Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор современного разделочно-филетировочного оборудования 18
Выводы 31
2 Моделирование процесса резания рыбного сырья дисковым ножом 33
2.1 Обзор основных исследований по теории резания 33
2.2 Математическая модель процесса резания рыбного филе дисковым ножом 41
Выводы 52
3 Применение средств очувствления при автоматизации разделочно-филетировочного оборудования на основе мехатроники 53
3.1 Системы технического зрения для разделочно-филетировочного оборудования 57
3.2 Применение лазерного триангуляционного сканера для измерения параметра тела рыбы 62
3.3 Подход к построению устройства для резки рыбного филе на основе технического зрения 66
Выводы 76
4 Разработка мехатронной системы управления разделочно-филетировочным оборудованием 77
4.1 Описание устройства для филетирования рыбы 77
4.2 Исполнительная часть системы управления устройством для филетирования рыбы 79
4.3 Математическое описание электрогидравлического шагового позиционера 85
4.4 Исследование системы управления автоматической настройкой рабочих органов филетирующего оборудования 88
4.5 Адаптация технологического процесса филетирования рыбы к свойствам сырья на основе нечеткой логики 103
4.6 Адаптация технологического процесса филетирования рыбы к свойствам сырья на основе статистического анализатора и автомата с линейной тактикой 127
4.7 Обоснование выбора шагового двигателя для исполнительной части системы управления филетирующим оборудованием 145
4.8 Лабораторная установка для исследования динамических характеристик шаговых двигателей 152
4.9 Повышение надежности филетирующего оборудования 159
Выводы 166
5 Алгоритмизация управления разделочно-филетиро-вочным оборудованием 167
5.1 Параметры технологических этапов производства рыбного филе 167
5.2 Разработка алгоритма управления процессом филетирования рыбы... 181
5.3 Моделирование мехатронного технологического оборудования для решения задач организационно-технологического управления производством 193
Выводы 202
Заключение 203
Литература 210
Приложение 1 229
Приложение 2
- Обзор современного разделочно-филетировочного оборудования
- Обзор основных исследований по теории резания
- Системы технического зрения для разделочно-филетировочного оборудования
- Описание устройства для филетирования рыбы
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время происходит структурная перестройка рыбообрабатывающего комплекса Российской Федерации. В результате этого, значительно выросла доля предприятий малого и среднего бизнеса. В связи с ростом цен на энергоносители существенно возрос спрос и наметился переход на ресурсосберегающие технологии и оборудование. Для этих предприятий имеют значение обеспечение качества готовой продукции, минимальное энергопотребление, малые габариты и металлоемкость машин, а также простота в обслуживании и способность к перенастройке на различные виды сырья и режимы работы.
В свою очередь, на крупных рыбообрабатывающих предприятиях разделывание и филетирование рыбы в современных условиях должно осуществляться с помощью автоматизированных рыборазделочных систем, имеющих высокую производительность. Машинное разделывание и филетирование рыбы на этих предприятиях является, по-прежнему, основным видом первичной обработки рыбы при производстве филе, консервов и кулинарных изделий.
Одновременно следует учитывать, что на большинстве предприятий наиболее целесообразным является глубокое разделывание рыбы на филе. Во-первых, отходы становятся дополнительным сырьем для рыбомучного производства. Во-вторых, на всех этапах холодильной цепи получается значительная экономия как энергозатрат, так и холодильных емкостей при замораживании филе. В-третьих, потребителю доставляется готовый продукт высокой пищевой ценности.
Обследование калининградских рыбообрабатывающих предприятий показывает, что современное разделочно-филетировочное производство характеризуется низким уровнем автоматизации. Существующие системы управления филетирующими машинами не обеспечивают выполнение технологических операций с требуемой точностью. Это обуславливается
непредсказуемым дрейфом параметров сырья, влияющим на точность разделывания и филетирования.
Кроме того, в отрасли растут требования к уровню эксплуатационной безопасности оборудования, поэтому многое рыбообрабатывающее оборудование в настоящее время уже не соответствует современным требованиям по экологической безопасности и ресурсосбережению.
Совершенствование технологического оборудования и управления технологическим процессом филетирования являются возможными направлениями решения сырьевой и энергетической проблем и проблемы стабилизации качества филе.
Вследствие этого, требуется разработать научное обоснование для мехатронного филетирующего оборудования на основе ресурсосберегающих технологий, в котором нуждаются предприятия отрасли. Необходима универсальная техника, созданная по принципу модульно-блочного агрегатирования с применением средств мехатроники. Это дает возможность выпускать различные виды продукции при минимальной переналадке. Использование данного оборудования позволяет существенно снизить потребность в производственных площадях. В то же время такое отечественное филетирующее оборудование лишь начинает разрабатываться или находится в стадии становления. При этом основной проблемой реализации ресурсосберегающего режима работы является точная настройка рабочих органов оборудования на линии реза.
При решении этих задач важное место занимает математическое моделирование процесса резания рыбы дисковыми ножами. Актуальной задачей является разработка научно обоснованной методики для определения усилий резания рыбного сырья. Теоретические основы процесса резания пищевых продуктов отражены в работах В.В. Дорменко, В.И. Карпова, С.Г. Гуревича, Н.И. Жилина, А.А. Романова, М.А. Якубова, В.М. Боркунова, А. Довгялло, А.Н. Даурского, Ю.А. Мачихина, А.И. Пелеева, В.Г. Проселкова и других исследователей.
Решение вышеуказанных проблем наиболее эффективно при комплексном подходе к разработке филетирующего оборудования. Это предполагает, наряду с исследованием вопросов моделирования процесса резания рыбы дисковыми ножами, проработку структуры мехатронной системы управления технологическим процессом изготовления рыбного филе. Оптимизация управления при этом достигается за счет совершенствования алгоритмов управления режущими инструментами и прочими узлами оборудования.
