Les robots de type Delta peuvent réaliser des prouesses d'emballage assez remarquables, en particulier lorsqu'il s'agit de mettre en carton des emballages primaires. La dernière installation du conditionneur à façonCCB Packaging, où pas moins de 12 cellules robotisées sont alignées dans une rangée compacte, en est une excellente illustration. Conçue et fournie par Blueprint Automation, la ligne 2 permet au co-packer basé à Hiawatha, IA, de placer des sachets de snacks ou des barres de petit-déjeuner, par exemple, dans des cartons à chargement par le haut de différentes tailles à des vitesses allant jusqu'à 150 articles/min. Les robots ABB peuvent non seulement produire des paquets de variétés multi-saveurs ou des cartons à saveur unique, mais aussi mettre différents produits dans un même carton, comme quatre barres de céréales, deux paquets de flocons d'avoine et quelques snacks aux fruits.
Pour un conditionneur à façon dont les nombreux clients exigent des formats d'emballage d'une variété déconcertante, la polyvalence de la nouvelle ligne est exactement ce qu'il lui faut. Parmi les principales contributions, citons la mise en place et la fermeture des cartons par Kliklok Woodman Packaging Machinery et un ensemble de systèmes de vision de Cognex. Aussi impressionnants soient-ils, les 12 systèmes d'alimentation qui amènent les paquets primaires aux 12 robots constituent la pièce maîtresse de cette installation. Eux aussi proviennent de Blueprint Automation. Installés en août 2014, alors qu'ils étaient encore en phase bêta, les systèmes d'alimentation prennent les emballages primaires dans les bacs de vrac et les orientent en rangées bien espacées afin que les ventouses des robots puissent prendre et placer les emballages dans des cartons qui se déplacent en continu sur un convoyeur Kliklok Woodman Vari-Pitch.
"Il s'agit d'une toute nouvelle technologie d'alimentation sur laquelle nous travaillons avec Blueprint depuis près de deux ans et demi", explique Frank Cotty, vice-président de CCB. "Si les sachets sont tous agglutinés, les robots ne peuvent pas faire un prélèvement propre. Nous avons besoin de séparer les emballages primaires. C'est ce que permettent ces alimentateurs automatisés".
Le fait que Blueprint et CCB se considèrent moins comme des vendeurs et des acheteurs que comme des partenaires d'automatisation et d'intégration a certainement contribué à la conclusion heureuse de ce projet. Ils ont également de solides antécédents ensemble, puisqu'il s'agit du troisième projet d'envergure sur lequel ils collaborent.
En amont des robots
Les cartons qui sont chargés par des robots sont automatiquement formés sur une machine de formage de cartons Genesis à chargement par le haut et à verrouillage de Kliklok Woodman. CCB utilise plusieurs formats de carton sur cette ligne, du petit format de vente au détail aux plus grands formats de club. Il est donc intéressant que la machine soit équipée d'une barre d'alimentation à changement rapide et de fixations de tube plongeur à dégagement rapide qui permettent un changement rapide de format de carton sans l'utilisation d'outils. La Genesis est équipée de deux stations de mise en place des cartons, mais le jour de notre visite, un grand carton de 18 pièces était en cours de production, de sorte qu'un seul des outils de mise en place des cartons pouvait convenir.
L'une des autres caractéristiques de la Genesis est qu'elle utilise un système de décollement sous vide pour mieux contrôler les cartons qu'elle érige. Cotty explique.
"Plutôt que de déposer un carton sur le convoyeur d'évacuation, un outil équipé de ventouses monte et détache le carton du bloc de formage et le guide sur le convoyeur. La mesure supplémentaire de contrôle permet de travailler à des vitesses plus élevées".
Les cartons érigés sont libérés sur un convoyeur qui les fait passer devant un lecteur de codes-barres fixe DataMan 300/360 de Cognex. "Il lit un code-barres sur chaque carton pour confirmer que nous avons le bon carton pour le produit que nous produisons ", explique Cotty. "C'est juste au cas où quelque chose se passerait au niveau du convertisseur de cartons et qu'un mauvais carton se retrouverait dans le mélange. Cela permet également d'identifier les codes-barres qui pourraient être illisibles lorsqu'ils parviennent au détaillant".
Cotty explique qu'il apprécie le réglage automatique offert par le lecteur de Cognex, une fonction de réglage intelligent qui sélectionne automatiquement les paramètres optimaux pour l'éclairage intégré, l'autofocus et l'imageur pour chaque application. Ce processus de réglage automatique garantit que le lecteur de codes-barres sera configuré pour atteindre les taux de lecture les plus élevés possibles.
