兩片鋁罐生產智能化手段探討

■ 文/上海寶鋼包裝股份有限公司研發部部長 張清

世界上第一只飲料罐出現于1935年。這種早期的飲料容器是鋼制三片罐，主要用來灌裝啤酒，如圖1所示。由于其長途運輸性能良好，在二次世界大戰期間獲得了廣泛發展。市場上第一個兩片鋁罐出現于1958年，由于這種新型金屬容器具有成本低、生產率高等特點，一出現便迅速占領了飲料包裝的市場。

圖1 世界上第一只飲料罐即鋼制三片啤酒罐

上世紀60年代初，美國的Renlds公司首創了現代金屬二片罐的“D&I”制造方法，并于1963年制造出了第一個商業化的355ml鋁制二片罐，如圖2所示。這種“D&I”生產工藝實現了鋁罐的高效率生產，從而使鋁罐獲得了真正意義上的競爭力。鋁罐的研究者們還于70年代中后期相繼推出了“縮頸”和罐底穹面成形工藝，這兩種工藝不但大量節約了罐用金屬原材料的消耗、增加了鋁罐的美觀度，而且使鋁罐的堆垛性也得到本質性提高。這些金屬兩片罐制造史上標志性的研究成果，從技術上保證了鋁罐在相當一段長的時間內于包裝行業保持領先。

圖2 第一個兩片鋁罐

一、兩片鋁罐智能化生產乃大勢所趨

從易拉罐制造成本的角度來看，過去多年來兩片飲料易拉罐一直是向著減重（材料減薄）的技術方向發展；而從設備制造商的角度來看，則以開發高速機，不斷提高生產線的生產速度作為發展目標。

當前，兩片罐生產線已經實現了高速、高自動化生產，9個人便可以管理一條2400罐/分鐘的高速生產線，可以說在速度和自動化的提升空間上已經不大。與此同時，制罐這個傳統行業卻因工作環境艱苦而面臨專業技術人員青黃不接的問題。在此背景下，兩片罐的智能化生產已成為大勢所趨。

二、自動調墨系統

如今，社會已逐漸進入人工智能時代，技術和數字革命正在不斷改善我們的世界，也在不斷影響著兩片易拉罐的生產轉型，讓易拉罐的生產變得可以更加安全、高效。兩片罐生產線的主要設備，如沖杯機、拉伸機、彩印機、縮頸翻邊系統、碼垛機等，正在逐步實現智能化操作。例如，由日本公司開發的自動調墨系統，已經在國內部分兩片罐生產線上應用，此系統是一種可編程的精密配墨管理系統，實現了油墨供給的數字化控制。與通過調整油墨上墨間隙來控制上墨量的傳統做法不同，它是讓墨斗輥與墨斗的間隙保持一定，通過改變分割墨輥不同部位與墨斗輥接觸的長度，來控制油墨的供給量（實現了與原底版顏色同步一致的控制效果）。分割墨輥把需要的油墨量從墨斗輥上沾取下來，沾取量完全由電腦控制。系統可自動記錄并保存各個版面（品種）的壓力和墨量，充分運用大數據管理，在切換品種和換版時，可及時調用已保存在電腦中的檔案數據，立刻得到圖案油墨的使用量和印刷壓力大小，讓操作人員的工作時間、勞動強度大大縮短和減少。換版時間也由原來的平均每次30分鐘降為15分鐘，提升了換版的生產效率并減少了由此而產生的廢罐數量。同時，使用此設備后還可以提高產品印刷質量，降低油墨使用量，并保持產品質量的穩定性，如圖3所示。

圖3 自動調墨系統

三、易拉罐數碼打印

現代數碼印刷技術的誕生，催生了新一代制罐技術的發展。目前，國內外多家公司在易拉罐數碼打印技術上取得了突破性的發展，加速了易拉罐的生產向智能化、個性化邁進。目前，歐美發達國家的一些制罐設備供應商相繼研發了曲面數碼打印技術，打印機無須直接接觸易拉罐罐體表面，而是通過墨水噴射方式進行高保真彩色圖像打印，打印圖案不會因熱量和壓力而出現變形。這種打印技術是利用電腦色彩管理技術的直接輸出打印方式，圖案或圖像不用在前期做任何打印準備工作，免去了傳統制罐工藝中印前處理（包括分色、制作菲林、制版）和彩印準備工作（包括裝版、上版、調色），以及確認樣品效果合格后才能進行批量印刷等繁瑣工序。數碼打印既方便又快捷，只有三個打印步驟：電腦上確定圖案→打印→烘干，操作極其簡單，一般人都可以操作整個流程，而不再需要技術要求很高的專業人員。易拉罐數碼打印采用的是UV油墨，利用色料的三原色混色原理，加上黑色油墨，共計四種顏色混合疊加，形成所謂“全彩印刷”，如圖4所示。其特點是：打印穩定，色彩鮮艷，固化強度高，固化能量低，環保無異味。同時，網絡技術的廣泛應用為遠程個性化、定制化易拉罐的智能生產提供了可能，也就是說，在網上直接就可定制符合客戶要求的易拉罐產品。可以想象，未來個人定制的易拉罐生產可以不受數量、圖案的束縛，多適用性及廣泛的應用前景為客戶提供了更多的發展和選擇機會。

