Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter

Transkript

1 Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter Dr. Knut Franke, MBA Bernhard Hukelmann Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.v., Quakenbrück, HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 1

2 Agenda Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter Automatisierung in der Ernährungswirtschaft durch Roboter unter Berücksichtigung der Lebensmittelsicherheit Greifen und Transportieren von unverpackten Lebensmitteln mittels Roboter Hygienische Vakuumgreifer für unverpackte Lebensmittel Elastomergreifer als mögliche Alternativen Zusammenfassung HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 2

3 Robotik in der Lebensmittelherstellung (1) Gebrauchsgüterproduzierende Industrie Lebensmittelproduzierende Industrie Bildquelle: ABB und HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 3

4 Robotik in der Lebensmittelherstellung (2) Einsatz von Robotern in der Lebensmittelindustrie Studie der Quest TechnoMarketing Ende 2011 mit 40% der Hersteller von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen mit 100 und mehr Beschäftigten /boxid/ HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 4

5 Robotik in der Lebensmittelherstellung Wie sieht es die Branche (1) Einsatz von Robotern in der Lebensmittelindustrie Ergebnisse einer Befragung der Lebensmittelindustrie durch die DLG (D + A) Quelle: DLG Trendmonitor Roboter in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie 2014 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 5

6 Robotik in der Lebensmittelherstellung Wie sieht es die Branche (2) Robotereinsatz in Abhängigkeit von der Unternehmensgröße und Anzahl der Roboter pro Betrieb Quelle: DLG Trendmonitor Roboter in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie 2014 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 6

7 Robotik in der Lebensmittelherstellung Wie sieht es die Branche (3) Warum werden Roboter eingesetzt bzw. sollen eingesetzt werden und weshalb bisher nicht? Quelle: DLG Trendmonitor Roboter in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie 2014 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 7

8 Roboter in der Lebensmittelherstellung - Zwischenfazit Was spricht dafür: Höhere Produktivität Entlastung des Menschen von schweren, monotonen Tätigkeiten Zurückgehende Verfügbarkeit von (billigen) Arbeitskräften Vermeidung der Produktkontamination durch den Menschen Weiterentwicklung der Technik (Hardware, Software, Vernetzung) Wo liegen die Herausforderungen: Bedienbarkeit der Roboter (Flexibilität) Bildverarbeitung Hygienic Design Preise für die Hardware Greifwerkzeuge HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 8

9 Agenda Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter Automatisierung in der Ernährungswirtschaft durch Roboter unter Berücksichtigung der Lebensmittelsicherheit Greifen und Transportieren von unverpackten Lebensmitteln mittels Roboter Hygienische Vakuumgreifer für unverpackte Lebensmittel Elastomergreifer als mögliche Alternativen Zusammenfassung HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 9

10 Übersicht Greifen Grundlagen, Definition Was ist ein Greifer? Hesse et al., 2004 Lebensmittelgreifer: unmittelbarer Kontakt mit dem unverpackten Lebensmittel HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 10

11 Übersicht Greifen - Grundlagen Vorbild für einen Universalgreifer: Menschliche Hand ( Werkzeug aller Werkzeuge, Aristoteles) Quelle: Medienwerkstatt Quelle: DLR mechanischer Gelenkaufbau der Hand: 1.. Speiche, 2.. Elle 3.. Fingergelenk, 4.. Handgelenk A.. Drehachse Hesse et al., 2004 Quelle: DLR HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 11

12 Quelle: Schunk Übersicht Greifen - Einteilung nach Greifprinzipien formschlüssig, kraftschlüssig Quelle: Sommer Automatic Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 12

13 Übersicht Greifen - Einteilung nach Greifprinzipien Quelle: Sommer automation Quelle: futronic Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 13

14 Übersicht Greifen - Einteilung nach Greifprinzipien Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 14

15 Übersicht Greifen - Anforderungen an Greifer Technologische Anforderungen Greifzeit und -weg Greifkraftverlauf Anzahl der zu greifenden Objekte pro Griff Einfluss der Greifobjekte äußere Form (Toleranzen) Greiffläche und Greifbereich Masse Greifkraft Oberflächeneigenschaften Wirkpaarung Festigkeit Wirkpaarung Einfluss des Roboters (Handhabungsvorrichtung) Positioniergenauigkeit Beschleunigung / Verzögerung der Achsen Anschlüsse Umweltparameter Zuführeinrichtungen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte) Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 15

