Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОЧНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЯСА ТУШ ЖИВОТНЫХ ПРИ ФОРМОВАНИИ СУПОВЫХ НАБОРОВ

Огиенко О.А. 1 Земсков Ю.П. 1 Назина Л.И. 1
1 ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»
В настоящее время в мясной промышленности наблюдается тенденция к усовершенствованию некоторых технологических процессов на основе излучающих форм энергии. Такое усовершенствование характеризуется увеличением скорости, высокой степенью механизации и автоматизации, повышением безопасности рабочего процесса, достижением высокой точности и качества продукции. При формовании мясных суповых наборов наблюдается проблема расхождения массы готовой продукции, что связано с механической распиловкой мясных туш, после которой требуется дополнительная операция комплектации методом взвешивания. С целью решения данной проблемы предложен способ лазерного сканирования мясной туши и разрезание ее лазерным лучом по установленным расчетным скорректированным точкам, которые намечены 3D сканером с учетом будущего лазерного разреза по ним. Это позволит достичь постоянной нормированной массы супового набора и исключит дополнительное взвешивание. Получены числовые зависимости точности распила от расстояния между распилами и сканированным объемом по рельефу мясной туши.
лазерная резка мяса
точность ориентирования точек разреза
лазерное сканирование
математический аппарат
объем
масса и плотность мяса
1. Абрамов Г.В., Назина Л.И., Попов Г.В. Исследование точности ориентации полупроводниковых пластин по базовому срезу в пневмовихревой центрифуге // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2002. – № 9. – С. 43–48.
2. Земсков Ю.П., Пегина А.Н. Применение системы 8D при оценке качества продукции // Материалы LIII отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2014 год, посвященной 85-летию ВГУИТ. – Воронеж, 2015. – С. 142.
3. Лихачева Л.Б., Назина Л.И. Улучшение процессов организации на основе концепции «Шесть сигм» // Экономика. Инновации. Управление качеством. – 2015. – № 2(11). – С. 50–53.
4. Мурашов И.Д. Разработка установки для лазерного резания мяса // Мясные технологии. – М.: ООО Изд-во «Отраслевые ведомости». – 2011. – № 2. – С. 32–34.
5. Назина Л.И., Попов Г.В., Лихачева Л.Б. Руководство по выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы технологии производства». – Воронеж: ВГУИТ, 2014. – 54 с.
6. Назина Л.И., Абрамов Г.В. Проектирование оборудования, реализующего заданный закон движения обрабатываемых изделий // Системный анализ и моделирование процессов управления качеством в инновационном развитии агропромышленного комплекса: материалы конференции приуроченой к 85-летию ВГУИТ и проводится в рамках реализации технологической платформы «Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК – продукты здорового питания». – 2015. – С. 379–384.
7. Фрейдин А.Я. Трехмерное лазерное сканирование и его применение для съемки архитектурных сооружений и раставрации памятников // Оптический журнал. – СПб.: Изд-во Санкт-Петербургский национальгый исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2007. – Т. 74, № 8. – С. 44–49.

Распиловка туш, разделка на отруба – одна из самых трудоемких и ответственных операций первичной переработки мяса. Применение при разделке механизированного инструмента позволяет значительно облегчить процесс и сократить время выполнения операции. Однако при этом требования к инструменту для распиловки весьма серьезные. Это связано с необходимостью обеспечить минимальные потери сырья. В процессе распиловки надо минимизировать перенос загрязнений по поверхности распила. Инструмент не должен очень утомлять работника, чтобы он выполнял работу качественно в течение длительного времени.

Обзор литературных источников выявил, что одним из перспективных направлений является применение в мясной промышленности лазерного режущего инструмента, возможными свойствами которого являются отсутствие механического контакта с рассекаемым объектом, безынерционность, стабильность в работе, наличие максимально возможного числа степеней свободы. Кроме того, особенности лазеров как источников электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн: от рентгеновского до дальнего инфракрасного (10–2…102 мкм) – с большой мощностью и высокой монохроматичностью, способных повышать энергию составляющих элементов мясного сырья на клеточном, молекулярном, ионном и атомном уровнях, открывают ряд других возможностей для использования их в технологии производства мясных продуктов [1, 3].

