自動烹飪粉面裝置的設計與試驗

陳 熵，袁 真，汪 鵬，李 旭，2

（1.湖南農業大學工學院，湖南 長沙410128；2.南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙410128）

粉、面是我們生活中常見的食物，粉類的品種多樣，如：湖南米粉、桂林米線、柳州螺螄粉［1］等深受國人偏愛。根據2018年數據統計，單一品種螺螄粉目前已在北京、上海、廣州、深圳、長沙、柳州等城市有超過5000家門店，營業額已超50億元［2］。面，為國人的主食之一，其的種類有幾十種之多，民間將武漢熱干面、北京炸醬面、山西刀削面、蘭州拉面、四川擔擔面并稱為“中國五大面食”［3］，因此，既美味又飽腹的粉面，成為了國人生活中必不可少的一部分。

粉、面有著共同的烹飪方式——將其在高溫的鍋中煮熟后加工成美食。通過觀察人們的烹飪方式發現，煮熟的過程往往是制作美食中耗時較長的一個環節，同時烹飪的工藝較為單一，具有較強的重復性。隨著科技不斷進步，自動化設備已經漸漸走入人們的生活［4］。烹飪機構也在逐漸代替傳統人工。通過觀察與分析，人們煮粉面的過程通常可分為：下鍋、翻煮、出鍋三個精簡的步驟，因此本文設計了一種自動烹飪粉面裝置，代替人工，實現粉面烹飪的自動化。

1 自動烹飪粉面裝置的結構設計

本研究設計一種自動烹飪粉面裝置，裝置分為：機械臂、溫控煮鍋［5］、滑槽漏勺三個部分，如圖1所示。機械臂為此裝置的主體部分，為一個具有兩自由度的機構系統。該系統由抬臂機構和旋臂機構兩部分組成。其中，抬臂機構可實現粉面烹飪過程中的下鍋、出鍋控制；旋臂機構可實現將粉面在鍋中的翻煮和出鍋后倒入預備容器的控制。

圖1 裝置結構示意圖

1.1 抬臂機構的設計

自動烹飪粉面裝置的抬臂機構為豎直狀態下的絲桿滑臺，其外部框架由鋁型材結構加固而成，組成部分包括：絲桿、電機、滑軌、滑塊四個部分。抬臂機構的動力主件為步進電機及其同軸的滾珠絲杠，將步進電機的旋轉運動轉化成滾珠絲桿上的滑塊機構直線運動，這種轉化實現升降平臺在豎直方向上進行運動并精準定位。

該裝置的滑塊進行升降動作時，要求每次移動的距離控制精準，因此采用滾珠絲杠規格為R1605滾珠絲杠，其直徑為16 mm，行程為390 mm，絲間導程為5 mm。裝置導軌為三根直徑為10 mm的光軸所組成。因此抬臂機構具有負載能力高，運動精準等特點。

1.2 旋臂機構的設計

設計裝置的旋臂機構負載于抬臂機構的滑塊上，可隨抬臂滑塊運動。旋臂機構由懸掛電機及懸臂桿所構成，懸臂桿一端與懸掛電機同軸，隨電機轉動而轉動，另一端垂直安裝漏勺，因此懸臂電機可精準控制漏勺的旋轉。懸臂桿的長度依據力的分析及加熱鍋體的尺寸需求來確定。確保漏勺下降位置不與鍋壁接觸，保持粉面在鍋中能充分受熱。本裝置采用懸臂長度設定為430mm，內徑為6.38mm，與懸臂電機用聯軸器鏈接。

1.3 滑槽漏勺的設計

該裝置的滑槽漏勺主體為鏤空圓柱體結構，通過懸臂桿連接器豎直裝配在懸臂桿上。在圓柱形漏勺上端增加一段滑槽，能實現粉面出鍋后，直接倒入具備容器中，如圖所示2。粉面完成烹飪后，懸掛電機轉過一定角度使滑槽傾斜，粉面從漏勺中沿著滑槽滑入容器。根據整體裝置的結構設計，滑槽漏勺總長設定為480 mm，漏勺高度為150 mm，底面半徑為65mm，懸臂桿上懸掛的滑槽漏勺個數可根據用于需求設定。

圖2 滑塊漏勺示意圖

1.4 溫控煮鍋的設計

溫控煮鍋的設計是一種基于電加熱器及溫度傳感器的水溫控制系統。煮鍋的溫度是可以人為設定的，通過溫度傳感器的檢測，當設定溫度高于實際溫度時，電加熱器開始工作，使得水溫開始升溫，當設定溫度低于實際溫度時，電加熱器停止工作，通過系統反復的控制電加熱器的使能，從而保證鍋內水溫一直停留在設定溫度上。裝置設定的最高加熱溫度為100℃。

