一種注射式咖啡拉花機的結構與原理

王莎 洪昕辰 楊佳東 周雨婷

摘 要：本團隊受3D打印機啟發(fā)，研制了注射式咖啡拉花機，以巧克力醬為拉花原料，實現(xiàn)了全自動任意圖案的咖啡拉花。該產(chǎn)品是機械自動化在咖啡拉花上的應用，代替人工咖啡拉花。其機械結構原理簡單、控制結構容易實現(xiàn)，生產(chǎn)簡單，整體設備成本低，拉花效率高并且誤差小，人為操作簡單，性價比高。

關鍵詞：注射式；咖啡拉花；機械自動化

中圖分類號：TS972.23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0033-02

Abstract： Inspired by the 3D printer， our team developed an injection-type latte art machine， which uses chocolate sauce as the raw material to achieve the automatic arbitrary pattern of latte art for coffee. This product is the application of mechanical automation in the latte art， instead of artificial latte art. Its mechanical structure principle is simple， the control structure is easy to realize， the production is simple， the overall equipment cost is low， the drawing efficiency is high and the error is small， the operation process is simple， but the performance-price ratio is high.

Keywords： injection-type； latte art； mechanical automation

1 背景及市場前景、目的

隨著中國改革開放的不斷深入，近幾年來咖啡拉花越來越受歡迎。而專業(yè)拉花師的培養(yǎng)耗資巨大，一些小店鋪就無法滿足客戶對咖啡樣式的需求。現(xiàn)今市場機器代替人工的案例越來越多，機械自動化在實際生活中運用越來越廣泛，但關于咖啡拉花機，僅有少數(shù)，在這一方面仍存在大量的空白。本團隊的發(fā)明正好可以填補這些空白，實現(xiàn)多樣式全自動任意圖案式拉花。雖然國外已有技術相對成熟的咖啡拉花機，但因價格昂貴，可供選擇的類型少，而不適合國內(nèi)市場普及和發(fā)展。

我們的基本思路通過以下流程圖來簡單闡述（見圖1）。

2 機械結構

該產(chǎn)品整體以2020鋁型材、亞克力板、鋁板為框架制造，部分固定件為3D打印件，經(jīng)濟實惠。

我們基于3D打印機的了解，將該拉花機采用XY平面內(nèi)按照軌跡繪制圖案，Z方向上擠壓注射器送料的方案。細節(jié)上，我們在拉花機底部中心雕刻有同心圓刻度，用其確定咖啡杯的位置。后亞克力板設計成30°角的彎折，人性化地固定顯示器，同時也固定控制板和電源，最大化的利用了空間。針對咖啡杯不同的高度對注射器進行了設計改造，使用齒狀切合，不僅可以平穩(wěn)的安置注射器，還能手動微調(diào)注射器高度。

設計時由于經(jīng)驗不足，出現(xiàn)過不少問題，但我們都找到了相應的解決方案：

（1）其中作為x軸的鋁型材固定的位置太低，最下沿低于咖啡杯沿的高度，導致在y方向移動的過程中會與咖啡杯碰撞。因此我們重新定制了兩側(cè)的亞克力板，加高了固定鋁型材孔的位置。

（2）在調(diào)試中，送料機構中齒輪減速部分發(fā)生了失步現(xiàn)象。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是機械結構設計時兩個齒輪的中心距存在誤差。因此我們對送料機構內(nèi)固定絲桿和齒輪的3D打印件重新進行了設計。在減小中心距誤差的同時，又在原來的基礎上在上方多設計了一個放置軸承的凹槽，更精確的固定了絲桿的位置，使其不偏移。

（3）z軸齒輪轉(zhuǎn)動時，活塞被帶動向上移動，但由于摩擦過大，導致針筒一起往上移動。因此我們調(diào)整了夾具的位置，使其固定在針筒的豎直方向上的位置。

3 控制結構

在控制上我們結合Arduino單片機，把需拉花的圖片用矢量繪圖轉(zhuǎn)G代碼軟件將圖案進行矢量化坐標G代碼轉(zhuǎn)換，形成具體化的X軸Y軸坐標變化路線。再將G代碼寫入Grbl嵌入式編譯器和運動控制器，以驅(qū)動X軸Y軸的步進電機運行。按照G代碼中的精確坐標，電機能將注射器按照標準定位軌跡移動，期間注射器由單獨的Z軸電機進行定量擠壓。

（1）固件選擇：在固件上我們選擇開源的marlin 固件，更改各類參數(shù)來獲得一個良好的操作效果，通過取消固件內(nèi)置的溫度傳感器，更改顯示界面，得到了實驗專屬的固件。

（2）顯示器：我們選擇lcd12864作為我們的試驗機顯示器，價格便宜，配置修改方便，在產(chǎn)品機上我們將使用TFT全彩觸摸屏，操作簡潔。

（3）代碼：目前開源的軟件都是基于二維坐標設計，無法一次性獲得x、y、z三個坐標的代碼，我們對二維代碼再次編程，根據(jù)代碼行數(shù)和總擠出量確定了各行的擠出數(shù)據(jù)，獲得了控制代碼。

（4）計算及調(diào)試：巧克力醬擠出量與電機行程速度的關系：

送料電機行程速度輸入為v1=20mm/s，電機齒輪址徑D1=20mm

由于針筒吸入巧克力醬的方式從針頭吸入，因此針頭內(nèi)已有巧克力醬，則擠出量不考慮針頭內(nèi)的體積。

擠出量Q=v2A=0.127×206.12=26.18mm3/s

擠出量與電機行程速度的關系為：

另外我們采用的巧克力醬，粘度范圍在10～20Pa·s，經(jīng)實驗證明，在此粘度范圍內(nèi)及此擠出量的條件下，并不會因為張力等因素發(fā)生太大誤差，可以進行拉花操作。

在調(diào)試過程中，碰到過許多問題，比如在奶泡上繪制的線條圖案粗細不均，經(jīng)分析我們選用了合適的注射器針頭、濃度適宜的巧克力醬，并且將抽入注射器的巧克力醬中含有的空氣擠盡，控制Z軸運動速度，以此達到圖案線條粗細均勻；發(fā)現(xiàn)X軸、Y軸運動有卡頓現(xiàn)象，對皮帶輪的松緊度進行了調(diào)整；擠出圖案容易發(fā)生部分缺失，我們將注射器盡量靠近杯面，減少巧克力醬在注射器端口凝結。

4 結束語

該注射式咖啡拉花機采用的機械結構設計原理簡單、控制結構容易實現(xiàn)。咖啡拉花機生產(chǎn)簡單，整體設備成本低，拉花效率高并且誤差小，人為操作簡單，性價比高。

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