ITTO20090228A1 - Metodo e impianto di confezionamento per inserire prodotti in contenitori tramite una serie di robot - Google Patents

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ITTO20090228A1
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Fulvio Giacobbe
Dario Gurrieri
Pierfrancesco Zallio
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Opm S P A
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Description

DESCRIZIONE
“METODO E IMPIANTO DI CONFEZIONAMENTO PER INSERIRE PRODOTTI IN CONTENITORI TRAMITE UNA SERIE DI ROBOTâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo di confezionamento per inserire prodotti in contenitori tramite una serie di robot.
In impianti di confezionamento noti, un nastro porta un flusso di prodotti da confezionare in posizioni casuali e si muove ad una velocità costante parallelamente ad una linea di trasporto di contenitori, definiti da scatole, vassoi o da semplici zone delimitate sul trasportatore stesso, i quali sono distanziati di un passo costante e sono in movimento ad una velocità regolabile. I prodotti vengono prelevati dal nastro e depositati nei contenitori per mezzo di robot, disposti in serie al di sopra del nastro stesso.
L’impianto à ̈ provvisto di un sistema di visione che à ̈ disposto all’inizio del nastro, determina le posizioni dei prodotti in arrivo e comunica informazioni relative a tali posizioni ad una o più unità di comando associate ai robot.
La velocità dei contenitori à ̈ impostata in funzione del numero di prodotti in arrivo, ma effettivamente la quantità istantanea di prodotti per unità di tempo ha forti oscillazioni, dipendenti dall’impianto che scarica i prodotti sul nastro a monte dei robot.
Un’unità di comando associata all’ultimo robot, considerando il senso di avanzamento dei contenitori, à ̈ configurata in modo da comandare il riempimento di tutti gli eventuali posti vuoti rimasti nei contenitori stessi. Se i contenitori ed i prodotti viaggiano concordi, l’ultimo robot talvolta non ha a disposizione prodotti sul nastro, in quanto sono stati già prelevati dai robot precedenti. Per evitare l’uscita di contenitori parzialmente vuoti, la velocità dei contenitori viene momentaneamente ridotta. Così facendo, però, i robot precedenti tendono a riempire le scatole eccessivamente: in altre parole, tende a generarsi una situazione opposta, in cui nei contenitori successivi l’ultimo robot non trova posti vuoti dove mettere i prodotti che arrivano al fondo del nastro. In tale situazione, per evitare di lasciare uscire e scartare questi prodotti in eccesso, si tende poi ad accelerare la linea di trasporto dei contenitori.
Le ripetute decelerazioni ed accelerazioni non sempre riescono a compensare le fluttuazioni di quantità nel flusso di prodotti e tendono a fare entrare in oscillazione il sistema in maniera instabile e difficilmente prevedibile. Per limitare tali inconvenienti, ossia per mantenere il più possibile costante la velocità dei contenitori, à ̈ possibile seguire le seguenti soluzioni:
- fare ricircolare verso l’ingresso del nastro i prodotti in eccesso che tendono ad uscire (con conseguente aumento degli ingombri dell’impianto);
- immettere i contenitori vuoti nella loro linea di trasporto a distanze variabili gli uni dagli altri, in funzione del numero di prodotti in arrivo, come indicato nel brevetto europeo EP0749902;
- fare viaggiare i contenitori in controflusso rispetto ai prodotti, come indicato nel brevetto europeo EP0856465.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo di confezionamento per inserire prodotti in contenitori tramite una serie di robot, il quale costituisca una alternativa efficiente alle soluzioni sopra elencate.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di confezionamento per inserire prodotti in contenitori tramite una serie di robot, come definito nella rivendicazione 1.
La presente invenzione à ̈, inoltre, relativa ad un impianto di confezionamento per attuare il metodo della rivendicazione 1.
