食品自动化加工也面临着不同于其它行业的挑战：自动化制造需要有可预见的环境、大量均一产品以及简单的可重复动作，获得自动化制造成功的必需前提是产品的多样化范围要小于自动化制造系统的能力控制范围。与日用品及汽车制造相比，食品常常缺乏规则的形状以及有着不均一的尺寸及多变的组织结构，这是食品自动化加工所具有的独特挑战。

本文回顾了食品自动化加工的发展历程，并重点介绍了自动化在食品加工中的独特优势和所面临的挑战。

从某种意义上讲，人是世界上最灵活的“设备”，人可以快速分辨周围环境与情况的变化，然后进行迅速地调整；然而，人也是这个世界上最无法信赖的“设备”，人会疲劳、会丧失注意力，结果会导致产品不合乎规格、产量不足及质量不达标，但是真正的设备则不会。

虽然设备在简单可重复运动的自动化应用中是值得信赖的，但是在不可预知环境中或者多变的操作环境中却无法很好地适应。大产量、可重复的加工制造任务更倾向于自动化，食品加工业亦是如此，尽管食品加工的自动化在带来优势的同时也面临一些挑战。

起源于食品加工的工业自动化发展历史



尽管诸如汽车、电子、日用产品等非食品行业会更多地使用自动化，但历史上第一个实现自动化的工厂是由奥利弗• 伊凡斯在1787 年发明的面粉厂。伊凡斯是工业革命早期的一个多产的发明家，他曾经以水力轮机作为动力驱动了许多生产设备。

在二十世纪早期，芝加哥地区的肉制品包装工业被认为是美国第一条流水组装（或拆装）生产线。食品加工业的这种自动化激发了亨利• 福特对汽车流水线的灵感，流水线装配的概念正是来源于亨利• 福特对肉制品加工流水线的观察：工人们站在固定位置上，而滑车系统将待加工的肉运至每个工人的面前。 ( 摘自Ford, Henry& Crowther, Samuel (1922)，My Life and Work )

自动化设备可以显著提高生产效率，无论是通过减少人工还是通过增加产量。

在二十世纪后半段，工业电子传感器、控制系统与动力系统的技术进步带来了生产与工艺的新高度，超越了过去工业革命中那些僵化的机械设备与工艺。到了二十世纪末期，灵活的机器人系统就可以通过编程来完成众多任务，在大多数加工业中普遍取代了人工和过去的机械设备。

食品加工自动化的发展历程

食品加工自动化的发展历程要比其他日用产品及耐用消费品加工业更缓慢。“即便是今天，食品生产依然主要靠手工，这种情况在中小企业中特别典型。”(摘自《食品安全》（八月/九月，2014），Davis,Steve，“食品工业中的机器人技术和自动化”)

直到二十世纪末期，大部分食品还是以生鲜形式被出售，简易的本地化供应链无法聚集产能，从而导致经济效益无法对更高自动化水平和设备进行投资。

直到冷藏及速冻技术的发明以及可以将食品运输到生产地的基础设施的出现，才导致了大规模的食品加工生产，投资与自动化也得以可行。

以热狗和香肠为例，如果其弯曲度超出了自动化设备的处理范围，就会导致一系列问题。（图片来源：Drake, Middleby Corp）

“起初食品加工自动化聚焦于生产线的末端（如电脑编程的自动装袋机械）并得以胜任，但是食品加工自动化更需要速度快和敏捷的设备，用于组成高级自动化生产线并实现在单个食品上快速‘抓取- 摆放’。”( 摘自《食品安全》（八月/ 九月，2014），Davis,Steve，“食品工业中的机器人技术和自动化”)



自动化的优势

无论是使用机械机构还是编程机器的自动化加工都可以更加精确和准确地处理可重复动作，自动化设备与加工过程在这样的简单、可重复的动作上比人工更加可靠。自动化设备可以显著提高生产效率，无论是通过减少人工还是通过增加产量。在食品加工业中，自动化还可以带来其他优势，包括：