Le convoyeur plat entre la formeuse de cartons et le premier robot assure une certaine accumulation en cas de besoin. Il achemine les cartons, couvercles ouverts, vers un chargeur à indexation par tracteur qui espace les cartons pour un transfert en douceur vers le convoyeur Vari-Pitch qui fait passer les cartons par les 12 robots. Le convoyeur Vari-Pitch est décrit par Cotty comme un composant personnalisé conçu par Kliklok Woodman que l'on ne trouve sur aucune autre opération de chargement de cartons dans le monde, du moins pas encore.
"Kliklok Woodman a repris le concept de pattes de fixation de son équipement de fermeture de cartons Vari-Straight et l'a transformé en convoyeur de cartons pour nous", explique M. Cotty. "Le système de gestion des recettes spécifie la longueur du carton pour un cycle de production donné. En fonction de la longueur du carton, le convoyeur sélectionne automatiquement les languettes à ouvrir. Cela nous permet de changer automatiquement de pas et de produire une grande variété de tailles de cartons à des vitesses linéaires bien en deçà des capacités de prélèvement et de placement des robots.
"Comme nous sommes un co-emballeur avec de nombreux clients et produits différents, la flexibilité est la clé. La nouvelle ligne offre la polyvalence nécessaire pour traiter une large gamme de tailles de cartons et de produits, ainsi qu'un changement rapide. Nous emballons tous les produits, des cartons de vente au détail aux emballages de variétés plus grandes, à des vitesses allant jusqu'à 150 cartons/min".
Les systèmes d'alimentation
Les 12 systèmes d'alimentation de Blueprint Automation alimentent la ligne de robots à partir d'un angle de 90 degrés. Chacun d'entre eux fonctionne de manière identique et comporte 180 rouleaux blancs montés dans une armoire en acier inoxydable, 90 sur le côté gauche et 90 sur le côté droit. Ce sont ces rouleaux qui font avancer les sachets et les séparent les uns des autres pour que les ventouses des robots de type delta puissent les prendre proprement.
Les sachets sont acheminés vers un système d'alimentation par le biais d'un élévateur à godets qui amène les sachets d'une trémie au niveau du sol jusqu'à un mécanisme de dérivation qui pivote vers la gauche ou la droite selon que le côté gauche ou droit du système d'alimentation a besoin de sachets. Les deux côtés sont identiques et fonctionnent de la même manière, mais pour nos besoins ici, nous suivrons le côté gauche. Sa première section se compose de 30 rouleaux, chacun d'une longueur d'environ 12 pouces. Les rouleaux sont regroupés par six, et la rotation des six est assurée par une combinaison moteur pas à pas/entraînement dotée de son propre contrôleur. Chaque groupe de six rouleaux comporte également un capteur Keyence qui détecte la position d'un sachet par rapport aux autres. Ces informations de position sont envoyées à l'unité centrale du groupe de six rouleaux, qui détermine alors si, en fonction de l'emplacement des sachets qui l'entourent, il doit accélérer ses six rouleaux ou les ralentir. C'est cette modulation mutuellement synchronisée de la vitesse des six groupes de rouleaux qui permet d'espacer les sachets.
Les sachets tombent ensuite sur une deuxième section de rouleaux blancs dont le diamètre est à peu près le même, mais dont la longueur est inférieure d'environ 10 cm à celle des rouleaux de la première section. L'extrémité droite de ces rouleaux est légèrement plus inclinée que l'extrémité gauche, ce qui permet de maintenir la plupart des sachets sur les rouleaux et de les propulser vers l'avant. Mais il n'y a tout simplement pas assez de place pour tous les sachets, et ceux qui glissent du bord droit des rouleaux atterrissent sur un convoyeur de retour au niveau du sol de Dorner qui les réintroduit dans le système par le biais de l'élévateur à godets au début du système d'alimentation.
Au total, 60 rouleaux se trouvent dans cette deuxième partie du côté gauche du système d'alimentation et, une fois de plus, chaque groupe de six comprend son propre capteur Keyence, son propre contrôleur et sa propre combinaison moteur pas à pas/entraînement. Comme chaque groupe communique avec ceux qui l'entourent, chaque contrôleur sait si l'objectif global de singularisation du flux de sachets sera mieux atteint en accélérant ses six rouleaux ou en les ralentissant.
