自動刷涂醬料燒烤設備的設計與實驗

龍陽城，陳新度，吳磊

（廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

國內傳統(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]設計了一種可實現(xiàn)烤肉自動旋轉的家用燃氣烤肉爐，該烤爐通過卡盤轉動帶動所有肉串釬實現(xiàn)轉動，但該設計只能用于燃氣燒烤，無法適應燒烤市場中多為木炭燒烤的需求。吳維欣等[3]設計的旋轉式烤肉機，通過連續(xù)傳送帶帶動烤肉釬，還設置了自動送料機，可以在傳送帶的作用下與烤肉機的連續(xù)傳送帶同步傳動連接，但該設計只實現(xiàn)了食材的自動旋轉，沒有實現(xiàn)食材在烘烤過程中的涂刷醬料功能。韓雪超等[4]改進設計了移動式烤肉機，該設計可實現(xiàn)肉串的自動傳輸和刷料，但機械結構復雜，不能大規(guī)模使用。呂仲明[5]改進了第一代烤肉爐，改進后的便攜式烤肉爐在內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構，并未實現(xiàn)機械刷料工藝。因此，針對當前燒烤市場上傳統(tǒng)木炭烤爐的工作方式，基于STM32單片機控制技術，設計了一種能夠在木炭烤爐上模擬人工刷涂醬料的機械裝置。

1 涂刷醬料的運動模型建立

1.1 涂刷動作的機械動作實現(xiàn)

在燒烤給食物增加調味品的過程中，一般使用刷子蘸取醬料，在食物上往復移動將醬料涂刷均勻，見圖1。

圖1 燒烤中的刷涂醬料工藝

涂刷醬料的工藝在運動上可表現(xiàn)為：刷子一端被夾持著垂直放置，刷毛與食材發(fā)生干涉，在空間上以食材沿燒烤簽的方向為軸，進行往復的軸向直線運動，即實現(xiàn)刷子在食材上的直線運動。

萬亮晨等[6]發(fā)明了一種可實現(xiàn)刷子在食材上直線運動的自動燒烤架。該機構的運動簡圖如圖2所示。

由圖2可知，該燒烤架有一個沿x軸的直線運動v，沿y軸的直線運動u，需實現(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動更改為X方向上的直線運動和一個旋轉運動，見圖3。

圖2 直線運動組合的自動燒烤架運動簡圖

由圖3可知，改進后的機構只需要長度為d的導軌即可實現(xiàn)在相同的工作范圍L內的往復運動。

圖3 改進后的機構運動簡圖

1.2 機構的運動學模型建立

改進后的機構使用一個旋轉運動和一個直線運動擬合成一個在食材上的往復運動。則有下式：

式中：r為旋轉運動角速度，r/s；v為直線運動速度，mm/s；u為燒烤簽上的直線運動速度，mm/s；D為旋轉臂長，mm；θ為旋轉臂與導軌之間的夾角，rad；s為烤架和導軌之間的距離，mm；dt為單位運動時間；w為角速度；a為運動瞬間時刻，s。

在D、w、s、h已知的情況下，可通過式（1）～式（4）聯(lián)立求解機械臂的末端位置和u、v的瞬時速度。

故要實現(xiàn)在燒烤簽上速度為u的直線運動，需要一個角速度為w的旋轉運動和一個速度為v的直線運動。

2 機械部件選型設計和運動控制

2.1 總體設計

運動方案確定后，系統(tǒng)主要由機械結構、控制結構、上位機組成（如圖4），機構裝配建模如圖5所示。

圖4 自動刷涂醬料機系統(tǒng)結構圖

圖5 結構三維裝配圖

將燒烤放置上工位后，刷料部件開始運動。刷料部件可實現(xiàn)一個空間三自由度的機械臂運動。可通過直線運動、旋轉運動和上下運動完成刷子在空間內的移動。當需要補充醬料時，刷子移動至燒烤爐旁邊的醬料補充區(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。

上位機通過相機拍攝燒烤圖片，食材各熟度階段的圖片經(jīng)過圖像預處理后通過輸入Resnet模型訓練可實現(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。接著直線運動平臺運動至下料盤下方，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 運動部件設計

運動部件分為刷料部件和下料部件。刷料部件分為直線運動部件、旋轉運動部件和上下運動部件。

2.2.1 直線運動部件

在本機構中，直線運動需要滿足高精度、響應速度快的要求。因此，可以選用滾珠絲杠副和步進電動機組合成直線運動機構。

滾珠絲杠副具有高精度、高效率、高剛度等優(yōu)點，被廣泛用作伺服進給驅動系統(tǒng)的關鍵功能部件[7]。本設計中選用莫卡的FSL40滾珠絲杠副，絲杠單軸定位精度為0.03 mm，重復定位精度為0.05 mm，導程（螺距）為4 mm[8]。滾珠絲杠的運動公式為

