自動刷涂醬料燒烤設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)探究

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摘要：針對當(dāng)前燒烤市場上的工作方式，基于STM32單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠在木炭烤爐上模擬人工刷涂醬料的機(jī)械裝置。對刷涂醬料動作進(jìn)行了運(yùn)動方案分析和設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)部件和控制方案進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵連接件強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析校驗(yàn)以確保滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)過試驗(yàn)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)模擬人工在市場常用木炭燒烤爐上的刷涂醬料運(yùn)動，為自動化燒烤提供了新思路。

關(guān)鍵詞：燒烤；自動化；運(yùn)動模型；STM32

0引言

國內(nèi)傳統(tǒng)的烤肉是將肉制品穿在烤肉鐵釬子上，在簡易的烤肉爐上烤制。烤肉爐通常是鐵皮長槽，使用木炭或燃煤作燃料。烤制時，將鐵釬子放在烤肉槽上，加熱的同時還需要撒上各種調(diào)味品并不停地翻烤[1]。在對于燒烤自動化的研究中，張振[2]設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)烤肉自動旋轉(zhuǎn)的家用燃?xì)饪救鉅t，該烤爐通過卡盤轉(zhuǎn)動帶動所有肉串釬實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，但該設(shè)計(jì)只能用于燃?xì)鉄?，無法適應(yīng)燒烤市場中多為木炭燒烤的需求。吳維欣等[3]設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式烤肉機(jī)，通過連續(xù)傳送帶帶動烤肉釬，還設(shè)置了自動送料機(jī)，可以在傳送帶的作用下與烤肉機(jī)的連續(xù)傳送帶同步傳動連接，但該設(shè)計(jì)只實(shí)現(xiàn)了食材的自動旋轉(zhuǎn)，沒有實(shí)現(xiàn)食材在烘烤過程中的涂刷醬料功能。韓雪超等[4]改進(jìn)設(shè)計(jì)了移動式烤肉機(jī)，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)肉串的自動傳輸和刷料，但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能大規(guī)模使用。呂仲明[5]改進(jìn)了第一代烤肉爐，改進(jìn)后的便攜式烤肉爐在內(nèi)部壓力場分布和速度場分布上都占有較大優(yōu)勢，但只是更改了烤肉爐的結(jié)構(gòu)，并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械刷料工藝。因此，針對當(dāng)前燒烤市場上傳統(tǒng)木炭烤爐的工作方式，基于STM32單片機(jī)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠在木炭烤爐上模擬人工刷涂醬料的機(jī)械裝置。

1涂刷醬料的運(yùn)動模型建立

1.1涂刷動作的機(jī)械動作實(shí)現(xiàn)

在燒烤給食物增加調(diào)味品的過程中，一般使用刷子蘸取醬料，在食物上往復(fù)移動將醬料涂刷均勻，見圖1。涂刷醬料的工藝在運(yùn)動上可表現(xiàn)為：刷子一端被夾持著垂直放置，刷毛與食材發(fā)生干涉，在空間上以食材沿?zé)竞灥姆较驗(yàn)檩S，進(jìn)行往復(fù)的軸向直線運(yùn)動，即實(shí)現(xiàn)刷子在食材上的直線運(yùn)動。萬亮晨等[6]發(fā)明了一種可實(shí)現(xiàn)刷子在食材上直線運(yùn)動的自動燒烤架。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖如圖2所示。由圖2可知，該燒烤架有一個沿x軸的直線運(yùn)動v，沿y軸的直線運(yùn)動u，需實(shí)現(xiàn)覆蓋長度為L的工作范圍，需要使用同樣長度為L的導(dǎo)軌，不僅成本高，并且占用了更多的空間。基于節(jié)省成本、節(jié)約空間的目的，將X、Y方向上的兩個直線運(yùn)動更改為X方向上的直線運(yùn)動和一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，見圖3。由圖3可知，改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)只需要長度為d的導(dǎo)軌即可實(shí)現(xiàn)在相同的工作范圍L內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動。

1.2機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型建立

改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)使用一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動擬合成一個在食材上的往復(fù)運(yùn)動。則有下式：sinθ=（k+s）/D；（1）k=h－a0乙udt；（2）u=Dwcosθ；（3）v=Dwsinθ。（4）式中：r為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動角速度，r/s；v為直線運(yùn)動速度，mm/s；u為燒烤簽上的直線運(yùn)動速度，mm/s；D為旋轉(zhuǎn)臂長，mm；θ為旋轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)軌之間的夾角，rad；s為烤架和導(dǎo)軌之間的距離，mm；dt為單位運(yùn)動時間；w為角速度；a為運(yùn)動瞬間時刻，s。在D、w、s、h已知的情況下，可通過式（1）~式（4）聯(lián)立求解機(jī)械臂的末端位置和u、v的瞬時速度。故要實(shí)現(xiàn)在燒烤簽上速度為u的直線運(yùn)動，需要一個角速度為w的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個速度為v的直線運(yùn)動。

