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倍福超緊湊型工業(yè) PC 和 TwinCAT 為蛋糕制作機(jī)器人提供持久動力 

當(dāng)被問及日本國內(nèi)常用的機(jī)器人有哪些時，多數(shù)人想到的可能會是制造工廠內(nèi)使用的大型機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人（cobots）以及酒店服務(wù)機(jī)器人和護(hù)理機(jī)器人。擁有 100 多年歷史的尤海姆（Juchheim）公司近日發(fā)布了一款新穎的食品加工解決方案。“Theo”機(jī)器人可以烤制出高品質(zhì)的巴姆庫漢年輪蛋糕，它由一臺安裝有 TwinCAT 軟件的倍福超緊湊型工業(yè) PC 控制，并通過一個人工智能（AI）應(yīng)用程序提供支持。Matsuura Denkosha 工程公司為控制系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)支撐，包括整合 Denso Wave 機(jī)器人。

 尤海姆集團(tuán)成立于 1909 年，自 1922 年起在日本經(jīng)營，總部設(shè)在神戶，它是日本歷史最悠久的年輪蛋糕專門店，目前在日本已擁有超過 350 家分店，他們生產(chǎn)的蛋糕不僅在日本本土銷售，還銷往新加坡等地。巴姆庫漢年輪蛋糕起源于德國，因切面是一圈圈的環(huán)環(huán)相繞，像樹木年輪而得名，也是風(fēng)靡日本的人氣糕點(diǎn)之一。自公司成立以來，尤海姆的糕點(diǎn)師們一直按照同樣的配方烤制這種不含任何食品添加劑的美味食品。 

“烤制年輪蛋糕需要糕點(diǎn)師擁有高超的技藝和豐富的經(jīng)驗(yàn)。”尤海姆中央工廠總經(jīng)理松本先生強(qiáng)調(diào)道。當(dāng)然，如果可以遠(yuǎn)程采集和設(shè)置烤箱參數(shù)，并精確顯示烘烤溫度，那么尤海姆蛋糕店的糕點(diǎn)師們就可以遠(yuǎn)程控制本地設(shè)備，制作出頂級年輪蛋糕。“Theo 機(jī)器人幫助尤海姆又往前邁了一大步。”尤海姆顧問橫山先生說道。“通過集成人工智能和糕點(diǎn)師的專業(yè)知識，可以在世界任何地方制作出相同品質(zhì)的尤海姆年輪蛋糕。第一個提出建造 Theo 機(jī)器人的想法的人是尤海姆總裁 Hideo Kawamoto。”松本先生補(bǔ)充道。 

在開發(fā) Theo 機(jī)器人的同時，公司計(jì)劃在名古屋的榮購物街區(qū)建造一個以食品創(chuàng)新為主題的“Baum Haus”建筑綜合體。綜合體內(nèi)有一個透明的烘焙工作室，結(jié)合經(jīng)過進(jìn)一步開發(fā)的 Theo，構(gòu)成一個全自動的年輪蛋糕工作室。 

基于 PC 的控制技術(shù)助力制作完美的 13 層蛋糕面糊層

年輪蛋糕制作過程本身很簡單：將蛋糕面糊均勻地澆在旋轉(zhuǎn)的芯棒上，然后放入烤箱烤，當(dāng)烤至七成熟之后，再裹上一層蛋奶糊繼續(xù)烤制，就這樣周而復(fù)始，直到均勻烤制所有 13 層。 

