨著旋轉覆蓋整個標簽位置。然后進入第二標站，再至第三標站。最后，還有視覺系統(tǒng)對貼完標的標簽進行檢測，如果不合格，則會將信號高速傳遞給剔除機構，當瓶子運動到該位置后剔除。

精密貼標的復雜需求

對于貼標而言，如圖2（a）這種瓶型為圓形，且對于貼標起始位置沒有要求的，則是最為簡單的。但是，如圖2（b）所示，如果出現(xiàn)了異形，如方形，則其貼標位置，必須從一個固定位置起始，才能貼好。還有比較復雜的，像圖2（c）標簽必須精準地貼在瓶子上的凸起部分，或固定的某個形狀標記處；這意味必須精準的貼到指定的未知，而不能有偏差，否則，就會影響該產(chǎn)品的品質(zhì)形象。而更難的則是2（d）這種在凹進去的部分貼標，它的精度要求更高，因為即使0.2mm的偏差，也會影響其形象。通常，對于高端的飲用水、白酒、橄欖油等而言，這種細節(jié)的偏差都會影響其品牌的品質(zhì)。因為，對于一個高端品牌而言，不僅產(chǎn)品要高端，整個產(chǎn)品的每一個細節(jié)都需要高品質(zhì)。

圖2 復雜的貼標類型

圖2反映了常見的瓶子貼標類型，當然，真實的組合不止于此，因為對于異形瓶，盡管它并不多見，但會給貼標帶來復雜性的設計需求。

高速高精度的運動控制

在這個高速貼標系統(tǒng)中，輸送的螺桿、入瓶星輪盤、大圓盤的主軸電機、托盤電機、出瓶星輪多達30乃至60多個伺服軸，需要精準的位置同步，才能實現(xiàn)高精度且高速的貼標任務。貝加萊在該機器上采用了ACOPOSmotor系列的伺服驅動與電機一體化的硬件系統(tǒng)，滿足以下幾個方面的設計需求。

圖3 大圓盤灌裝系統(tǒng)的系統(tǒng)架構

（1）緊湊的布局設計：由于大圓盤貼標機少則18個，多則36/48/60組托盤需要由伺服電機驅動，并且要布局在機器的旋轉單元內(nèi)，因此其空間很狹窄，這就需要高緊湊型的伺服驅動系統(tǒng)來接入。ACOPOSmotor是將伺服電機和驅動集成于一體，整體比較緊湊，專為食品飲料行業(yè)而設計。

（2）高防護等級：由于食品飲料行業(yè)需要沖水或液體濺射等情況，因此，HMI、驅動等均需要高防護等級。ACOPOSmotor采用的是IP65防護等級的設計，可以直接安裝于旋轉機械本體內(nèi)。

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

（4）滑環(huán)連接：整個伺服系統(tǒng)接在機器的旋轉圓盤內(nèi)部，與外部的動力、信號、通信必須通過滑環(huán)連接。ACOPOSmotor的通信、動力和信號都集成于一體，使得其可以方便地通過滑環(huán)連接。

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

另外，食品行業(yè)對于Gamp認證，也需要更高防護等級和滿足食品環(huán)境的HMI，貝加萊的Panel PC有支持IP69K防護等級，且客體采用不銹鋼、純平面的面板設計，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

除了運動控制的硬件系統(tǒng)特殊的設計需求—滑環(huán)連接，以及單電纜等。在軟件方面，貝加萊的mappMOTION庫也為機器的高速、高精度運動控制提供了便捷的開發(fā)支持。

在圓盤貼標里，最為重要在于每個托盤必須在多種情況下，確保與貼標站的標簽達到高精度的位置同步。如圖4所示，需要獲得一個旋轉角度使得其剛好可以作為貼標的起點，而另一方面，這個托盤在進入貼標區(qū)域的時候，它必須與貼標頭保持線速度的一致，然后再去回零，整個過程根據(jù)貼標尺寸的變化，是一個電子凸輪曲線（CAM）位置環(huán)控制，這個就需要托盤高速跟隨主軸，并且隨著貼標尺寸規(guī)格的變化可以自動計算凸輪曲線，并獲得光滑的切換能力。圖4則顯示了每個托盤都需要進行的這一運動控制過程。

圖4 托盤的檢測與運動控制

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

機器的功能性設計

在圓盤貼標機中，針對冷膠、熱熔膠、不干膠標準可以實現(xiàn)自動在線監(jiān)測、自由配對，機械模塊化、電氣硬件模塊化，同時軟件也實現(xiàn)模塊化。

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

（2）缺瓶檢測：確保無瓶不貼標，降低不必要的標簽損耗，節(jié)省成本；

（3）自動換卷、換標、自動接標：可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，保持整個產(chǎn)線的高OEE運營狀態(tài)，并可以對OEE狀態(tài)進行計算并記錄。

數(shù)字化集成

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

（1）mappOEE

食品飲料的生產(chǎn)企業(yè)，尤其關注OEE這個指標。在貝加萊mapp中OEE可以獲取機器相關的速度、運營時間、良品計數(shù)等參數(shù)，提供OEE計算的支持。

（2）mappRecipe

在貼標機中，機器的各種工藝配方（尺寸規(guī)格、機械傳動參數(shù)）均可被配置，并在機器運行中由操作人員進行配置。隨著機器變得更為復雜，需要對各種控制工藝、產(chǎn)品規(guī)格等進行配方管理，而在這里mappRecipe可以讓機器的開發(fā)者快速配置出更好的機器。