L'invenzione verrà ora descritta con riferimento alla figura allegata, che illustra, in modo schematico ed in pianta, un esempio di attuazione non limitativo di un impianto che opera secondo il metodo di confezionamento secondo la presente invenzione.
In figura 1, con 1 à ̈ indicato, nel suo complesso, un impianto di confezionamento (parzialmente e schematicamente illustrato) per inserire prodotti 2 (ad esempio cioccolatini o merendine) in contenitori 3 tramite una serie di robot 4, i quali sono comandati da rispettive unità 4a di elaborazione e controllo in base ad informazioni fornite da un sistema di visione 5.
I prodotti 2 vengono depositati o scaricati alla rinfusa, ossia in posizioni casuali, sulla superficie superiore di un nastro 6 trasportatore per mezzo di un sistema di produzione o di trasporto non illustrato, all’inizio del percorso definito dal nastro 6 stesso. I prodotti 2 possono essere della medesima tipologia, oppure di tipologie diverse: in quest’ultimo caso, ciascun contenitore 3 può essere riempito con tipologie diverse di prodotti oppure con una medesima tipologia di prodotti.
Il nastro 6 à ̈ azionato da un motore elettrico (non illustrato) per fare avanzare i prodotti 2 lungo una direzione A rettilinea, preferibilmente ad una velocità V costante, sotto il comando di una unità 12 centrale di elaborazione e controllo, separata dalle unità 4a. Prima di arrivare ad una serie di zone 9 di prelievo definite dal campo in cui riescono ad operare rispettivamente i robot 4, i prodotti 2 vengono trasportati dal nastro 6 attraverso una zona 7 di rilevamento, su cui à ̈ puntato il sistema di visione 5. Il sistema di visione 5 comprende almeno una telecamera (o una fotocamera) ed una unità di elaborazione dati, la quale elabora le immagini della telecamera, determina la posizione, l’orientamento ed il numero dei prodotti 2 passanti nella zona 7 e comunica le corrispondenti informazioni alle unità 4a.
I robot 4 sono preferibilmente di tipo antropomorfo, delta o scara, sono disposti in modo da definire una successione di zone 9 lungo la direzione A, sono portati al di sopra del nastro 6 da strutture di supporto non illustrate, ad esempio da strutture a ponte, e comprendono rispettivi organi di presa 8 definiti da ventose o da pinze. Secondo una variante non illustrata, ciascuna struttura di supporto porta due robot 4, contrapposti lungo la direzione A. Le zone 9 in cui possono arrivare gli organi di presa 8 hanno, ciascuna, una lunghezza Lr lungo la direzione A, e i robot 4 impegnano una lunghezza L complessiva del nastro 6.
L’impianto 1 comprende, inoltre, per ciascun robot 4, un relativo polmone, o buffer, o parcheggio 11, il quale ha una pluralità di posti per i prodotti 2 e preferibilmente à ̈ disposto di fianco al nastro 6. Nell’esempio illustrato in figura 1, i polmoni 11 sono definiti sono definiti da piani orizzontali di appoggio fissi: in alternativa, sono definiti da nastri orizzontali motorizzati oppure da caricatori, ad esempio di tipo verticale o a tamburo.
Secondo una preferita forma di realizzazione, sensori di posizione 15 sono previsti per determinare la posizione e/o l’orientamento dei prodotti 2 nei polmone 11 e comunicare le corrispondenti informazioni alle unità 4a, al fine di incrementare la precisione delle operazioni di prelievo dei prodotti 2 dai polmoni 11. Tali sensori non sono pero’ strettamente necessari in tutti quei casi in cui la precisione richiesta non sia critica.
I contenitori 3 sono definiti, ad esempio, da scatole oppure da vassoi, aventi, ciascuno, un dato numero Npc di posti da riempire, e sono trasportati lungo una direzione B parallela alla direzione A in posizioni relative fisse da un convogliatore 13, ad esempio un convogliatore a catena, il quale à ̈ disposto di fianco al nastro 6, dalla parte opposta dei polmoni 11. Nell’esempio illustrato, i contenitori 3 sono disposti ad una distanza o passo costante, ed il convogliatore 13 à ̈ motorizzato in modo da fare avanzare la fila di contenitori 3 nello stesso senso dei prodotti 2.
