Robotyzacja w przemyśle spożywczym

Transkrypt

1 Robotyzacja w przemyśle spożywczym Jan Barczyk W artykule przedstawiono wybrane problemy dotyczące zastosowania robotów przemysłowych w przemyśle spożywczym i omówiono kilka przykładowych rozwiązań. Zwrócono uwagę na problematykę chwytania artykułów spożywczych. d wielu lat roboty stosowane są z sukcesem w różnych gałęziach przemysłu (samochodowy, elektroniczny, maszynowy) i obecnie trudno jest wyobrazić sobie na przykład proces zgrzewania karoserii samochodu lub montażu sprzętu elektronicznego bez użycia robotów. Pojawiające się nowe roboty, zwykle ze złożonymi układami kinematycznymi, urządzeniami sensorycznymi i systemami wizyjnymi oraz adaptacyjnymi algorytmami sterowania, umożliwiają realizację najbardziej skomplikowanych zadań. Dzięki temu możliwe jest ciągłe rozszerzanie zakresu realizowanych zadań, nie tylko w przemyśle samochodowym (na przykład zrobotyzowany montaż szyb, kół i innych elementów indywidualnego wyposażeni lecz również w innych gałęziach przemysłu, mniej podatnych na robotyzację. Rozwój techniki robotyzacyjnej stwarza coraz większe możliwości wykorzystania robotów w przemyśle spożywczym. Preferencje robotów do ich stosowania w przemyśle spożywczym polegają między innymi na: dużej prędkości działania, umożliwiającej ciągłą współpracę z szybkimi liniami produkcyjnymi możliwości realizacji chwytania grupowego, na przykład jednoczesnego uchwycenia kilkunastu butelek i załadowania ich do skrzynki łatwości rozwiązania problemów pakowania i paletyzacji współpracy robota z systemami wizyjnymi, umożliwiającymi na przykład śledzenie i odpowiednie uchwycenie obiektów przemieszczających się na taśmie produkcyjnej wielozadaniowej obsłudze stanowiska i łatwości przeprogramowania realizowanych zadań możliwości pracy robota w niskiej temperaturze, na przykład w chłodniach. W przemyśle spożywczym występują jednak problemy nie spotykane w dotychczas robotyzowanych gałęziach przemysłu. W szczególności wymienić należy: Dr inż. Jan Barczyk Instytut Automatyki i Robotyki Politechnika Warszawska specyficzne właściwości chwytanego obiektu (różne kształty, wymiary, delikatne struktury, materiały kruche lub miękkie itp.) higieniczne warunki pracy wymagania dla robota (np. wodoszczelny, wytrzymały na mycie). W masowej produkcji artykułów spożywczych najczęściej stosowane są wyspecjalizowane urządzenia automatyczne, jednak znacząco ograniczają one elastyczność produkcji. Natomiast wymagania rynku wymuszają dostarczanie różnorodnych produktów i produkowanie krótkich serii. Zastosowanie w takich przypadkach robotów nie wymaga kosztownych zmian konstrukcyjnych automatów, lecz jedynie zmiany oprogramowania i ewentualnie urządzenia chwytającego. Korzyści płynące z robotyzacji przemysłu spożywczego polegają na poprawie jakości, zachowaniu higienicznych warunków, powtarzalności procesu i redukcji kosztów pracy. W roku 1996 w Japonii [1] zainstalowano pierwszy zrobotyzowany system składający się z robota Motoman SV035 współpracującego z systemem wizyjnym śledzącym taśmę produkcyjną. Robot SV035 spełniał podstawowe wymagania przemysłu spożywczego: duża szybkość działania (do 100 elementów zdejmowanych z taśmy w ciągu jednej minuty), zmywalność (odporność mechanizmów na wodę i środki czystości ze względu na warunki higieniczne) i małe wymiary (ze względu na brak miejsca wśród innych urządzeń technologicznych). System wizyjny zawierał kamerę CCD i oświetlenie na podstawie analizy obrazu wyznaczane były współrzędne obiektów przemieszczanych przenośnikiem. System wizyjny z odpowiednim oprogramowaniem umożliwiał przekazanie do układu wykonawczego robota sygnałów sterujących i prawidłowe uchwycenie obiektu. Nie były potrzebne żadne mechaniczne urządzenia orientujące i odpowiednio ustawiające obiekt przed uchwyceniem. Przetwarzanie informacji wizyjnych było na tyle szybkie, że prędkość przenośnika wynosiła do 20 m/min. Robot SV035 wyposażony został w specjalne chwytaki (podciśnieniowe i z końcówkami chwytnymi), spełniające następujące warunki: krótkie czasy uchwycenia i uwolnienia obiektu, możliwość chwytania różnych obiektów tej samej klasy. Chwytak podciśnieniowy był przyłączony do zbiornika wyrów- 16