Selon Martin Prakken, PDG de Blueprint Automation, le système d'alimentation est un exemple d'intelligence en essaim : le comportement collectif d'agents individuels, comme les oiseaux d'une grande volée, qui interagissent les uns avec les autres de telle sorte qu'un comportement de groupe synchronisé émerge et que les agents individuels semblent n'en former qu'un seul.
"Chaque groupe de six rouleaux possède son propre algorithme, et chaque groupe communique avec certains des autres groupes qui le précèdent et le suivent immédiatement", explique M. Prakken. Selon lui, ce nouveau système d'alimentation représente une avancée significative par rapport à celui que les clients de Blueprint, dont CCB, ont utilisé par le passé. Dans ces applications antérieures, les groupes de six rouleaux ne sont pas entraînés par un moteur pas à pas, mais par un servomoteur dont l'entraînement se trouve dans l'armoire de commande principale. Le contrôleur du système d'alimentation doit communiquer avec le servomoteur et ce dernier doit ensuite communiquer avec le servomoteur. "Grâce à cette nouvelle approche combinée pas à pas/entraînement et à l'intelligence intégrée dans chaque groupe de six rouleaux", explique M. Prakken, "les données circulent beaucoup plus efficacement et rapidement"
Le résultat net du système d'alimentation Blueprint est qu'en très peu de temps, ce qui était auparavant une masse de sachets dans des bacs en vrac a été converti en un flux ordonné de sachets individuels qui tombent du dernier groupe de rouleaux sur une bande de prélèvement plate. Un système de vision, toujours de Cognex, identifie l'emplacement précis de chaque sachet sur cette bande et partage ces coordonnées avec le robot de type delta situé immédiatement en aval. Ce qui se passe ensuite dépend en grande partie de ce qui est entré dans le système de gestion des recettes.
"Chacune des 12 cellules robotisées est indépendante des autres", explique M. Cotty. "Elle peut alimenter chaque carton qui passe, ou placer des sachets uniquement dans un carton sur deux ou un carton sur trois, ou tout ce que nous voulons.
En fin de compte, tout ce qui est saisissable est bon à prendre. Chaque cellule dispose de trois systèmes de valves à vide, de sorte que, selon l'outil sélectionné, chaque robot peut prélever jusqu'à trois articles à la fois. Les sachets peuvent être placés dans un carton en une seule fois ou un sachet peut être placé et l'effecteur peut être légèrement déplacé pour déposer l'autre sachet dans une position jugée plus favorable. Cette méthode s'avère parfois utile pour les cartons à grand nombre d'exemplaires, afin de les faire tenir correctement.
Deux autres remarques sur le système d'alimentation. Si le nombre de sachets arrivant sur le tapis de prélèvement est trop important pour que le robot puisse les traiter, ceux qui ne sont pas prélevés tombent simplement du tapis de prélèvement sur un convoyeur Dorner qui est relié au convoyeur de retour menant à l'élévateur à godets d'alimentation. De plus, si le système de vision de Cognex voit un sachet plus petit que les paramètres sélectionnés, ou s'il voit un sachet écrasé ou déformé d'une manière qui le rend impossible à prélever, il demande au robot de ne pas prélever ce sachet, mais de le laisser tomber de la bande de prélèvement et de le déposer sur le convoyeur de retour. Ce convoyeur Dorner est doté d'une fonction de pivotement qui est automatiquement activée pour dévier le sachet défectueux vers un bac de rejet.
Double pesée de contrôle
À la sortie du robot ABB n° 12, les cartons remplis font un tour et passent sur une trieuse pondérale Mettler Toledo. "Nous vérifions le poids des cartons à deux reprises", explique M. Cotty, "d'abord lorsque le carton est encore ouvert, puis une fois qu'il est fermé. Lorsqu'il est ouvert, il est encore possible qu'un sachet tombe avant d'atteindre le système de fermeture du carton. Le contrôle pondéral après la fermeture du carton est un moyen supplémentaire de s'assurer que chaque carton contient le nombre correct de sachets.
La fermeuse de cartons dont parle Cotty est la Vari-Straight de Kliklok Woodman.
"Nous avons l'une des premières à avoir été construites sur l'une de nos autres lignes", explique M. Cotty. "Il s'agit de la version la plus récente de la Vari-Straight, qui est donc équipée de servocommandes Allen-Bradley. Elle a une capacité de 150 cartons par minute et gère toutes les tailles de cartons que nous produisons". Les commandes Allen-Bradley sont fournies par Rockwell Automation.