2機(jī)械部件選型設(shè)計(jì)和運(yùn)動控制

2.1總體設(shè)計(jì)

運(yùn)動方案確定后，系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)、上位機(jī)組成（如圖4），機(jī)構(gòu)裝配建模如圖5所示。將燒烤放置上工位后，刷料部件開始運(yùn)動。刷料部件可實(shí)現(xiàn)一個空間三自由度的機(jī)械臂運(yùn)動?？赏ㄟ^直線運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和上下運(yùn)動完成刷子在空間內(nèi)的移動。當(dāng)需要補(bǔ)充醬料時，刷子移動至燒烤爐旁邊的醬料補(bǔ)充區(qū)，使刷子與醬料發(fā)生干涉即可蘸取醬料，然后回到食材上方繼續(xù)完成刷料動作。上位機(jī)通過相機(jī)拍攝燒烤圖片，食材各熟度階段的圖片經(jīng)過圖像預(yù)處理后通過輸入Resnet模型訓(xùn)練可實(shí)現(xiàn)對輸入圖片食材熟度的判斷。在判斷食材成熟后，將指令發(fā)送給下料部件。下料部件為直線運(yùn)動平臺上裝載著兩個末端是夾具的微型氣缸。接收到下料指令后，氣缸桿伸出，使夾具夾持著燒烤簽脫離燒烤爐表面。接著直線運(yùn)動平臺運(yùn)動至下料盤下方，氣缸收縮，將燒烤簽放置在下料盤中，至此完成一個自動燒烤的工序。

2.2運(yùn)動部件設(shè)計(jì)

運(yùn)動部件分為刷料部件和下料部件。刷料部件分為直線運(yùn)動部件、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件和上下運(yùn)動部件。2.2.1直線運(yùn)動部件。在本機(jī)構(gòu)中，直線運(yùn)動需要滿足高精度、響應(yīng)速度快的要求。因此，可以選用滾珠絲杠副和步進(jìn)電動機(jī)組合成直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副具有高精度、高效率、高剛度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作伺服進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件[7]。本設(shè)計(jì)中選用莫卡的FSL40滾珠絲杠副，絲杠單軸定位精度為0.03mm，重復(fù)定位精度為0.05mm，導(dǎo)程（螺距）為4mm[8]。滾珠絲杠的運(yùn)動公式為v=wb1·t。（5）式中：v為滾珠絲杠副的運(yùn)動速度，mm/min；wb1為滾珠絲杠電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；t為導(dǎo)程，mm/r?？梢酝ㄟ^更改脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)速度、方向的控制等，由這種電動機(jī)組成的開環(huán)系統(tǒng)既穩(wěn)定又簡易，快速性也很好。步進(jìn)電動機(jī)由特定的驅(qū)動器供給電脈沖。在帶動負(fù)載不至于出現(xiàn)超載的情況下，電動機(jī)的啟停、理想轉(zhuǎn)速V僅僅由控制器輸出到電動機(jī)的脈沖信號決定，帶動負(fù)載不會對其運(yùn)動產(chǎn)生影響。本設(shè)計(jì)中選用57步進(jìn)電動機(jī)。2.2.2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件。旋轉(zhuǎn)部件需要完成旋轉(zhuǎn)臂微小角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，本設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電動機(jī)加上減速器的設(shè)計(jì)。2.2.3上下運(yùn)動部件。上下運(yùn)動機(jī)構(gòu)需要承載旋轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)和夾持刷子的懸臂進(jìn)行上下運(yùn)動，使刷子自上往下與食材發(fā)生干涉。該機(jī)構(gòu)無精度要求，只需要刷子與食材的干涉范圍在行程之內(nèi)，運(yùn)動平穩(wěn)即可。承載質(zhì)量4kg，可選用電動推桿機(jī)構(gòu)。最終選用龍翔的平底座電動推桿，使用24V直流電，行程為200mm，推力為500N，速度為24mm/s，接頭為M6螺紋孔。2.2.4下料運(yùn)動部件。下料部件中的直線運(yùn)動平臺設(shè)計(jì)同2.2.1節(jié)中設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動部件。其上裝載著兩個微型氣缸，氣缸桿連接著一個夾具。兩個氣缸桿伸出后夾具將燒烤簽抬起，完成將成熟的燒烤從燒烤爐中下料的過程。下料結(jié)束后，執(zhí)行原動作的相反動作，回到原點(diǎn)。