2 nawczego i pompy próżniowej. Chwytak mechaniczny zasilany był sprężonym powietrzem ze sprężarki. Zainteresowanie robotyzacją przemysłu spożywczego ciągle wzrasta i na przykład w roku 1998 zainstalowano około 1000 robotów (przy ogólnej liczbie wówczas już pracujących w przemyśle spożywczym około 6500 sztuk) a w roku 2005 zastosowano ponad 2500 sztuk [2]. Szczególnie duże zainteresowanie w tym zakresie obserwuje się w Europie, gdzie dostrzega się takie zalety robotyzacji jak uelastycznienie procesu wytwarzania i podwyższenie standardu artykułów spożywczych oraz poprawę bezpieczeństwa pracy. W przemyśle spożywczym roboty mogą realizować różnorodne zadania, ale najczęściej stosowane są do przenoszenia artykułów spożywczych (bezpośrednio lub w opakowaniu) oraz do paletyzacji. Typowe zadania polegają na przenoszeniu artykułów spożywczych z przenośnika taśmowego do pojemników lub na inny przenośnik, albo na układaniu pojemników na palecie. Istotnym problemem jest w tych przypadkach współpraca robota z przenośnikiem taśmowym stosowane są różne rozwiązania, zarówno z firmowymi robotami i systemami wizyjnymi jak i specjalizowanymi układami, na przykład inteligentne manipulatory zintegrowane z przenośnikiem [4]. Warto zaznaczyć, że producenci artykułów spożywczych starają się unikać kontaktu człowieka z żywnością, gdyż pracownicy są głównym źródłem skażeń w fabrykach. wirnikowe pompy próżniowe (gdy wymagana jest większa wydajność) lub eżektory. Pierwsze rozwiązanie jest energooszczędne, charakteryzuje się cichą pracą i niewrażliwością na zanieczyszczenie zasysanego powietrza. Natomiast wadami są: złożona konstrukcja, wysoka cena urządzenia, duża masa i wymiary, długi czas reakcji oraz możliwość pracy tylko w trybie ciągłym. Mimo tych wad takie rozwiązanie jest częściej stosowane w przemyśle spożywczym niż eżektorowe generatory podciśnienia, których głównymi wadami są: duże zużycie sprężonego powietrza, głośna praca, wrażliwość na zanieczyszczenie zasysanego powietrza oraz fakt, że strumień wylatującego z eżektora powietrza może powodować zapylenie w pomieszczeniach. Pobieranie produktów z linii produkcyjnej realizowane może być pojedynczo lub grupowo w przemyśle spożywczym najczęściej występuje drugi przypadek (rys. 1). Chwytanie żywności W przemyśle maszynowym i elektronicznym obiekty są spójnie ukształtowane i łatwe do uchwycenia, natomiast w przemyśle spożywczym, szczególnie w przemyśle mięsnym, produkty znacząco różnią się nie tylko kształtem i wymiarami lecz również są miękkie (na przykład świeże mięso). Chwytak musi być bardziej uniwersalny i elastyczny. Stosowane są różne rozwiązania, na przykład chwytak składający się z dwóch płaskich palców owiniętych cienką błoną, której drugi koniec połączony jest ze sprężynującą szpulą umożliwia to obsługę szerokiej gamy produktów różniących się wymiarami, kształtem, powierzchnią. Trudnym problemem jest również chwytanie zamrożonych artykułów spożywczych, gdyż warstwa szronu na powierzchni znacząco zmienia warunki uchwycenia. Zrobotyzowane chwytanie powinno również wyeliminować wzajemne zanieczyszczenie produktów, dla których obowiązuje ścisła higiena. W procesach pakowania bardzo często stosuje się chwytanie adhezyjne, polegające na wywarciu takiej siły przylegania obiektu do przyssawki, aby uniemożliwić jego przemieszczanie się w procesie manipulacji. Najczęściej siła ta jest wywierana przez podciśnienie działające na określonej powierzchni żądaną wartość siły można uzyskać zwiększając powierzchnię czaszy przyssawki lub liczbę przyssawek. Do wytwarzania podciśnienia w