（3）mappUserX

對于工廠的機器而言，它需要考慮安全性，那么，對于不同的人，它就會需要不同的訪問權限。mappUserX可以建立這樣的“角色”，這來自于OPCUA的角色分配。因為基于面向服務的架構，數(shù)據(jù)作為一項服務獨立于用戶。

mappUserX可以對機器的相關人員進行權限管理，加密與授權訪問。制造避免未經(jīng)授權的訪問。在食品飲料這樣的行業(yè)尤為關鍵，它必須符合21CFRPart11的認證，以獲得不可篡改的電子簽名認證。

其它mapp如mappAlarmX用于對機器的報警進行記錄、呈現(xiàn)與報告。mappReport可以生成機器的報表，以PDF、CSV等不可篡改形式提供。

精彩觀點

貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司技術傳播經(jīng)理 宋華振

記者：貝加萊近年來在食品飲料行業(yè)發(fā)展情況如何？您認為當前食品飲料行業(yè)自動化市場正發(fā)生著哪些變化，呈現(xiàn)出哪些特點？

宋華振：食品飲料市場是貝加萊最為成熟、業(yè)績最為廣泛的領域，尤其是在飲料灌裝領域，基本上國際國內(nèi)的主要設備制造商，均采用貝加萊的系統(tǒng)。這與貝加萊在包裝領域的豐富經(jīng)驗、業(yè)績緊密相關。食品飲料包裝領域最為顯著的特點就是“變化”，因為產(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對于系統(tǒng)靈活性設計、模塊化能力具有特別高要求的領域。

食品飲料領域一直以來都是變化比較大的領域，只是當前這種變化加劇，更為明顯。例如，現(xiàn)在的復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。這就對灌裝、包裝設備也產(chǎn)生了非常大的挑戰(zhàn)。因此，為了提供更為靈活的生產(chǎn)，在自動化領域，像柔性輸送技術就開始進入了產(chǎn)線規(guī)劃中，貝加萊的ACOPOStrak就是為了這樣的場景而設計，目前已經(jīng)在眾多的飲料企業(yè)得到應用。

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？

宋華振：眾所周知，在自動化行業(yè)，貝加萊是一個“方案導向型”公司。貝加萊的產(chǎn)品技術都是源自行業(yè)的需求，最初可能源自某個大的客戶需求，然后有更多的該領域用戶的共性需求，匯集這個共性為一個標準化產(chǎn)品。

首先，在硬件上，針對食品飲料行業(yè)的防護等級，貝加萊的PanelPC有專門IP69K防護等級的產(chǎn)品，就是為飲料、制藥等領域的機器設計的。而ACOPOSmotor伺服驅動與電機一體，也是為了食品飲料行業(yè)設備空間緊湊、防護等級要求高，它是IP65防護等級，并且采用了“單電纜技術”，即，通信、動力和信號都被集成在一根電纜中，這樣可以像以太網(wǎng)一進一出的連接方式擴展，大幅降低接線，因為在很多設備上往往數(shù)十個伺服軸。而為了響應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微秒級的reACTION功能，也是為了高速的I/O需求而設計。

在軟件層面，針對食品飲料的特殊行業(yè)需求，貝加萊包含色標、張力、溫控、電子凸輪裁切、稱重等功能塊集成。其實，食品飲料類設備，基本上都是由這些功能構成，例如物料稱重與填充、材料放卷、熱封裁切，吹瓶溫控、貼標的凸輪曲線等，機器都會由不同的工藝模塊搭建，貝加萊積累了數(shù)十年該領域的機器應用模塊，讓客戶可以快速搭建機器的軟件。其它的還包括這個領域專有的需求，貝加萊的mapp中包括mappPackML針對包裝領域的設備連接規(guī)范、mappAudit針對食品飲料、制藥行業(yè)的審計追蹤需求、mappOEE針對產(chǎn)線的設備綜合效率統(tǒng)計。

記者：在智能化轉型升級的發(fā)展趨勢下，您認為食品飲料行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)體現(xiàn)在哪些方面？對此，貝加萊有哪些針對性的策略解決？

宋華振：所以，食品飲料行業(yè)的挑戰(zhàn)一直存在，當前的趨勢是時間粒度更小、組合更多、批量卻又更小。對于制造生產(chǎn)來說，個性化會導致品質(zhì)下降（不良品率大幅上升）、交付能力下降。因此，過去、今天、未來，我們都要致力解決這些問題。

貝加萊前瞻性地觀察道這一行業(yè)趨勢，結合用戶需求，在2019年即推出ACOPOStrak柔性輸送，它可以在產(chǎn)線上實現(xiàn)產(chǎn)品的分流、合流，通過動子的任意組合形成產(chǎn)品的變化，取消過去的螺桿送瓶機構，并可以在機器間形成有序隊列，同步的連續(xù)生產(chǎn)，由于沒有太多機械的磨損，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)型機器人，其是為食品飲料、制藥行業(yè)等潔凈度要求高的領域而設計的機器人，主要用于撿取、分類，因為這是食品飲料行業(yè)的主要場景。

除了在硬件上的組合擴充，貝加萊還針對食品飲料強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、在貼標機上集成視覺缺陷檢測。針對機器的關鍵零配件的預測性維護M.Doctor的開發(fā)。并且，針對ACOPOStrak增強了其軟件、在線任務檢測、調(diào)度等方面的能力。

未來，貝加萊仍將聚焦在“柔性輸送技術”，我們確信，ACOPOStrak、ACOPOS 6D技術的確能夠為食品飲料工業(yè)帶來“變革”，因為它改變了原有的復雜產(chǎn)線設計，并且使得“軟件定義制造”成為可能。此外，貝加萊將會繼續(xù)結合包裝領域用戶應用，開發(fā)更為靈活易用的功能，如mappTrak就是為了讓軌道編排任務更為方便而設計的，我們還有很多正在整合中的技術。

摘自《自動化博覽》2024年5月刊