Они могут быть использованы для интенсификации технологических процессов, стимуляции активности ферментов, повышения сохранности сырья и готовой продукции при хранении и транспортировке, управления биохимическими реакциями и биотехнологическими процессами и в ряде других областей. На рис. 1 показан разрез фрагмента мяса лазерным лучом.

pic_59.tif

Рис. 1. Разрез фрагмента мяса лазерным лучом при формовании суповых наборов

pic_60.wmf

Рис. 2. Алгоритм проведения этапа временных сдерживающих действий

Применение системы 8D (восемь дисциплин) облегчит моделирование технологического процесса [2]. 8D (EIGHT DISCIPLINE) – высокоэффективное средство для определения коренных причин несоответствий и внедрения корректирующих действий. Эта методика создана для разрешения проблем, связанных с недостаточным уровнем качества в производственном процессе, методологическим и аналитическим путем. Это высокоэффективное средство для определения коренных причин несоответствий, разработки и внедрения корректирующих действий. В соответствии с предложенной методикой имеет место алгоритм проведения конкретного этапа. На рис. 2 показана схема прохождения этапа методики 8 дисциплин.

Из рис. 2 видно, что каждый этап методики 8 дисциплин: D0 – определение симптома; D1 – формирование команды; D2 – описание проблемы; D3 – планирование и проведение сдерживающих действий (локализация проблемы); D4 – определение коренной причины; D5 – разработка и выбор корректирующих действий; D6 – разработка и реализация предупреждающих действий; D7 – оценка результативности; D8 – подведение итогов. Также показано на примере этапа D3 – планирование и проведение сдерживающих действий (локализация проблемы) как должен происходить процесс лазерной резки мясных туш при формовании суповых наборов.

Моделирование процесса разрезания [5, 6] предусматривает рассмотрение схемы расположения контрольных точек разрезаемого фрагмента мяса, показанной на рис. 3.

Предположим, что фрагмент мяса представляет собой параболу с расположением контрольных точек, которые должны быть обозначены при лазерном сканировании для дальнейшей операции лазерной резки. Тогда ордината y для определения площади разреза по месту расположения кости и y1 – надкостной прожилки будут определяться по формуле

ogienko01.wmf

Площадь пространства, располагающегося в интервале точек от z1 до x1, будет определяться в интегральной форме:

ogienko02.wmf

Интегрируя выражение, получим

ogienko03.wmf

Масса тела будет определяться по формуле

ogienko04.wmf

Откуда ogienko05.wmf

pic_61.wmf

Рис. 3. Схема расположения контрольных точек разрезаемого фрагмента мяса

pic_62.wmf

Риc. 4. Схема вычисления точки разреза с учетом коррекции

Физическое моделирование процесса распиловки лазерным лучом заключается в следующем. Туша укладывается на горизонтальную поверхность, где базируется относительно лазерного измерительного устройства [4].

Данное устройство включается в работу, и сканирующий лазерный луч в 3D проходит над мясной поверхностью, сканируя весь рельеф по точкам. Информация об этом поступает в запоминающее устройство. Далее, когда рельеф туши готов к разрезанию, лазерный луч, проходя над сканированной поверхностью, останавливается именно в тех местах, где необходимо произвести разрез, как показано на рис. 4.

Математическая модель позволяет описать механизм корректирования точки, намеченной сканером с учетом будущего лазерного разреза по ней, в виде инженерной формулы. Это, в свою очередь, дает возможность программирования процесса лазерного сканирования и разрезания. И далее, имея программу конкретного разреза, вычисляется истинная масса отрезанного фрагмента (отруба) мяса с учетом погрешности на действие лазерного луча и выводится на экран для индикации. Эта величина принимается как окончательная и отражается на упаковке супового набора.