Одним из наиболее перспективных методов повышения точности обработки рыбы является параметрическая адаптация цикла разделывания к свойствам сырья, обеспечивающая существенное повышение точности настройки рабочих органов технологического оборудования при заданной производительности. Для работы филетирующей машины, способной осуществлять малоотходное разделывание и филетирование, это предполагает наличие системы управления с элементами сбора данных (очувствления) и мехатронными позиционирующими модулями (электрогидравлическими и электромеханическими).
Цель работы заключается в совершенствовании процесса резания рыбы дисковыми ножами, а также управления процессом филетирования в условиях нестабильности свойств сырья. Цель достигается разработкой математической модели процесса резания рыбы дисковыми ножами, а также разработкой обоснования для мехатронной системы управления процессом филетирования рыбы, обеспечивающей ресурсосберегающий режим работы.
Рамки исследования. Объектом исследования в данной работе является сложная техническая система, включающая в себя следующие общие элементы: объект обработки, технологический процесс резания рыбы, операционную и управляющую части филетирующего оборудования. Предметом исследования является мехатронная система ресурсосберегающего автоматического управления, включающая режущие инструменты, исполнительный позиционирующий привод, информационно-управляющую часть.
Полученные в работе результаты могут быть использованы на начальных стадиях разработки мехатронного филетирующего оборудования, а именно при проработке технического предложения, а также на стадии эскизного проекта для уточнения параметров операционной и управляющей частей технологического оборудования.
Задачи исследования. Для достижения цели исследования в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
анализ существующего технологического оборудования для филетирования рыбы, тенденций его развития;
разработка математической модели процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами;
выбор технических средств сбора данных (очувствления) и мехатронных средств для позиционирования рабочих органов в рамках системы ресурсосберегающего управления процессом филетирования;
разработка математического описания следящего шагового привода для настройки рабочих органов филетирующего оборудования;
выбор метода управления филетирующим оборудованием, позволяющего стабилизировать качество филе в условиях меняющихся параметров сырья;
выбор параметров управления по этапам технологического процесса производства рыбного филе;
разработка схемы мехатронного устройства, обеспечивающего малоотходное филетирование рыбы;
разработка функциональной структуры мехатронной системы управления с возможностью адаптации режимных параметров к свойствам сырья;
синтез алгоритма управления мехатронным устройством для филетирования;
- разработка математической модели технологического оборудования
для обеспечения организационно-технологического управления
рыборазделочным производством.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа, теории автоматического управления, функциональных графов, теории автоматов, математического моделирования, эквивалентных преобразований, аналитический подход к исследованию технологических процессов, экспериментальные исследования макета оборудования.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
разработана математическая модель процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами;
разработано математическое описание структуры следящего привода для позиционирования рабочих органов филетирующего оборудования;
выбраны параметры управления для обеспечения ресурсосберегающего режима работы филетирующего оборудования;
предложена схема мехатронного устройства для филетирования рыбы, обеспечивающего улучшения качества филе;
предложена структура мехатронной системы управления с адаптацией режимных параметров к свойствам сырья;
предложен подход к моделированию алгоритма адаптации процесса филетирования к свойствам сырья;
предложен алгоритм управления процессом филетирования, обеспечивающий минимизацию затрат сырьевых ресурсов;
предложена модель технологического оборудования для решения задачи организационно-технологического управления рыборазделочным производством.
Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования завершены созданием на их основе математического и алгоритмического обеспечения для задачи построения системы управления
процессом филетирования рыбы на основе мехатроники. Разработаны технические предложения по модернизации систем управления разделочно-филетировочным оборудованием, защищенные двумя патентами РФ на изобретение, патентом РФ на полезную модель и двумя положительными решениями о выдаче патента РФ на изобретение. Предложенные решения позволяют повысить качество разделывания и филетирования рыбы за счет более точной настройки рабочих органов оборудования при помощи средств мехатроники.
Полезная модель на систему управления универсальной рыборазделочной машиной (патент РФ на полезную модель № 60312) создает предпосылки для разработки конструкции и программного обеспечения системы управления технологическим оборудованием, способствующей повышению качества процесса разделывания и филетирования рыбы, а также сокращению сырьевых затрат на единицу продукции.
Предложенная конструкция мехатронного устройства для обезглавливания рыбы (патент РФ на изобретение № 2320177), включающего подсистему технического зрения, позволяет минимизировать затраты сырьевых ресурсов при производстве обезглавленной рыбы в условиях меняющихся параметров тела рыбы.
Предложенная конструкция мехатронного устройства для филетирования рыбы (патент РФ на изобретение № 2320178), также включающего подсистему технического зрения, позволяет повысить качество готового филе, создать практическую основу для производства бескостного филе, увеличить экономичность технологического процесса и производительность филетирующего оборудования.
На защиту выносятся;
математическая модель процесса резания рыбного сырья дисковыми ножами, адаптированная к расчету на ПЭВМ;
- система параметров управления для обеспечения
ресурсосберегающего режима работы филетирующего оборудования;
схема технологического устройства для филетирования рыбы на основе средств мехатроники, обеспечивающего стабилизацию качества филе;
структура системы автоматического управления устройством для филетирования с адаптацией режимных параметров к свойствам сырья;
результаты моделирования алгоритма адаптации процесса филетирования к свойствам сырья;
алгоритм управления процессом филетирования, обеспечивающий минимизацию затрат сырьевых ресурсов;
- топологическая модель технологического оборудования для решения
задачи организационно-технологического управления производством рыбного
филе.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на следующих конференциях:
международной научной конференции, посвященной 70-летию основания КГТУ (Калининград, 2000);
международной научной конференции "Инновации в науке и образовании - 2003" (Калининград, 2003);
международной научной конференции "Инновации в науке и образовании - 2004" (Калининград, 2004);
V международной научно-практической конференции "Наука и образование - 2007" (Днепропетровск, 2007);
международной научной конференции "Инновации в науке и образовании - 2007" (Калининград, 2007);
- XX международной научной конференции "Математические методы в
технике и технологиях ММТТ - 20" (Ярославль, 2007);
- международной научной конференции "Образование, наука и
инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного
региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития - 2007"
(Калининград, 2007);
- VI международной научно-практической конференции "Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество" (Калининград, 2007).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при проведении НИР по теме "Разработка первой очереди системы автоматизированного проектирования рыборазделочного оборудования", выполненной ОАО НПО "Рыбтехцентр", что подтверждено соответствующей справкой.
