По имеющимся оценкам, объем мирового рынка пищевой робототехники в 2022 году оценивался в 3,2 млрд долларов, с перспективой его дальнейшего роста на уровне 12% в год вплоть до 2032 года. Рассмотрим опыт применения роботов в кондитерской и хлебопекарной промышленности.
Когда без роботов никак
В России найдется немало представителей хлебопекарных и кондитерских производств, которые весьма осторожно относятся к возможности внедрения роботов на своих производствах. Причин здесь несколько. Одни считают, что роботы — это слишком дорого, особенно в случае хлебопекарных производств, вынужденных порою работать при отрицательной марже. Другие полагают, что это неподъемно с точки зрения освоения передовых технологий и содержания штата высококвалифицированных специалистов. Наверняка, найдутся и те, кто до сих пор относится к роботам, как к дорогим промышленным игрушкам. Каждый имеет право на свое мнение, однако мы позволим себе напомнить о преимуществах роботов на производстве, которые перевешивают предполагаемые недостатки, зачастую являющиеся домыслами.
Во-первых, роботы обладают недостижимой для человека точностью повторяемых операций, как с точки зрения пространственного позиционирования, так и тайминга их выполнения, что актуально и для пищевой промышленности. Например, выполнение операций формования шоколадного пралине строго в определенное временное окно с учетом изменения свойств при его остывании. Во-вторых, роботы лишены способности ошибаться, что дает возможность раз и навсегда избавиться от привычных человеческих ошибок и, таким образом, сократить производственные затраты.
В-третьих, робот, в отличие от человека, не знает усталости и может функционировать непрерывно 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Повторяемость качества воспроизведения операций у робота не зависит от времени непрерывной работы и всегда остается на высоком уровне. В-четвертых, в отличие от высокопроизводительного автоматизированного оборудования переналадка роботизированных систем обычно проще и требует меньше времени, что выгодно отличает роботизированные производственные участки ввиду их высокой гибкости. В-пятых, эксплуатация робота исключает пресловутый контакт пищевой продукции с руками человека, что крайне важно с точки зрения реализации строгих санитарно-гигиенических норм на производстве.
И главное: робот позволяет оптимизировать использование трудовых ресурсов, перенаправив все мало-мальски ценные кадры на решение иных задач, куда еще не пришли автоматизация и роботизация.
Классификация
Существуют следующие типы роботов, которые используются в промышленности:
- линейные (декартовы) — простейшие трехкоординатные роботы, иногда оснащаемые дополнительными осями вращения (в пищевой промышленности распространения не получили);
- SCARA-роботы (аббревиатура происходит от Selective Compliance Articulated Robot Arm) — шарнирно-сочлененные роботы с избирательной податливостью манипулятора. Рабочие перемещения захвата SCARA-роботов осуществляются за счет вращения друг относительно друга составных рычагов механизма. Используются в пищевой промышленности на операциях типа pick-and-place (захват и позиционирование объекта в нужной точке), для сортировки и отбраковки продукции, сборки изделий (собрать сэндвич);
- шарнирные роботы напоминают человеческую руку из-за шарнирных сочленений составных звеньев. Могут иметь от 4 до 8 степеней свободы. Отличаются большим выбором моделей грузоподъемностью от 1 кг до тонны. Широко применяются в пищевой промышленности в силу своей универсальности и возможности выполнять очень сложные траекторные перемещения оснастки (например, могут захватывать объект при его произвольном размещении в пространстве или выполнять операции относительно пространственных кривых);
- дельта-роботы (триподные роботы), у которых перемещение рабочего органа осуществляется посредством трех одинаковых систем рычагов. Отличаются высокой скоростью и точностью перемещений. Диапазон грузоподъемности составляет от 1 до 20 кг. Широко применяются в пищевой промышленности на операциях pick-and-place, для сортировки и отбраковки, сборки продукции;
- цилиндрические и полярные роботы обеспечивают перемещения, соответственно, внутри цилиндра и сферы (в пищевой промышленности не используются);
- коллаборативные роботы (или ко-боты) — новая концепция, подразумевающая безопасное взаимодействие человека и роботизированной системы при их непосредственном контакте. Не требуют наличия ограждений рабочей зоны робота;
- автономные специализированные системы (логистические роботы AGV/ AMR, складские роботы и т. д.).
Индустриальные vs коллаборативные
Несмотря на обилие типов предлагаемых роботов, будущим пользователям роботизированного оборудования предстоит сделать принципиальный выбор лишь из двух базовых концепцией применения робота: индустриальная или коллаборативная система. Остальное подберут инженеры, отвечающие за разработку проекта роботизации.
