Интеллектуальные роботы способствуют модернизации гибкого производства бытового стекла
Тенденция «замены ручного труда роботами» охватывает все отрасли промышленности. За небольшими стеклянными флаконами скрывается активно развивающийся голубой океан рынка интеллектуального производства.
Китай является крупнейшим мировым производителем и потребителем стеклянной продукции. Изделия из бытового стекла (кратко – бытовое стекло), такие как тара для продуктов питания и напитков, косметика, столовая посуда, фармацевтическая упаковка, светильники, декоративные изделия и мелкая бытовая техника, неразрывно связаны с повседневной жизнью людей. Согласно статистике Китайской федерации упаковочной промышленности и Ассоциации бытового стекла Китая, в 2023 году в стране насчитывалось более 1000 крупных производителей бытового стекла. Годовой выпуск готовой бытовой стеклянной продукции и стеклянной тары достиг 24,8227 миллиона тонн, а общий объем рынка превысил 180 миллиардов юаней.
Наиболее распространены стандартные стеклянные бутылки и стаканы, они занимают основную долю рынка отрасли. Однако рост уровня жизни и изменение потребительских групп породили новые требования к разнообразию, индивидуализации и эстетике стеклянных изделий для пищевой, напиточной, косметической и фармацевтической отраслей. Несмотря на большое количество отечественных производителей рынок сильно фрагментирован, доля оборудования интеллектуального производства мала. Между китайскими предприятиями и ведущими мировыми брендами сохраняется значительный разрыв по общему техническому уровню, степени роботизации и производственной эффективности.
Особенно сложным и технически слабо обеспеченным является сегмент средне- и высококачественного бытового стекла. Ранее многие фигурные элитные стеклянные изделия и флаконы сложной формы изготавливались вручную или на полумеханизированных линиях. Это сопровождалось тяжелыми высокотемпературными условиями труда, высоким процентом брака, неравномерностью объема и формы изделий, что усложняло производство и снижало выход годной продукции.
Прорывы в области искусственного интеллекта, облачных вычислений, робототехники, Интернета вещей и цифровых двойников запустили глобальную волну автоматизации и интеллектуализации производства. Отрасль бытового стекла находится на ключевом этапе трансформации. Первоочередной задачей стало развитие новых производительных сил, повышение производительности труда и организация высококачественного мелкосерийного многономенклатурного производства средне- и высококачественной стеклянной продукции.
На сегодняшний день в отрасли создан ряд инновационных технических решений. Лидеры рынка освоили ключевые технологии интеллектуального производства, которые долгое время сдерживали развитие стекольной промышленности: робототехнику, сенсорный контроль, разработку комплексных производственных систем и интеллектуальную обработку данных.
С совершенствованием национальной цепочки поставок промышленных роботов локализация импортозамещения и роботизация коренным образом преобразуют производство бытового стекла. Процесс изготовления стекла от подготовки сырья до формования характеризуется переменными рабочими условиями и сложными технологическими механизмами, поэтому к роботам предъявляются строгие требования по стабильности работы, удобству монтажа, термостойкости и скорости рабочего цикла.
Под реальные нужды производственных линий создано несколько типов роботов для изготовления бытового стекла: параллельные, портальные, роботы SCARA и 4/6-осевые шарнирные роботы. Они применяются на всех технологических этапах: дозирование и транспортировка сырья, распаковка мешков, осмотр и горячий ремонт печей, смазка форм, захват и переворот расплавленного стекла, сортировка и загрузка в печи, погрузка/выгрузка флаконов, поверхностное напыление, шелкография, упаковка в коробки, паллетирование и складская логистика, охватывая горячий участок, холодный участок и глубокую обработку изделий.
Традиционные стекольные линии после запуска требуют постоянного присутствия персонала. Производственные роботы для стекла работают круглосуточно, заменяя повторяющиеся ручные операции в условиях высоких температур, масла и шума. В сочетании с технологиями машинного зрения для контроля, распознавания и позиционирования они обеспечивают сквозной контроль качества с первых стадий производства, снижают бой и брак по вине человека и сокращают сроки поставки готовой продукции.
Роботы для бытового стекла являются важнейшим элементом интеллектуальных производственных линий, однако их разработка находится на начальном этапе: как базовые технологии, так и прикладные процессы требуют постоянной доработки и оптимизации. Тем не менее тенденция интеллектуализации определяет глобальную трансформацию способов изготовления стекла, упрощает выпуск элитных фигурных изделий и удовлетворяет разнообразные потребности современных покупателей.
Робототехника для бытового стекла: неосвоенный голубой океан рынка применения
Согласно данным института робототехники GGII (Gaogong Robot Industry Institute), объем поставок промышленных роботов в Китай в 2024 году составил 304 тысячи единиц. Три основные отрасли — автомобилестроение и автокомпоненты, электроника 3С, новая энергетика — обеспечили более 70 % всего объема применения роботов.
