食品包裝自動化趨于成熟

【中國包裝網(wǎng)訊】食品自動化加工也面臨著不同于其它行業(yè)的挑戰(zhàn)：自動化制造需要有可預(yù)見的環(huán)境、大量均一產(chǎn)品以及簡單的可重復(fù)動作，獲得自動化制造成功的必需前提是產(chǎn)品的多樣化范圍要小于自動化制造系統(tǒng)的能力控制范圍。與日用品及汽車制造相比，食品常常缺乏規(guī)則的形狀以及有著不均一的尺寸及多變的組織結(jié)構(gòu)，這是食品自動化加工所具有的獨特挑戰(zhàn)。

本文回顧了食品自動化加工的發(fā)展歷程，并重點介紹了自動化在食品加工中的獨特優(yōu)勢和所面臨的挑戰(zhàn)。

從某種意義上講，人是世界上最靈活的“設(shè)備”，人可以快速分辨周圍環(huán)境與情況的變化，然后進(jìn)行迅速地調(diào)整；然而，人也是這個世界上最無法信賴的“設(shè)備”，人會疲勞、會喪失注意力，結(jié)果會導(dǎo)致產(chǎn)品不合乎規(guī)格、產(chǎn)量不足及質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，但是真正的設(shè)備則不會。

雖然設(shè)備在簡單可重復(fù)運動的自動化應(yīng)用中是值得信賴的，但是在不可預(yù)知環(huán)境中或者多變的操作環(huán)境中卻無法很好地適應(yīng)。大產(chǎn)量、可重復(fù)的加工制造任務(wù)更傾向于自動化，食品加工業(yè)亦是如此，盡管食品加工的自動化在帶來優(yōu)勢的同時也面臨一些挑戰(zhàn)。

起源于食品加工的工業(yè)自動化發(fā)展歷史

盡管諸如汽車、電子、日用產(chǎn)品等非食品行業(yè)會更多地使用自動化，但歷史上第一個實現(xiàn)自動化的工廠是由奧利弗? 伊凡斯在1787 年發(fā)明的面粉廠。伊凡斯是工業(yè)革命早期的一個多產(chǎn)的發(fā)明家，他曾經(jīng)以水力輪機作為動力驅(qū)動了許多生產(chǎn)設(shè)備。

在二十世紀(jì)早期，芝加哥地區(qū)的肉制品包裝工業(yè)被認(rèn)為是美國第一條流水組裝（或拆裝）生產(chǎn)線。食品加工業(yè)的這種自動化激發(fā)了亨利? 福特對汽車流水線的靈感，流水線裝配的概念正是來源于亨利? 福特對肉制品加工流水線的觀察：工人們站在固定位置上，而滑車系統(tǒng)將待加工的肉運至每個工人的面前。

自動化設(shè)備可以顯著提高生產(chǎn)效率，無論是通過減少人工還是通過增加產(chǎn)量。

在二十世紀(jì)后半段，工業(yè)電子傳感器、控制系統(tǒng)與動力系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步帶來了生產(chǎn)與工藝的新高度，超越了過去工業(yè)革命中那些僵化的機械設(shè)備與工藝。到了二十世紀(jì)末期，靈活的機器人系統(tǒng)就可以通過編程來完成眾多任務(wù)，在大多數(shù)加工業(yè)中普遍取代了人工和過去的機械設(shè)備。

食品加工自動化的發(fā)展歷程

食品加工自動化的發(fā)展歷程要比其他日用產(chǎn)品及耐用消費品加工業(yè)更緩慢。“即便是今天，食品生產(chǎn)依然主要靠手工，這種情況在中小企業(yè)中特別典型?！?

直到二十世紀(jì)末期，大部分食品還是以生鮮形式被出售，簡易的本地化供應(yīng)鏈無法聚集產(chǎn)能，從而導(dǎo)致經(jīng)濟效益無法對更高自動化水平和設(shè)備進(jìn)行投資。

直到冷藏及速凍技術(shù)的發(fā)明以及可以將食品運輸?shù)缴a(chǎn)地的基礎(chǔ)設(shè)施的出現(xiàn)，才導(dǎo)致了大規(guī)模的食品加工生產(chǎn)，投資與自動化也得以可行。

以熱狗和香腸為例，如果其彎曲度超出了自動化設(shè)備的處理范圍，就會導(dǎo)致一系列問題。

“起初食品加工自動化聚焦于生產(chǎn)線的末端（如電腦編程的自動裝袋機械）并得以勝任，但是食品加工自動化更需要速度快和敏捷的設(shè)備，用于組成高級自動化生產(chǎn)線并實現(xiàn)在單個食品上快速‘抓取- 擺放’?！?/span>

自動化的優(yōu)勢

無論是使用機械機構(gòu)還是編程機器的自動化加工都可以更加精確和準(zhǔn)確地處理可重復(fù)動作，自動化設(shè)備與加工過程在這樣的簡單、可重復(fù)的動作上比人工更加可靠。自動化設(shè)備可以顯著提高生產(chǎn)效率，無論是通過減少人工還是通過增加產(chǎn)量。在食品加工業(yè)中，自動化還可以帶來其他優(yōu)勢，包括：