L’unità 12 regola la velocità del convogliatore 13 e, quindi, la velocità dei contenitori 3 in funzione del tasso di prodotti in arrivo, ossia in funzione della quantità di prodotti 2 in arrivo nell’unità di tempo, al fine di evitare l’uscita e quindi, lo scarto di prodotti 2 al fondo del nastro 6. Il tasso di prodotti in arrivo ha una componente media sostanzialmente costante ed una componente oscillante, che dipendono dal sistema di produzione o di trasporto disposto a monte dell’impianto 1.
L’unità 12 calcola un valore Vpt uguale al numero di prodotti 2 trasportato in un intervallo di riferimento sufficientemente grande, tale da ottenere un valore Vpt che sia indicativo di un tasso di prodotti medio o globale del numero di prodotti in arrivo. Tale intervallo di riferimento può essere una lunghezza del nastro 6, un’area del nastro 6, o un tempo di trasporto; preferibilmente, à ̈ uguale al tempo Tt necessario per attraversare tutte le zone 9, ossia per percorrere tutta la lunghezza L (Tt=L/V). E’ possibile calcolare il valore Vpt conteggiando i prodotti 2 in arrivo in base alle misurazioni del sistema di visione 5. Tuttavia, si conteggiano i prodotti 2 in arrivo in base a dispositivi sensori 10, ad esempio sensori di posizione o di prossimità, disposti a monte della zona 7, per avere in anticipo l’informazione relativa al valore Vpt. In alternativa, il valore Vpt à ̈ una informazione acquisita dal sistema di produzione o di trasporto disposto a monte dell’impianto.
La velocità del convogliatore 13 à ̈ regolata in modo che il numero di contenitori 3 per unità di tempo sia uguale a Vpt/Npc. Tenendo conto che la distanza o passo tra i contenitori 3 à ̈ costante, tale relazione determina in modo univoco la velocità del convogliatore 13.
Nel contempo, le unità 4a e/o 12 regolano la cadenza operativa di ciascun robot 4, ossia il numero di cicli nell’unità di tempo (con “ciclo†si intende l’insieme di un prelievo e di un deposito), in funzione del valore Vpt. In particolare, dopo che à ̈ stata assegnata a ciascun robot 4 una relativa percentuale o frazione del numero di prodotti 2 in arrivo da smaltire, la cadenza operativa del robot 4 à ̈ pari al prodotto di tale percentuale o frazione per il valore Vpt.
Le unità 4a comunicano tra loro per conoscere quali prodotti 2 sono rimasti sul nastro 6 e quali posti liberi sono rimasti nei contenitori 3 dopo i cicli effettuati dagli altri robot 4, mentre il sistema di visione 5 si preoccupa di distribuire i dati e le posizioni di presa dei vari prodotti alle varie unità 4a. Un flusso di comunicazioni fra le unità 4a ed il sistema di visione 5 fa si che lo stesso prodotto 2 non venga inviato più di una volta a due robot 4 in cascata.
Le unità 4a calcolano le posizioni istantanee dei prodotti 2 utilizzando le posizioni relative dei prodotti 2 fornite dal sistema di visione 5 ed utilizzando la velocità dei prodotti 2 lungo la direzione A (che à ̈ calcolata, preferibilmente, in funzione dell’angolo di rotazione del motore elettrico del nastro 6, misurato da un trasduttore di posizione, encoder o resolver). Inoltre, calcolano le posizioni istantanee dei posti liberi nei contenitori 3, in funzione della posizione relativa dei contenitori 13 ed utilizzando la velocità del convogliatore 13 (che, in particolare, à ̈ calcolata in funzione dell’angolo di rotazione di un motore del convogliatore 13, misurato da un altro encoder o resolver). Ad ogni ciclo, le unità 4a comandano i rispettivi robot 4 per effettuare una delle seguenti alternative:
ciclo n° 1: prelevare almeno un prodotto 2 dal nastro 6 e depositarlo nel corrispondente polmone 11; oppure
ciclo n° 2: prelevare almeno un prodotto 2 dal nastro 6 e depositarlo in un contenitore 3; oppure
ciclo n° 3: prelevare almeno un prodotto 2 dal corrispondente polmone 11 e depositarlo in un contenitore 3.