Коллаборативные роботы появились как маркетинговый ответ на наиболее распространенные причины, по которым топ-менеджеры откладывали роботизацию на производствах. В их числе: высокая стоимость внедрения (оборудование, персонал), сложность освоения, вероятность выхода из строя. И вместо того, чтобы в каждом отдельном случае доказывать клиентам беспочвенность подобных соображений в современных условиях, энтузиасты разработали особое поколение роботов, сама концепция которых была направлена на опровержение распространенных домыслов в отношении роботов. Во-первых, новые коллаборативные роботы стали доступнее благодаря унифицированной и оптимизированной технической платформе, подразумевающей ограниченный ассортимент типовых систем. Во-вторых, они пришли не на замену человеку, а в помощь ему, что нашло свое отражение в электронных системах безопасности, предотвращающих травмирование людей и обеспечивающих не просто безопасное соседство робота и человека на производстве, но и их взаимодействие. В-третьих, разработчики постарались сделать интерфейс управления роботов максимально дружественным и менее требовательным к квалификации технического персонала.
Безопасность коллаборативных роботов складывается из нескольких составляющих: внешнего дизайна, сенсоров в приводах и обучения. Дизайн коллаборативных роботов обязательно предусматривает наличие всех скругленных поверхностей и полное отсутствии выступающих частей (даже крепеж выполнен заподлицо), что позволяет максимально снизить травмирующее воздействие при возникновении инцидентов с человеком (они крайне редки, но человеческий фактор норовит себя проявить). Моментные и скоростные характеристики приводов в коллаборативных роботах подобраны так, чтобы соблюсти баланс между безопасностью и производительностью системы. В приводах движений используются датчики, призванные молниеносно фиксировать изменение нагрузки, чтобы сразу остановить движение робота. Однако самым важным аспектом эксплуатации робота является обучение и инструктаж персонала. Правила безопасной эксплуатации коллаборативных роботов описаны в стандарте ISO/TS 15066.
Однако повышенное внимания к аспектам безопасности автоматически обуславливает появление недостатков у роботов по сравнению с индустриальными системами. Одним из таких недостатков является их невысокая производительность. Ограничения в скорости и грузоподъемности не позволяют роботам обеспечивать свыше 10 рабочих циклов в минуту, тогда как индустриальные роботы могут работать с максимальной производительностью до 600 циклов в минуту (в микроэлектронике). В пищевой промышленности быстродействие роботов может достигать 120-150 циклов в минуту и выше. Правда, на производственных участках, где предусматривается ручной труд и присутствие человека, невысокая производительность уже не воспринимается как серьезный недостаток. Главное, достигается надежная повторяемость монотонных операций и высокая производственная гибкость, когда переналадка на новый ассортимент занимает буквально минуты.
Эти обстоятельства делают коллабо-ративные роботы своеобразным входным билетом в мир роботизированных технологий для пищевого бизнеса. Особенно на фоне усугубляющихся кадровых проблем, когда внедрение роботов может стать весьма прагматичным решением как для предприятий малого бизнеса, так и крупных производств, изучающих перспективы прикладного использования роботизированных систем на своих производствах.
Вместе с тем в пищевой промышленности невозможно будет обходиться без внедрения индустриальных роботов, которые благодаря своим бескомпромиссным характеристикам способны обеспечивать выполнение сложных и точных задач с определенным запасом по наращиванию производительности роботизированного участка. Чтобы это проиллюстрировать, обратимся к задачам, которые инженеры сегодня ставят перед роботами.
В производстве шоколада
Как известно, на средних и крупных кондитерских производствах применяются автоматизированные поточные производственные линии, благодаря которым присутствие человека и наличие ручного труда минимизировано. Однако они требуют больших производственных площадей и предполагают узкую специализацию для уменьшения частоты переходов на новый продукт, поскольку это сопровождается простоями для переналадки и дополнительными трудозатратами. А что делать, если возникает необходимость в частой смене ассортимента без вовлечения дополнительных людей? Роботизация дает ответ на этот вопрос, поскольку позволяет внести в автоматизированный производственный процесс небывалую гибкость в сочетании с высочайшей точностью повторения ответственных операций.
Чтобы проиллюстрировать это, обратимся к примеру применения роботизированного производственного комплекса на австрийской кондитерской фабрике Zotter. Для поддержания широкого ассортимента с возможностью осуществления быстрых переходов на новую продукцию руководство предприятия пошло на эксперимент по внедрению полноценного гибкого производственного модуля для производства шоколада. Его разработка стала результатом сотрудничества двух известных компаний: Buhler AG и Kuka.
