Deltaroboter können bemerkenswerte Verpackungsleistungen vollbringen, vor allem wenn es um das Kartonieren von Primärverpackungen geht. Ein gutes Beispiel dafür ist die jüngste Installation beim LohnverpackerCCB Packaging, wo nicht weniger als 12 Roboterzellen in einer kompakten Reihe aufgereiht sind. Die von Blueprint Automation konzipierte und gelieferte Linie 2 ermöglicht es dem in Hiawatha, IA, ansässigen Co-Packer, z. B. Snackbeutel oder Frühstücksriegel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 150 Stück/Min. in Top-Load-Kartons verschiedener Größen zu verpacken. Die ABB-Roboter können nicht nur Packungen mit mehreren Geschmacksrichtungen oder Kartons mit nur einer Geschmacksrichtung herstellen, sondern auch verschiedene Produkte wie vier Müsliriegel, zwei Haferflockenpackungen und einige Fruchtsnacks in einen Karton packen.
Für einen Lohnverpacker, dessen viele Kunden Verpackungsformate in verwirrender Vielfalt benötigen, ist die Vielseitigkeit der neuen Anlage genau das Richtige. Zu den wichtigsten Beiträgen gehören das Aufrichten und Verschließen von Kartons durch Kliklok Woodman Packaging Machinery und eine Reihe von Bildverarbeitungssystemen von Cognex. So beeindruckend diese auch sein mögen, der Clou dieser Anlage sind die 12 Zuführsysteme, die den 12 Robotern die Primärpackungen zuführen. Auch sie stammen von Blueprint Automation. Die im August 2014 installierten Zuführsysteme, die sich noch in der Beta-Phase befanden, nehmen die Primärverpackungen aus den Großbehältern und richten sie in ordentlich beabstandeten Reihen aus, so dass die Vakuumsauger der Roboter die Verpackungen aufnehmen und in Kartons legen können, die sich kontinuierlich entlang eines Kliklok Woodman Vari-Pitch-Förderers bewegen.
"Dies ist eine brandneue Zuführungstechnologie, an der wir mit Blueprint seit fast zweieinhalb Jahren arbeiten", sagt CCB-Vizepräsident Frank Cotty. "Wenn die Beutel alle verklumpt sind, können die Roboter keine saubere Entnahme durchführen. Wir brauchen eine Trennung der Primärverpackungen. Genau das bieten diese automatischen Zuführungen.
Sicherlich hat die Tatsache, dass Blueprint und CCB sich weniger als Verkäufer und Käufer, sondern vielmehr als Automatisierungs-/Integrationspartner sehen, dazu beigetragen, dieses Projekt zu einem guten Ende zu bringen. Außerdem können sie auf eine lange gemeinsame Erfolgsgeschichte zurückblicken, denn dies ist bereits das dritte große Projekt, an dem sie gemeinsam gearbeitet haben.
Den Robotern vorgelagert
Die Kartons, die mit Robotern beladen werden, werden automatisch auf einer Genesis Top-Load-Kartoniermaschine von Kliklok Woodman aufgerichtet. CCB verarbeitet auf dieser Linie eine Reihe von Kartongrößen, von kleinen Einzelhandelsgrößen bis hin zu größeren Clubangeboten. Daher ist es gut, dass die Maschine über eine Schnellwechsel-Zuführungsstangenbaugruppe und Schnellwechsel-Kolbenrohrbefestigungen verfügt, die einen schnellen Wechsel der Kartongröße ohne den Einsatz von Werkzeugen ermöglichen. Die Genesis verfügt über zwei Kartonaufrichtstationen, aber am Tag unseres Besuchs wurde gerade ein großer Karton für einen 18er-Karton produziert, so dass nur eines der Kartonaufrichtwerkzeuge passte.
Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Genesis ist der Vakuumabzug, der eine zusätzliche Kontrolle über die aufgerichteten Kartons ermöglicht. Cotty erklärt.
