Хващачи за приложения в ХВП

• Хващачите са контактната точка между храните и средствата за автоматизация
  
  
• Те са сред компонентите, които най-отчетливо могат да повлияят ефективността на процесите в производството на хранителни изделия
  
  
• Освен с особеностите на продуктите тези приспособления следва да са стриктно съобразени и със строгите норми за хигиена, качество и безопасност в сектора

С налагането на автоматизацията като централна стратегия за производителност и конкурентоспособност в модерната хранително-вкусова промишленост роботизирането на ключови задачи изисква все по-прецизно синхронизирана комбинация от системен дизайн, манипулатор и захващащо приспособление. Когато са подходящо селектирани по технология, материал, дизайн и параметри, хващачите са сред компонентите, които най-отчетливо могат да повлияят ефективността на процесите в производството на хранителни изделия. Те функционират като крайни изпълнителни устройства с различно задвижване и действие, фиксирани към китката на робота, които освен с особеностите на продуктите следва да са стриктно съобразени и със строгите норми за хигиена и качество в бранша.

Същност и особености

Хващачите за роботи в ХВП са контактната точка между храните и средствата за автоматизация. Тези системи са предназначени да влизат или в пряк допир със суровините и продуктите по време на обработка и пакетиране, или с индивидуалните и групови опаковки в следващите етапи на технологичните линии. Сред най-критичните изисквания към решенията в сегмента е усъвършенстваният санитарен дизайн, който гарантира безкомпромисна безопасност на продукцията. На голямото разнообразие от биосуровини със специфични физични и химични свойства съвременният пазар отговаря с огромен асортимент от варианти за захващане, които покриват потребностите на различни типови или нестандартни приложения. Наред с изискванията за бързодействие и надеждност, сигурен захват и прецизност, в голяма част от случаите тези системи следва да позволяват и деликатно боравене с меки, крехки и ронливи изделия, както и надеждна работа при екстремни температури и контакт с масла.

Благодарение на напредъка в материалознанието, задвижването, интелигентното управление, сензориката и свързаността съвременните хващачи се превръщат в неизменен елемент от Industry 4.0 сценариите, който обезпечава сигурното и дигитално проследимо манипулиране с разнообразни хранителни продукти.

Категоризация

Според типа задвижване основните категории захващащи устройства за роботи в ХВП биват електрически (електромеханични), пневматични и вакуумни. Най-популярни в производството на храни са пневматичните хващачи, при които челюстите се задвижват чрез сгъстен въздух. Те се поддържат лесно и се отличават с бърза реакция, голяма сила на захващане и висока надеждност. Подходящи са за прости (например pick-and-place), но и за високоскоростни операции, като се използват основно за манипулиране с вторични опаковки, пакети и торби със сухи продукти.

Електрическите хващачи се задвижват от електромотор, най-често стъпков или със сервоуправление, като са оптимални за меки, деликатни и скъпи продукти, например луксозни шоколадови бонбони. Предимства са прецизният контрол на силата и хода, както и високата гъвкавост при работа с различни продукти в един и същи поток. Тези устройства обаче традиционно са по-скъпи и трудни за поддръжка във влажни среди, каквито често се срещат в ХВП.

Сред предпочитаните в редица сценарии решения са вакуумните приспособления, снабдени с вендузи, които прилепват към повърхността при отрицателно налягане. Те се предлагат в голям асортимент от разновидности по отношение на дизайна, броя, разположението, големината и материала на чашките. Вакуумните системи често се комбинират с пневматични генератори и се използват предимно в пакетирането и палетизирането – за опаковки, торби и кашони, пликове, буркани, тарелки с фолио, плоски продукти и т. н.

Хидравличните хващачи са рядкост в бранша, тъй като трудно покриват хигиенните изисквания, например поради риска от теч на хидравличен флуид. Използват се основно в тежки приложения, изискващи голяма сила и товароносимост, като преместване на метални каси и контейнери, но без пряк контакт с храни. Ограничени са приложенията и на магнитните хващачи, които се срещат единствено при работа с метални обекти като капачки, кенове или консерви.

Според конструкцията, дизайна и хода на подвижните елементи хващачите биват паралелни, ъглови и радиални. В определени приложения се залага и на иглени приспособления. Често срещани са дву- и тричелюстните варианти, като освен от метал челюстите могат да бъдат изработени и от други материали като пластмаса или полиамид. При по-чувствителни изделия върху металните елементи се поставят полиуретанови, гумени или силиконови покрития. Иновативен сегмент е този на меките хващачи, които използват гъвкави материали и пневматични или еластомерни структури, за да се адаптират към формата на продукта и да осигурят щадящ захват с минимален риск да го повредят.

