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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung gewichtskonstanter
Portionen oder Scheiben aus aufgeschnittenen Lebensmittelprodukten
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung
eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Lebensmittelwaren,
wie zum Beispiel Wurst- und Käsewaren,
werden häufig
in Packungen gleichen Inhalts angeboten, wobei sich der Verkaufspreis
alleine nach dem Nettogewicht richtet. Hierbei ist eine Unterfüllung nur
in gesetzlich geregelten Grenzen zulässig, das heißt, das
gemittelte Gewicht der Portionen über einen definierten Teil
des Produktionsablaufes muß mindestens
das Nettogewicht betragen. Deshalb streben die Hersteller eine Füllmenge
an, die möglichst
nahe am Nettogewicht liegt, wobei die Gutausbeute möglichst hoch
sein soll.
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Zur
Erstellung von gewichtskonstanten Portionen oder Scheiben werden
die Produkte auf Aufschneidemaschinen, sogenannten Slicern, in Scheiben
geschnitten und anschließend
verwogen. Bei vielen bekannten Verfahren ist es üblich, gebildete Portionen
oder Scheiben erst dann gewichtsmäßig zu erfassen bzw. zu wiegen,
wenn eine Gewichtskorrektur des entsprechenden Stapels bzw. der
betreffenden Portionen zumindest automatisch nicht mehr möglich ist.
Abgesehen davon, daß zur
Vermeidung von unzulässigem
Mindergewicht bzw. zur Einhaltung der Fertigpackungsverordnung immer
mit einem zu Übergewicht
führenden
Sicherheitszuschlag gearbeitet werden muß, der sich wirtschaftlich
ausgesprochen negativ auswirkt, ist es auch ungünstig, daß nach erfolgter Feststellung
von zu großen
Gewichtsabweichungen die erforderliche Korrektur stets nur mit einer
erheblichen Verzögerung
durchführbar
ist, die sich aus der Stapelzeit und der Transportzeit zusammensetzt.
Dies führt
zu einem entsprechenden Verlust an aufzuschneidendem Produkt, so
daß bei
heute eingesetzter Wägetechnik
beispielsweise bei der Portionierung von Leberkäse eine mittlere Überfüllung von
1%, jedoch nur eine Gutausbeute von ca. 70% erreichbar ist.
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Aus
DE 37 14 199 A1 ist
ein Verfahren zum gewichtsgenauen Schneiden von Produkten fester
Konsistenz bekannt, bei dem die jeweilige Schnitttiefe bestimmt
wird, indem die Schnittfläche
ausgemessen wird. Hierzu machen zusätzliche Strahlungsquellen das
Produkt gegenüber
dem Umfeld ausreichend deutlich.
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Es
ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das
bzw. die die Gutausbeute steigert, ohne die durchschnittliche Überfüllung zu
erhöhen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie
durch eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
kann dem Regler, der in Abhängigkeit
von Abweichungen vom Sollgewicht den Vorschub des jeweils aufzuschneidenden
Produktstücks
verändert,
eine weitere Meßgröße zugeführt werden,
die unter Berücksichtigung
des spezifischen Gewichtes des Produktes einen Rückschluß auf die Masse des Teilbereiche
des Produktstücks
zuläßt. Insbesondere
bei gegossenen Wurstwaren, wie zum Beispiel Leberkäse, sind
bezüglich
der Querschnittsfläche
außerordentlich
große
Schwankungen festzustellen. Während
bei einem in Naturform vorliegenden Leberkäse die Boden- sowie Seitenflächen aufgrund
der vorhandenen Gießform
weitgehend regelmäßig sind,
ist insbesondere die obere Außenfläche (Oberseite)
in Höhe
und Gestalt außerordentlich
unregelmäßig geformt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird es jedoch möglich,
die Scheibendicke so einzustellen, daß die Scheibenmassen während des
Portioniervorganges weniger stark differieren. Hierfür wird die
Außenflächenkontur
des Teilbereichs des Produktstücks,
beispielsweise die Oberfläche
einer zu schneidenden Scheibe, erfaßt und die Veränderung
des Vorschubs wird in Abhängigkeit
von der erfaßten
Außenflächenkontur
vorgenommen. Da sich aus der Außenflächenkontur
unmittelbar die Masse eines von dieser Außenflächenkontur eingefaßten Produktstückes errechnen
läßt, kann
durch entsprechende Veränderung
des Vorschubs die Scheibenmasse (Scheibendicke) so eingestellt werden,
daß die
Scheibenmassen einer Portion weniger stark differieren.