圖4 數碼打印的易拉罐

四、碼垛機械手

傳統制罐的另一個重要工序是碼垛。碼垛機的電氣、機械等系統的控制復雜，是一個故障頻發的區域，制約了高速生產線的生產效率。隨著現代機器人的廣泛運用，將機器人引入制罐生產線將成為一種趨勢。目前，機械手的廣泛應用為智能碼垛提供了嶄新的應用前景。碼垛機械手由于結構非常簡單，所以故障率低，容易保養、維修。其主要的構成零配件少，所以維修費用很低。碼垛機械手即便是設置在狹窄的空間也可發揮有效作用。碼垛機械手的全部控制可在控制柜屏幕上操作，非常簡單，且通用性強：通過更換機械手的抓手即可完成對不同貨物（如易拉罐、墊罐紙）的抓取、碼垛及拆垛，相對降低了生產成本，提高了生產效率。同時，碼垛機械手既能碼垛，又能卸垛，完全突破了傳統碼垛機只能碼垛不能卸垛的生產方式，如圖5所示。

圖5 機械手碼垛

五、機器視覺檢測系統

另外，視覺檢測系統的技術進步，也實現了對易拉罐連續化生產過程中的智能檢測和篩選。在高速生產線上生產易拉罐時，難免會發生壞罐、混罐，以往主要靠人工進行檢測和挑選。如今，利用機器視覺對易拉罐進行表面檢測的方法已在生產線上實現成功應用。它是通過光電成像技術將被攝取易拉罐的360o圖文信息轉換成數字圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素的分布、亮度、顏色等信息通過各種圖像處理算法來抽取目標的特征，對產品的表面質量進行判別，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作，如圖6所示。用機器視覺進行易拉罐檢測分選的最大優點是無接觸、高速度、高精度、大信息量，而且隨著計算機技術的快速發展，這項技術更加集成化、智能化，這是其他檢測方式無法比擬的。

圖6 機器視覺檢測系統結構組成

我們可以簡單地將檢測流程分為四個部分：學習、比對、判別、輸出結果。圖像的采集需要得到易拉罐360o的圖像，由于易拉罐外形結構為圓柱體，所以成像面為曲面，根據光學成像原理可知，拍攝的圖像會有圖像畸變。由于圖像畸變不利于軟件檢測結果的準確性，因此得到易拉罐360o無畸變圖像是必須具備的關鍵技術。

我們在單罐輸送線上分4個工位安裝四臺高速照相機，分別用于易拉罐四個側面的圖像采集，如圖7所示。每個工位相機采集易拉罐158o左右的圖像，四個相機采集圖像后經過軟件處理系統畸變校正，各取其中90o進行拼合，最終得到完整的360o圖像，如圖8所示。

圖7 相機成像方案圖

圖8 四相機方案圖像拼合圖

此項技術，由于識別和處理易拉罐速度快、精度高，所以與傳統彩印相比大大降低了印刷質量問題，同時也降低了因生產線輸送過程導致的其他質量問題，保證了生產線的正常高速運作和產品質量，并大大降低了人力成本，更為將來的易拉罐智能分選提供了技術保障。

六、結語

總而言之，人工智能的加入對當前兩片罐的生產有兩大益處：一是降低了對熟練操作和維修人員的數量需求，二是促進行業對未來無人工廠發展的重新思索。相信在不久的未來，從原材料、配件的領取、生產線智能制造的廣泛推進，以及智能倉庫的成熟運用，一個個全新的兩片罐智能化生產工廠將展現在我們面前，新一代人工智能技術將會為社會帶來重大的顛覆性、替代性的影響，成為引領新一代科技革命和產業變革的重要驅動力量。

參考文獻

[1]胡國勝,曹清. 鋼制兩片飲料罐及其在中國市場發展的意義和展望.寶鋼技術,1997(06).