chwytakach podciśnieniowych stosuje się Rys. 1. Chwytanie grupowe: pojedyncze przyssawki dla każdego obiektu, robot firmy Mariani [9]; jednoczesne uchwycenie końcówkami chwytaka, robot firmy Motoman [10] Robot w rzeźni W zakładach mięsnych w Biedenkopft (Niemcy) zastosowano roboty przemysłowe firmy Kuka na linii produkcyjnej uboju świń [3]. Zachowana jest pełna sterylność narzędzia używane przez roboty są dezynfekowane gorącą wodą o temperaturze 82 C. Cała konstrukcja chroniona jest białymi pokrowcami. Na jednym ze stanowisk (rys. 2 znajdują się cztery roboty i laserowy system pomiarowy 3D. System ten śledzi przemieszczającą się tuszę i generuje, zależnie od wielkości i wagi świni, odpowiednie sygnały do układu sterowania robota, umożliwiające wyznaczenie trajektorii cięcia. Pierwszy robot KR 30 rozcina brzuch świni, a następny, taki sam lecz zawieszony, specjalnym narzędziem usuwa wnętrzności. Trzeci robot KR 60, także na podstawie informacji z systemu pomiarowego, rozcina 17

3 tasakiem miednicę a następny robot precyzyjnie rozcina piłą tuszę na dwie połówki. Korzyści wynikające z zastosowania robotów w przedstawionym wyżej procesie polegają głównie na znacznym skróceniu czasu usuwania wnętrzności, na dokładniejszym rozcięciu tuszy oraz na mniejszym zużyciu narzędzi. Na rys. 2b przedstawiono fragment zrobotyzowanego stanowiska do cięcia półtusz. Na stanowisku zastosowano robot KR 125 z okrągłą piłą do cięcia. Do optymalizacji cięcia dostarczanych półtusz, których masa wynosić może od 70 do 120 kg, pobierane są informacje z dwóch kamer. Zgodnie z programem robot wycina najpierw polędwicę, później szynkę, a następnie wycina zaprogramowane wymiarowo lub wagowo porcje mięsa. Dzięki zastosowaniu robota uzyskano między innymi dokładniejsze wycięcie polędwicy i szynki, lepszą jakość mięsa oraz porcjowanie zgodnie z zamówieniami. Ciekawe rozwiązanie zrobotyzowanego stanowiska do porcjowania, klasyfikowania i ważenia oferuje firma AEW Delford Systems z Wielkiej Brytanii [5]. Na tym stanowisku robot może chwytać pojedyncze kawałki mięsa (z kością lub bez kości) dostarczane z krajalnicy lub z przenośnika taśmowego i przenosić je na tacki. W skład stanowiska (rys. 4) wchodzą: robot IRB 340 firmy ABB, system wizyjny oraz waga. System wizyjny dokładnie określa położenie i zorientowanie porcji na przenośniku, dzięki czemu możliwe jest właściwe uchwycenie i ułożenie porcji w pojemniku, ewentual Rys. 2. Roboty KUKA w rzeźni: rozbiór świńskiej tuszy, dzielenie półtuszy na porcje nie odłożenie porcji, które nie spełniają określonych wymagań jakości (np. za małe, za duże, niekształtne). Rys. 4. Stanowisko do porcjowania mięsa Firma ABB [6] oferuje kompletnie wyposażone linie z robotami i systemem wizyjnym (rys. 5 do realizacji różnorodnych zadań w przemyśle spożywczym, na przykład pakowanie ciasteczek i innych wyrobów piekarniczych, układanie czekoladek w bombonierkach, pakowanie lodów. Stosowany na tych stanowiskach robot FlexPicker o równoległej kinematyce (rys. 5 wyróżnia się niezwykle dużą szybkością działania. Może on chwytać produkty przemieszczające się na taśmie i realizować do 120 cykli na minutę, osiąga przyspieszenia do 10 g. Robot ma stopień ochrony obudowy IP67 i może być myty wodą i innymi środkami czyszczącymi. Jedno z ciekawszych zastosowań takiej linii dotyczy zrobotyzowanego pakowania zamrożonej pizzy [7]. Porcje mięsa, ze względu na różnorodny wymiar i kształt, różną strukturę powierzchni oraz sztywność (świeże i mrożone), są obiektem kłopotliwym do uchwycenia. Ten problem próbuje się rozwiązać w wielu ośrodkach badawczych, między innymi w Georgia Tech Research Institute [4] badano wykorzystanie chwytaków podciśnieniowych (rys. 3 do chwytania kurzych piersi z taśmy i przenoszenia na tacki. Rys. 5. Zrobotyzowane porcjowanie: schemat linii produkcyjnej, robot FlexPicker (IRB 340) Rys. 3. Różne sposoby uchwycenia porcji