"Anstatt einen Karton einfach auf das Abnahmeband fallen zu lassen, fährt ein Werkzeug mit Vakuumsaugern nach oben, löst den Karton direkt vom Formblock und führt ihn nach unten auf das Förderband. Das zusätzliche Maß an Kontrolle ermöglicht es, mit höheren Geschwindigkeiten zu arbeiten.
Die aufgerichteten Kartons werden auf ein Förderband freigegeben, das sie an einem fest montierten Barcode-Lesegerät der Cognex DataMan 300/360 Serie vorbeiführt. "Es liest einen Strichcode auf jedem Karton, um zu bestätigen, dass wir den richtigen Karton für das Produkt haben, das wir verarbeiten", sagt Cotty. "Das ist nur für den Fall, dass beim Kartonverarbeiter etwas passiert und ein falscher Karton in den Mix gerät. Aber es fängt auch jeden Barcode auf, der unleserlich sein könnte, wenn er den Einzelhändler erreicht.
Cotty sagt, dass er die automatische Einstellung des Cognex-Lesegeräts schätzt, eine intelligente Tuning-Funktion, die automatisch die optimalen Einstellungen für die integrierte Beleuchtung, den Autofokus und den Imager für jede Anwendung auswählt. Dieser Auto-Tuning-Prozess stellt sicher, dass der Barcode-Leser so eingestellt wird, dass er die höchstmöglichen Leseraten erreicht.
Der flache Tischförderer zwischen dem Kartonaufrichter und dem ersten Roboter bietet ein gewisses Maß an Stauung, falls dies erforderlich ist. Es bringt die Kartons mit geöffneten Deckeln zu einem Traktor-Indexanleger, der die Kartons für eine reibungslose Übergabe an das Vari-Pitch-Förderband platziert, das die Kartons durch die 12 Roboter führt. Das Vari-Pitch-Förderband wird von Cotty als eine von Kliklok Woodman entwickelte Komponente beschrieben, die in keinem anderen Kartonverladebetrieb der Welt zu finden ist - zumindest noch nicht.
"Sie haben das Konzept der Pop-up-Nasen aus ihrer Vari-Straight-Kartonverschließanlage übernommen und es für uns zu einem Kartonförderer gemacht", sagt Cotty. "Das Rezeptmanagementsystem gibt vor, wie lang der Karton für einen bestimmten Produktionslauf ist. Je nachdem, wie lang der Karton ist, wählt das Förderband automatisch aus, welche Laschen aufspringen sollen. Auf diese Weise können wir den Abstand automatisch ändern und eine Vielzahl von Kartongrößen bei linearen Geschwindigkeiten verarbeiten, die die Roboter gut bewältigen können.
"Da wir ein Co-Packer mit vielen verschiedenen Kunden und Produkten sind, ist Flexibilität der Schlüssel. Die neue Anlage bietet die Vielseitigkeit, ein breites Spektrum an Kartongrößen und Produkten zu verarbeiten, sowie eine schnelle Umstellung. Wir verpacken alles von Kartons in Einzelhandelsgröße bis hin zu größeren Verpackungen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 150 Kartons/Min."
Die Zuführsysteme
Die 12 Zuführsysteme von Blueprint Automation werden in einem 90-Grad-Winkel in die Roboterlinie eingeführt. Jedes von ihnen arbeitet identisch und verfügt über 180 weiße Spinnrollen, die in einem Edelstahlgehäuse montiert sind, 90 auf der linken und 90 auf der rechten Seite. Diese Rollen befördern die Beutel vorwärts und trennen sie voneinander, damit die Vakuumsauger der Deltaroboter sie sauber aufnehmen können.