式中：v為滾珠絲杠副的運動速度，mm/min；wb1為滾珠絲杠電動機轉速，r/min；t為導程，mm/r。

可以通過更改脈沖頻率來實現(xiàn)對電動機速度、方向的控制等，由這種電動機組成的開環(huán)系統(tǒng)既穩(wěn)定又簡易，快速性也很好。步進電動機由特定的驅動器供給電脈沖。在帶動負載不至于出現(xiàn)超載的情況下，電動機的啟停、理想轉速V僅僅由控制器輸出到電動機的脈沖信號決定，帶動負載不會對其運動產(chǎn)生影響。本設計中選用57步進電動機。

2.2.2 旋轉運動部件

旋轉部件需要完成旋轉臂微小角度的旋轉運動，本設計中采用步進電動機加上減速器的設計。

2.2.3 上下運動部件

上下運動機構需要承載旋轉運動機構和夾持刷子的懸臂進行上下運動，使刷子自上往下與食材發(fā)生干涉。該機構無精度要求，只需要刷子與食材的干涉范圍在行程之內，運動平穩(wěn)即可。承載質量4 kg，可選用電動推桿機構。最終選用龍翔的平底座電動推桿，使用24 V直流電，行程為200 mm，推力為500 N，速度為24 mm/s，接頭為M6螺紋孔。

2.2.4 下料運動部件

未來，銀川經(jīng)開區(qū)將以服務業(yè)核心區(qū)為重點，著力打造信息技術、生物技術、知識產(chǎn)權轉化、科技、媒體、通信等6大業(yè)態(tài)集聚。銀川市副市長、銀川經(jīng)開區(qū)管委會主任高言杰告訴《中國經(jīng)濟周刊》，力爭到2020年科技貢獻率由2017年的67%達到70%以上、高新技術企業(yè)由2017年的44家增至50家左右，企業(yè)創(chuàng)新中心數(shù)由2017年的72家增至100家以上。

下料部件中的直線運動平臺設計同2.2.1節(jié)中設計的直線運動部件。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。下料結束后，執(zhí)行原動作的相反動作，回到原點。

2.3 運動控制單元設計

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USBTTL串口，開發(fā)程序為Keil uVision5。STM32控制器控制電動機需要使用電動機驅動器，步進驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。步進驅動器接收到一個脈沖信號就驅動步進電動機按設定的方向轉動一個固定的角度（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轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。驅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電動機的速度和方向，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I/O口與步進電動機驅動器按圖相連后，各引腳控制電動機參數(shù)如表1所示。

圖6 下料部件設計圖

圖7 驅動器接線圖

表1 STM32-電動機參數(shù)配置表

控制運動流程圖如圖8所示。

圖8 控制流程圖

3 樣機關鍵連接件強度分析與運動誤差分析

3.1 整機裝配

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

圖9 整機裝配

3.2 連接件強度有限元分析

3.2.1 建立連接件有限元模型

要對連接件進行有限元分析，首先需要進行連接件的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

3.2.3 邊界條件設置和網(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、電動機和旋轉臂，總重為3 kg。4個螺栓孔作為支撐點時受徑向的剪力，為保險起見，取較大值100 N。網(wǎng)格劃分質量設置為高，共劃分53 326個單元。

圖10 有限元分析劃分網(wǎng)格

3.2.4 計算結果分析

由圖11 可知，最危險位置在4個螺孔連接處的厚度中點，該處使用von Mises準則判斷的應力值為0.85 MPa，遠遠小于材料的屈服強度49 MPa、抗折強度88.8 MPa、拉伸強度61.5 MPa。證明連接件強度滿足使用要求。

圖11 有限元分析應力圖

3.3 實驗設計與結果分析

本設計目的為模擬人工夾持刷子在燒烤簽上的往復直線運動，故需驗證設計能否實現(xiàn)該運動。偏差率公式為

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動刷子偏離運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20 mm，即H=10 mm。

圖12 刷子與燒烤簽的定位

每次運動到終點后，測量刷子中心到燒烤簽的偏置值h，復位到起點再一次運動到終點，以此往復測量h值，該過程重復20次。記錄數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗次數(shù)-h值記錄表

偏差率隨復位次數(shù)變化的折線圖如圖13所示，可知隨著復位動作次數(shù)的增多，機構的偏差值越來越大，需要人工復位，以重新定位初始位置，使其滿足運動精度要求。

圖13 偏差率-復位次數(shù)變化折線圖

經(jīng)過分析，該誤差主要來源為：1）機械部件本身的誤差；2）運動控制算法需要優(yōu)化；3）測量誤差。

4 結語

設計了一種能夠在木炭烤爐上模擬人工刷涂醬料的機械裝置，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，可實現(xiàn)自動刷涂醬料和下料的工序。經(jīng)過試驗，在重復涂刷次數(shù)為20以內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械實現(xiàn)的方法。

設計中也有不足，如在檢測h值時采用的量具不夠精密，只能精確到1 mm，導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，與實際上連續(xù)變化的偏差率有差別；如能在設計中加入更多的位置傳感器，將能更好地保證定位精度。