溫控煮鍋的頂部設計一塊可移動平臺蓋，平臺蓋的結構為互鎖類型的滑道。當裝置處于非工作狀態時，平臺蓋充當煮鍋的防塵蓋；當裝置處于工作狀態時，平臺蓋通過滑道向外滑出，可在其上放置預備容器，待粉面烹飪完成后，粉面通過滑槽漏勺滑入放在平臺蓋上的容器中。

2 裝置的控制電路設計與程序設計

自動烹飪粉面裝置的工作執行元件為：抬臂電機以及懸掛電機，根據實際功能需求，本裝置的控制系統為基于STM32系列單片機的步進電機控制系統［6］，具有控制方便、精度高、扭矩大、耐高溫等特點。

2.1 控制系統硬件電路設計

本研究采用電極片控制步進電機驅動的方式對抬臂機構和旋臂機構進行控制。懸掛電機為60步進電機，抬臂電機為86步進電機，其步距角都為1.8°。步進電機旋轉一圈的脈沖數為360°除以步距角，因此步進電機旋轉一圈需要360°/1.8°=200個脈沖。

由于抬臂電機轉一圈絲杠前進一個導程，本裝置絲桿導程為5 mm，絲桿導程為390 mm，因此抬臂滑塊運動的最長路徑需要15600個脈沖。脈沖信號為單片機模塊所產生的PWM信號，由于步進電機不能直接接脈沖信號，只能接收分時供電，因此單片機產生的脈沖信號先傳給電機驅動模塊，電機驅動模塊再將其轉化的控制信號傳給步進電機，驅動步進電機旋轉。電機驅動模塊以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的，其設計電路如圖3所示。

2.2 控制系統程序設計

本研究采用STM32系列單片機作為核心控制單元，對數據采集與驅動控制，實現滑槽漏勺的精準控制和煮鍋的水溫調節。由于驅動電機的當前位置沒有斷電記憶功能，在機器斷電后，每次重啟都需要通過固定程序實現裝置的初始化。初始化功能的實現是通過抬臂電機及旋臂電機依次向坐標原點方向進行旋轉，直至觸發原點位置的行程開關，并及時停止相對應的電機。裝置的程序流程是依次實現并緊密配合的，程序流程圖如圖所示4，工作步驟大體可分為：加熱鍋中水溫、下鍋、翻煮、出鍋四個步驟。

圖3 電機驅動電路設計圖

圖4 程序流程圖

3 試驗與調試

通過程序設計研究，裝置的工作步驟可分為：加熱鍋中水溫、下鍋、翻煮、出鍋等。通過研究發現，不同品種的粉面對水溫的要求不同，對煮熟的時間要求也不同。以湖南米粉的為例（粉的種類為指寬扁狀態型米粉，長度為20～30 cm），在80℃的煮鍋中煮40 s左右，米粉便可煮熟，同時口感也是最佳狀態。本文以湖南米粉為例，對機器的主要參數進行了調試。

當設定溫度開始達到80℃后，抬臂機構才可開始工作，水溫在升高的同時，將需烹飪的米粉放入滑槽漏勺。

圖5 下鍋前狀態圖

當米粉完全浸泡入水后完成了下鍋動作，此時抬臂電機將停止工作，旋臂電機將開始工作。

圖6 煮粉狀態圖

為了防止米粉在鍋中煮的過程中相互粘連，因此需要通過懸臂電機的運動，實現翻抖，經過研究發現，漏勺在鍋中進行50度左右的順、逆時針旋轉、轉速為0～20圈每分鐘較為合適，米粉不會粘連，同時有效防止水濺出鍋外。

圖7 漏勺翻斗示意圖

米粉在鍋中翻煮40秒后，便可出鍋，出鍋過程為抬臂電機上升至指定高度后，懸臂電機順時針進行旋轉，直至漏勺中米粉，反向順著滑槽倒入事先具備的容器中。

4 結語

本研究設計了一款自動烹飪粉面裝置，可機器代替人工實現粉面下鍋、翻煮、出鍋的過程，經過對湖南米粉的試驗檢測，確定了多項研究參數，為自動烹飪粉面裝置的后續生產研究提供依據。

圖8 米粉出鍋倒置狀態圖