1）提高食品质量：在需要低温下进行生产以保证食品安全的情况下，自动化机械可以轻松应对。自动化机械还可以在其他多种严酷的环境中进行工作，甚至是非常冷的环境中。

2）增强产品的均一性：使用自动化机械可以减少食品生产中的浪费，提高总体出品率。自动化的切割更具备均一性，据估计精确的自动化切割可以帮助肉类生产商提高将近3% 的可销售产品。

3）增加生产功能：自动化机械可以进行超越人工操作技能的调整。自动化机械不仅仅可以在无菌环境中生产，还可以在生产中进行精确的计数，使得产品的可追溯性成为可能。

4）增强工作安全性：自动化可以取代那些涉及到员工人身安全的操作任务，如切割等，创造更安全的工作环境。

5）增强食品安全：引发食品安全的污染物会通过操作者进行传播，但是使用自动化机械可以消除这种从操作者到食品的污染途径。

( 摘自食品物流网站 (9月26日，2014)，Castaldi, Steve， 机器人如何改变和完善食品工业”)

自动化的基本元素

以下是任意一种自动化设备的基本组成元素：传感子系统，运动子系统和控制子系统。

在任何动作进行之前，待处理的产品都需要被定位或者定向。以人的活动为例，当打开啤酒瓶盖时，我们使用眼睛来定位起子和瓶盖，然后我们使用手来撬动起子打开瓶盖。在自动化过程中，待处理的产品可以通过一系列的方式来实现定位或定向，比如整合了视觉传感系统的机器人可以使用末端机械臂等功能部件来实现定位、定向及处理物品。

完成定位的下一步是处理动作，还是以人的活动为例，将要进行的动作就是开启瓶盖这一动作本身。在生产过程中，自动化可以完成诸如搬运物品、组装物品以及包装等诸多动作。自动化焊接也越来越成为自动化设备制造的通用技术，因为自动化焊接更加精准和可靠。

控制是第三个基本要素。人类通过眼睛和手的感觉来控制手进行动作，决定动作的速度和方向，感受开启瓶盖时的压力反馈，甚至瓶子破碎后的应激反应。在自动化机械设备中，一旦产品的定位和定向完成，控制系统将会执行和控制预定的动作任务，并可以在某些不可接受的情况下以及不合格的产品产生时停止生产过程。

自动化得以成功的条件

正如我们之前提及的，人才是这个世界上最万能的“机械”，可以处理许多情况，根据不同的环境迅速做出细微的调整。以厨房操作为例，人可以迅速地从处理水果切换到拿起易碎的杯子，然后再拿起一把金属勺子，这种多样化地处理物品的能力和动作需要触觉的感应，以精确的压力来控制拿放的压力，人所具备的能力可以轻易且高效地识别环境并做出反应。

自动化设备则对物品的多样化、操作环境以及输出期望不是那么敏感，其处理范围必须要能涵盖这种多样性、环境及输出期望。

待处理产品的范围超出自动化加工设备能力范围的自动化必定是失败的。使待处理产品的差异性最小化尤为重要。

◆ 形状与尺寸

以热狗和香肠为例，如果其弯曲度超出了自动化设备的处理范围，则会导致一系列问题。而当尺寸超出自动化设备的预制处理尺寸之后，会因不匹配而导致低产出及高次品率。

◆ 产品质构

产品的质构也同样重要的，重量、软硬以及表面的质感都需要被着重考虑，为100克产品设计的自动化设备模具在处理更重的产品时就会有问题。产品表面的结构因为要接触自动化设备也显得比较重要，如果产品的表面是粘性的，很可能产品就会无法脱离设备，除非使用其他补救方法。

结论

尽管食品加工业实施自动化的益处是显著的，但是食品加工业的自动化潜力还没有被完全开发出来，不仅仅是成本节省、增加产量，也包括了清洁卫生。但是食品工业中产品尺寸、形状的差异以及质构上的固有特性，使得自动化面临着特殊挑战。自动化设备工程师不但需要对产品的特性有着更清晰的认识，还需要清楚特定目的的自动化并最终使两者统一。最后，还需再次强调的是，自动化得以成功的唯一关键就是：自动化设备处理的范围要大于产品的范围。