mięsa: chwytak podciśnieniowy [4], chwytak mechaniczny z końcówkami chwytnymi [5] Z zamrażarki przenośnikami taśmowymi dostarczane są wyroby o różnym kształcie (okrągłe, owalne, trójkątne), różnym typie i różnych wymiarach a dodatkowo niektóre mogą nie spełniać wymagań jakościowych. Na linii zastosowano dwa roboty FlexPicker i system wizyjny PickMaster z jedną kamerą dla każdego robota. Analiza obrazu umożliwia wyznaczenie współrzędnych (pozycji i zorientowani chwytanego obiektu i wygenerowanie odpowiednich sygnałów sterujących do robota. Pizza musi też być delikatnie chwytana i nie powinny zostać uszkodzone dodatki (ser, pomidory itp.) znajdujące się na jej powierzchni. Na uruchomionej w 2004 roku we Włoszech linii produkcyjnej roboty wyposażone są 18

4 w dwa typy chwytaków, stosowanych zależnie od typu produktu chwytaki z czterema końcówkami umożliwiają chwytanie przedmiotów o okrągłych kształtach za obwód, w innych przypadkach są stosowane chwytaki podciśnieniowe. Szybkie roboty Rys. 6. Robot firmy Fanuc na stanowisku pakowania Kilka firm oferuje roboty przeznaczone do obsługi taśmy produkcyjnej, gdzie wymagane jest szybkie zdejmowanie przemieszczających się obiektów. Jednym z najszybszych robotów jest Quickplacer hiszpańskiej firmy Fatronik [8] osiąga on przyspieszenia do 15 g i może wykonywać do 200 cykli na minutę. Podobne parametry ruchowe do omówionego wyżej robota firmy ABB ma robot M-430iA/2F firmy Fanuc (rys. 6) może on wykonać 120 cykli na minutę przy obciążeniu masą 1 kg lub 100 cykli przy obciążeniu 2 kg. Ten robot o pięciu osiach ma zwartą konstrukcję, może być montowany w różnym położeniu, spełnia standardy czystości. We współpracy z systemem wizyjnym umożliwia wiele zastosowań. przenoszenie pustych butelek odbywało się bez zbędnych przyspieszeń powodujących uderzanie się butelek. Na rys. 7a przedstawiono robota na stanowisku pakowania i paletyzacji butelek z piwem w jednym z browarów niemieckich. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów uczestniczył w robotyzacji stanowiska do paletyzowania w browarze Bosman w Szczecinie (rys. 7. Robot w szczególnych warunkach Jak kilkakrotnie wspomniano istotnym warunkiem stosowania robotów w przemyśle spożywczym jest zachowanie wysokiego standardu higieny, eliminacja zanieczyszczeń i zagrożeń bakteryjnych. Wszyscy znaczący producenci robotów oferują specjalne wykonania, tzw. cleanroom robots wszystkie roboty mają napęd elektryczny, specjalne pokrycia powierzchniowe elementów konstrukcyjnych, czasem niektóre elementy są wykonane ze stali nierdzewnej, niekiedy stosuje się specjalne pokrowce. Na przykład firma Kuka proponuje kilka znacznie różniących się rozwiązań od małego sześcioosiowego robota KR 3 CR (rys. 8 do wykonań ze stali nierdzewnej (rys. 8 i ewentualne stosowanie dodatkowych pokrowców ochronnych (rys. 8c). c) Robot w browarze Dużo robotów stosowanych jest obecnie w browarach do realizacji takich zadań jak: wyjmowanie pustych butelek z pojemników, załadowania pojemników butelkami z piwem, paletyzowania skrzynek itp. W porównaniu z konwencjonalnymi maszynami paletyzującymi stanowisko zrobotyzowane zajmuje o wiele mniej miejsca. Najczęściej robot wyposażony jest w chwytak pneumatyczny, tak zaprojektowany aby uchwycić komplet butelek niezbędnych do zapełnienia pojemnika. Ważne jest, że można tak zaprogramować robota, aby Rys. 7. Roboty w browarze: KR 150 firmy Kuka, Browar Bosman - Szczecin Rys. 8. Roboty do pracy w szczególnych warunkach: KR 3 CR, KR 15 SL, c) Wash Down Robot Firma Fanuc do pracy w chłodniach, przy niskich ujemnych wartościach temperatury, przewiduje roboty serii M410iB, wyposażone w specjalny skafander z doprowadzeniem podgrzanego powietrza po zasygnalizowaniu przekroczenia minimalnej temperatury pracy. Procesy paletyzacji/depaletyzacji często realizowane są w chłodniach firma KUKA oferuje arktyczny typ robota przeznaczonego do pracy w niskiej temperaturze, np. w przemyśle spożywczym stosowane są technologie głębokiego zamrażania w temperaturze 30 C (rys. 9). Wielu producentów mrożonek uznaje za celowe wprowadzenie robotyzacji pakowania ze względu na pracę w warunkach wychłodzenia i różnorodnej produkcji. Roboty instaluje się na linii pakowania toreb Rys. 9. Robot do pracy w niskiej temperaturze 19