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Ferner
besitzt das erfindungsgemäße Verfahren
den weiteren Vorteil, daß die
Erfassung der Außenflächenkontur
auch in einem Abstand zu der Schnittebene vorgenommen werden kann,
so daß ausreichend Zeit
zur Verfügung
steht, um die Masse einer zu schneidenden Scheibe zu berechnen und
diesen Wert in den Regelkreis des Vorschubs einzuspeisen. Auch kann
die Erfassung der Außenflächenkontur
in so ausreichendem Abstand von der Schnittebene erfolgen, daß eine Verschmutzung
der Erfassungseinrichtung ausgeschlossen ist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind durch die Unteransprüche
2 bis 6 gekennzeichnet.
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So
ist es vorteilhaft, wenn die Außenflächenkontur
des Teilbereichs quer zur Vorschubrichtung und entlang einer geraden
Linie mittels Wellenrefle xion abgetastet wird. Hierdurch kann die
Masse eines Teilbereichs ermittelt und berücksichtigt werden, der einer
späteren
Produktscheibe entspricht.
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Nach
der Erfindung wird zur Erfassung der Außenflächenkontur eine Linie auf die
Außenfläche zumindest
des Teilbereiches des Produktstückes
projiziert, deren Verlauf von einer Aufnahmeeinrichtung detektiert wird.
Insbesondere wenn diese Aufnahmeeinrichtung unter einem spitzen
Winkel zu der Außenfläche des
Teilbereichs angeordnet ist, entspricht der Verlauf dieser projizierten
Linie, der von der Aufnahmeeinrichtung erfaßt wird, in verkleinertem Maßstab der
Außenflächenkontur
des Produktstückes.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn aus der Außenflächenkontur eine Störgröße errechnet
wird, die einem an sich bekannten Regelkreis zugeführt wird,
der jedoch erfindungsgemäß den Vorschub
des jeweils aufzuschneidenden Produktstücks in Abhängigkeit von dieser Störgröße verändert. Hierdurch
erhält
der an sich bekannte Regelkreis, der aufgrund der vorhandenen Totzeiten
relativ träge
ist, eine sich schnell und unregelmäßig ändernde Produktgröße, die
in die Schnittdickenvorgabe mit einbezogen werden kann. Hierdurch
ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der Fehlportionierungen
aufgrund vorhandener Unregelmäßigkeiten
in der Außenflächenkontur
des Produktes.
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Wenn
nur die Produktoberseite unregelmäßigen Veränderungen unterliegt, ist es
ausreichend, wenn die Veränderung
des Vorschubs nur in Abhängigkeit
von der Kontur der Produktoberseite vorgenommen wird, wodurch der
Aufwand gering gehalten werden kann. Sofern ein Produkt jedoch eine
Außenflächenkontur
aufweist, die allseitig unregelmäßig ist,
kann erfindungsgemäß die Veränderung
des Vorschubs in Abhängigkeit von
der gesamten Außenflächenkontur
des Produktes vorgenommen werden.