在烘烤前，必須將盛蛋糕面糊的容器和芯棒運(yùn)送并推入到烤箱中，這個步驟通常由操作人員完成，但也可以使用輸送帶和機(jī)械臂輕松實(shí)現(xiàn)這一步驟的自動化。但烘烤本身需要一個專業(yè)人員。Theo 借助人工智能復(fù)制了專業(yè)人員的技能。為了順利完成這項(xiàng)史無前例的任務(wù)，尤海姆選擇了 Matsuura Denkosha 工程公司作為其合作開發(fā)伙伴。這家公司不僅擁有人工智能專業(yè)知識，而且在控制關(guān)節(jié)型機(jī)器人方面也擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。“年輪蛋糕工廠由三個 Theo 機(jī)器人、一個垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人和一個輸送盛放蛋糕面糊的容器和芯棒的輸送帶組成。”Matsuura Denkosha 公司總經(jīng)理北野先生解釋說。所有組件都由一臺搭載 Intel? Core? i7 處理器的倍福 C6030 超緊湊型工業(yè) PC 控制，并通過 EtherCAT 通信。 

Baum Haus 內(nèi)設(shè)置的高科技蛋糕房幾乎是全自動化生產(chǎn)。操作人員只需要準(zhǔn)備好年輪蛋糕面糊和芯棒，將它們放在輸送帶上，并在控制面板上選擇三個烤箱中的一個，然后開啟烘烤過程。隨后，輸送帶自動將盛放面團(tuán)的容器和芯棒運(yùn)送至指定位置。機(jī)器人拾取容器和芯棒，將它們放在烤箱前面。然后，機(jī)器人開始在芯棒上涂抹面團(tuán)，并逐層涂抹。烤箱中實(shí)施的人工智能功能會自動監(jiān)測這一過程，確保高精度烘烤。

 “倍福工業(yè) PC 和 TwinCAT 軟件的優(yōu)勢在于通過集成 EtherCAT 和 Windows 實(shí)時控制整個過程。”北野先生解釋道。在這個系統(tǒng)中，TwinCAT 3 PLC 使用與機(jī)器人運(yùn)動精確同步的 EtherCAT 驅(qū)動器和電機(jī)控制輸送帶、烤箱的旋轉(zhuǎn)以及門的開關(guān)。此外，工業(yè) PC 具有高可擴(kuò)展性，因此，尤海姆自己的 Windows 應(yīng)用程序可以用作可行的遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)解決方案。倍福的 I/O 組件也發(fā)揮了重要作用，集成大量的傳感器和相機(jī)。緊湊的外殼和種類繁多的 EtherCAT I/O 能夠幫助系統(tǒng)集成商節(jié)省控制柜空間，最大限度地降低工程復(fù)雜性。 

AI 推理和 TwinCAT PLC 整合在同一個平臺上

AI 功能作為 Windows 應(yīng)用程序，與 TwinCAT 一起在同一臺工業(yè) PC 上運(yùn)行。“我們使用多模態(tài) AI 技術(shù)監(jiān)測年輪蛋糕的質(zhì)量。”北野先生指出。為此，每個烤箱前都安裝了高性能相機(jī)，以捕獲蛋糕表面的圖像。這些數(shù)據(jù)與其它傳感器數(shù)據(jù)相連，包括輻射高溫計(jì)中的數(shù)據(jù)。AI 模型基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），以前它是在一個單獨(dú)的環(huán)境中用 Python 進(jìn)行訓(xùn)練。它在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè) PC 中作為一個 Windows 應(yīng)用程序?qū)嵤?span style="text-indent: 2em;"> 

隨著蛋糕坯料層數(shù)的增加，年輪蛋糕的直徑也會增加，各種參數(shù)也會相應(yīng)發(fā)生變化，如與烤箱壁的距離和達(dá)到完美烘烤蛋糕坯料層所需的烘烤時間。年輪蛋糕的制作過程極其繁瑣，需要仔細(xì)監(jiān)測烘烤條件，確保在最佳時間內(nèi)將每層蛋糕坯料從烤箱中取出。此外，必須用刮刀抹平每層蛋糕坯料的表面，以便讓年輪蛋糕具有其特有的圓筒形狀。 

系統(tǒng)通常需要五到六個批次的年輪蛋糕才能再現(xiàn)糕點(diǎn)師的專業(yè)烤制過程。一個批次需要 30 分鐘的烤制時間，因此采集數(shù)據(jù)的總時間約為約 3 小時。“在這個有限的數(shù)據(jù)量基礎(chǔ)上，訓(xùn)練 AI 模型需要約 20 小時的時間，包括最后的測試。”北野先生解釋道。 