Prima di ogni ciclo, la scelta tra tali alternative viene effettuata dall’unità 4a in funzione di un valore Vpr uguale al numero di prodotti 2 trasportato in un ulteriore intervallo di riferimento, che à ̈ inferiore all’intervallo di riferimento utilizzato per determinare il valore Vpt e che à ̈ sufficientemente breve per fare in modo che il valore Vpr sia indicativo di un tasso di prodotti locale o istantaneo di prodotti che sono presenti in almeno una data zona del nastro 6. Anche questo intervallo di riferimento può essere una lunghezza del nastro 6, un’area del nastro 6, o un tempo di trasporto.
Valutando il valore Vpr in una zona fissa a monte dei robot 4, ad esempio nella zona 7, il valore Vpr oscilla attorno al valore Vpt. Nelle zone 9, invece, il valore Vpr dipende dalla quantità di prodotti che sono stati prelevati dai robot 4 precedenti.
Subito prima di ogni ciclo del robot 4, ciascuna unità 4a determina il valore Vpr associato alla corrispondente zona 9. In particolare, l’intervallo di riferimento per determinare il valore Vpr à ̈ uguale al tempo Tr necessario per percorrere la lunghezza Lr (Tr=Lr/V). Si ha quindi:
Vpr = Nr / Tr = (Nr * V) / Lr
dove Nr à ̈ il numero di prodotti 2 presenti nella zona 9, conteggiato sulla base delle informazioni del sistema di visione 5 (oppure del dispositivo sensore 10) e sulla base delle informazioni relative ai prodotti 2 eventualmente già prelevati.
Il numero Nr à ̈ già indicativo del tasso di prodotti locale o istantaneo, specialmente se le zone 9 in cui possono operare i robot 4 hanno tutte la medesima ampiezza, per cui potrebbe anche essere Vpr=Nr.
L’unità 4a, poi, confronta il valore Vpr calcolato con un valore o un intervallo di riferimento S, denominato anche “set point†, definito dal tasso di prodotti teorico ottimale in ciascuna delle zone 9. Se Vpr<S (ossia se arrivano pochi prodotti nella zona 9), il robot 4 à ̈ comandato per effettuare il ciclo 3. Se Vpr=S (ossia se arriva il numero ottimale di prodotti nella zona 9), il robot 4 à ̈ comandato per effettuare il ciclo 2; se Vpr>S (ossia se arrivano troppi prodotti nella zona 9), il robot 4 à ̈ comandato per effettuare il ciclo 1.
Preferibilmente, ciascun robot 4 à ̈ associato ad un set point S diverso da quello degli altri robot 4. Convenientemente, il set point S à ̈ determinato in funzione del valore Vpt e/o delle frazioni del numero di prodotti da smaltire assegnate ai robot 4. Tali assegnazioni vengono fatte a priori (ad esempio sull’impianto schematicamente illustrato possono essere pari al 30%, 40%, e 30% della produzione nominale, ma possono anche essere ri-assegnate in tempo reale, in caso di avaria di uno dei sistemi (ad esempio, se il secondo robot va in avaria, si ha una modifica degli assegnamenti, pari a 50%, 0% e 50%).
All’avviamento dell’impianto 1, à ̈ necessario che i polmoni 11 abbiano già alcuni prodotti 2 a disposizione, per cui i primi cicli dei robot 4 vengono effettuati per caricare parzialmente i rispettivi polmoni 11.