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In
Abhängigkeit
von der gewünschten
Produktscheibendicke kann die Außenflächenkontur von einer ortsfesten
Stelle aus auch zweimal je geplantem Produktschnitt erfaßt werden,
wobei dann ein Mitteln möglich ist,
um die Masse der Produktscheibe zu ermitteln.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
oben genannten Verfahrens mit mindestens einer Strahlungsquelle,
die vorzugsweise elektromagnetische Strahlung auf das Produkt richtet, mindestens
einer Aufnahmeeinrichtung, die die von dem Produkt reflektierte
Strahlung empfängt,
einem mit der Aufnahmeeinrichtung gekoppelten Rechner, der aus der
empfangenen Strahlung die Außenflächenkontur des
Teilbereichs ermittelt, sowie mit den weiteren Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs
7. Mit einer solchen Vorrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren
bei geringem apparativen Aufwand auf einfache Weise durchführen, wobei
der Rechner gleichzeitig dazu herangezogen werden kann, die Masse
einer potentiellen Produktscheibe zu ermitteln. Es kann jedoch hierfür auch ein
separater Rechner verwendet werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind durch die Unteransprüche
8 bis 13 gekennzeichnet. So ist zur Erfassung der Außenflächenkontur
vorteilhaft, wenn Strahlungsquelle und Aufnahmeeinrichtung unter
verschiedenen Winkeln auf den Teilbereich gerichtet sind, da die
Aufnahmeeinrichtung dann durch die entstehende Projektionsfläche unmittelbar
eine verkleinerte Abbildung der Außenflächenkontur aufnimmt. Insbesondere
wenn die Strahlungsquelle einen linienförmi gen Strahl bildet, kann
dann von der Aufnahmeeinrichtung die Außenflächenkontur ermittelt werden,
die sich "unterhalb" des Strahls befindet.
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Eine
besonders montagefreundliche Vorrichtung ergibt sich dadurch, daß Strahlungsquelle
und Aufnahmeeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse montiert sind.
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Wenn
der Rechner eine von der Außenflächenkontur
begrenzte Fläche
berechnet, die parallel und beabstandet zur Produktschnittfläche verläuft, läßt sich
die Masse einer potentiellen Produktscheibe bereits im voraus ermitteln,
so daß für die Berechnung
und Beeinflussung des Produktvorschubes ausreichend Zeit verbleibt.
Gleichzeitig müssen
keine Hochleistungsrechner verwendet werden.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Aufschneidemaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Erfassung der Außenflächenkontur
versehen ist; und
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2 die
von der Aufnahmeeinrichtung erhaltenen Ergebnisse für eine maximale
(a), mittlere (b) und minimale (c) Produkthöhe.
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Die
in 1 dargestellte Aufschneidemaschine besteht unter
anderem aus einer Produktzuführung 10,
die einer Schneideinrichtung 14 ein zu schneidendes Produkt 12 zuführt. Hierbei
ist die Produktzuführung unter
einem Winkel zur Horizontalen angeordnet. Parallel zur Produktzuführung beabstandet
ist ein Gehäuse 16 angeordnet,
in dem ein Linienprojektionslaser 18 und eine elektronische
Kamera 20 mit integriertem Rechner angeordnet sind. Der
Rechner ist mit einem Regelkreis gekoppelt, der den Vorschub der
Produktzuführung 10 in
Abhängigkeit
von Abweichungen von einem Sollgewicht steuert.
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Der
Linienprojektionslaser 18 besitzt an der Lichtaustrittsseite
eine Linienoptik zur Formung einer Laserlinie, die auf der Oberseite
des Produktes 12 senkrecht zur Vorschubrichtung abgebildet
wird und das Schnittgut in seiner gesamten Breite überstreicht.
Die elektronische Kamera 20 befindet sich in einem definierten
Winkel 5 zum Laser 18. Das Sichtfeld der Kamera überdeckt
dabei das Produkt in seiner gesamten Breite sowie von einer Minimal-
bis zu einer Maximalhöhe,
wobei die Tiefenschärfe
der Kamera diesen Bereich ebenfalls abdeckt. Wie 1 ferner
zeigt, projiziert der Laser 18 die Linie in einem Abstand
zu dem Schneidmesser der Schneideinrichtung 14.
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In 1 sind
die Vorschubrichtung der Produktzuführung 10 mit X und
die Produkthöhe
mit Z bezeichnet. Die Produktbreite entspricht der Y-Achse (nicht dargestellt).
