Bij het gebruik van robots in Japan denken veel mensen aan grote robots in fabrieken, cobots en speciale robots in horeca- en zorgtoepassingen. Juchheim Co, Ltd, een Japanse banketbakker die al meer dan 100 jaar actief is, heeft een nieuwe geautomatiseerde oplossing onthuld voor de productie van de populaire Baumkuchen. Maar is robotbakker Theo beter dan een meester-patissier?
Theo bakt Baumkuchen van hoge kwaliteit. Dat komt onder meer omdat Theo wordt bestuurd door een ultracompacte Beckhoff Industrial PC met TwinCAT-software en ondersteund door een kunstmatige intelligentie (AI)-toepassing. Het ingenieursbureau Matsuura Denkosha Co., Ltd. bood ondersteuning bij de ontwikkeling van het besturingssysteem, inclusief de integratie van een Denso Wave robot.
De Juchheim Groep, opgericht in 1909 en actief in Japan sinds 1922, met administratieve hoofdkantoor in Kobe, runt meer dan 350 winkels in het high-end Baumkuchen segment in Japan en Singapore. Baumkuchen is een Duitse stijl van gelaagde cake die ook populair is in Japan. Sinds de oprichting van de onderneming bakken de banketbakkers van Juchheim de lekkernij volgens hetzelfde recept – zonder enige levensmiddelenadditieven.
Een stap verder met Theo
“Het bakken van Baumkuchen vereist geavanceerde vaardigheden en ervaring van de banketbakker,” benadrukt de heer Matsumoto, algemeen directeur van de centrale fabriek van Juchheim. Maar als de parameters van de oven op afstand kunnen worden vastgelegd en ingesteld, en als de baktemperaturen nauwkeurig kunnen worden weergegeven, kunnen de banketbakkers van Juchheim de lokale machines op afstand besturen om Baumkuchen van topkwaliteit te produceren.
“Met Theo gaat Juchheim een stap verder”, zegt de heer Yokoyama, een adviseur van Juchheim. “Door geïntegreerde AI en de expertise van meesterbanketbakkers kan overal ter wereld Baumkuchen gemaakt worden met dezelfde Juchheim kwaliteit.” “Het idee voor Theo kwam oorspronkelijk van Hideo Kawamoto, de president van Juchheim,” voegt Mr. Matsumoto toe.
Parallel met de ontwikkeling van Theo, plande het bedrijf de bouw van een nieuw gebouwencomplex met als thema voedselinnovatie – het ‘Baum Haus’ in Sakae, Nagoya. Onderdeel van het concept was ook een transparante bakstudio, die met Theo verder werd ontwikkeld tot een volledig geautomatiseerde Baumkuchen-studio.
13 deeglagen met PC-gebaseerde besturing
Het proces om een Baumkuchen te maken is op zich eenvoudig: een roterende kernstaaf wordt herhaaldelijk bekleed met rauw deeg en in de oven geplaatst – tot 13 lagen deeg gelijkmatig gebakken zijn. Vóór het bakken moeten de deegcontainer en de kernstaaf naar de oven worden getransporteerd en erin worden geduwd. Dit wordt gewoonlijk gedaan door bedieningspersoneel, maar kan gemakkelijk worden geautomatiseerd met behulp van een transportband en een robotarm.
Voor het bakken zelf is echter een deskundige nodig. Theo repliceert de vaardigheden van de expert met behulp van AI. Voor deze ongeziene taak koos Juchheim het ingenieursbureau Matsuura Denkosha als ontwikkelingspartner. Het bedrijf heeft niet alleen expertise in AI, maar ook uitgebreide ervaring in de besturing van gelede robots.
“De Baumkuchenfabriek bestaat uit drie Theo’s, een verticale gelede robot en een transportband die de deegcontainers en -staven transporteert”, legt Mr. Kitano, Managing Director van Matsuura Denkosha, uit. Alle componenten worden bestuurd door een ultracompacte Beckhoff C6030 Industrial PC met Intel-Core i7-processor en in een netwerk opgenomen via EtherCAT.
In oven geïmplementeerde AI-functionaliteit
De hightech bakkerij die in het Baum Haus is geïnstalleerd, is bijna volledig geautomatiseerd. Het enige wat de operator hoeft te doen, is het Baumkuchen-deeg en de kernstaven voorbereiden en op de transportband plaatsen, op het bedieningspaneel een van de drie ovens selecteren en het bakproces starten.
Vervolgens transporteert de transportband automatisch de deegbak en de kernstaaf naar de aangegeven positie. De robot pakt de bak en de staaf op en plaatst ze voor de oven. Dan begint de robot de kernstaaf met deeg te bedekken en de lagen één voor één aan te brengen. De in de oven geïmplementeerde AI-functionaliteit bewaakt het proces en zorgt voor uiterst nauwkeurig bakken.
Real-time procesbesturing via EtherCAT
De heer Kitano legt uit: “Het voordeel van de Beckhoff IPC- en TwinCAT-software is de real-time procesbesturing via EtherCAT en de Windows-integratie.” In dit systeem bestuurt de TwinCAT 3 PLC de transportband, de rotatie van de oven en het openen en sluiten van de deur met behulp van EtherCAT-aandrijvingen en motoren die precies gesynchroniseerd zijn met de beweging van de robot.