Die Beutel erreichen das Fördersystem über ein Becherwerk, das die Beutel von einem Trichter auf Bodenhöhe zu einem Umlenkmechanismus bringt, der nach links oder rechts schwenkt, je nachdem, ob die linke oder rechte Seite des Fördersystems Beutel benötigt. Beide Seiten sind identisch und funktionieren auf die gleiche Weise, aber für unsere Zwecke hier werden wir die linke Seite betrachten. Der erste Abschnitt besteht aus 30 Rollen, die jeweils etwa 12 Zoll lang sind. Die Rollen sind in Sechser-Gruppen zusammengefasst, und die Drehung aller sechs wird von einer Schrittmotor-Antriebs-Kombination mit eigenem Controller angetrieben. In jede Gruppe von sechs Walzen ist ein Keyence-Sensor integriert, der die Position eines Beutels im Verhältnis zu den anderen Beuteln erkennt. Diese Positionsinformationen werden an die CPU des Sechs-Walzen-Clusters gesendet, die dann anhand der Position der umliegenden Beutel entscheidet, ob die sechs Walzen beschleunigt oder verlangsamt werden sollen. Durch diese gegenseitig synchronisierte Modulation der Geschwindigkeit der sechs Walzengruppen werden die Beutel auf Abstand gehalten.
Die Beutel fallen als Nächstes auf eine zweite Reihe weißer Walzen, deren Durchmesser in etwa gleich ist, deren Länge aber etwa 4 Zoll kürzer ist als die der Walzen im ersten Abschnitt. Das rechte Ende dieser Rollen ist etwas höher geneigt als das linke, so dass die meisten Beutel auf den Rollen bleiben und nach vorne geschoben werden können. Aber es gibt einfach nicht genug Platz für alle Beutel. Diejenigen, die von der rechten Kante der Rollen abrutschen, landen auf einem ebenerdigen Rückführband von Dorner, das sie über das Becherwerk wieder in das System am Anfang des Zuführsystems einführt.
Insgesamt 60 Walzen befinden sich in diesem zweiten Abschnitt der linken Seite des Fördersystems, und auch hier verfügt jede Gruppe von sechs Walzen über einen eigenen Keyence-Sensor, eine eigene Steuerung und eine eigene Schrittmotor-Antriebskombination. Da jede Gruppe mit den umliegenden Gruppen kommuniziert, weiß jede Steuerung, ob das Gesamtziel der Vereinzelung des Beutelflusses besser erreicht werden kann, wenn die sechs Rollen beschleunigt oder verlangsamt werden.
Laut Martin Prakken, CEO von Blueprint Automation, ist das Zuführsystem ein Beispiel für Schwarmintelligenz: das kollektive Verhalten einzelner Agenten, wie Vögel in einem großen Schwarm, die so miteinander interagieren, dass ein synchronisiertes Gruppenverhalten entsteht und die einzelnen Agenten wie ein einziger Agent erscheinen.
"Jede Gruppe von sechs Walzen hat ihren eigenen Algorithmus, und jede Gruppe kommuniziert mit einigen der anderen Gruppen unmittelbar vor und hinter ihr", sagt Prakken. Er sagt, dass dieses neue Zuführsystem einen bedeutenden Sprung nach vorn gegenüber dem System darstellt, das Blueprint-Kunden, einschließlich CCB, in der Vergangenheit verwendet haben. Bei diesen früheren Anwendungen werden die sechs Rollenbündel nicht von einem Schrittmotor, sondern von einem Servomotor angetrieben, dessen Antrieb sich hinten im Hauptschaltschrank befindet. Die Steuerung des Fördersystems muss mit dem Servomotor kommunizieren, und der Antrieb muss wiederum mit dem Servomotor kommunizieren. "Mit dieser neuen Schrittmotor-Antriebs-Kombination und der Intelligenz, die in jeder Gruppe von sechs Rollen eingebaut ist", sagt Prakken, "fließen die Daten viel effizienter und schneller.
Das Endergebnis des Blueprint-Zuführungssystems ist, dass das, was früher eine Masse von Beuteln in Großbehältern war, in kürzester Zeit in einen geordneten Strom von einzelnen Beuteln umgewandelt wurde, die von der letzten Rollengruppe auf ein flaches Entnahmeband fallen. Ein Bildverarbeitungssystem, ebenfalls von Cognex, identifiziert die genaue Position jedes Beutels auf diesem Band und gibt diese Koordinaten an den unmittelbar nachgeschalteten Delta-Roboter weiter. Was dann passiert, hängt weitgehend davon ab, was in das Rezepturverwaltungssystem eingegeben wird.