Общая площадь роботизированной производственной ячейки составляет всего 25 кв. метров. В изолированном от человека пространстве установлено два робота и оборудование по отсадке и охлаждению шоколада, с которым они взаимодействуют. Шоколадные формы подаются в рабочую зону робота в вертикальном положении, чтобы избежать попадания посторонних частиц в формообразующие гнезда форм. Первый робот попарно извлекает с транспортера шоколадные формы, ставит их под от-садчик шоколадной массы, перемещая в горизонтальной плоскости так, чтобы шоколад равномерно заполнил формовочные полости формы. Далее роботочень точными движениями покачивает шоколадные формы последовательно в двух направлениях, давая возможность шоколадной массе равномерно распределиться в полостях. После чего форма тем же роботом закладывается в охладитель или буферную позицию в случае производства шоколадных пралине. Второй робот извлекает формы с готовыми шоколадками с другой стороны охладителя и устанавливает их на выходной транспортер для подачи на последующие операции (участок упаковки или в гостевую зону). Смена ассортимента выполняется в предельно короткие сроки. Данное решение позволяет обеспечить производство малых партий продукции с частой сменой ассортимента.
На этой же фабрике есть и третий робот, который обращен к гостевой зоне. Он, правда, не играет никакой производственной роли, а лишь развлекает пришедшую на экскурсию публику, пританцовывая и подавая выбранные ими шоколадки.
Также роботы в кондитерских цехах все чаще используются на операциях по оформлению готовых изделий или нанесению декора. Например, роботы могут расписывать кремами торты, повторяя с высочайшей точностью текст или узоры, которые были интерполированы программно из оцифрованного рукописного образца или компьютерного графического файла.
На упаковочных участках
Однако наибольшее распространение в кондитерской промышленности роботы получили на упаковочных участках — для укладки индивидуальных упаковок кондитерской продукции в картонную групповую/логистическую упаковку, которая затем размещается заданным паттерном на паллеты. Ручные операции фасовки и паллетизации отличаются чрезвычайной монотонностью, что создает предпосылки для накопления потерь из-за человеческих ошибок или брака. Поэтому автоматизация ручных операций на упаковке уже давно является самым быстро развивающимся направлением. Изначально автоматизация фасовочных операций обеспечивалась за счет специализированных транспортно-распределительных модулей, которые посредством сочетаний специальных конвейеров, шиберов и направляющих могут осуществлять загрузку продукции в упаковочную машину без участия человека. Однако подобные системы не отличаются производственной гибкостью, что вынуждает предпринимателей обращать свой взор на роботизированные системы.
Хорошей иллюстрацией такого внедрения стал проект роботизации упаковочного участка небольшой фабрики Interbanket, которая производит традиционное голландское печенье и вафли для частных марок. Выпуск продукции под чужими брендами требует от бизнеса высочайшей эффективности, чтобы обеспечить комфортную доходность в непростых условиях работы в системе Private Label. Поэтому на упаковочном участке были внедрены 6 шарнирных шестиосевых роботов ABB IRB140. Каждый из них оснащен четырьмя независимыми пневмозахватами, которые посредством системы технического зрения последовательно поднимают с конвейера по 4 печенья, лежащих вразнобой на конвейерной ленте. Главная сложность заключается в укладке печений в коррексы не просто в несколько стоп, но еще и под заданным углом к горизонтальной плоскости. При этом на одной и той же линии могут паковаться печенья и вафли, имеющие разные размеры и текстуру поверхности (гладкие, с узором, с орехами). Трудность пространственного позиционирования потребовала применения именно шестиосных роботов. Показательно, что рабочие, которые прежде были укладчиками, после внедрения роботов перепрофилировались в их наладчиков. Переход на новый ассортимент они осуществляют в пределах 5-10 минут.
В производстве шоколада применение роботов на упаковочных участках постепенно превращается в тренд. Основной причиной распространения роботизированных решений, помимо обозначенных выше факторов, выступает их беспрецедентная гибкость при осуществлении фасовочных операций. Например, роботы за счет наличия продвинутых систем технического зрения (а иногда и без) способны решать весьма непростые упаковочные задачи. Так, один или несколько роботов могут обеспечивать выкладывание продукции в упаковки с выполнением следующих условий:
- заданными паттернами, с чередованием слоев «вниз основанием/вверх основанием», с возможностью смены паттерна «на лету» (без остановки линии);
- с прокладыванием слоев вощеной бумагой;
- с изменением количества изделий в упаковке «на лету»;
- с выкладыванием шоколадных наборов конфетами разных цветов, формы, дизайна;
- с выкладыванием одновременно с сортировкой (форма, цвет, дизайн) и точным позиционированием изделия по контурам соответствующего гнезда в общем коррексе;
- с возможностью смены типа упаковки «на лету».