Предложенные в диссертационной работе результаты приняты к внедрению в проектно-конструкторский отдел ОАО НПО "Рыбтехцентр" в качестве научного обеспечения при разработке перспективного разделочно-филетировочного оборудования, что подтверждено соответствующим актом.
Результаты диссертационной работы использованы при ^подготовке учебного пособия, предназначенного для учебного процесса вузов по группе специальностей 260600.65 - "Пищевая инженерия". Пособие внедрено в учебный процесс ФГОУ ВПО "Калининградский государственный технический университет", что подтверждено соответствующим актом.
С использованием результатов диссертационной работыь разработан программно-аппаратный комплекс для исследования динамических характеристик цифрового электропривода, моделей и алгоритмов управления рабочими органами разделочно-филетировочного оборудования. Комплекс внедрен в учебный процесс АНО "Институт "Калининградская высшая школа управления", что подтверждено соответствующим актом.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 печатные работы, в том числе одно учебное пособие, два патента РФ на изобретение, один патент РФ на полезную модель, два положительных решения о выдаче патента РФ на изобретение, одна статья в издании, рекомендованном ВАК.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 280 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками, 14 таблицами и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 210
наименований и приложений на 52 страницах. Основное содержание диссертационной работы без учета иллюстраций, таблиц, библиографических списков и приложений составляет 143 страницы.
Содержание работы
Во введении охарактеризовано современное состояние производства рыбного филе, обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Сформулированы цель и задачи диссертации, кратко изложено ее содержание.
В первой главе систематизированы литературные данные о современном филетирующем оборудовании. Проведен обзор известных конструкций филетирующих машин, выпускаемых в России и за рубежом, рассмотрены их эксплуатационные достоинства и недостатки. На основе обзора научно-технической и патентной литературы приведена общая классификация филетирующего оборудования, а также предложена классификация систем управления филетирующими машинами. Показана перспективность применения средств мехатроники для модернизации существующих машин и разработки нового филетирующего оборудования. Сравнительный анализ конструкций машин позволил сделать вывод, что наиболее эффективным подходом для повышения качества рыбного филе и ресурсосбережения является применение микропроцессорных следящих и регулирующих мехатронных систем, включающих программное обеспечение, технические средства сбора данных и быстродействующий шаговый привод.
На основании вышеизложенного сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные с математическим моделированием процесса резания рыбного филе дисковым ножом. Приведен обзор основных исследований по теории резания рыбного сырья. Для исследования процесса резания рыбного филе при проектировании рабочих
органов ресурсосберегающего филетирующего оборудования разработана математическая модель, адаптированная к расчету на ПЭВМ.
Предложенная математическая модель процесса резания рыбного филе применима и при расчете резания дисковым ножом других однородных пищевых материалов - мясных полуфабрикатов, сыра, овощей и т.д. Для расчета процесса резания поликомпонентных пищевых продуктов в модель вносятся математические зависимости, описывающие формы различных частей материала в разрезаемом сечении. В полярных координатах определяется толщина каждой составляющей поликомпонентного продукта. При известных удельных усилиях резания составных частей рыбы - мяса, хребтовой и реберных костей, кожи и других, которые являются справочными величинами, аналогично рассчитывается общая сила резания поликомпонентного продукта.
В третьей главе рассмотрены перспективные пути :.; применения цифровых систем сбора данных в филетирующем оборудовании. Показана целесообразность использования систем технического зрения в филетирующем оборудовании для повышения точности настройки рабочих органов на линии резания за счет программного распознавания частей тела рыбы. Обосновано применение лазерного триангуляционного сканера для *" измерения геометрических параметров тела рыбы. Применение лазера с высокой интенсивностью луча позволяет уверенно измерять высоту тушки в условиях водяного тумана и загрязнения рабочей зоны. Наличие пневматического сопла для очистки линзы лазерного сканера обеспечивает надежную работу излучающей и фотоприемной частей сканера и защиту от загрязнения рыбной чешуей, слизью и частицами кожного покрова.
Кроме того, лазерный сканер позволяет измерять другой параметр тела рыбы (длину и толщину) в зависимости от ориентации рыбы при изменении технологической схемы движения тушек.
Разработана схема мехатронного устройства для резки рыбного филе на основе технического зрения, защищенная положительным решением о выдаче патента РФ на изобретение. Предлагаемый подход к построению машины для
резки рыбного филе решает задачу экономии мяса филе и улучшения качества филе за счет определения оптимальной траектории движения режущих инструментов с учетом формы, размеров и веса кусочков, а также выявления и вырезания дефектных участков. В устройстве предусмотрено сканирование филейчика, что позволяет получить его изображение в цифровом виде для последующей обработки. Распознавание контуров филейчика по его изображению позволяет выявить форму и размеры каждого экземпляра. Кровяные пятна и жировые включения обладают повышенной контрастностью по отношению к окружающему их мясу филе и замкнутостью собственного контура. Эти признаки позволяют выявить наличие таких дефектов при помощи цифровых алгоритмов обработки. Информация о форме и размерах филе позволяет рассчитать оптимальные координаты линий реза и координаты траектории движения режущего инструмента при условии рационального использования мяса.
В четвертой главе рассмотрены теоретические вопросы построения мехатронной системы управления филетирующим оборудованием.
