灵活的机器人系统，提升饼干自动化包装效能

成立于2007年的ZoRoCo包装公司是一家家族式合同制造商，总部位于美国爱达荷州的Caldwell。公司专注于食品的生产和包装，产品涵盖饼干、脆饼、零食、格兰诺拉燕麦、烘焙预拌粉以及各种冷冻食品。该公司拥有三个工厂：冷冻食品工厂、无麸质食品工厂和“无过敏原”食品工厂。

ZoRoCo产线中，共部署了五个模块。每个模块配备两台由Royal Houdijk设计制造的Delta并联机器人，其末端执行器可自动将产品整齐堆叠，并放入聚苯乙烯托盘中，为后续枕式包装做准备。托盘则由一台与Houdijk系统高度集成的Tramper设备提供。

“我们的独特之处在于完全不做自有品牌。”公司总裁Cordy Rost表示，“我们为那些拥有自有知识产权的品牌提供代加工服务。”

总部位于纽约的Partake食品公司便是该公司客群体中的一个典型代表。这家公司由曾在可口可乐公司担任高管的Denise Woodard于2016年创立。当她女儿被诊断出患有多种食物过敏症后，她便创立了这家公司，旨在提供一系列美味且经过认证的无麸质、非转基因、纯素食且不含九大常见过敏原的食品。正是ZoRoCo在无麸质和无过敏原食品生产领域的专业能力，促成了Woodard与Rost的合作。

“Partake食品公司是推动这条新产线落地的关键。”Rost表示，“我们实现了双赢，为两家公司都带来了发展机遇。”
他提到的新产线位于ZoRoCo的无过敏原工厂内，它具备高度自动化生产和包装能力，适用于方形薄脆饼干或圆形曲奇的制造与包装。在包装线前端配备了两台关键加工设备，均来自Reading Bakery：一台是用于生产薄脆饼干和威化的旋转成型机，另一台是切割系统，用于将通过模具挤出的面团切片，确保生产出的曲奇大小一致。无论生产哪种产品，最终的烘焙环节都由Reading Bakery提供的1.5米宽的线性钢带烤炉完成。

完成烘焙完后，产品由Royal Houdijk提供的精密机器人系统对其进行冷却和初步包装。冷却系统包括一条宽1.2米、长约150英尺的常温输送带，其末端设有180度转弯段，可使产品调头返回，继续向相反方向输送。完成这一转向后，产品便转移至Royal Houdijk的1.2米宽COOKIEBOT主输送带上。

在COOKIEBOT主输送带的上游，设有一段被Houdijk区域销售经理Dan DeJac称为“先进先出（FIFO）进料缓冲区”的输送带。他解释道：“比如，当下游的枕式包装机因故停机时，系统会向设备发送信号，指示进料缓冲区的180度输送带自动远离COOKIEBOT进料口，相当于延长了冷却输送带的长度。”这一机制可以提供大约五分钟的缓冲时间。待包装机恢复运转后，系统将再次发出指令，使该输送段以设定速度恢复至原始位置。

值得注意的是，为确保整个系统高效运转，机器人抓取与放置系统必须具备一定的过载处理能力，以便在下游设备恢复运行后，能及时清空进料缓冲区中的所有产品。

五个机器人模块

COOKIEBOT是一套视觉引导的机器人抓取与放置系统，由多个独立模块组成，模块数量可根据客户需求灵活扩展。在ZoRoCo产线中，共部署了五个模块。每个模块配备两台由Royal Houdijk设计制造的Delta并联机器人，其末端执行器可自动将产品整齐堆叠，并放入聚苯乙烯托盘中，为后续枕式包装做准备。托盘则由一台与Houdijk系统高度集成的Tramper设备提供。

“我们已与Tramper合作数十年之久，与我们对所有OEM合作伙伴的要求一样，其设备必须支持免工具快速换型，具备出色的卫生设计，并符合我们自研设备所采用的统一电气标准。”DeJac表示，“这台D-3100设备利用真空吸盘从顶部弹匣中每次抓取四个托盘，然后抓取工具旋转180度，将托盘以单列方式放置在一条与COOKIEBOT主输送带平行但反向运行的带齿输送带上。这样一来，产品逆向被装入托盘。”