"Jede der 12 Roboterzellen ist unabhängig von den anderen", sagt Cotty. "Sie kann jeden Karton beschicken, der vorbeikommt, oder sie kann Beutel nur in jeden zweiten oder jeden dritten Karton einlegen oder was auch immer wir wählen."
Im Endeffekt ist alles, was sich entnehmen lässt, Freiwild. Jede Zelle verfügt über drei Vakuumventilsysteme, so dass jeder Roboter je nach gewähltem Werkzeug bis zu drei Artikel auf einmal aufnehmen kann. Die Beutel können alle auf einmal in einen Karton gelegt werden, oder einer kann platziert werden, und dann kann der Endeffektor leicht bewegt werden, um den anderen Beutel in einer günstigeren Position abzulegen. Manchmal ist dies bei Kartons mit einer hohen Anzahl von Beuteln nützlich, damit sie alle ordentlich hineinpassen.
Zwei weitere Hinweise zum Zuführsystem. Wenn zu viele Beutel am Entnahmeband ankommen, als dass der Roboter sie verarbeiten könnte, fallen die nicht entnommenen Beutel einfach vom Entnahmeband auf ein Dorner-Förderband, das mit dem Rückführband verbunden ist, das zurück zum Einlaufbecherwerk führt. Wenn das Bildverarbeitungssystem von Cognex einen Beutel sieht, der kleiner ist als die ausgewählten Parameter - oder wenn es einen Beutel sieht, der zerdrückt oder irgendwie so verformt ist, dass er nicht entnommen werden kann - weist es den Roboter an, diesen Beutel nicht zu entnehmen, sondern ihn vom Entnahmeband auf das Rückführband fallen zu lassen. Dieses Dorner-Förderband verfügt über eine Schwenkfunktion, die automatisch aktiviert wird, um den fehlerhaften Beutel in einen Ausschussbehälter zu leiten.
Zweimaliges Kontrollwiegen
Nach dem Verlassen des ABB-Roboters Nr. 12 werden die gefüllten Kartons um eine Kurve transportiert und über eine Kontrollwaage von Mettler Toledo geführt. "Wir wiegen die Kartons zweimal", sagt Cotty, "zuerst bei geöffnetem und dann nach dem Verschließen des Kartons. Wenn der Karton offen ist, besteht immer noch die Möglichkeit, dass ein Beutel herausfällt, bevor er den Kartonverschließer erreicht. Das Kontrollwiegen nach dem Verschließen des Kartons ist eine weitere Möglichkeit, um sicherzustellen, dass jeder Karton die richtige Anzahl von Beuteln enthält."
Der Kartonverschließer, auf den sich Cotty bezieht, ist der Vari-Straight von Kliklok Woodman.
"Wir haben einen der ersten, den sie je gebaut haben, auf einer unserer anderen Linien", sagt Cotty. "Dies ist die neueste Version des Vari-Straight, d. h. er ist mit Allen-Bradley-Servosteuerungen ausgestattet. Sie ist für eine Leistung von bis zu 150 Kartons/Min. ausgelegt und kann alle Kartongrößen verarbeiten, die wir herstellen. Die Allen-Bradley-Steuerungen werden von Rockwell Automation geliefert.
In den Vari-Straight-Kartonverschließer integriert ist ein Robatech-Heißleimauftragssystem. "Wir haben festgestellt, dass es eine sehr gute Kontrolle über den Klebstoff hat und nicht so viele Klebstofffäden zieht", sagt Cotty, "es funktioniert hervorragend."
Als Nächstes folgt die Tintenstrahlcodierung variabler Informationen, die mit einem System von Domino durchgeführt wird. "Domino ist unser Partner, wenn es um den Kartondruck in diesem Werk geht", sagt Cotty.
Nach einem zweiten Metalldetektor von Mettler Toledo gelangen die Kartons zur EZ Pack Station von Combi Packaging Systems. Sie richtet die Kartons automatisch auf und transportiert sie zu einer Station, an der die Bediener die Kartons schnell und effizient von Hand einlegen. Die Kartons werden dann in eine automatische Verschließstation geschoben, wo die Deckel verklebt werden. Ein vollautomatisches Kartonverpackungssystem war nie wirklich eine Option, sagt Cotty, denn die Anzahl der Umstellungen, die bei einem Co-Packing-Vorgang wie diesem erforderlich sind, würde die Werkzeugausstattung für Wechselteile unerschwinglich machen.