Предложена схема устройства для филетирования рыбы (патент РФ на изобретение № 2320178), включающего подсистему технического зрения и шаговый электропривод, которое позволяет повысить качество готового филе, создать основу для производства бескостного филе, увеличить экономичность технологического процесса и производительность филетирующего оборудования. Рассмотрен подход к построению исполнительной части системы управления устройством для филетирования рыбы на основе шагового позиционера, приводится его математическое описание.
Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование системы управления автоматической настройкой рабочих органов филетирующего оборудования. Предложен подход к построению системы автоматического управления рабочими органами мехатронного филетирующего оборудования на основе цифрового следящего привода (ЦСП). Приводится обобщенная структурная схема системы управления ЦСП с интерполяцией входного
воздействия на базе электромеханического шагового позиционера. Предложена приближенная графоаналитическая модель цифрового следящего привода с ПД-регулятором, рассчитаны импульсные переходные характеристики модели с различными коэффициентами настройки ПД-регулятора (2 варианта).
Рассмотрен подход к определению параметров шагового привода для
системы автоматического управления рабочими органами мехатронного
филетирующего оборудования. Приводятся расчетные методики для
определения параметров шариковинтовой и реечной передач, применение
которых является целесообразным в приводе рабочих органов филетирующего
оборудования. Разработана структура лабораторной установки,
предназначенной для исследования динамических характеристик шаговых
двигателей. Приведена схема управления шаговым двигателем с
использованием программируемого логического контроллера,
микроконтроллера и мостового драйвера.
Приведены экспериментальные исследования лабораторного макета рыборазделочной машины и механической части системы автоматической настройки рабочих органов на базе шагового привода. При испытаниях определялась точность осуществляемого системой автоматического управления угла поворота вала шагового двигателя и сдвига лотков конвейера с рыбой в зависимости от толщины рыбы, обмеряемой оптическим устройством сбора информации. При определении точности угла поворота шагового двигателя в лотки конвейера укладывались тушки рыбы, а также пластинки - имитаторы рыб. Угол поворота вала отсчитывался по шкале в делениях, соответствующих количеству шагов шагового двигателя (1 шаг = 1,5). Скорость движения лотков составляла 60 рыб/мин.
Предложена структура двухуровневой адаптивной системы управления устройством для филетирования рыбы. Предложено использовать дискретный рекуррентный адаптивный алгоритм управления позиционированием рабочего органа по программе, корректируемой в процессе филетирования по количеству обнаруженных остаточных костей в готовом филе.
Наряду с этим, предложен подход к построению модели алгоритма адаптации процесса филетирования рыбы к свойствам сырья, включающей последовательный статистический анализатор (по критерию Вальда) и автомат с линейной тактикой. Алгоритм адаптации при этом формально реализует последовательностную машину.
Предложена процедурная последовательность для исследования на ПЭВМ модели алгоритма адаптации процесса филетирования. Разработана программа для моделирования на ПЭВМ алгоритма адаптации методом Монте-Карло, выполнен расчет контрольного примера для 150 статистических испытаний. Модель алгоритма адаптации и ее программная реализация на ПЭВМ создают практическую основу для разработки программного обеспечения системы автоматического управления филетирующим оборудованием. В модели алгоритма адаптации предусмотрено изменение параметров последовательного статистического анализа, параметров и типа автомата, что позволяет провести моделирование с целью оптимизации адаптивного управления процессом филетирования рыбы.
Пятая глава посвящена алгоритмизации управления технологическим процессом филетирования рыбы. Приведено описание этапов производства рыбного филе. Предложена система параметров процесса филетирования, включающая перечень рабочих органов, неизмеряемых возмущающих параметров, измеряемых возмущающих параметров, управляющих параметров и параметров качества по этапам технологического процесса.
Предложено описывать операционную и управляющую части филетирующего оборудования в виде соответствующих конечных автоматов. Способ управления устройством для филетирования, в состав которого, кроме шаговых исполнительных двигателей, входит еще ряд активных устройств, основан на получении математической модели системы управления как логической сети, являющейся конечным автоматом. Такой подход позволяет не только анализировать работу устройства для филетирования, но и в дальнейшем проектировать программное обеспечение для реализации системы
управления. Задачу обеспечения согласованного управления узлами устройства для филетирования можно решать, описав каждый узел как конечный автомат, построив для управления им соответствующий регулятор, который также является конечным автоматом. Таким образом, логическая структура системы управления филетирующим устройством является сетью конечных автоматов, объединенных общими входами и выходами.
Для обеспечения согласованного управления совокупностью узлов филетирующего устройства вводится еще ряд вышестоящих конечных автоматов (мониторов), которые связаны с некоторым выбранным подмножеством регуляторов. Такая иерархическая структура управления может быть надстроена вверх мониторами настолько, насколько это необходимо для управления филетирующим устройством, модульной рыборазделочной линией,
гпс.
Для разработки примера математического описания работы устройства для филетирования в виде графа операций выбрана совокупность компонентов технологического процесса, изменяющих свое состояние в результате управляющих воздействий или технологических условий. Приведены параметры состояния объекта обработки и узлов филетирующего ^устройства. Разработаны граф операций, конечный автомат и укрупненный алгоритм управления мехатронным филетирующим устройством.
Разработана обобщенная топологическая модель мехатронного оборудования, что создает теоретическую основу для реализации скоординированного режима работы различного филетирующего оборудования в составе рыборазделочного производства. Это позволит сократить потери времени, возникающие при производстве рыбного филе, предотвратить простои оборудования, связанные с переполнением промежуточных накопителей, снизить общее потребление электроэнергии и воды. В целом, эти мероприятия повышают экономическую эффективность и конкурентоспособность рыборазделочного производства.