Tramite la metodologia sopra descritta, i robot 4 riescono a lavorare ad una cadenza operativa fissa, ed à ̈ possibile calibrare i set point S dei robot 4 in modo da riempire completamente i contenitori 3 senza dover regolare la velocità relativa tra il nastro 6 ed il convogliatore 13 (ad eccezione della regolazione della velocità del convogliatore 13 fatta in funzione del valore Vpt).
Potrebbe comunque essere presente un controllo di sicurezza, svolto ad esempio dall’unità 4a dell’ultimo robot 4 (considerando il senso di avanzamento dei contenitori 3), per fermare il convogliatore 13 se ci sono posti vuoti in un contenitore 3 che sta per uscire dall’impianto 1, in modo da dare tempo all’ultimo robot 4 di riempire completamente il contenitore 3 in uscita. Tale situazione si verifica occasionalmente in caso di errore nel deposito di un prodotto o di danneggiamento di un prodotto od in caso di variazioni di flusso così elevate da non poter essere compensate dai buffer 11.
Da quanto precede appare, infine, evidente che al metodo di confezionamento descritto possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, i contenitori 3 ed i prodotti 2 possono viaggiare paralleli ed in controflusso.
Inoltre, la linea di trasporto dei prodotti, invece di essere costituita da un singolo nastro 6, potrebbe essere costituita da due o più nastri trascinati in modo indipendente tra loro per poter avvicinare gruppi di prodotti disposti sui nastri ed eliminare eventuali spazi vuoti tra tali gruppi se necessario.
Il sistema di visione 5 potrebbe comprendere una o più telecamere aggiuntive disposte in posizioni intermedie tra le zone 9 dei robot 4.
L’impianto 1 potrebbe comprendere un polmone 11 unico, in comune per tutti i robot 4, e/o alcuni dei robot 4 potrebbero essere sprovvisti del polmone 11.
L’organo di presa dei robot potrebbe avere due o più ventose, in modo da prelevare più prodotti, l’uno dopo l’altro prima di depositarli nel buffer 11 o nel contenitore 3.
La cadenza operativa dei robot 4 e/o la velocità del convogliatore 13 potrebbero essere regolate in modo da lasciare uscire prodotti al fondo del nastro 6, facendo poi ricircolare questi prodotti in eccesso verso l’inizio del nastro 6.
Potrebbero essere previste due file di contenitori 3, parallele alla linea di trasporto definita dal nastro 6, ed aventi la medesima velocità o velocità diverse e/o direzioni di marcia diverse.
Il sistema di visione 5 potrebbe essere sostituito da un sistema di misura diverso dalle telecamere per determinare la posizione dei prodotti sul nastro 6.

Claims (1)

  1. RIVENDICAZIONI 1.- Metodo di confezionamento comprendente: - alimentare prodotti (2) alla rinfusa su una linea di trasporto (6); - alimentare una fila di contenitori (3) parallelamente alla detta linea di trasporto (6); - determinare le posizioni dei prodotti (2) sulla detta linea di trasporto (6); - trasferire i prodotti (2) dalla detta linea di trasporto (6) nei detti contenitori (3) tramite una serie di robot, i quali sono disposti lungo la detta linea di trasporto (6) e sono comandati sulla base delle posizioni determinate dei prodotti sulla detta linea di trasporto (6); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: - determinare un primo valore (Vpt) indicativo di un tasso globale di prodotti che sono in arrivo sulla detta linea di trasporto (6); - regolare la velocità di avanzamento dei detti contenitori (3) e/o la cadenza operativa dei detti robot (4) in funzione del detto primo valore (Vpt); - determinare un secondo valore (Vpr) indicativo di un tasso locale di prodotti che sono presenti in almeno una data zona (9) della linea di trasporto (6); - predisporre almeno un buffer (11) associato ad almeno parte dei detti robot (4); e - controllare almeno parte dei detti robot (4) in modo da eseguire uno dei seguenti tre cicli sulla base del detto secondo valore (Vpr): ciclo a): prelevare almeno un prodotto (2) dalla linea di trasporto (6) e depositarlo in detto buffer (11); oppure ciclo b): prelevare almeno un prodotto (2) dalla detta linea di trasporto (6) e depositarlo in un detto contenitore (3); oppure ciclo c): prelevare almeno un prodotto (2) dal detto buffer (11) e depositarlo in un detto contenitore (3). 