Специфики в дизайна и материалите

Ключово изискване при проектирането и производството на хващачи за роботи в ХВП е хигиенният дизайн, особено в приложения, включващи директен контакт с храни.

Той трябва да минимизира риска от задържане и натрупване на остатъци, замърсители, влага, прах и химични вещества, като същевременно предотвратява микробиологичното замърсяване с патогенни микроорганизми. За целта се залага на максимално гладки повърхности, обли профили и минимален брой открити отвори (например за монтажни елементи), джобове, канали, остри ръбове, вдлъбнатини или изпъкналости. Критично за хващачите в санитарно изпълнение е да позволяват цялостно и безопасно почистване и дезинфекциране, както и да са устойчиви на агресивни химични агенти и интензивни хигиенни процедури.

Друго съществено изискване към захващащите приспособления в хранително-вкусовия сектор е да могат да работят с необходимата за приложението сила и скорост, без да оставят физически следи по продуктите и без да ги смачкват, драскат или повреждат по друг начин.

Материалите и консумативите, използвани в производството и поддръжката на хващачи за роботи в ХВП, се регулират от строги стандарти, разработвани и въвеждани от ключови органи като EHEDG или FDA. Гресите и смазките, често срещани например при механичните устройства, следва да са от специален клас, одобрен за използване в контакт с хранителни продукти. Отделните секции, кухините, функционалните линии и интерфейсните зони трябва да са прецизно уплътнени, за да не се допуска изтичане на технологични флуиди и замърсяване на храните или работните повърхности.

Популярен материал за изработката на структурни елементи е неръждаемата стомана (например 316L), тъй като е високоустойчива на корозия. В по-големи многозахватни системи често се използва анодизиран алуминий с цел намаляване на теглото. Гъвкавите компоненти, като меки челюсти, смукателни вендузи и уплътнения, типично се произвеждат от вулканизиран с платинен катализатор силикон или хигиенен клас полиуретан. Контактните повърхности трябва да бъдат непорьозни, неабсорбиращи и химически неактивни.

В сегмента широко се използва специфична цветова схема за улеснено визуално идентифициране на стандартните и хигиенните версии на хващачите и компонентите, като тези в санитарно изпълнение обикновено са в ярко синьо. Някои от материалите целенасочено съдържат метални частици, за да е по-лесно откриването им посредством рентгенова инспекция при отчупване или откъсване на сегменти.

Селектиране и иновации

Четири са основните групи приложения на специализираните хващачи за храни в сектора – бране и сортиране на селскостопанска продукция (пресни плодове и зеленчуци), първично манипулиране със суровини и продукти (сурово месо, морски дарове и др.), боравене с преработени изделия (включително хлебни, сладкарски и т. н.) и пакетиране/обработка на опаковки. Докато в първите три направления се залага предимно на деликатен захват и специализирани приспособления според типа на продукта и уникалните му свойства, то в последното приоритети са високата скорост, издръжливост и товароносимост. Изборът на оптимално решение за захващане в конкретно приложение зависи от няколко ключови фактора, включително кинематиката и изискванията относно полезния товар, силата на захващане и задържане, бързодействието, устойчивостта на агресивни условия (включително степента на IP защита), съвместимостта на материалите и покритията. Важно е да се отчетат и спецификите на продуктите – форма/геометрия, размери, текстура, крехкост, чупливост и др. Влажните, лепкави, хлъзгави и порьозни повърхности, както и тези, покрити с прахообразни вещества (например пудра захар), обикновено затрудняват вакуумните и механичните устройства. В такива сценарии по-ефективно е използването на меки челюстни приспособления.

Сегментът на меките хващачи и еластомерните изпълнителни механизми с променящи се форма и размери е сред най-динамично развиващите се в съвременната хранително-вкусова промишленост. Разработват се и специализирани (HDHF) версии на вакуумните системи, които вместо на херметично уплътнение разчитат на висок дебит на въздуха и аеродинамични ефекти. Иновации при електромеханичните и пневматичните устройства се наблюдават например при сервоуправлението и обратната връзка по отношение на силата, която се осъществява посредством сензори и IO-Link свързаност. Новост са и системите за автоматична смяна на хващача, които позволяват използването на големи набори от захващащи приспособления в рамките на един и същи работен цикъл. Сред най-авангардните технологии в областта са още: платформите за 3D машинно зрение и изкуствен интелект, тактилните сензори, адхезивните повърхности, криогенните системи (които временно замразяват микроскопичните капчици влага, за да подобрят захвата), както и т. нар. биомиметични решения, вдъхновени от законите на природата.