Обзор современного разделочно-филетировочного оборудования
Машины для разделывания и филетирования рыбы в отрасли разделены на сложные многооперационные машины, предназначенные для обработки нескольких видов рыб, и однооперационные машины, более универсальные и простые по конструкции.
По роду действия машины для разделывания и филетирования рыбы разделены на машины периодического действия, непрерывно-циклического и непрерывно-поточного.
Применительно к поточным линиям существуют однопоточные и многопоточные разделочно-филетировочные машины. По принципу сочетания в производственном потоке различают отдельные машины и агрегатные. Агрегатные машины - это две и более машины, объединенные для выполнения нескольких технологических операций или технологического процесса в определенной последовательности.
По характеру движения сырья относительно рабочих органов машины для разделывания и филетирования рыбы разделены на три основные группы.
В машинах первой группы перемещение сырья осуществляется при помощи ремней различных конструкций: клиновыми с зубчатыми планками, резиновыми лентами с рифлениями различных типов, цепными конвейерами с иглами.
В машинах второй группы рыба перемещается за хвостовой плавник с помощью захватов по направляющим различных типов.
В машинах третьей группы перемещающим органом служит каретка, прикрепленная к конвейеру. Рыба насаживается на каретку вскрытой брюшной полостью, перемещается хвостом вперед, причем носок захвата упирается в конец брюшной полости.
По типу настройки рабочих органов машины для разделывания и филетирования разделены на машины без автоматической настройки рабочих органов и машины с автоматической настройкой на размер обрабатываемой рыбы.
Основными рабочими органами разделочно-филетировочных машин являются дисковые ножи. В результате резания дисковым ножом получается плоский рез, а кости, которые необходимо вырезать, имеют сложную форму. Поэтому кости, особенно реберные, выпрямляют на опорных плоскостях с помощью прижимов, пружинящих планок, заслонок и других оказывающих давление деталей.
По виду обрабатываемых рыб машины для разделывания и филетирования разделены на пять основных групп: машины для тресковых пород, для морского окуня и окуневых, для сельди и сельдевых, для плоских рыб, для разделывания на клипфиск. По типу системы автоматического управления (САУ) машины для разделывания и филетирования разделены на следующие три группы: 1. Машины с механическими позиционно-цикловыми . САУ (1-е поколение). 2. Машины с электромеханическими позиционно-аналоговыми САУ (2-е поколение). 3. Машины с электронными системами числового программного управления (3-е поколение).
В машинах с автоматической настройкой могут настраиваться один или несколько механизмов. В системах автоматической настройки используются прямой и косвенный методы измерения параметров тела рыбы. Традиционно измерение длины, высоты и толщины рыбы выполнялось косвенным методом. Однако в настоящее время, благодаря внедрению систем технического зрения и сканирующих устройств, создана техническая основа для широкого применения в разделочно-филетировочных машинах прямого метода для измерения параметров рыбы.
В машинах устаревших типов с автоматически настраивающимися рабочими органами применены механические системы настройки, в которых подача команд и их выполнение осуществляется при помощи рычагов, кулачков, зубчатых механизмов и копиров. Опыт эксплуатации таких систем показал их невысокую надежность и низкую долговечность. Сложная кинематика разделочно-филетировочных машин с механическими системами настройки, насыщенность механизмами, необходимость подрегулировки квалифицированным персоналом не позволяет считать данное направление перспективным для будущих разработок. Основным перспективным направлением в настоящее время является разработка филетирующих машин с электронными системами автоматической настройки рабочих органов, построенных на базе бесконтактных фотоэлектронных измерительных устройств и шаговых двигателей для перемещения режущих инструментов на линии резания.
Основными производителями машин для филетирования рыбы являются фирмы Baader (Германия), Norden (Швеция), Агепсо (Швеция), Fillestar (Япония), VMK (Швеция), Marel (Исландия), ОАО НПО "Рыбтехцентр" (Россия) и др. Кроме того, в эксплуатации находится определенное количество машин производства Инженерного бюро по рационализации в рыбной промышленности (Штральзунд, бывшая ГДР) и комбината в г. Росток (ФРГ). Наиболее полно проектная эволюция филетирующих машин отражена в оборудовании ведущего производителя - фирмы Baader. Необходимо отметить, что производители машин отдают предпочтение разработке агрегатированных машин, выполняющих как операции разделывания, так и филетирования. Таким образом, подавляющее большинство современных филетирующих машин являются одновременно машинами для разделывания рыбы, причем эта тенденция усиливается.
С целью повышения производительности при одновременном сокращении обслуживающего персонала отдельные филетирующие машины в настоящее время комплектуются автоматическими загрузочными устройствами. Для обеспечения экономичного филетирования с требуемым качеством филе машины оснащаются системами управления с механизмами для обмера рыбы. При этом создание машин с механическими системами настройки рабочих органов на экономичный рез (например, машины Baader 99, Baader 181, Baader 38, Baader 150, Baader 188), в которых подача команд и их исполнение осуществляется с помощью обмеряющих рычагов, кулачковых, рычажных и зубчатых механизмов, привело к значительному усложнению конструкций машин, увеличению их габаритных размеров, снижению их надежности. Так, в машине Baader 35 применен механизм обмера головы рыбы шнеком через систему рычагов; при опускании на рыбу щупа обмеряется также рыба с поврежденной головой. При обрезании теши осуществляется обмер рыбы по высоте.
Обзор основных исследований по теории резания
Вопросами теории резания рыбного сырья занимались В.В. Дорменко, В.И. Карпов, С.Г. Гуревич, Н.И. Жилин, А.А. Романов, М.А. Якубов, В.М. Боркунов, А. Довгялло. Наряду с этим, вопросами резания пищевых продуктов занимались А.Н. Даурский, Ю.А. Мачихин, А.И. Пелеев, В.Г. Проселков и ряд других исследователей.