Bovendien biedt de IPC een hoge schaalbaarheid, zodat Juchheims eigen Windows-applicaties kunnen worden gebruikt als can-oplossingen voor systeemonderhoud op afstand. Ook de I/O-componenten van Beckhoff spelen een belangrijke rol. Er zijn immers veel sensoren en camera’s te integreren. Dankzij de compacte behuizing en het brede scala aan EtherCAT I/O’s kon de systeemintegrator schakelkastruimte besparen en de engineeringcomplexiteit tot een minimum beperken.
AI-inferentie en TwinCAT PLC op één platform
De AI-functionaliteit draait als een Windows-toepassing op dezelfde IPC als TwinCAT. “We gebruiken multimodale AI-technologie om de kwaliteit van de Baumkuchen te bewaken”, wijst Mr. Kitano. Daartoe worden voor elke oven krachtige camera’s geïnstalleerd om beelden van de taartoppervlakken vast te leggen.
Deze gegevens worden gekoppeld aan andere sensorgegevens, waaronder die van stralingspyrometers. Het AI-model is gebaseerd op een Convolutioneel Neuraal Netwerk (CNN), en werd eerder in Python getraind in een aparte omgeving. Het is geïmplementeerd in de standaard IPC als een Windows-toepassing.
Delicaat proces
Naarmate het aantal deeglagen toeneemt, neemt ook de diameter van de Baumkuchen toe. Dienovereenkomstig kunnen verschillende parameters variëren, zoals de afstand tot de ovenwand en de baktijd die nodig is om een perfect gebakken deeglaag te verkrijgen. Het is een uiterst delicaat proces dat vereist dat de bakomstandigheden nauwlettend in het oog worden gehouden totdat het deeg op het optimale tijdstip uit de oven wordt gehaald en de volgende laag deeg wordt aangebracht. Bovendien moet het oppervlak van het deeg met een spatel worden gladgestreken om de Baumkuchen zijn karakteristieke cilindrische vorm te geven.
Er zijn gewoonlijk vijf tot zes partijen Baumkuchen nodig voordat het systeem het bakproces van een meester-patissier kan reproduceren. Het bakken van een partij duurt 30 minuten, dus de totale tijd voor het verzamelen van gegevens is ongeveer 3 uur. “Op basis van deze beperkte hoeveelheid gegevens duurt het ongeveer 20 uur om het AI-model te trainen, inclusief de eindtests,” legt de heer Kitano uit.
Extreem snelle reactietijd
Tijdens de werking controleert Theo de beeldgegevens van de camera en de gegevens van andere sensoren in realtime om de kwaliteit van de Baumkuchen te bepalen: wanneer een deeglaag in optimale conditie is, wordt dit teruggemeld aan het besturingssysteem. TwinCAT stopt dan de rotatie van de deegbuis en opent de deur, zodat de robot de Baumkuchen kan verwijderen.
De totale tijd die nodig is vanaf de gegevensinvoer in het getrainde model, inclusief de inferentie-output, tot de terugkoppeling naar de besturing bedraagt ongeveer 100 tot 200 ms. De heer Kitano verklaart: “Deze extreem snelle reactietijd voor AI-toepassingen is mogelijk omdat de AI-inferentie en de PLC-besturing geïntegreerd zijn in één enkel besturingsplatform, de Beckhoff IPC.”
Beter dan een meester-patissier
Een andere technische uitdaging is het constant bekleden van de deegrollen met identieke hoeveelheden deeg. Hiervoor regelt TwinCAT de optimale positie en hoek van de roterende stang, zodat de robot voor elke laag exact dezelfde deegdikte kan aanbrengen. Dit is een enorm voordeel ten opzichte van het handmatige proces, omdat materiaalverlies wordt geminimaliseerd.
“Vanuit dit oogpunt is Theo een betere Baumkuchenbakker dan een meester-patissier”, aldus de heer Yokoyama. Naast het bakken moeten ook de andere omstandigheden stabiel blijven voor een constante kwaliteit, d.w.z. het deeg moet altijd hetzelfde zijn. “Als het deegrecept wordt gewijzigd, werkt het getrainde model niet meer perfect,” vervolgt de heer Yokoyama. In samenwerking met de meesterpatissier moet dan een nieuw inferentiemodel worden gecreëerd op basis van het gewijzigde deeg.
Flexibele regeling ondersteunt eenvoudige optimalisaties
De systeemconfiguratie werd geoptimaliseerd tijdens een pilot in het Baum Haus: De positie van het veiligheidslichtscherm en de lay-out van de transportband werden gewijzigd om de workflow voor de operators te verbeteren. Dit was eenvoudig mogelijk dankzij de hoge mate van vrijheid met de EtherCAT-netwerktopologie. Ook systeemupdates konden dankzij het flexibele TwinCAT-engineeringplatform op eenvoudige wijze worden geconfigureerd.
Het Baum Haus herbergt ’s werelds enige geautomatiseerde Baumkuchenstudio met AI-ovens, transportbanden en robots. Verschillende stand-alone ovens met AI-functionaliteit en Theo zijn daarentegen in heel Japan in bedrijf – zelfs als mobiele Baumkuchenstudio’s.
Bovendien breidt Juchheim zijn activiteiten uit, zoals de heer Matsumoto uitlegt: “Wij ontwikkelen een model voor het bakken van deeg op basis van chocolade en een systeem met compacte verticale gelede robotarmen. Beckhoff en onze engineeringpartner Matsuura Denkosha zullen onze ambitieuze en creatieve initiatieven op het gebied van bakken optimaal blijven ondersteunen.”