С учетом прогноза, что масса супового набора должна составлять 1000 ± 0,01 г, площадь составит

ogienko06.wmf

Следовательно, скорректированная точка, намеченная сканером с учетом будущего лазерного разреза по ней, будет определяться по формуле

ogienko07.wmf

где c – коэффициент корреляции разреза, который равен ogienko08.wmf

Для вычисления объема тела по площадям параллельных сечений необходимо вывести основную формулу, позволяющую выразить объем тела через площади сечений этого тела, параллельных некоторой плоскости.

Тело T назовем регулярным, если существует такая плоскость П, что:

1) тело T лежит по одну сторону от этой плоскости;

2) все сечения тела T плоскостями, параллельными плоскости П, квадрируемы;

3) площадь S(x) сечения Q(x), параллельного плоскости П и отстоящего от нее на расстояние x, является непрерывной функцией от x;

4) если S(x1) ≤ S(x2), то проекция сечения Q(x2) на плоскость П содержит проекцию сечения Q(x2) на ту же плоскость.

Если тело T регулярно, то оно кубируемо, причем его объем выражается формулой

ogienko09.wmf

где T – площадь сечения тела плоскостью, параллельной плоскости П и отстоящей от нее на расстояние x; a – нижний предел как наименьшее из расстояний точек тела S(x) тела T от плоскости П; b – верхний предел как наибольшее из этих расстояний (рис. 5, где а = 0).

Рассмотрим некоторое разбиение отрезка [a; b]: a = x0 < x1… < xn = b и на расстояниях проведем плоскости, параллельные плоскости П. Данное тело Т этими плоскостями разобьется на частичные «ломтики», т.е. x0, x1, …, xn Т0, Т1, …, Тn-1.

pic_63.tif

Рис. 5. Схема вычисления объемного тела

Следует определить k-й частичный «ломтик». Его высота равна Δxk = xk + 1 – xk. Так как функция y = S(x) непрерывна на отрезке [xk; xk+1], то она принимает на этом отрезке наибольшее и наименьшее значения. Наименьшее значение площади сечения для этого «ломтика» обозначим sk, а наибольшее Sk. Построим два прямых цилиндрических тела с основаниями sk и Sk.

В силу условия (4) регулярности тела Т цилиндрическое тело с основанием sk лежит внутри частичного «ломтика», а цилиндрическое тело с основанием Sk целиком его содержит.

Объем Vk внутреннего цилиндрического тела будет определяться по формуле

Vk = SkΔxk и Vk = skΔxk.

Объединяя все внутренние и все внешние цилиндрические тела, получим два тела L1 и L2, такие, что L1 ⊂ Т ⊂ L2. Объем тел L1 и L2 определяется по формулам

ogienko10.wmf ogienko11.wmf

Но ogienko12.wmf ogienko13.wmf являются нижней и верхней суммами Дарбу для интеграла ogienko14.wmf. Поэтому для любого ε > 0 найдется такое разбиение отрезка [a; b], при котором

ogienko15.wmf

то есть V(L2) – V(L1) < ε.

Отсюда следует, что тело Т кубируемо. При этом объем тела V(Т) удовлетворяет неравенству

ogienko16.wmf

Но, с другой стороны

ogienko17.wmf

Значит, числа V(Т) и ogienko18.wmf разделяют одни и те же числовые множества. Поскольку эти множества разделяются лишь одним числом, то ogienko19.wmf, что и требовалось доказать.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что точность формования супового набора по массе будет зависеть от рассчитанного объема мясной туши при лазерном сканировании и разрезании, который зависит от расстояния между распилами. Данное положение может быть использовано в разработке специальных программ для трехмерных лазерных сканеров при сканировании туш животных и дальнейшего их разреза на равномерные фрагменты по массе.

Необходимо применить метод статистического анализа точности и устойчивости процесса разрезания туш, который может оказать существенное влияние на формование суповых мясных наборов.


Библиографическая ссылка

Огиенко О.А., Земсков Ю.П., Назина Л.И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТОЧНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЯСА ТУШ ЖИВОТНЫХ ПРИ ФОРМОВАНИИ СУПОВЫХ НАБОРОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 5-3. – С. 476-480;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35936 (дата обращения: 02.12.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074