Системный подход в исследованиях по теории резания рыбы применен В.В. Дорменко в работе [58]. Им предложены расчетные методики для определения сил полезного сопротивления при резании рыбы пластинчатым ножом с клиновидной режущей кромкой и вращающимся дисковым ножом. В данных методиках принят ряд следующих допущений [58]: - тело рыбы во время резания упруго и однородно; - геометрические размеры разрезанных кусков постоянны; - тело рыбы во много раз податливее материала ножа; - во время резания деформируется только ткань рыбы; - материал ножа условно считается абсолютно жестким.
С учетом вышеизложенных допущений в случае движущегося ножа и неподвижной рыбы максимальное значение силы полезного сопротивления резанию пластинчатым ножом рМАХ определяется следующим выражением [58]: где Ъ - толщина пластинчатого ножа; а- размер материала в обоих направлениях деформации; Е - модуль упругости материала; ix - длина полотна ножа в направлении движения; /2- длина клиновидной режущей кромки в направлении движения ножа; а - угол заточки ножа; /л - коэффициент трения разрезаемого материала о нож.
Анализ выражения (2.1) позволил В.В. Дорменко сделать вывод, что сила лобового сопротивления при резании повышается с увеличением угла заострения клиновидной режущей кромки, а сила трения зависит только от коэффициента трения. Для снижения силы полезного сопротивления резанию, согласно [58], целесообразно уменьшить толщину ножа и угол заострения режущей кромки, а также увеличить размер материала в направлениях деформации.
Анализ выражений (2.2)-(2.4) позволил В.В. Дорменко сделать вывод, что наибольшая часть силы полезного сопротивления приходится на инструмент, к которому и должна подводиться энергия электропривода [58]. Недостатки расчетных методик, обусловленные принятием ряда допущений, существенно упрощающих модель резания, в [58] предлагается компенсировать за счет экспериментального уточнения значений удельного сопротивления резанию. Следует отметить, что это является трудной научно-практической задачей. Несмотря на приблизительный характер результатов, методики В.В. Дорменко использовались до начала 1960-х годов при динамических расчетах узлов разделочно-филетировочных машин. По мере роста требований к ресурсосбережению и точности работы оборудования, расчетные методики, предложенные в [58], потребовали существенного уточнения.
Исследование процесса резания дисковым ножом представлено А.А. Романовым в работах [151, 152]. Особенностью подхода А.А. Романова является разложение результирующей силы полезного сопротивления резанию на две взаимно перпендикулярные составляющие - окружную и нормальную. При этом установлено, что окружная и нормальная составляющие силы резания зависят от режима резания, а именно от отношения окружной скорости режущей кромки ножа к скорости подачи материала.
Анализ выражений (2.5) и (2.6) позволил А.А. Романову сделать вывод, что с увеличением Л удельное окружное усилие резания уменьшается, а удельное нормальное усилие возрастает. При этом положение материала относительно горизонтальной оси ножа (угол р) влияет на обе составляющие усилия резания. Данная модель не лишена внутреннего логического противоречия, поскольку при ср = 90 выражение (2.5) становится равным нулю, в то время как удельное окружное усилие никогда не исчезает.
Расчетная методика А.А. Романова обладает рядом существенных недостатков: - не учитывается влияние сил трения на составляющие усилия резания, что не соответствует реальным физическим процессам; - предполагается, что параметр лУД известен заранее, несмотря на то, что его предварительное экспериментальное определение является сложной научно-практической задачей; - считается, что параметр Л является величиной постоянной на время процесса резания, что не соответствует действительности. -- Более совершенная методика определения усилий резания предложена С.Г. Гуревичем в работах [49, 50]. Данная методика адаптирована к процессу резания рыбного сырья и основана на допущении, что основной вклад в усилие резания вносит сила, приложенная к режущей кромке ножа. При этом силы, приложенные к боковым граням дискового ножа, незначительны. Данное допущение справедливо, как правило, для ножей с антифрикционным тонкопленочным покрытием.
При разработке расчетной методики для определения усилий резания С.Г. Гуревичем приняты следующие допущения [50]: - разрезаемый материал по всей глубине имеет неизменные физико механические свойства; - макроскопическая и микроскопическая геометрия дискового ножа вдоль режущей кромки постоянна; - силы трения на боковой поверхности ножа незначительны и не учитываются; - не происходит сминания тканей рыбы при резании и, соответственно, уплотнения материала; - составляющие удельных усилий резания постоянны и характеризуют меру сопротивления материала резанию, зависящую от параметров ножа, режимов и способов резания.
Согласно работе [50] сила резания может быть разложена на две составляющие: касательную и нормальную. Тогда касательная составляющая FT И нормальная составляющая FN а. также момент М могут быть определены по следующим формулам: Fj = 2RPTsm p ; (2.7) FN = 2RPNsin p ; (2.8) М =2PTR2( P -sinp), (2.9) где R - радиус дискового ножа; рт- удельная касательная сила резания; pN-удельная нормальная сила резания; q - угол, определяющий положение элементарного ножа. Проекции силы резания F на оси координат Ох и Оу могут быть определены по следующим формулам [50]: FX = -2R (pTsin (PC PNCOS c)sin ; (2.10) Fy = 2R (PTCOS (pc + PNs m c)sinp , (2-11) где R - радиус дискового ножа; pr- удельная касательная сила резания; pN-удельная нормальная сила резания; ср - угол, определяющий положение элементарного ножа; срс- угол, определяющий положение элементарного ножа относительно горизонтальной оси Ох
Достоинством методики С.Г. Гуревича является то, что согласно ей сила резания изменяется в ходе процесса, так как меняется длина линии резания. Также методика позволяет рассчитывать удельные силы резания рт и pN по известным значениям функций FX И Fy Недостатком методики является отсутствие формализованного описания зависимостей удельных сил резания от режимов резания. Предположение о том, что силой трения на боковых гранях ножа можно пренебречь, существенно сокращает область применения методики С.Г. Гуревича. Наиболее близкие к действительности результаты формулы (2.7)-(2.11) дают в тех случаях, когда реальный вклад сил трения в силу резания не превышает 10-15 %. Это ограничивает универсальность методики совокупностью дисковых ножей, имеющих малые коэффициенты трения поверхности о материал.