16 Auswahl von Greifern als Abhängigkeitsnetzwerk Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 16

17 Greiferrelevante Eigenschaften von Lebensmitteln - Variabilität biologische Variabilität bei naturbelassenen Produkten Quelle: Uni Marburg Fleischstücke Gemüse Gemüse geformte Erzeugnisse (Produktionstoleranzen) Quelle: wikimedia.de Fischstäbchen Würste sehr einheitliche äußere Form Quelle: Fa. Berning relativ einheitliche äußere Form Quelle: große Streubreite Riegel Äpfel (Sortierung) Pralinen HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 17

18 Greiferrelevante Eigenschaften von Lebensmitteln - Rauhigkeit Rauhigkeit eben, z.b. gefrorener Fisch Quelle: rauh z.b. panierte Produkte uneben z.b. Müsliriegel Quelle: Kochbuch.de HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 18

19 Greiferrelevante Eigenschaften von Lebensmitteln - Oberfläche Adhäsionseigenschaften und Belegung trocken z.b. Brötchen Quelle: Goosebumps feucht z.b. Frischfleisch anhaftend z.b. Teiglinge belegt z.b. bestreute Backwaren HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 19

20 Greiferrelevante Eigenschaften von Lebensmitteln - Festigkeit sehr weich Teiglinge Quelle: fudder.de weich Fleischstücke Kuchen (frisch) hart HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 20

21 Übersicht Greifen - Anforderungen an Greifer für Lebensmittel Technologische Anforderungen Greifzeit und -weg Greifkraftverlauf Anzahl der zu greifenden Objekte pro Griff Einfluss der Greifobjekte äußere Form (Toleranzen) Greiffläche und Greifbereich Masse Greifkraft Oberflächeneigenschaften Wirkpaarung Festigkeit Wirkpaarung Einfluss des Roboters (Handhabungsvorrichtung) Positioniergenauigkeit Beschleunigung / Verzögerung der Achsen Anschlüsse Umweltparameter Zuführeinrichtungen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchte) Qualitätsbeeinflussung des Lebensmittels nach Hesse et al., 2004 HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 21

22 Rückwirkungen auf das Lebensmittel und Qualitätskontrolle Robotergreifer kann auch die Qualität des gegriffenen Lebensmittels beeinflussen: Aussehen der Oberfläche z.b. Zerkratzen Verändern der Form z.b. Eindrücken oder Ausstülpen Hygienezustand, z.b. Kontamination des Lebensmittels automatische Qualitätskontrolle darf durch Greifer nicht beeinträchtigt werden Zugänglichkeit für Bildauswertung HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 22

23 Greiferprinzipien und ihre Eignung für Lebensmittel Prinzip Vorteile Nachteile mechanische Greifer Hygienic Design möglich begrenzter Greifweg, Oberflächeneinfluss Überdruckgreifer komplett geschlossen, "weicher" Andruck auf das Lebensmittel begrenzter Greifweg, begrenzte Greifkraft Vakuumsauger Luftstromgreifer variabel bezüglich Abmessungen kein Ansaugen, einfache Form Ansaugen von Produktresten oder Flüssigkeit feste, glatte Oberflächen erforderlich HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 23

24 Agenda Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter Automatisierung in der Ernährungswirtschaft durch Roboter unter Berücksichtigung der Lebensmittelsicherheit Greifen und Transportieren von unverpackten Lebensmitteln mittels Roboter Hygienische Vakuumgreifer für unverpackte Lebensmittel Elastomergreifer als mögliche Alternativen Zusammenfassung HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 24

25 Vorteile von Vakuumgreifern Eine freie Fläche auf dem Objekt reicht für Greifen aus Äußere Abmessungen des Objekts können sehr stark variieren Nur die zulässige Leckrate muss überwunden werden Für das Greifen und Transportieren des Objektes müssen keine weiteren Voraussetzungen erfüllt werden Greifer muss nicht unbedingt exakt platziert werden höhere Fehlertoleranz bezüglich Objekterkennung Die Objekte müssen nicht umfasst werden Es ist kein Freiraum zwischen den Produkten erforderlich, Objekte müssen nicht vereinzelt werden HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 25

26 Problematiken von vorhandenen Systemen Nachteile dieser Systeme: Nicht reinigbar Kein Hygienic Design Nur kleine Leckagen zulässig A.. Druckluftzufuhr B.. Düse(n) C.. Abluftführung (Schalldämpfer) D.. Vakuumseite HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 26

27 Hygienische Vakuum-Greifkonzepte für Lebensmittel Für Lebensmittel entwickelte Vakuumgreifer im Hygienic Design, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen HDHF-Typ HDHF Mini HDB-Typ HD.. Hygienic design, HF.. High flux, B.. Bernoulli HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 27

28 Funktionsweise eines HDHF-Greifers Grundprinzip des HDHF- Greifers für Lebensmittel HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 28

29 Funktionsweise des HDB-Greifers Grundprinzip des HDB-Greifers für Lebensmittel HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 29

