04/04/2022
Door Ad Spijkers
Krachtige en open besturingstechnologie helpt bij het creëren van 'Baumkuchen 4.0' bakkerij.
Robots worden vaak geassocieerd met grote industriële robots, cobots en horeca- en zorgtoepassingen. Zoetwarenfabrikant Juchheim met hoofdkantoor in Kobe heeft een nieuwe oplossing voor voedselproductie onthuld. Robot Theo bakt hoogwaardige Baumkuchen, een Duitse laagjescake die ook in Japan in trek is.
Theo wordt bestuurd door een compacte Beckhoff industriële pc met TwinCAT-software en ondersteund door een kunstmatige intelligentie (AI) applicatie. Ingenieursbureau Matsuura Denkosha heeft ondersteuning geboden bij de ontwikkeling van het besturingssysteem, inclusief de integratie van een Denso Wave robot. Juchheim levert de cake op 350 locaties in Japan en Singapore.
Vaardigheden
Het proces van het maken van een Baumkuchen is op zich eenvoudig. Een draaiende kernstaaf wordt herhaaldelijk bedekt met deeg en in de oven geplaatst totdat dertien deeglagen gelijkmatig zijn gebakken. Voor het bakken moeten de deegcontainer en kernstaaf naar de oven worden getransporteerd en naar binnen worden geduwd. Dit wordt normaal gedaan door bedienend personeel, maar is geautomatiseerd met behulp van een transportband en robotarm.
Het bakken van Baumkuchen vereist geavanceerde vaardigheden en ervaring van de banketbakker. Maar als de parameters van de oven op afstand kunnen worden vastgelegd en ingesteld, en als de baktemperaturen nauwkeurig kunnen worden weergegeven, zijn lokale machines op afstand te bedienen om cakes van topkwaliteit te produceren. Met Theo gaat Juchheim nog een stap verder. Door geïntegreerde AI en de expertise van meester-banketbakkers kan Baumkuchen overal ter wereld worden gemaakt met dezelfde Juchheim-kwaliteit.
Alle componenten worden aangestuurd door een Beckhoff C6030 IPC met Intel-Core i7 processor en verbonden via EtherCAT. De operator hoeft alleen het deeg en de kernstaven voor te bereiden en op de transportband te plaatsen, een van de drie ovens op het bedieningspaneel te selecteren en het bakproces te starten. De transportband brengt de deegcontainer en kernstaaf automatisch naar de opgegeven positie.
De robot pakt de bak en staaf op en plaatst deze voor de oven. Daarna begint de robot de kernstaaf met deeg te bekleden en de lagen één voor één aan te brengen. De AI-functionaliteit die in de oven is geïmplementeerd, bewaakt het proces en zorgt voor een nauwkeurig bakproces.
Real-time
Het voordeel van de IPC en TwinCAT software is de real-time procesbesturing via EtherCAT en de Windows-integratie. Ook de I/O-componenten van Beckhoff spelen een belangrijke rol. Er zijn namelijk veel sensoren en camera's om te integreren. De compacte behuizing en het brede assortiment van EtherCAT I/O stelde de systeemintegrator in staat om ruimte in de schakelkast te besparen en de technische complexiteit te minimaliseren.
De AI-functionaliteit draait als een Windows-applicatie op dezelfde IPC als TwinCAT. Voor elke oven worden camera's geïnstalleerd om beelden van de taartoppervlakken vast te leggen. De data worden gekoppeld aan andere sensorgegevens, waaronder die van stralingspyrometers. Het AI-model is gebaseerd op een Convolutional Neural Network (CNN) en werd eerder in Python getraind in een aparte omgeving.
Tijdens bedrijf controleert Theo real-time de beelddata van de camera en de data van andere sensoren om de kwaliteit van de Baumkuchen te bepalen. Wanneer een deeglaag in optimale conditie is, wordt dit gerapporteerd aan de besturing. TwinCAT stopt dan de rotatie van de deegbuis en opent de deur zodat de robot de cake kan verwijderen.
Coaten
Een andere technische uitdaging is het constant coaten van de deegrollen met identieke hoeveelheden deeg. Hiervoor regelt TwinCAT de optimale positie en hoek van de roterende staaf, zodat de robot voor elke laag exact dezelfde deegdikte kan aanbrengen. Hierdoor wordt materiaalverlies tot een minimum beperkt. Behalve het bakproces moeten de overige omstandigheden stabiel blijven voor een constante kwaliteit, dat wil zeggen: het deeg moet altijd hetzelfde zijn. Als het deegrecept wordt gewijzigd, werkt het getrainde model niet meer perfect
Het AI werd getraind in een speciaal opgezette studio, het Baum Haus. Dit is de thuisbasis van de geautomatiseerde Baumkuchen-bakkerij met AI-ovens, transportbanden en robots. Verder zijn in heel Japan verschillende autonome ovens met AI-functionaliteit en Theo in gebruik, zelfs als mobiele Baumkuchen-bakkerijen. Juchheim breidt momenteel zijn activiteiten uit. Het bedrijf ontwikkelt een model voor het bakken van deeg op basis van chocolade en een systeem met compacte verticale gelede robotarmen.
Foto: Beckhoff