Системы технического зрения для разделочно-филетировочного оборудования
Наряду с механизированными линиями для производства разделанной рыбы и филе, многие зарубежные фирмы в настоящее время активно переходят на использование автоматических конвейерных линий, построенных на базе видеосканирующих компьютерных систем. В наибольшей степени эта тенденция касается линий для филетирования рыбы, доработки и порционирования филе. В частности, рядом зарубежных производителей (Marel, Carnitech, Baader, Elrad и др.) разработано оборудование для обнаружения и удаления межмышечных костей из рыбного филе, доработки и порционирования филе с использованием сканирующих устройств и графических процессоров.
Отраслевой анализ показывает, такая рыбообрабатывающая техника позволяет сократить количество обслуживающего персонала до 50%, увеличить использование сырья на 6-8%, повысить качество готового филе при более экономном удалении мелких костей без потерь ценного мяса. Системы технического зрения в разделочных линиях наиболее целесообразно применять по следующим двум направлениям: - автоматическое определение размеров и формы движущихся по конвейеру тушек рыбы или филейчиков с помощью трехмерного лазерного сканирования или видеокамеры; - выявление количества и расположения остаточных костей в рыбном филе за счет двумерного сканирования с помощью видеокамеры и источника ультрафиолетовых лучей.
Системы технического зрения отличаются большой информативностью, сообщая системе управления разделочно-филетировочного оборудования информацию о свойствах объекта обработки и среды действия рабочих органов посредством преобразования, анализа и обработки видеоинформации с помощью ЭВМ. Приемниками и первичными преобразователями графической информации в системах технического зрения могут служить телекамеры на базе видикона и твердотельные преобразователи в виде приборов с зарядовой связью (ПЗС-видеокамеры). Кроме того, в разделочно-филетировочном оборудовании могут применяться ПЗС-линейки, фотоматричные преобразователи, диссекторы и т. д.
В ранних видах систем технического зрения применялись телевизионные камеры на базе вакуумных приборов, которые работали в полном телевизионном формате. В связи с тем, что такие телекамеры имеют малое быстродействие из-за последовательного способа передачи видеосигнала, возможности их применения в разделочно-филетировочном оборудовании существенно ограничены, поэтому приборы данного типа в настоящее время практически не используются.
Более высоким быстродействием обладают фотодиодные матрицы за счет параллельного способа считывания информации с элементов матрицы. Однако эти приборы также не получили распространения в связи с ограниченным числом элементов дискретизации.
Более широко используются ПЗС-видеокамеры, которые характеризуются малыми габаритами, высоким быстродействием, большим количеством элементов дискретизации. Данные приборы не лишены недостатка — ограничен динамический диапазон преобразования свет-сигнал. В большинстве случаев видеодатчик системы технического зрения в разделочно-филетировочном оборудовании закреплен в фиксированном положении, а объект обработки перемещается в его поле зрения.
С помощью системы технического зрения возможно обнаруживать, распознавать и идентифицировать рыбные объекты, определять их местоположение и координаты. Таким образом, функции системы технического зрения могут быть следующими: - распознающими; - обзорно-информационными; - измерительными.
Распознающие и измерительные системы технического зрения могут применяться в разделочно-филетировочном оборудовании при автоматической настройке рабочих органов, операциях контроля качества, классификации и сортировке объектов обработки. Измерительные системы, наряду с этим, позволяют определять расстояние до объекта, преобразовывать координаты, определять ориентацию и т. д.
Обзорно-информационные системы технического зрения получили распространение преимущественно в промышленных роботах для организации технологического процесса, обнаружения преград, организации визуальной обратной связи. Вместе с тем, распознающие, измерительные и обзорно-информационные функции технического зрения совмещаются в адаптивных устройствах для порционирования и доработки рыбного филе.
Операции по формированию, анализу и идентификации объекта обработки осуществляются в ЭВМ. Изображение формируется в памяти ЭВМ в виде матриц отсчетов градаций яркости на рассматриваемой сцене. На этапе формирования изображение подвергается обработке для повышения качества (сглаживанию, фильтрации, повышению контрастности и т. д.). При анализе изображения используются описания двумерных объектов. При этом применяются различные процедуры сегментации изображения, среди которых наиболее часто встречаются алгоритмы выделения контуров (на основе пространственного дифференцирования, сравнения градиентов с порогом, свертки и так далее), и алгоритмы расширения областей.
При идентификации изображения применятся объединение результатов анализа описаний и признаков объектов. Символьное описание включает информацию о виде, положении и ориентации объекта в поле зрения видеокамеры, которая используется для сопоставления изображения с эталонами, хранящимися в памяти ЭВМ. В целом задача идентификации заключается в распознавании объекта по совокупности характерных признаков. Как показывает практика, измерение формы тела рыбы длиной от 25 до 100 мм производится с точностью ±3 мм при скорости ее движения по конвейеру 1,5 м/с. При выполнении трехмерного лазерного сканирования фотовидеоизображение тушки передается в компьютер с целью распознавания контура и точек ориентирования. Цифровая информация о форме и размерах тушки может быть использована для настройки режущих инструментов при разделывании и филетировании, а также при сортировке рыбы по размерам и массе.