Die Kartoncodierung erfolgt mit einem Tintenstrahlsystem von Squid Ink. Wie das vorgelagerte Domino-System für die Kartoncodierung wird dem Kartoncodierer vom Rezeptmanagementsystem mitgeteilt, welche Informationen bei jedem Wechsel zu drucken sind.
Als nächstes folgt die robotergestützte Palettierung mit einem Fanuc-System. "Wir haben den Fanuc-Palettierer 2007 installiert, weil wir wussten, dass wir eine zweite Linie damit betreiben wollten", sagt Cotty. "Außerdem haben wir ihn so konstruiert, dass er entweder Wellpappen- oder Faserpappenzettel aufnehmen kann. Auch hier weiß der Roboter dank unseres Rezeptmanagementsystems, welche Art von Zwischenbogen benötigt wird. Außerdem tragen wir bei der Verwendung von Wellpapp-Zwischenlagen einen Trennkleber auf jede Wellpapp-Zwischenlage auf, weil sie nicht so klebrig ist und die erste Lage Kartons dazu neigt, ein wenig zu verrutschen."
Eine Verbesserung bei der neuen Anlage ist die Handhabung der Kartons am Ende der Linie. Bei der älteren Anlage, die den Palettierer beschickt, bringen kontinuierlich angetriebene Rollenbahnen die Kartons zum Anschnittmechanismus, der die Kartons in die Entnahmestation befördert. Dadurch kann sich ein Gegendruck aufbauen, der wiederum die Funktion des Anschnittmechanismus beeinträchtigen kann. In der neuen Anlage wird die Bewegung der Hytrol-Rollenbahnen von einer SPS gesteuert, die das Problem des Gegendrucks beseitigt. Außerdem gibt es ein Stück Hytrol-Rollenbahn, über das die Kartons umgeleitet werden können, wenn ein spezielles Abpacken erforderlich ist. Auch hier ist es sehr praktisch, solche Optionen zu haben, wenn man ein Co-Packer ist, sagt Cotty.
Der Fanuc-Roboter, fügt Cotty hinzu, läuft seit seiner Ankunft 2007 einwandfrei. Eine erst kürzlich vorgenommene Änderung betrifft den Endeffektor, fügt er hinzu, wo das Vakuumplenum ausgetauscht wurde. An seiner Stelle befindet sich jetzt ein universelles Vakuumhebewerkzeug namens The Squid von Vacuforce, das über eine selbstschließende Ventiltechnologie verfügt, die es ermöglicht, dass sich einzelne Vakuumsauger automatisch schließen, wenn sie nicht gegen die zu handhabende Last abgedichtet sind. Wenn also einige der 120 Vakuumsauger am Endeffektor nicht in Kontakt mit dem zu hebenden Frachtstück sind, schließt sich eine Klappe im Inneren jedes Ventils dieser Sauger, um zu verhindern, dass Staub in dieses Ventil eindringt. "Wir haben die Umstellung vor etwa 3 Monaten vorgenommen und hatten seitdem keine Probleme mehr mit dem Vakuum", erklärt Cotty. "Vorher hatten wir etwa jede Woche staubbedingte Probleme mit dem Vakuum".
Die neue Linie wird mit einem automatischen Stretchwickler von Phoenix Wrappers abgeschlossen.
Cotty steht am Roboter Nr. 12 und blickt auf die anderen 11 Roboterzellen, die reibungslos und automatisch ihre Arbeit verrichten, und ist sehr zufrieden mit dem Ergebnis dieses ehrgeizigen und kapitalintensiven Projekts. "Mit dieser Anlage setzen wir unser Engagement fort, unseren Kunden automatisierte und kostengünstige Verpackungsalternativen anzubieten", sagt Cotty. "Es ist ein Hightech-Projekt."
Das könnte die Untertreibung des Jahrzehnts sein.