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2 zeigt
die Kameramatrix der Kamera 20, wobei die X'-Achse der Kameramatrix
der Y-Koordinate von 1 und die Y'-Achse der Kameramatrix der Z-Achse
von 1 entspricht. Die X-Koordinaten sind für sämtliche
Meßpunkte
gleich, da die Lichtausbreitung des Lasers 18 genau senkrecht
zur X-Achse, das heißt zur
Produktzuführung 10 verläuft. Die
Kamera 20 beobachtet nun den Verlauf der projizierten Laserlinie,
wobei die Y'-Achse
der Kameramatrix der Z-Achse des Produktes 12 verkleinert
entspricht. Die Breite des Produktes 12 wird demnach auf
die X'-Achse und
das Oberflächenprofil
auf die Y'-Achse
der Kamera abgebildet.
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Aus
den X', Y'-Wertepaaren der
Kamera 20 berechnet der Rechner nun den Höhenverlauf
des Produktes und damit die Querschnittsfläche einer potentionellen Produktscheibe,
wobei Breite, Abstand der Meßlinien
und die Kameraauflösung
die Genauigkeit der Messung bestimmen.
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2a) zeigt beispielhaft den Verlauf einer
von der Kameramatrix empfangenen Linie, die auf einen Teilbereich
des Produktstückes 12 projiziert
worden ist. 2a) entspricht einer maximalen
Produkthöhe. 2b) zeigt eine mittlere Produkthöhe und in 2c) ist eine minimale Produkthöhe dargestellt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Produkt 12 handelt es
sich um natürlich
hergestellten Leberkäse,
dessen Querschnittsform sich in zwei Teilbereiche unterteilen läßt. Ein
Teilbereich, der sogenannte Sockel, wird durch den Boden sowie die
geradlinigen Seitenflächen
der Gießform
des Leberkäse
bestimmt. Die Fläche
bzw. Masse dieses Sockels läßt sich
somit auf einfache Weise durch Messen dieser Dimension ermitteln.
Der verbleibende Flächenbereich,
das sogenannte Oberteil, kann nun durch Kenntnis der Außenflächenkontur
der Oberfläche
des Leberkäse
ermittelt werden.
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Die
Masse eines zu schneidenden Produktstückes wird somit von vier Faktoren
bestimmt, nämlich
der Scheibendicke, dem kalibrierbaren Sockelanteil, der Produktdichte
sowie der Fläche
des unkalibrierten Oberteiles. Die Gesamtmasse einer Scheibe entspricht
somit dem Produkt aus Dichte, Scheibendicke sowie Fläche der
Scheibe, die sich aus Sockelfläche
und Qberteilfläche
zusammensetzt. Der Sockelquerschnitt und die Produktdichte unterliegen
nur sehr geringen und langsamen Schwankungen, so daß es nicht
unbedingt erforderlich ist, diese als Meßgröße explizit zu erfassen. Für eine vereinfachte
Betrachtung wird deshalb im folgenden angenommen, daß Dichte
und Sockelquerschnitt konstant sind. Für die Bestimmung des Massenverlaufs
des Produktstückes 12 genügt dann
die Kenntnis des Höhenprofils
der Oberfläche,
das sich insbesondere bei Leberkäse
mitunter auch diskontinuierlich stark ändert.
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Da
die bislang bekannten Regler für
den Produktvorschub zu träge
sind, um dieser sich ändernden Störgröße zu folgen,
konnte die Schnittstärke
bislang nicht schnell genug angepaßt werden, das heißt manche Portionen
wurden deutlich zu leicht und manche unnötig schwer portioniert. Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird jedoch der Höhenverlauf
des Produktstückes 12 abschnittsweise
erfaßt,
wobei der von der Aufnahmeeinrichtung 20 ermittelte Meßwert sich
auf eine Meßlinie
(Laserlinie) bezieht, die quer zur Vorschubrichtung abgebildet wird.
Bei besonders breiten Scheiben kann gegebenenfalls die Höhe aus zwei
Meßlinien gemittelt
werden. Bei dünnen
Scheiben ist eine Messung für
mehrere Scheiben ausreichend.