Theo 在運(yùn)行期間實(shí)時檢查相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)以及其它傳感器數(shù)據(jù)，以測定年輪蛋糕的質(zhì)量：當(dāng)一個蛋糕面糊層處于最佳狀態(tài)時，這一信息將被反饋到控制系統(tǒng)中。隨后，TwinCAT 停止蛋糕面糊管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并打開門，這樣機(jī)器人就可以取出年輪蛋糕。從將數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的模型，包括推理輸出，直到反饋至控制系統(tǒng)，總共花費(fèi)的時間約為 100 至 200 毫秒。“由于 AI 推理和 PLC 控制集成在同一個倍福工業(yè) PC 控制平臺上，因此 AI 應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)這種超快的響應(yīng)時間。”北野先生說道。 

另一個技術(shù)挑戰(zhàn)是將相同量的蛋糕面糊不斷澆在蛋糕坯料卷上。為此，TwinCAT 被用來控制旋轉(zhuǎn)芯棒的最佳位置和角度，以便讓機(jī)器人能夠給給每層都澆上同等厚度的蛋糕面糊。相對于手工制作，這樣能夠最大限度地降低原料損耗，顯著降低生產(chǎn)成本。“從這個角度來看，Theo 是一個比糕點(diǎn)師更好的年輪蛋糕大師。”橫山先生微笑著指出。除了烘培之外，其它條件必須保持穩(wěn)定，才能保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，也就是說，蛋糕面糊的配比始終都應(yīng)該是相同的。“如果蛋糕面糊的配方有變化，訓(xùn)練好的模型就不再能夠完美地工作了。”橫山先生繼續(xù)說道。這時就需要與糕點(diǎn)師合作，根據(jù)修改后的蛋糕面糊配方創(chuàng)建一個新的推理模型。 

控制系統(tǒng)的高靈活性助力輕松實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

在 Baum Haus 的試運(yùn)營期間，工程師對系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化，修改了安全光幕的位置和輸送帶的布局，以改進(jìn)操作人員的工作流程。EtherCAT 可以自由選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此可以輕松做到這一點(diǎn)。由于采用了靈活的 TwinCAT 開發(fā)平臺，因此也可以直接配置系統(tǒng)更新。 

Baum Haus 是全球唯一一個擁有配備了 AI 烤箱、輸送帶和機(jī)器人的自動化年輪蛋糕工作室的建筑綜合體。另一方面，多臺配備 AI 功能和 Theo 機(jī)器人的獨(dú)立烤箱目前正在日本多家門店投入使用，甚至可以用作移動式年輪蛋糕店。此外，尤海姆還在擴(kuò)大其經(jīng)營活動，松本先生解釋道：“我們正在開發(fā)一種用于烤制巧克力蛋糕面糊的模型和一種配備緊湊型垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂的系統(tǒng)。倍福和我們的合作開發(fā)伙伴 Matsuura Denkosha 將繼續(xù)為我們在烘焙領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雄心壯志和創(chuàng)新方案提供最佳支持。” 

在涂抹一層新的蛋糕糊后精確地撇去多余蛋糕糊的動作，也需要通過 AI 推理來“學(xué)習(xí)”

基于 PC 的控制技術(shù)和人工智能確保尤海姆可以在其所有店面提供相同品質(zhì)的年輪蛋糕

倍福 C6030 工業(yè) PC 通過 TwinCAT 控制輸送系統(tǒng)和烤箱門；訓(xùn)練好的 AI 模型也在安裝有 Windows 操作系統(tǒng)的同一設(shè)備上運(yùn)行

尤海姆顧問橫山先生（左）和尤海姆中央工廠總經(jīng)理松本先生采用倍福技術(shù)將糕點(diǎn)師的年輪蛋糕專業(yè)知識整合到軟件中