当产品从先进先出（FIFO）缓冲区转入COOKIEBOT主输送带时，Houdijk集成的视觉系统会对每件产品进行识别与检查，确保其无破损、无变形。一旦发现不合格产品，主控制系统将自动识别，并命令令机器人跳过该产品，使其滑入主输送带末端的废品箱中。同时，视觉系统还会记录每件产品在输送带上的精确位置，并将数据传输至主控制器，以指导机器人准确完成下一次抓取。

尽管整套自动化处理系统已经高度智能，但COOKIEBOT的核心亮点或许在于获得专利的SLUG GRIPPER臂端抓取工具。该抓取装置兼具灵活性和高效，采用三叉结构，可从烘焙食品底部滑入，并将产品精确导入定位装置。安装有SLUG GRIPPER的机器人随后移动至下一件产品，重复抓取、堆叠操作，确保每组产品堆放整齐且结构稳定。

一旦SLUG GRIPPER抓取了五片或九片饼干时，机器人会将这组产品移动至托盘传送带上。传送过程中，SLUG GRIPPER会从垂直状态转为水平状态，并将整组饼干稳妥放入托盘的一个隔间中。随后，机器人返回起点，开始下一轮堆叠作业。托盘规格分为两格-18片装，或三格-15片装，具体视产品类型而定。

快速换型，轻松应对产品多样化需求

由于方形薄脆饼干和圆形曲奇饼干在形状上存在显著差异，ZoRoCo在产品切换时需要更换SLUG GRIPPER臂端工具以适配不同产品。然而，整个更换过程无需任何工具，操作便捷，每个SLUG GRIPPER的更换时间仅需一分钟。未来还可轻松扩展更多型号的SLUG GRIPPER。

“如果ZoRoCo希望使用每格装有12片饼干的双格托盘包装，我们同样可以支持。”DeJac补充道，“我们具备快速开发并更换SLUG GRIPPER的能力，因此未来产品形状或尺寸无论如何变化，都能轻松应对。”

薄脆饼干正不断输送至COOKIEBOT主输送带。装有18片饼干（分为两格）的托盘从左向右移动，接着通被一段倾斜传送带输送至下游枕式包装机。

对于近期参观过美国国际包装机械展（PACK EXPO）的人来说，这样的自动化系统或许并不陌生：Delta机器人从输送带上逐片抓取饼干，并将其逐一放入链式传送带上的托盘中。传统系统的操作流程大多是：抓取 → 移动 → 放入托盘 → 返回 → 再次抓取，循环往复。

而Royal Houdijk拥有独家专利技术，是目前唯一能够无需机器人频繁往返抓取、即可实现产品组整体堆叠的系统供应商。这一独特的解决方案，在设备维护和使用寿命方面具有显著优势。

 “这种设计还能缩短生产线整体长度。”DeJac解释说，“如果一次只抓取一块饼干，就需要更多机器人来完成这项工作。我估计，这可能需要增加大约20%的机器人。因为在传统系统中，为了收集完整的饼干组并将其搬运到托盘中，机器人需要进行多次短距离移动，而且还需要考虑从托盘返回输送带饼干流的往返时间。而使用SLUG GRIPPER后，我们能够压缩生产线，用更少机器人实现了传统系统的同等产能。”

ZoRoCo公司当前使用的SLUG GRIPPER臂端工具为气动驱动，但也可以升级为伺服驱动版本。Royal Houdijk目前设计和交付的大多数系统已经采用伺服驱动方案，这一升级进一步缩短了产品切换的时间。

在COOKIEBOT控制系统方面，本项目采用了倍福的自动化组件。但DeJac指出，Royal Houdijk的标准配置平台仍以罗克韦尔（Rockwell）系统为主。“我们在电控系统上采用了模块化分布式设计，每个模块都配备独立的控制单元。”他说，“比如，如果某一部分PLC出现故障，系统只会影响对应模块的运行，不会导致整条产线停工。而且由于生产线具备冗余产能，COOKIEBOT会自动调节其余机器人的运行速度，确保整线仍能维持既定产能。”

这种模块化控制方案不仅提高了系统稳定性，也为日常维护带来极大便利。例如，在巧克力曲奇生产过程中，若SLUG GRIPPER沾染巧克力，操作人员只需一键操作，即可将该模块的两台机器人移至便于操作的安全位置，快速擦拭清洁或直接更换备用抓手。