2.3運(yùn)動控制單元設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用由STMicroelectronic公司開發(fā)的STM32系列中的STM32F103RCT6，64引腳，板載USB-TTL串口，開發(fā)程序?yàn)镵eiluVision5。STM32控制器控制電動機(jī)需要使用電動機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號就驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（步距角）。因此可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。驅(qū)動器采用共陰極接線法[9]，如圖7所示。由圖7可知，控制器需要控制步進(jìn)電動機(jī)的速度和方向，只需要按照一定的頻率發(fā)射脈沖信號和改變方向信號[10]。將單片機(jī)I/O口與步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器按圖相連后，各引腳控制電動機(jī)參數(shù)如表1所示?？刂七\(yùn)動流程圖如圖8所示。

3樣機(jī)關(guān)鍵連接件強(qiáng)度分析與運(yùn)動誤差分析

3.1整機(jī)裝配

部件選型完畢后，按照圖4所示的模型圖進(jìn)行裝配。整機(jī)裝配完全后如圖9所示。由圖可知，旋轉(zhuǎn)臂、減速器和電動機(jī)全部固定于電動推桿接頭的連接件上，該處為機(jī)構(gòu)的最大危險處，故必須對該處進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)，以確保滿足強(qiáng)度要求。

3.2連接件強(qiáng)度有限元分析

3.2.1建立連接件有限元模型。要對連接件進(jìn)行有限元分析，首先需要進(jìn)行連接件的3D建模。建模和有限元分析軟件使用SolidWorks2016。3.2.2連接件的材料連接件使用材料為桌面級3D打印材料聚乳酸PLA優(yōu)化后的PLA+，屈服強(qiáng)度為49MPa，抗折強(qiáng)度為88.8MPa，拉伸強(qiáng)度為61.5MPa[11]。3.2.3邊界條件設(shè)置和網(wǎng)格劃分。連接件以螺栓固定于電動推桿接口處，承載著減速器、電動機(jī)和旋轉(zhuǎn)臂，總重為3kg。4個螺栓孔作為支撐點(diǎn)時受徑向的剪力，為保險起見，取較大值100N。網(wǎng)格劃分質(zhì)量設(shè)置為高，共劃分53326個單元。3.2.4計(jì)算結(jié)果分析。由圖11可知，最危險位置在4個螺孔連接處的厚度中點(diǎn)，該處使用vonMises準(zhǔn)則判斷的應(yīng)力值為0.85MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度49MPa、抗折強(qiáng)度88.8MPa、拉伸強(qiáng)度61.5MPa。證明連接件強(qiáng)度滿足使用要求。

3.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)目的為模擬人工夾持刷子在燒烤簽上的往復(fù)直線運(yùn)動，故需驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動。偏差率公式為ε=hH×100%。（6）式中：ε為偏差率；h為刷子中心到簽的距離，mm；H為刷子寬度的1/2，mm。誤差率ε的大小表示了該次運(yùn)動刷子偏離運(yùn)動軌跡和燒烤簽位置的程度。偏差率小于50%則視為滿足刷涂動作要求。如圖12所示，刷子寬為20mm，即H=10mm。每次運(yùn)動到終點(diǎn)后，測量刷子中心到燒烤簽的偏置值h，復(fù)位到起點(diǎn)再一次運(yùn)動到終點(diǎn)，以此往復(fù)測量h值，該過程重復(fù)20次。記錄數(shù)據(jù)見表2。偏差率隨復(fù)位次數(shù)變化的折線圖如圖13所示，可知隨著復(fù)位動作次數(shù)的增多，機(jī)構(gòu)的偏差值越來越大，需要人工復(fù)位，以重新定位初始位置，使其滿足運(yùn)動精度要求。經(jīng)過分析，該誤差主要來源為：1）機(jī)械部件本身的誤差；2）運(yùn)動控制算法需要優(yōu)化；3）測量誤差。

4結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種能夠在木炭烤爐上模擬人工刷涂醬料的機(jī)械裝置，該裝置可以在現(xiàn)有的燒烤市場中常用的木炭烤爐上使用，可實(shí)現(xiàn)自動刷涂醬料和下料的工序。經(jīng)過試驗(yàn)，在重復(fù)涂刷次數(shù)為20以內(nèi)時偏差率可滿足動作要求。建立的涂刷動作模型為燒烤自動化提供了一種機(jī)械實(shí)現(xiàn)的方法。設(shè)計(jì)中也有不足，如在檢測h值時采用的量具不夠精密，只能精確到1mm，導(dǎo)致偏差率的變化是以10%為單位，出現(xiàn)的偏差率均為離散值，與實(shí)際上連續(xù)變化的偏差率有差別；如能在設(shè)計(jì)中加入更多的位置傳感器，將能更好地保證定位精度。

作者:龍陽城 陳新度 吳磊 單位:廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院