Естественно, что соответствующие роботизированные технологии были разработаны и для упаковки других кондитерских изделий — пряников, вафель, пастилы, эклеров, донатсов и т. д.
На паллету
Однако по общему числу инсталляций в мировой кондитерской отрасли сегодня лидирует роботизированная паллетизация. Напомним, что в сферу ответственности роботов-паллетизаторов входит решение разных задач по формированию паллет из гофрокоробов, групповых картонных упаковок, пластиковых ящиков, мешков и т. д. Также роботы могут выполнять и обратные операции по разбору паллеты и переносу коробов на транспортер. По сравнению с ручным трудом, роботизированный процесс обладает множеством преимуществ, прямо или косвенно вытекающих из возможностей робота. Главными из них являются высокая точность производимых действий и неутомимость робота при выполнении операций с тяжелыми грузами на протяжении часов, смен и суток. При этом роботы могут выполнять следующие виды операций паллетизации: поштучная, рядная (робот за цикл переносит несколько коробов для формирования целого ряда на паллете), послойная (робот за цикл переносит слой коробов), смешанная (выкладка паллеты коробами разных размеров).
В тесных помещениях и при необходимости присутствия человека применяются паллетизаторы на базе коллаборативных роботов, которые не требуют выделения огороженных площадей для безопасной работы роботизированного комплекса.
Применение систем технического зрения в роботизированных паллетизаторах позволяет увеличить гибкость участка за счет применения технологий ИИ, самообучения и сокращения времени на переналадку. В этом случае для работы с новыми видами коробов и размерами паллет не придется заново обучать и перепрограммировать робот.
Надрезая булочки
Роботы в мировой хлебопекарной отрасли начали получать распространение сравнительно недавно — в течение последних двух лет. Как и в кондитерской промышленности, процессы на предприятиях со средними и крупными масштабами производства в значительной степени автоматизированы. Тем не менее роботы находят себе применение и там, и в цехах маленьких пекарен.
Наиболее показательным стало внедрение роботов для автоматизации надрезания булочек и хлеба перед выпечкой. Традиционно эта операция выполнялась вручную даже на производительных автоматизированных линиях, поскольку достаточно сложно обеспечить точное матричное распределение хлеба на ленте транспортера, чтобы использовать навесное автоматизированное оборудование для надрезания хлеба. Особенно в случае надрезания булочек. Ручной труд в подобных ситуациях — не лучший выбор из-за чрезвычайно утомительных условий работы, особенно при наличии широких конвейеров.
По этой причине на крупном швейцарском хлебопекарном предприятии Coop решили инвестировать в роботизацию операций надрезки хлебов. Там внедрили роботизированный комплекс в составе 4 шарнирных роботов Stauble с подвесом на общей раме. Каждый из роботов TX90 имеет шестиосевое исполнение, поскольку выполняет рассекающий рез по сложной пространственной траектории. Чтобы задать траекторную модель для каждого отдельного реза, батоны, находящиеся на ленте транспортера в нестрогом матричном порядке, предварительно сканируются трехмерной лазерной системой технического зрения. На основании сканирования создается облако точек, по которому контроллер задает траекторию реза для очередного рабочего цикла робота. С целью эффективной резки роботы оснащены особыми ультразвуковыми резаками, которые после каждого рабочего цикла помещаются в устройство для автоматической очистки поверхности резака. Максимальная производительность участка может достигать 17 тыс. резов в минуту.
Похожее решение было разработано интеграторами на базе дельта-роботов Fanuc M-2iA/3SL. Однако в данном случае роботы осуществляют простой вертикальный рубящий рез посредством опять же ультразвукового ножа с частотой колебаний 30 кГц. Для сканирования хлеба специалисты фирмы применили систему технического зрения с ИК-подсветкой, которая интегрируется в программно-аппаратный комплекс управления iRPickTool, обеспечивающий высокоточное выполнение операций pick-and-place. Система на базе скоростного робота способна обеспечивать производительность надрезания на уровне 220-240 резов в минуту.