“我们还为SLUG GRIPPER提供定期维护与精度校准服务。”DeJac补充道，“所有机械设备都会存在部件磨损情况，我们不希望客户在“何时、如何更换衬套或活动件”的问题上自行摸索。因此，我们提供全套备件，以保障客户生产不中断。客户只需将需维护的SLUG GRIPPER邮寄至位于亚特兰大的服务中心，在完成维护和校准后会立即寄回，并在此过程中提供最新硬件升级，确保客户始终使用最先进、最可靠的设备。”

全方位台式测试

鉴于SLUG GRIPPER的运行速度，人们难免好奇：它如何在处理饼干这类易碎产品时避免产品损伤？DeJac解释道，这得益于系统交付前的全方位测试与建模。“我们在内部设计并3D打印工具，自行完成臂端工具的组装，随后进行大量台式测试。如发现问题，则重新回到设计环节反复优化。只有在测试结果完全达到预期目标后，我们才会推进下一阶段。测试的核心在于厘清饼干或薄脆饼干所能承受的极限条件：例如，施加多大力度会导致破损？在垂直方向能以多快的速度移动而不产生断裂？夹持时所需的最小压力是多少？在客户下单前，我们已对产品所能承受的所有动态力做过充分评估，因此在进入采购谈判阶段时，我们可以自信地在合同中承诺系统达到99%的运行性能。”

获得专利的SLUG GRIPPER

在包装过程中，装有产品的托盘会随链式输送带向前移动，并经过一段坡度较缓的斜坡，使其在完成180度转弯的同时，顺利进入COOKIEBOT上方的带式进料输送带。托盘在这个环节会沿着与冷却输送带方向相反、但与COOKIEBOT主输送带相同的方向移动。这些装满饼干的托盘随后将被输送至萨克米（Sacmi）枕式包装机，使用透明薄膜完成包装。

包装之后，产品将依次通过Loma Systems的检重秤以及赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）的X射线金属检测系统。随后，包装好的托盘被送入ADCO装盒机，集成的伟迪捷（Videojet）喷码系统会在每个纸盒上打印生产日期。目前纸箱仍采用人工装箱方式，但ZoRoCo公司计划不久后将引进一台由Douglas Machine提供的自动装箱设备。

COOKIEBOT系统的另一项灵活设计在于，并非所有产品都必须装入托盘。ZoRoCo的部分客户还会要求提供两片装、三片装的小包装形式，通过加油站便利店销售给消费者；有的甚至希望提供针对航空乘客的单片装饼干。若需要此类包装，操作人员只需在COOKIEBOT的HMI控制界面上选择相应参数，系统即可自动将部分产品分流，跳过抓取与放置环节，直接以单列形式进入一台独立的小规格萨克米枕式包装机。该包装机还会在薄膜内插入轻质纸板衬垫，以防止保护饼干或薄脆饼干不被压碎。

首次引入机器人系统

自2024年2月正式投产以来，这套全新设备的表现远超Rost的预期。他特别感谢Medalist Engineering的顾问Curtis Wardhaugh，是他向ZoRoCo推荐了Houdijk的COOKIEBOT系统。“我们之所以选择Houdijk方案，其中一个重要原因是他们在合同中承诺系统整体设备效率（OEE）达到98%，而最终也确实兑现了这一承诺。”Rost表示，“这对我们来说意义重大，因为这是公司首次引入机器人技术。其实我们也考虑过用更传统的机械自动化方式替代原本高度依赖人力的操作流程，这些机械方案的成本普遍更低，但它们在灵活性方面完全无法与COOKIEBOT相提并论，而灵活性正是我们最终作出决定的关键所在。”

Rost指出，在设备安装调试及ZoRoCo员工培训期间，Royal Houdijk团队提供了全面支持和专业协助。他补充说，Houdijk在生产管理上高度重视POKA-YOKE防错设计，这类设计能够有效避免生产流程在未达到关键指标的情况下进入下一步骤，因而从源头上降低了出错的可能。

“这套系统的操作简单直观。操作员只需在HMI界面上轻点几下，选择相应程序，整个流程便可顺利运行。员工们都非常喜欢这套设备。”Rost补充道，“此外，Houdijk还为我们提供了远程服务支持，这在突发状况下发挥了极大作用。”

作者：Pat Reynolds
摘自Packaging World杂志

来源：荣格-《 国际食品加工及包装商情》

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