30 Zusammenstellung der HD-Greifer Attribute HDHF-Greifer HDB-Greifer Anforderungen Hygienic Design erfüllt? Ja Ja Flächenbezogene Mittel (bis zu 30% Gering (bis zu 15% Haltekraft Vakuum) Vakuum) Druckluftverbrauch Mittel Hoch Mittel Leckagetoleranz Hoch Sehr hoch Produktspezifische Saugglocken verfügbar? Ja Nein Spezielle Eigenschaften Große Leckagetoleranz Leckageunabhängiger Betrieb HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 30

31 Traglasten von Vakuumgreifern!! Aber: Das tatsächlich vorherrschende Vakuum über dem Produkt ist von der Leckage abhängig HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 31

32 Luftverbrauch von HDHF-Vakuumgreifern HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 32

33 Agenda Hygienische Greifsysteme für ein sicheres Lebensmittelhandling durch Roboter Automatisierung in der Ernährungswirtschaft durch Roboter unter Berücksichtigung der Lebensmittelsicherheit Greifen und Transportieren von unverpackten Lebensmitteln mittels Roboter Hygienische Vakuumgreifer für unverpackte Lebensmittel Elastomergreifer als mögliche Alternativen Zusammenfassung HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 33

34 Forschungsprojekt für neue Lebensmittel-Elastomergreifer p Druckluftzufuhr p Kupplung Δp>0 àgreifen Elastomer Weniger elastisches Material Prinzipschema (Animation) Quelle: Fraunhofer IVV HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 34

35 Lebensmittel-Elastomergreifer Erste Testsysteme à Konstruktion eines Testsystems mit einem stark vereinfachten Greiferdesign Länge, Abstand und Orientierung der Beugefinger Zentralgriff Parallelgriff Federblatt Balg Quelle: Fraunhofer IVV HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 35

36 Lebensmittel-Elastomergreifer erste Prototypen Greiftests mit ersten Prototypen (Rapid Prototyping) Positivform Beispiel für das Greifen eines sehr sensitiven Produktes bezüglich lokaler Kraftspitzen Quelle: Fraunhofer IVV Beispiele für flexibles und sicheres Greifen von Produkten mit sehr unterschiedlichen Formen, Größen und Oberflächen HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 36

37 Lebensmittel-Elastomergreifer TPE-basierte Greiferfinger Umsetzung in ein CAD-Modell Beugefinger Druckluftzufuhr Kupplung Produkt Modelliert Digitalisiert Hygienische Umsetzung Prototyp Quelle: Fraunhofer IVV HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 37

38 Lebensmittel-Elastomergreifer Simulation der Beugung Ergebnis der numerischen Simulation der Beugung (Luftdruck: 1.5 bar) Bestätigung der Form des Fingers für den Elatomergreifer Quelle: DIK HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 38

39 Lebensmittel-Elastomergreifer Demo Testbeispiel für das Greifen von sensiblen Produkten Quelle: Fraunhofer IVV HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 39

40 Lebensmittel-Elastomergreifer Reinigungstest für Material Reinigungstests des Elastomermaterials (Vergleich mit Edelstahl) Quelle: Fraunhofer IVV HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 40

41 Lebensmittel-Elastomergreifer Reinigungstest für Geometrie Seitenansicht Düse Draufsicht Düse Kamera für Monitoring UV-Bild des verschmutzten Greifers mit den relevanten Bereichen (ROI) HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 41

42 Zusammenfassung Auch die Lebensmittelindustrie kommt langfristig nicht an der Automatisierung mittels Roboter vorbei (wird auch von den Roboterherstellern so gesehen) Bisher allerdings sind für den breiten Durchbruch noch einige Herausforderungen zu lösen, insbesondere hinsichtlich Bedienbarkeit der Roboter und der Bildverarbeitung (Qualitätssicherung) Mit zunehmendem Einsatz am unverpackten Produkt steigen auch die Anforderungen an die Hygiene (Hygienic Design) Das sichere Handling von unverpackten Lebensmitteln stellt zusätzliche Anforderungen an die Greiftechnik der Roboter, die sich aus der Variabilität der Produkte und deren Qualität ergeben Durch die große Variabilität der Produkte gibt es kein generell anwendbares Greifprinzip für diese Aufgaben Lösungen auf der Basis von Vakuumgreifern bieten Vorteile im Handling von Lebensmitteln, wenn die Anforderungen bezüglich Hygienic Design erfüllt werden können HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 42

43 Danksagung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Teile der Präsentation wurden im Rahmen der Forschungsvorhaben AiF 404ZBG und 16690N, die im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie via AiF gefördert werden, erarbeitet. HygieniCon Future Congress 2015, , Heidelberg 43