Исполнитель: студентка группы 742-об4 Николаева Т. А.
Руководитель: доктор технических наук, профессор Скрипко О.В.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Промышленные роботизированные машины уже давно способны успешно заменять человека. За последние десять лет уровень их использования удвоился почти во всех странах. Процесс роботизации не обходит стороной и пищевую промышленность, где требуется как тяжелый физический, так и деликатный ручной труд [1].
Промышленные роботы способны работать в условиях с повышенной температурой и влажностью, вибрацией, шумом, загрязненным воздухом. Они представляют собой высокоэффективное решение с санитарно-гигиенической точки зрения. Их использование повышает эффективность энергопотребления, производительность и качество выпускаемой продукции [1].
Производство продуктов питания можно разделить на два этапа: первичная обработка пищевого сырья и вторичная переработка продуктов.
Промышленные роботы (ПР) находят новые сферы применения при производстве продуктов питания. Например, в Японии, а чуть позже и в других странах, робота научили украшать торты, в Германии - раскладывать тестовые заготовки при выпечке хлеба. Используются роботы в некоторых операциях сыроделия и при укладывании в холодильные камеры продуктов, подлежащих глубокой заморозке (кстати, некоторые роботы функционируют при температуре до -30ºС). Роботы уже нарезают продукты на ломтики перед их упаковыванием. Некоторые блюда японской кухни могут быть изготовлены роботами. А на выставках последних лет представляют роботизированные комплексы обработки и разделки туш скота, компания Schaller (Австрия) [2].
На международной выставке мясной промышленности IFFA-2013, проходившей в Германии, было представлено 25 поставщиков роботизированного оборудования для различных технологических операций. Среди представленных роботов было большое количество механизмов для операций укладки, сортировки, упаковки, которые могут быть сравнительно легко автоматизированы [1].
Сформировались основные игроки и лидеры в области робототехники. Сейчас происходит адаптация этих механизмов для перерабатывающих производств, которая возможна и эффективна только при сотрудничестве фирм - производителей роботов и перерабатывающего оборудования. Берется готовая платформа - стандартный промышленный робот, под нее составляются программа и алгоритм выполнения требуемой технологической операции, разрабатывается исполнительный рабочий орган с учетом специфики про-дукта [1].
Исходя из конструктивных особенностей, в пищевой промышленности широко используются scara-роботы - небольшие четырехосевые машины, антропоморфные - шестиосевые промышленные механизмы, напоминающие по строению человеческую руку, и дельта-роботы. Благодаря появлению их уникальной конструкции с тремя поступательными и одной вращательной степенями свободы, производственный сектор получил первые скоростные системы с видеоуправлением для сортировки легких продуктов, ускорил работу упаковочных линий и повысил их эффективность [1].
Известно, что «предтеча» современных ПР, механический манипулятор, появился в упаковывании пищевой продукции еще в середине 50-х: тогда его использовала для перемещения корзин с пакетами-пирамидками компания TetraPak (Швеция). Создание первых роботизированных участков группового упаковывания продуктов питания относится к первой половине 70-х годов. 1986-й - год первого применения роботизированных комплексов в пищевой промышленности нашей страны [2].
В 1986 году, когда два первых робота стали «трудиться» над созданием продуктов питания для советского человека. Роботизированная машина марки Lokompack западногерманской компании Lesch была приобретена прямо со стенда выставки «Инторгпродмаш-86» и стала работать в составе линии по формированию коробок и укладыванию туда коррексов, а в них - шоколадных конфет «ассорти». Первый отечественный роботизированный технический комплекс (РТК), созданный на базе советского серийно выпускаемого робота модели 315.031 в институте УкрНИИПродмаш, упаковывал в коробки пирожные «Эклер» [2].
РТК стали применяться уже с начала 70-х годов прошлого века. Это образование крупных транспортных упаковок. А в 80-е годы были достаточно широко известны роботизированные линии укладки ящиков из гофрированного картона и мешков с товаром на поддоны, производившиеся итальянской компанией ACMA, американским подразделением FMC, западногерманской компанией Möllers [2].
Использование в хлебопекарной и кондитерской промышленности
Быстродействующие роботы и компактные контроллеры могут повысить мощность технологических линий по производству кондитерских изделий на 60%. Это подтверждает опыт работы одного из крупнейших производителей кондитерских изделий в Сербии [1].