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la detta data zona della linea di trasporto (6) à ̈ una zona di prelievo (9) in cui opera un detto robot (4). 3.- Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui il detto secondo valore (Vpr) à ̈ direttamente proporzionale al numero di prodotti (Nr) presenti nella detta zona di prelievo (9) subito prima del ciclo da effettuare. 4.- Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, comprendente inoltre: - determinare un detto secondo valore (Vpr) per ciascuno di detti robot (4), ciascun detto secondo valore (Vpr) essendo indicativo di un tasso locale di prodotti che sono presenti nella zona di prelievo (9) del rispettivo robot (4). 5.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: - confrontare il detto secondo valore (Vpr) con un valore o intervallo di riferimento (S); - eseguire il detto ciclo c) se il detto secondo valore (Vpr) à ̈ minore del detto valore o intervallo di riferimento (S); - eseguire il detto ciclo b) se il detto secondo valore (Vpr) à ̈ uguale al detto valore o intervallo di riferimento (S); e - eseguire il detto ciclo a) se il detto secondo valore (Vpr) à ̈ maggiore del detto valore o intervallo di riferimento (S). 6.- Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui il detto valore o intervallo di riferimento (S) à ̈ determinato in funzione del detto primo valore (Vpt). 7.- Metodo secondo la rivendicazione 5 o 6, comprendente inoltre: - assegnare a ciascun detto robot (4) una frazione del tasso globale di prodotti da smaltire; e - determinare il detto valore o intervallo di riferimento (S) sulla base della frazione del tasso globale di prodotti da smaltire assegnata a ciascun detto robot (4). 8.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendete inoltre: - all’avviamento della detta linea di trasporto (6), controllare almeno parte dei detti robot (4) in maniera tale da riempire parzialmente il detto buffer (11). 9.- Impianto di confezionamento (1) comprendente: - una linea di trasporto (6) atta a trasportare prodotti (2) alla rinfusa; - un convogliatore (13) parallelo alla detta linea di trasporto (6) ed atto a trasportare una fila di contenitori (3); - primi mezzi sensori (5) per determinare le posizioni dei prodotti (2) sulla detta linea di trasporto (6); - una serie di robot (4) disposti lungo la detta linea di trasporto (6) e controllati in base alle posizioni determinate dei prodotti (2) per trasferire i prodotti (2) dalla detta linea di trasporto (6) nei detti contenitori (3); caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre: - un buffer (11) associato ad almeno parte dei detti robot (4); - mezzi di elaborazione e controllo (4a,12) configurati per implementare il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti. 10.- Impianto secondo la rivendicazione 9, in cui ciascun detto robot (4) à ̈ associato ad un relativo buffer (11). 11.- Impianto secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente inoltre sensori di posizione (15) atti a determinare la posizione dei prodotti nel detto buffer (11) e collegati con i detti mezzi di elaborazione e controllo (4a). 12.- Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui il detto buffer (11) à ̈ disposto di fianco alla detta linea di trasporto (6), dalla parte opposta rispetto al detto convogliatore (13). 13.- Impianto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, in cui i detti primi mezzi sensori sono definiti da un sistema di visione; secondi mezzi sensori (10) essendo disposti a monte del detto sistema di visione (5), considerando il senso di avanzamento dei prodotti (2), e collegati ai detti mezzi di elaborazione e controllo (12) per conteggiare i prodotti in arrivo.
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