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Bei
den bekannten Schnittstärkenregelkreisen
wird die gewünschte
Scheibenstärke
nur aus dem (Gewichts-) Vergleich von Soll- und Istwert bestimmt,
wobei die Regelgröße mit einer
Totzeit behaftet ist, die sich aus Stapel- und Transportzeit zusammensetzt.
Die Außenflächenkontur
des Produktes, das heißt
im dargestellten Fall die Produkthöhe, wird nun in Form einer
Störgrößenaufschaltung
in den Regelkreis des Vorschubs eingefügt, wodurch die Stellgröße des Reglers
(Scheibenstärke)
entsprechend dem Wert der Störgröße korrigiert
wird. Der Abstand der Meßlinie
von dem Schneidmesser wird durch eine Verzögerung berücksichtigt, die proportional
zur Produktvorschubgeschwindigkeit ist.
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Wie
eingangs bereits ausgeführt
wurde, wird die Masse des "Oberteils" einer Produktscheibe
durch das Produkt aus Dichte, Scheibendicke sowie Fläche des
Oberteils bestimmt. Die Scheibenstärke muß daher so angepaßt werden,
daß eine
sich ändernde
Querschnittsfläche
keine Wirkung auf die Scheibenmasse hat. Erfindungsgemäß wird ein
neuer Signalweg in die Vorschubregelung eingefügt, der den Beitrag des Oberteils kompensiert.
Dieser Signalweg korrigiert die Scheibendickevorgabe mit Hilfe der
neuen Meßgröße. Sofern
die korrigierte Scheibenstärke
in Abhängigkeit
von der unkorrigierten Scheibenstärke dargestellt wird, zeigt
sich, daß die
Korrektur nur aus einem Flächenvergleich
von Sockel und Oberteil besteht. Da somit die Fläche des Oberteils die Schnittdicke
unmittelbar beeinflußt,
wirkt die entsprechende Störgröße unverzögert auf
den Regelkreis. Durch diese Störgrößenaufschaltung
wird zudem das dynamische Verhalten des Reglers nicht beeinflußt, der
weiterhin mit der Regeldifferenz aus Sollgewicht und Istgewicht
arbeitet. Die Aufgabe des Reglers bleibt nach wie vor die präzise Einhaltung
der mittleren Portionsmasse, wozu keine hohe Dynamik erforderlich ist.
Die Nullage für
den Korrekturfaktor kann auf einfache Weise dadurch festgelegt werden,
daß die
Querschnittsfläche
des Oberteils dann Null ist, wenn die Meßlinie genau auf Sockelhöhe abgebildet
wird.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
läßt sich
die Gutausbeute bei unregelmäßiger Außenflächenkontur
eines Produktes deutlich steigern. Im beschriebenen Fall wurde in
Naturform vorliegender Leberkäse portioniert,
der einen trapezförmigen
Sockel sowie ein unregelmäßig geformtes
Oberteil aufwies. Hierbei wurden folgende Ergebnisse erzielt:
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Wie
die dargestellten Werte zeigen, konnte die Gutausbeute auf 90% erhöht werden,
was einer Steigerung gegenüber
bekannten Systemen um nahezu 30% entspricht. Hierbei lag die maximale
Höhendifferenz in
der Außenkontur
zwischen zwei Meßpunkten
zwischen 20 und 40 mm.
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Zur
vereinfachten Darstellung wurde das erfindungsgemäße Verfahren
im Zusammenhang mit einem Lebensmittelprodukt beschrieben, das im
wesentlichen nur an der Oberfläche
unregelmäßig geformt
ist. Es sei jedoch festgestellt, daß für das erfindungsgemäße. Verfahren
auch auf die gesamte Oberfläche
eines zu schneidenden Produktes herangezogen werden kann. Gegebenenfalls
können
auch mehrere Laser und mehrere Aufnahmeeinrichtungen vorgesehen
werden. Auch kann die Produktzuführung
durch transparente oder gitterartige Auflagen so gestaltet werden,
daß die
Auflageseite des Produktes erfasst werden kann.