Технологическая линия состоит из установки для изготовления кексов и двух роботизированных участков для передачи готовых продуктов на упаковочную машину. Управление всей технологической линией осуществляется двумя компактными контроллерами SPS c программируемой памятью, каждый из которых снабжен 80 входами и выходами. Данная серия контроллеров относится, с учетом их времени обработки в 0,08 мкс, к самым быстродействующим компактным системам SPS, поступающим на рынок. На роботизированных участках работают по два scara-робота RH-AH. Они рассчитаны на нагрузки по грузоподъемности до 10 кг и имеют радиус действия 850 мм. Благодаря короткому времени циклов - менее 0,5 с, эти роботизированные участки пригодны для укладки на поддоны, пересортировки продуктов, изделий и для формовки рабочих заготовок. В данной технологической линии роботы c устройством вакуумного захвата за каждый цикл работы одно-временно снимают 18 кексов с ленточного транспортера и опускают их на направляющий транспортер упаковочной машины. Быстрая и щадящая манипуляция чувствительных продуктов с помощью роботизированного оборудования дает возможность существенно повысить эффективность технологического процесса. Благодаря внедрению в процесс изготовления продукции роботов компания смогла увеличить ежедневную производительность линии с 12 до 22 т и одновременно улучшить качество товара. Для эксплуатации такой роботизированной производственной линии требуется на 12 человек персонала меньше [1].
Инновационное решение для хлебопекарной и кондитерской промышленности - использование роботизированной системы ультразвуковой резки теста. Она представляет собой процесс резки материала лезвием ножа, приводимым в колебательное движение с помощью ультразвука. Преимущества технологии заключаются в том, что сама резка становится легче реализуемой, и при этом не происходит нежелательных деформаций пищевых продуктов [1].
Ультразвук представляет собой звук, частота которого находится за пределами верхней границы человеческой слышимости, - выше 16 кГц. Для ультразвуковой резки необходимы те же компоненты, что и для ультразвуковой сварки. К ним относятся генератор, блок преобразования амплитуды сигнала и специальный волновод-концентратор усиленного сигнала - собственно режущий орган. Генератор преобразует переменное напряжение сети в высокочастотное высокое напряжение до 20 кГц или 35 кГц и передает его в колебательный контур, состоящий из преобразователя, усилителя и волновода-концентратора. Задача преобразователя заключается в том, чтобы превратить электрическое напряжение в механические колебания такой же частоты. Их может генерироваться 20 тыс. или 35 тыс. в секунду. Затем с помощью рабочего органа они переносятся на разрезаемый продукт. Процесс резки изделий из теста, осуществляемый традиционно вручную, производится с по-мощью ультразвука посредством ультрасовременных блоков резки, состоящих из четырех осей роботизированной системы. На самой высокой скорости можно вырезать по вертикали заготовки из теста для свежих хлебобулочных изделий. Сам процесс резки осуществляется легче, чем обычными ножами, при этом не проявляется никакой деформации на пищевых продуктах. Предлагаемая система может обрабатывать до 17 тыс. изделий из теста в час, обеспечивая примерно 70 операций резки в минуту. Автоматический процесс очистки гарантирует самые строгие стандарты гигиены: после 15 операций нож очищается в специальной водяной ванне [1].
Роботизированная система резки дает возможность легко интегрироваться в автоматизированные производственные линии, ее можно использовать для резки других групп продуктов, например, кондитерских изделий. Несколько производственных линий с высокопроизводительной системой резки успешно используются в пекарнях на юге Германии [1].
Часть элитных продовольственных компаний боятся роботов. Их руководство опасается, что продукция потеряет признаки ручного приготовления. Однако производитель пиццы SiliconValley показывает, как могут готовить продукты, имеющие человеческий облик роботы. В их пиццерии используются два робота: дельта-робот для нанесения томатного соуса и манипулятор ABB для выпечки. Пока система автоматизирована не полностью, но в будущем компания доверит роботу весь процесс приготовления блюд [3].
Оформленные роботом торты выглядят очень красиво. Этот процесс предполагает использование подобной 3D-принтеру роботизированной руки для создания лакомства. Робот Deco-Bot от компании Unifiller может декорировать движущиеся по конвейеру торты [3].