5 z produktami o różnej masie i wymiarach do pudełek i układania pudełek na palety. Na przykład u jednego z producentów mrożonek w Wielkiej Brytanii na linii pakowania zastosowano trzy roboty firmy Motoman: jeden układa torebki w pudełku, drugi przenosi załadowane pudełko do oklejenia a trzeci układa pudełka na palecie w stosy (8 warstw po 10 pudełek), oddzielając poszczególne warstwy tekturą. Po wdrożeniu tych robotów okazało się, że potrzebują one mniej miejsca niż dotychczas zatrudniony pracownik. Pakowanie Standardowym zastosowaniem robotów w przemyśle spożywczym jest pakowanie, zarówno bezpośrednio do opakowań (tacki, pojemniki) jak i opakowanych produktów do kartonów oraz układanie kartonów na paletach. Paletyzacja służy do grupowania wyprodukowanych elementów tego samego typu, wymiarów, wagi itd. w większe ilości do pojemników kartonowych, plastikowych, a nawet w kontenery. Taki system pakowania produktów w coraz większe pojemniki w znacznym stopniu ułatwia zarówno składowanie, ładowanie jak i transportowanie, a później z kolei wyładunek. Robotyzacja pakowania dotyczy najczęściej stanowisk paletyzujących, na których pojemniki (kartony) układane są na paletach warstwami, zwykle rozdzielanymi płytami tekturowymi. Niektórzy producenci robotów przemysłowych oferują roboty specjalnie zaprojektowane do paletyzacji/depaletyzacji (rys. 10), wyposażone między innymi w skanery kodów paskowych identyfikujące produkty oraz systemy wizyjne o różnorodnych możliwościach (np. rozpoznawania zorientowania pakowanych produktów lub zapełnienia palety). Opracowano również specjalistyczne oprogramowanie, umożliwiające między innymi zaoszczędzenie czasu programowania i obliczenie optymalnego ułożenia produktów w poszczególnych warstwach na palecie [11]. Podsumowanie Roboty są coraz prostsze w użyciu, stają się relatywnie tańsze mimo coraz bogatszego wyposażenia, więc ciągle rozszerza się obszar ich zastosowań. Na wystawie Anula FoodTech, która w kwietniu 2006 roku odbyła się w Niemczech, kilkunastu producentów robotów przemysłowych prezentowało kompletne zrobotyzowane systemy dla przemysłu spożywczego, jednak głównie przeznaczone do pakowania i paletyzacji. Powyżej przedstawiono jedynie wybrane przykłady zastosowań robotów w przemyśle spożywczym roboty mogą być i są stosowane na różnych etapach produkcji artykułów spożywczych, np. do dekorowania wyrobów, do kontroli przebiegu procesu produkcyjnego. Zrobotyzowane systemy z urządzeniami wizyjnymi są uniwersalne, łatwo można je przeprogramować na inny rodzaj zadań zwykle niezbędna staje się jedynie wymiana specjalnego chwytaka. Zmiana typu opakowania produktu (kształtu, wymiarów itp.) nie wymaga więc kosztownych zmian konstrukcyjnych urządzeń pakujących. Producenci artykułów spożywczych coraz częściej dostrzegają również, że roboty nie męczą się, są uważne i dokładne, oraz nie nudzą się i nie denerwują wykonując monotonne czynności przy taśmie produkcyjnej. Nie mówiąc o tym, że nie wnoszą zagrożeń chorobowych dla człowieka i nie chorują. Rys. 10. Roboty patetyzujące: firmy Motoman, firmy Kuka Bibliografia 1. Hamazawa M.: Robot applications in the Japanese food industry. Industrial Robot, v. 26, 1999, nr 4, s International Federation of Robotics KUKA Robotics Corporation Georgia Tech Research Institute AEW Delford Systems ABB Group Andersson H.J.: Picking pizza picker. ABB Review. Special Report: Robotics 3/ Fatronik Mariani S.A Motoman Barczyk J., Jarzembski B.: Robotyzacja pakowania problemy i rozwiązania. PAR 5/2004, s