Un système d'application de colle thermofusible Robatech est intégré à la fermeuse de cartons Vari-Straight. "Nous avons constaté qu'il permettait un très bon contrôle de la colle et qu'il n'y avait pas beaucoup de cordons d'adhésif, explique Cotty, et qu'il fonctionnait très bien.
Le codage par jet d'encre des informations variables est ensuite réalisé par un système de Domino. "Domino est notre partenaire pour l'impression des cartons dans cette usine", explique M. Cotty.
Après un deuxième détecteur de métaux Mettler Toledo, les cartons passent à la station d'encaissage EZ Pack de Combi Packaging Systems. Cette station érige les caisses automatiquement et les fait avancer jusqu'à un poste où les opérateurs chargent les cartons à la main de manière rapide et efficace. Les caisses sont ensuite poussées vers une station de scellage automatique où les couvercles sont collés. Un système d'encaissage entièrement automatisé n'a jamais été une option, explique Cotty, car le nombre de changements impliqués dans une opération de co-packing comme celle-ci aurait rendu le coût de l'outillage de changement de pièces prohibitif.
Le codage des caisses est effectué sur un système à jet d'encre de Squid Ink. Comme le système Domino en amont pour le codage des cartons, le codeur de caisses est informé par le système de gestion des recettes des informations à imprimer chaque fois qu'un changement se produit.
Vient ensuite la palettisation robotisée sur un système Fanuc. "Nous avons installé le palettiseur Fanuc en 2007 en sachant que nous voudrions y ajouter une deuxième ligne", explique M. Cotty. "Nous l'avons également conçu de manière à ce qu'il puisse prendre des feuilles de carton ondulé ou de fibre de bois. Là encore, grâce à notre système de gestion des recettes, le robot sait quel type de feuille est requis. De plus, si nous utilisons une feuille de carton ondulé, nous appliquons une colle de démoulage sur chaque feuille de carton ondulé parce qu'elles n'ont pas autant d'adhérence et que la première couche de caisses a tendance à glisser un peu".
L'une des améliorations de la nouvelle ligne concerne la manipulation des caisses en fin de ligne. Sur l'ancienne ligne qui alimente le palettiseur, des convoyeurs à rouleaux à entraînement continu amènent les caisses jusqu'au mécanisme de fermeture qui les achemine vers la station de prélèvement. Cela permet à la contre-pression de s'accumuler, ce qui peut à son tour compromettre l'action du mécanisme de fermeture. Sur la nouvelle ligne, le mouvement des convoyeurs à rouleaux Hytrol est soumis à un automate programmable qui élimine le problème de la contre-pression. Un embranchement de convoyeur à rouleaux Hytrol est également en place et permet de dévier les caisses si un emballage spécial est nécessaire. Une fois de plus, de telles options s'avèrent très utiles lorsque l'on est coemballeur, explique M. Cotty.
Le robot Fanuc, ajoute M. Cotty, fonctionne parfaitement depuis son arrivée en 2007. Une modification récente a été apportée au niveau de l'effecteur final, ajoute-t-il, où le plénum d'aspiration a été remplacé. Il a été remplacé par un outil universel de levage par le vide, appelé "The Squid", de Vacuforce, qui dispose d'une technologie de valve à fermeture automatique permettant aux différentes ventouses de se fermer automatiquement si elles ne sont pas étanches par rapport à la charge à manipuler. Ainsi, si certaines des 120 ventouses de l'effecteur ne sont pas en contact avec l'expéditeur à prélever, un clapet situé à l'intérieur de chacune des valves de ces ventouses se ferme pour empêcher la poussière de pénétrer dans la valve. "Nous avons effectué ce changement il y a environ trois mois et nous n'avons pas eu de problèmes de vide depuis", note Cotty. "Auparavant, nous rencontrions des problèmes de vide liés à la poussière toutes les semaines environ.
La nouvelle ligne s'achève avec une emballeuse automatique de Phoenix Wrappers.
Debout devant le robot n° 12 et regardant les 11 autres cellules robotisées qui s'activent automatiquement et en douceur, M. Cotty est manifestement satisfait du résultat de ce projet ambitieux et à forte intensité capitalistique. "Cette ligne s'inscrit dans notre volonté d'offrir à nos clients des solutions d'emballage automatisées et peu coûteuses", explique M. Cotty. "C'est de la très haute technologie.
Ce pourrait être l'euphémisme de la décennie.
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