Машина также способна красиво нарезать торт - робот-резак Katana вырезает куски сложной формы с помощью воды под давлением [3].
Использование в мясоперерабатывающей промышленности
Автоматизация мясной промышленности - непростая задача. У каждого животного свой тип скелета. Квалифицированный мясник адаптирует каждый разрез по форме и расположению костей и мяса. При этом некоторые операции на бойнях поддаются автоматизации лучше других. Например, давно используется автоматизированная разделка куриных ножек [3].
С разделкой говядины традиционно возникают проблемы. Недавно мясная компания JBS начала искать способы автоматизации своего производства - часть операций очень опасны для людей. Например, для резки ребер используется скоростная циркулярная пила. JBS удалось автоматизировать эту операцию с помощью роботов-манипуляторов и видеодатчиков. Таким образом, компания повысила безопасность и однородность продукции [3].
Рыбоперерабатывающая промышленность
Простая нарезка легко автоматизируется. Даже кухонный комбайн сможет быстро нарезать большинство продуктов. Но для более искусной и сложно разделки, например, морепродуктов, обычно требовались люди. В последние годы появились роботы для разделки рыбы, способные обнаруживать и удалять дефекты тушки, а также красиво нарезать филе [3].
Вспомогательные процессы пищевой промышленности
Фрукты и овощи сложно обрабатывать с помощью роботов из-за размеров и форм. Также их очень легко повредить. По этим причинам на таких производствах обычно трудятся люди. Тем не менее, недавние технологические разработки изменяют ситуацию и в этой сфере. SoftRobotics представила гибкий захват, который может работать даже с отдельными листьями салата [3].
Еще пример - захват Lacquey, который использует лопатку для подъема мягких фруктов и овощей [3].
По данным источника [3] около 48 миллионов американцев ежегодно страдает кишечными отравлениями. Роботизированная переработка пищевых продуктов уменьшит этот уровень, устранив людей из отдельных операций. При этом сами роботы должны быть безопасны и чисты.
Одной из наиболее сложных задач при автоматизации производства является тщательная очистка оборудования. Современные роботы сделаны так, чтобы упростить процесс уборки по окончании работы. Так, в системе JMP Automation два робота очищают рабочий стол с помощью мощной струи воды и даже моют друг друга [3].
Заключение
Подводя итог, хочется сказать, что в докладе были перечислены лишь несколько областей применения роботов в современном мире, при этом с каждым годом роботизация становится всё более и более распространенной.
Использование роботов в различных областях влечет плюсы и минусы.
Преимущества роботизации:
• wow-эффект - новые технологии встречают с восторгом, роботы вызывают интерес и симпатию (особенно на публичных мероприятиях);
• экономия - использование роботов позволяет оптимизировать работу человеческих ресурсов и сэкономить (при длительном использовании стоимость механизма окупается);
• оптимизация - роботы могут выполнять рутинную и тяжелую работу, в то время как ценные кадры возьмут на себя более сложные аналитические задачи;
• качество - действия роботов исключает негативные последствия человеческого фактора, результат работы механизма будет более точным;
• скорость - темп работы гораздо выше, не требуется время на перерывы и обед.
Недостатки роботизации:
• хрупкость - как и любые другие механизмы, роботы нуждаются в техническом обслуживании и ремонте;
• энергопотребление - работоспособность механизмов полностью зависит от источников питания, и объемы потребления энергии довольно велики;
• безработица - замена кадров роботами может привести к сокращению работников;
• деградация - существует мнение, согласно которому современные роботы и их применение может негативно сказаться на человеке в будущем. Если всю тяжелую (а в дальнейшем - и мыслительную) работу будет выполнять искусственный интеллект, человек может перестать развиваться.
В настоящее время мы видим, что между человеком и роботом лежит огромная пропасть, однако с каждым годом методы машинного изучения улучшаются, и вполне может быть, что через несколько десятков лет искусственный разум превзойдет человеческий.
Библиографический список
1.
http://www.agbz.ru/articles/promyishlennyie-robotyi-v-pischevoy-promyishlennosti_-pekari--konditeryi-i-rezka-ultrazvukom2.
https://article.unipack.ru/385753.
http://www.robogeek.ru/promyshlennye-roboty/chto-delayut-roboty-v-pischevoi-promyshlennosti