Производство бытового стекла — новый перспективный сегмент применения промышленных роботов. Многие китайские и зарубежные стекольные предприятия испытывают острую потребность в интеллектуальной и гибкой модернизации, особенно изготовители стеклянной упаковки для продуктов, напитков, косметики и лекарств. Данный сегмент стал быстро растущим направлением для мировых поставщиков робототехники.
Исследования GGII показывают, что технологический цикл изготовления стекла состоит из множества этапов; около 20 модификаций специализированных роботов охватывают всю линию от дозирования сырья до складирования готовой продукции, автоматизируя распаковку, транспортировку заготовок, погрузку/выгрузку флаконов, сортировку, напыление, печать, укупорку, паллетирование и перевозку.
Установка менее 20 роботов на одну производственную линию позволяет заменить труд около 67 рабочих; один робот в среднем заменяет от 3 до 4 операторов. Стандартная фабрика с двумя плавильными печами и восемью линиями после полной интеллектуальной модернизации сокращает примерно 280 рабочих мест.
Схема технологического процесса изготовления стеклянной тары и интеллектуального робототехнического оборудования
Согласно статистике Международной федерации робототехники IFR за 2023 год, парк промышленных роботов в Китае насчитывал 1,755 миллиона единиц. Общая степень роботизации обрабатывающей промышленности превышает 15 %, а в секторе пищевой, напиточной и косметической упаковки она не достигает и 3 %, что открывает огромный потенциал для роста.
В 2023 году в Китае насчитывалось более 1000 крупных производителей бытового стекла. По расчетам GGII объем рынка робототехники для отрасли составил 780 миллионов юаней, а потребность предприятий в роботах достигла около 4000 единиц.
С ростом степени проникновения роботов в стекольную отрасль, увеличением числа крупных производителей и ускоренной модернизацией интеллектуальных линий прогнозируется, что объем внутреннего рынка роботов для бытового стекла достигнет 1,985 миллиарда юаней к 2028 году, а глобальный объем рынка составит 141,6 миллиарда юаней.
На рынок выведено и введено в эксплуатацию множество моделей роботов для ключевых процессов изготовления бытового стекла, однако отрасль характеризуется высокими техническими барьерами, рассредоточенностью потребителей и низкой степенью распространения роботизации. Большинство универсальных интеграторов робототехники не работают в данном узкоспециализированном сегменте, разработкой оборудования занимаются профильные поставщики стекольной техники, рынок находится на стадии становления.
Существующие робототехнические решения для стекла в основном рассчитаны на отдельные операции холодного участка: погрузку, выгрузку и паллетирование. Только небольшая часть поставщиков предлагает комплексные решения, охватывающие весь цикл от горячего формования до послепроизводственной логистики.
Основные игроки рынка:
- Компания Chuda Intelligence (провинция Хубэй): разработала более десяти моделей роботов, включая манипуляторы расплавленного стекла, роботы хаотичной сортировки, погрузчики для линий напыления и печных участков декорирования, паллетизаторы; охватывает широкий спектр технологических операций;
- Компания Shunzhang (Шанхай): создает роботы для захвата расплавленного стекла и манипуляции готовой посудой;
- Швейцарская Bucher Emhart Glass, немецкая HEYE и китайская Sanjiang Intelligence (провинция Шаньдун): выпускают автоматические роботы-смазчики для этапа формования;
- Немецкая MSK, итальянская All Glass, Hangzhou Yongchuang Intelligence и Jiangsu Stake: производят паллетирующие роботы для холодного участка.
По объему выручки и поставок Chuda Intelligence является лидером данного сегмента, ее линейка включает множество персонализированных интеллектуальных роботов для стекольных линий.
Робототехника дает уникальные преимущества стекольному производству: стабильное качество изделий, рост производительности, устойчивость к высоким температурам и возможность гибкого выпуска многономенклатурной продукции на одной линии.
На этапе формования бутылок роботы для переворота горячего стекла заменяют тяжелый ручной труд по захвату, формовке, перевороту и укладке высокотемпературных заготовок, обеспечивают одинаковые параметры бесшовной стеклянной тары и исключают изнурительные повторяющиеся операции в раскаленных цехах.
Автоматические роботы-смазчики выполняют точное прерывистое напыление форм и горловых матриц, заменяя около 700 ручных операций за восьмичасовую смену. Они снижают расход смазочных составов, обеспечивают равномерное покрытие, уменьшают долю брака, сокращают отходы смазки и продлевают срок службы форм. Например, предприятие Sanjin Glass с оборудованием Emhart модернизировало три производственные линии: девять операторов, выполнявших ручную смазку, были заменены автоматизированным роботизированным комплексом с высокой точностью нанесения покрытия.