Видеосканирование филейчиков перед порционированием позволяет оценить форму каждого экземпляра и рассчитать оптимальные параметры резания (масса, форма и количество кусочков) в соответствии с программами, хранящимися в памяти компьютера. Компьютер может определять наличие кровяных пятен, включений жира в филе для последующего их вырезания, обеспечивать подрезание филе с последующим порционированием по массе кусочка или его форме. Так, например, построена адаптивная порционирующая машина IMP 3 LaserEye фирмы Marel (Исландия). :
Выявление остаточных костей в филе производится за счет флюоресценции костных включений под воздействием ультрафиолетовых лучей. Видеокамера дает точную картину расположения остаточных костей в мясе филе. Графический процессор распознает дефектные филейчики, которые автоматически отводятся на участок инспекции для последующей доработки. Качественное филе перемещается на весосортировочные и порционирующие машины. Все операции сопровождаются автоматическим взвешиванием с выдачей статистической информации на контрольный дисплей оператора. Метод флюоресцентного выявления костей в рыбном филе подтвержден исследованиями фирмы Lumetech (Дания).
Описание устройства для филетирования рыбы
На рисунках 4.1 и 4.2 показаны схемы устройства для филетирования рыбы, входящего в состав филетирующей машины и вырезающего реберные и хребтовую кости. На рисунке 4.3 показан укрупненный схематический вид исполнительной части системы управления позиционированием рабочего органа в электрогидравлическом исполнении. Работа устройства для филетирования рыбы осуществляется следующим образом (рисунок 4.1).
Захваты 2, удерживающие тушку рыбы 3 в положении приголовной частью вперед и брюшной частью вниз, катятся по направляющей для перемещения рыбы 1. При прохождении рыбы мимо лазерного сканера 5, тушка 3 освещается лазерным лучом с вертикальной разверткой, после чего информация о длине лазерной линии передается в вычислительный блок 14. При загрязнении линзы лазерного сканера 5 и снижении уровня сигнала вычислительный блок 14 включает пневмораспределитель 7, который подает сжатый воздух в пневматическое сопло 6, продувающее от загрязнений поверхность линзы лазерного сканера 5. Вычислительный блок 14 рассчитывает толщину реберных и хребтовой костей, после чего вырабатывает значения необходимых углов поворота шаговых двигателей. Опорная направляющая 4 распластывает боковички тушки и разводит реберные кости в стороны. Позиционер 12 электрогидравлического или электромеханического типа подвигает стержни 9 для регулирования зазора между горизонтальными дисковыми ножами 10 и управляемыми заслонками 8. Стержни 9 перемещают управляемые заслонки 8 на определенное расстояние, соответствующее толщине реберных костей. Оптический датчик 24 передает в вычислительный блок 14 текущее положение стержней 9. Тушка 3 опирается нижней частью брюшка на управляемые заслонки 8 и скользит по ним, попадая нижней частью боковичков с реберными костями в зазор между горизонтальными дисковыми ножами 10 и управляемыми заслонками 8. Горизонтальные дисковые ножи 10 прорезают боковички тушки, вырезая при этом реберные кости и черную пленку. Захваты 2 перемещают тушку по направляющей 1 к вертикальным дисковым ножам 11. Позиционер 13 устанавливает горизонтальный зазор между вертикальными дисковыми ножами 11, соответствующий толщине хребтовой кости. Вертикальные дисковые ножи 11 прорезают тушку со стороны брюшка, вырезая хребтовую кость и спинной плавник. Филейчики 20 отделяются от кости и падают на конвейер отвода филейчиков 19. По конвейеру отвода филейчиков 19 филейчики перемещаются в поле зрения модуля для получения видеоизображения флюоресцирующих костей 17. Вычислительный блок 14 подает команды включения и выключения на ультрафиолетовую лампу 21. Снизу филе 20 освещается ультрафиолетовой лампой 21, что обуславливает флюоресценцию костей, оставшихся в филейчиках после обработки. Видеоизображение флюоресцирующих костей преобразуется в цифровой формат и передается в графический процессор 15. Графический процессор 15 передает в вычислительный блок 14 информацию о количестве костей, оставшихся в филе. При наличии костей программа вычислительного блока 14 выполняет алгоритм адаптации режимных параметров к свойствам сырья, причем при наличии остаточных костей сверх допустимого количества подает команду на пневмораспределитель 22, который приводит в действие приспособление для удаления отбракованного филе с конвейера 18. Приспособление для удаления отбракованного филе с конвейера 18 сталкивает бракованное филе на конвейер отвода бракованного филе 23, которое направляется на дозачистку костей. При отключенных горизонтальных дисковых ножах 10 управляемые заслонки 8 выставляются немного выше горизонтальных дисковых ножей 10, а вертикальные дисковые ножи 11 настраиваются на зазор, соответствующий ширине подреберного пространства тушки, для одновременного вырезания реберных и хребтовой костей. Во время движения филе на конвейере отвода филейчиков 19, который проходит через флюоресцентный сканирующий блок 16, в устройство для филетирования может быть загружена следующая тушка. Так как захваты 2 и конвейер отвода филейчиков 19 могут двигаться с различной скоростью, в устройстве предусмотрено буферное звено конвейера перед флюоресцентным сканирующим блоком 16.
Электрогидравлический позиционер (рисунок 4.3) включает управляющий микроконтроллер 25, шаговый двигатель 26, гидроусилитель 27, датчик скорости 32, гидросистему 29, включающую гидронасос 28, клапан сброса 30, масляный картер 31.
В связи с тем, что система автоматического управления для автоматической настройки рабочих органов является позиционно-контурной системой, требуется применение точного электропривода дискретного действия, построенного на основе шаговых двигателей. Существует необходимость непрерывного управления перемещением и скоростью перемещения рабочих органов оборудования.
Кроме того, условия работы дискретного электропривода в составе разделочно-филетировочного оборудования при изменяющихся массовых характеристиках сырья приводит к повышенным требованиям к жесткости электропривода. Это обуславливает наличие отдельного контура стабилизации скорости двигателя. Кроме того, нестационарность нагрузки приводит к заметным колебаниям приведенного к валу электродвигателя момента инерции нагрузки, что предъявляет дополнительные требования к динамическим характеристикам электропривода.