1）提高食品質(zhì)量：在需要低溫下進(jìn)行生產(chǎn)以保證食品安全的情況下，自動化機械可以輕松應(yīng)對。自動化機械還可以在其他多種嚴(yán)酷的環(huán)境中進(jìn)行工作，甚至是非常冷的環(huán)境中。

2）增強產(chǎn)品的均一性：使用自動化機械可以減少食品生產(chǎn)中的浪費，提高總體出品率。自動化的切割更具備均一性，據(jù)估計精確的自動化切割可以幫助肉類生產(chǎn)商提高將近3% 的可銷售產(chǎn)品。

3）增加生產(chǎn)功能：自動化機械可以進(jìn)行超越人工操作技能的調(diào)整。自動化機械不僅僅可以在無菌環(huán)境中生產(chǎn)，還可以在生產(chǎn)中進(jìn)行精確的計數(shù)，使得產(chǎn)品的可追溯性成為可能。

4）增強工作安全性：自動化可以取代那些涉及到員工人身安全的操作任務(wù)，如切割等，創(chuàng)造更安全的工作環(huán)境。

5）增強食品安全：引發(fā)食品安全的污染物會通過操作者進(jìn)行傳播，但是使用自動化機械可以消除這種從操作者到食品的污染途徑。

自動化的基本元素

以下是任意一種自動化設(shè)備的基本組成元素：傳感子系統(tǒng)，運動子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。

在任何動作進(jìn)行之前，待處理的產(chǎn)品都需要被定位或者定向。以人的活動為例，當(dāng)打開啤酒瓶蓋時，我們使用眼睛來定位起子和瓶蓋，然后我們使用手來撬動起子打開瓶蓋。在自動化過程中，待處理的產(chǎn)品可以通過一系列的方式來實現(xiàn)定位或定向，比如整合了視覺傳感系統(tǒng)的機器人可以使用末端機械臂等功能部件來實現(xiàn)定位、定向及處理物品。

完成定位的下一步是處理動作，還是以人的活動為例，將要進(jìn)行的動作就是開啟瓶蓋這一動作本身。在生產(chǎn)過程中，自動化可以完成諸如搬運物品、組裝物品以及包裝等諸多動作。自動化焊接也越來越成為自動化設(shè)備制造的通用技術(shù)，因為自動化焊接更加精準(zhǔn)和可靠。

控制是第三個基本要素。人類通過眼睛和手的感覺來控制手進(jìn)行動作，決定動作的速度和方向，感受開啟瓶蓋時的壓力反饋，甚至瓶子破碎后的應(yīng)激反應(yīng)。在自動化機械設(shè)備中，一旦產(chǎn)品的定位和定向完成，控制系統(tǒng)將會執(zhí)行和控制預(yù)定的動作任務(wù)，并可以在某些不可接受的情況下以及不合格的產(chǎn)品產(chǎn)生時停止生產(chǎn)過程。

自動化得以成功的條件

正如我們之前提及的，人才是這個世界上最萬能的“機械”，可以處理許多情況，根據(jù)不同的環(huán)境迅速做出細(xì)微的調(diào)整。以廚房操作為例，人可以迅速地從處理水果切換到拿起易碎的杯子，然后再拿起一把金屬勺子，這種多樣化地處理物品的能力和動作需要觸覺的感應(yīng)，以精確的壓力來控制拿放的壓力，人所具備的能力可以輕易且高效地識別環(huán)境并做出反應(yīng)。

自動化設(shè)備則對物品的多樣化、操作環(huán)境以及輸出期望不是那么敏感，其處理范圍必須要能涵蓋這種多樣性、環(huán)境及輸出期望。

待處理產(chǎn)品的范圍超出自動化加工設(shè)備能力范圍的自動化必定是失敗的。使待處理產(chǎn)品的差異性最小化尤為重要。

◆ 形狀與尺寸

以熱狗和香腸為例，如果其彎曲度超出了自動化設(shè)備的處理范圍，則會導(dǎo)致一系列問題。而當(dāng)尺寸超出自動化設(shè)備的預(yù)制處理尺寸之后，會因不匹配而導(dǎo)致低產(chǎn)出及高次品率。

◆ 產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)

產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)也同樣重要的，重量、軟硬以及表面的質(zhì)感都需要被著重考慮，為100克產(chǎn)品設(shè)計的自動化設(shè)備模具在處理更重的產(chǎn)品時就會有問題。產(chǎn)品表面的結(jié)構(gòu)因為要接觸自動化設(shè)備也顯得比較重要，如果產(chǎn)品的表面是粘性的，很可能產(chǎn)品就會無法脫離設(shè)備，除非使用其他補救方法。

結(jié)論

盡管食品加工業(yè)實施自動化的益處是顯著的，但是食品加工業(yè)的自動化潛力還沒有被完全開發(fā)出來，不僅僅是成本節(jié)省、增加產(chǎn)量，也包括了清潔衛(wèi)生。但是食品工業(yè)中產(chǎn)品尺寸、形狀的差異以及質(zhì)構(gòu)上的固有特性，使得自動化面臨著特殊挑戰(zhàn)。自動化設(shè)備工程師不但需要對產(chǎn)品的特性有著更清晰的認(rèn)識，還需要清楚特定目的的自動化并最終使兩者統(tǒng)一。最后，還需再次強調(diào)的是，自動化得以成功的唯一關(guān)鍵就是：自動化設(shè)備處理的范圍要大于產(chǎn)品的范圍。