Прямо из печки
Другим перспективным направлением на предприятиях, специализирующихся на производстве хлеба и мучных кондитерских изделий, является процесс перегрузки изделий на транспортер с листов, противней и форм, либо переворачивание последних. Также роботы могут широко применяться для перекладывания противней из стеллажной тележки на транспортер или наоборот. Интересно, что подобные роботизированные решения ныне востребованы не только на крупных предприятиях, но и в совсем небольших хлебопекарных цехах сетевых пекарен или торговых центров, где также остро ощущается кадровый дефицит. Например, недавно компания Wiesheu представила роботизированный комплекс для организации окончательной выпечки частично выпеченного хлеба с использованием коллаборативного робота Fanuc. Несмотря на то, что довыпечка полуфабрикатов хлеба не предъявляет повышенных требований к квалификации пекаря, во многих странах явственно ощущается нехватка персонала, готового отвечать за поддержание надежной работы точек продаж свежего хлеба. Поэтому установка робота, который мог бы наряду с людьми обеспечивать работу магазина-пекарни, не выглядит фантастичной.
Роботизированный комплекс оснащен системой технического зрения, а в системе управления использован искусственный интеллект, что позволило максимально нагрузить робота. За счет возможности оперативной смены оснастки робот последовательно выполняет несколько функций. Например, извлекает из гофрокороба, где продукция выложена навалом, отдельные полуфабрикаты и филигранно выкладывает их на противне. После смены оснастки — помещает продукцию в печь. По завершении процесса выпекания робот своевременно извлечет свежевыпечен-ный хлеб и даже красиво разложит его на покупательской стойке. Причем обязанности робота могут быть расширены за счет интеграции фризера, дефростера и буферных стеллажей.
Очевидно, что в своей работе коллаборативный робот не ошибается. Он точно соблюдает временные режимы, вовремя пополняет витрину и загружает новые партии хлеба в печь по мере необходимости, полагаясь на свой искусственный интеллект. При этом ничто не угрожает безопасности присутствующего персонала: сотрудники при необходимости могут находиться в рабочей зоне робота, выполняя свою работу. При случайном контакте робота и человека, первый моментально остановится, чтобы дать возможность работнику покинуть опасную зону. После чего вновь продолжит свою работу.
Про захваты
Рассказывая о роботах, нельзя обойти вниманием столь важный аспект, как специальная оснастка, с помощью которой он производит все манипуляции с продукцией и тарой. Качественный уровень изготовления оснастки во многом определяет успех внедрения роботизированной системы. Причем пищевая отрасль вносит много усложняющих факторов: мягкая/липкая консистенция продукции, наличие обсыпки и декора, иногда неоднородные размеры и форма изделий, соответствие строгим санитарно-гигиеническим правилам, устойчивость к мойке (IP65/67). Поэтому к оснастке роботов предъявляются не менее жесткие и разнообразные требования, чем к самому роботу. В зависимости от решаемых задач предлагаются механические манипуляторы (клешни) с возможностью захвата с боков или под донышко, иглы, компактные транспортеры, пневмозахваты с присосками, а также специализированные функциональные насадки: ножи, дозаторы, щупы, распылители и т. д.
Захваты робота должны обеспечивать надежную фиксацию продукта, но при этом не сминать его и не оставлять на нем следов. Для обеспечения максимально деликатных манипуляций предлагаются различные варианты вакуумных захватов с присосками, а также вакуумно-механические или механические многопальцевые захваты, покрытые снаружи отформованным особым образом мягким эластомером, разрешенным к применению в пищевой промышленности. В захвате может быть предусмотрен контроль наличия продукта (подтверждает факт захвата и удержания) и его срыва. Плоские аморфные продукты (например, блины или пицца) могут быть надежно подхвачены с ленты транспортера посредством особой оснастки робота в виде компактного ленточного транспортера, который бережно забирает продукт и перемещает его на новую поверхность (например, загружает в печь). Стандартную и кастомизированную оснастку для роботов наряду с их производителями изготавливают многие специализированные фирмы, сделавшие себе на этом имя.
Перспективы в России
В России на государственном уровне принята программа по стимулированию роботизации в промышленности. А значит, можно прогнозировать рост количества и качества как интеграторов в области робототехники, так и производителей роботов, особенно по мере увеличения объема внедрений.
Несмотря на следование ведущих мировых производителей роботов в фарватере санкций, их отсутствие на российском рынке не сможет повлиять на продвижение робототехнических решений в отечественной пищевой отрасли. Образовавшийся дефицит быстро восполняется китайскими производителями робототехнической продукции: в КНР это направление активно развивается. Тем более что западные компании успели построить в этой стране немало предприятий, обеспечив тем самым надежный трансфер соответствующих технологий. Также развитию способствует сосредоточение в Поднебесной производства самых современных приводов и контроллеров для автоматического оборудования. Роботы из КНР уже активно продвигаются российскими системными интеграторами и инжиниринговыми компаниями, осуществляющими их внедрение при поддержке китайских партнеров. Таким образом, инфраструктура роботизированного инжиниринга продолжает уверенно развиваться в России. Дело за малым: ждем хорошей инвестиционной погоды.