На горячем участке захватные элементы роботов должны непрерывно захватывать изделия при экстремальных температурах, поэтому к их конструкции, термостойкости и механической прочности предъявляются повышенные требования. Компания Shanghai Shunzhang использует робототехнический комплекс на платформе ABB для извлечения равновесных порций расплавленного стекла напрямую из плавильных печей.
На участке хаотичной сортировки горячего стекла роботы работают при температуре 200–300 °C на выходе из отжигательных печей, заменяя опасный ручной труд. Разработанный Chuda Intelligence термостойкий робот хаотичной сортировки в комплексе с системой машинного зрения одновременно выполняет загрузку и классификацию изделий.
На этапе глубокой обработки специализированные роботы погрузки/выгрузки печей декорирования полностью заменяют человека при точном захвате, укладке, укупорке и снятии крышек с декорированной стеклянной продукции.
На холодном участке для паллетирования и упаковки роботы с системой распознавания и управления движением выполняют сложные высокоскоростные операции по укладке в паллеты, транспортировке и упаковке в картонные коробки.
Согласно данным GGII, в 2023 году более 60 % всех промышленных роботов, установленных в Китае, предназначались для транспортировки, паллетирования, погрузки и выгрузки. Данные операции доминируют и на стекольных линиях, данный сегмент имеет широкое рыночное признание и большие перспективы развития.
Технические прорывы: от автоматизации отдельных линий до комплексных интеллектуальных фабрик
Отрасль бытового стекла остро нуждается в интеллектуализации производства и модернизации элитной продукции, однако применение робототехники в данном нише находится на начальном этапе. Предстоит большая работа по просвещению рынка, улучшению удобства эксплуатации оборудования, анализу потребностей интеллектуализации фабрик, оптимизации технологических процессов и преодолению ключевых технических барьеров.
С технической точки зрения специализированный промышленный робот для стекольного производства должен соответствовать четырем основным критериям для полноценной эксплуатации:
- Термостойкость: Корпус робота и захватные приспособления должны стабильно непрерывно работать при температуре 200–300 °C, обладать высокой степенью защиты, легко монтироваться в ограниченном пространстве, соблюдать строгий баланс собственного веса, грузоподъемности и состава термостойких материалов.
- Точная синхронизация рабочего цикла: Высокоскоростное управление движением и межоборудованная координация для согласования скорости работы робота с формующими машинами при погрузке, сортировке, транспортировке и напылении изделий.
- Устойчивые алгоритмы машинного зрения: Алгоритмы должны компенсировать помехи от различий размеров и цветов флаконов, перепадов освещения и смещений высоты при гибком многономенклатурном производстве.
- Межпроцессная совместимость: Глубокие знания всех стадий стекольного производства для организации стабильной связи с разнообразным автоматизированным оборудованием, долговременная безаварийная работа и возможность адаптации под индивидуальные запросы каждой фабрики.
В перспективе требуется совершенствование технологий персонализированного гибкого выпуска элитного стекла, а рост потребностей предприятий в снижении издержек и увеличении производительности вызовет глубокую трансформацию всех производственных процессов.
Долгосрочный путь развития отрасли четко обозначен: от автоматизации отдельных операций через интеллектуальный контроль полных линий и сквозной контроль качества до визуализированного и оцифрованного управления всей фабрикой. Глубокая интеграция робототехники и машинного зрения повысит точность операций, создаст новые решения по замене ручного труда и увеличит общую производственную мощность. Лидер отрасли Chuda Intelligence разрабатывает высокоэффективные гибридные комплексы: специализированные стекольные роботы, скоростные комбинированные манипуляторы и интеллектуальные системы визуального контроля, способные обрабатывать более 6000 флаконов в час при погрузке, выгрузке, разборке и формировании паллет. Решая сложные технические задачи ключевых процессов, компания стимулирует повсеместную автоматизацию и интеллектуализацию всей отрасли.
Несмотря на то что производство бытового стекла является новым сегментом с сложными технологиями, предъявляющими повышенные требования к робототехнике, его базовые технологии — управление движением и визуальный контроль — легко переносятся в другие отрасли. Они имеют большой коммерческий потенциал для гибкой транспортировки, упаковки, паллетирования и контроля качества в пищевой промышленности, электронике 3С и производстве автокомпонентов.
Миссия и стратегическая цель всех предприятий интеллектуального производства как в стекольной отрасли, так и во всех других секторах — создавать комплексные решения гибкого производства на основе собственных робототехнических разработок и перейти от автоматизации отдельных линий к полноценным интеллектуальным фабрикам сквозного цикла. Благодаря постоянному совершенствованию инновационной робототехники концепция полной интеллектуализации производства бытового стекла в Китае будет реализована: путь долог, но движение вперед обязательно приведет к цели.
Источник: Ли Цзэсинь, институт робототехники Gaogong Robot