智能調(diào)料機(jī)設(shè)計與研究

趙建平 汪永超 張 瑩 鄒龍飛

（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

中餐，以色、香、味、意、形俱全聞名世界，在不少國家和地區(qū)都倍受青睞。然而因為中餐做一道菜，調(diào)料放多少，全靠廚師把握，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致推廣困難［1］，所以要想突破發(fā)展瓶頸，必須實(shí)現(xiàn)中餐制作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，才能真正實(shí)現(xiàn)中餐在全世界的普及。中餐制作過程中最大特點(diǎn)主要體現(xiàn)在烹調(diào)方式和調(diào)料用量上［2］，因此調(diào)料用量的控制問題急需解決，但目前還沒有關(guān)于這方面的研究。已有一些中式烹飪機(jī)器人的研究和面世，這些機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)烹飪過程的鍋具運(yùn)動自動化，但烹飪過程中仍需要人工事先將調(diào)料配好，不能實(shí)現(xiàn)完全自動化［3］。作為機(jī)器人，無疑成本比較昂貴。

針對這一問題，本研究設(shè)計了一種新型的智能調(diào)料機(jī)，該調(diào)料機(jī)采用左輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固體出料，采用簡易液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液體出料，以單片機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對固體出料及液體出料的控制，實(shí)現(xiàn)固體調(diào)料和液體調(diào)料的自動、精確出料，并依據(jù)內(nèi)置菜譜按比例自動、智能配出菜品所需調(diào)料。該智能調(diào)料機(jī)適用于家庭廚房以及大、中、小型餐館。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

智能調(diào)料機(jī)主要分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中機(jī)械系統(tǒng)包括了固體出料結(jié)構(gòu)、液體出料結(jié)構(gòu)、顯示裝置、操作面板和支撐部件等，如圖1所示。儲料箱體的隔板將固、液儲料桶與其他部件隔離開，以防止調(diào)料滲漏造成的腐蝕或其它危害。6個固體調(diào)料控制電機(jī)位于儲料箱體下方，均勻分布在步進(jìn)電機(jī)托盤上，與6種固體調(diào)料一一對應(yīng)；4個液體調(diào)料控制電機(jī)安放在底座上，通過梯形螺紋絲杠與液體出料結(jié)構(gòu)相連。出料漏斗上方和支撐板緊密配合，下方通過電機(jī)托盤的中心孔定位［4］。

圖1 出調(diào)料機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Main structure of seasoning-discharging machine

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 固體調(diào)料出料部分

2.1.1 固體調(diào)料出料部分結(jié)構(gòu) 固體調(diào)料出料部分采用左輪轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，如圖2所示。左輪2上平面與固體儲料桶1出料孔、下平面與出料盤3出料孔配合（1的出料孔與3的出料孔不重合），并通過左輪軸和聯(lián)軸器與電機(jī)軸相連［5，6］。

圖2 固體出料結(jié)構(gòu)Figure 2 The structure of discharging solid seasoning

2.1.2 固體調(diào)料出料原理 固體調(diào)料儲料桶、出料盤和出料漏斗與支承部件固連。通過程序控制驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由聯(lián)軸器和左輪軸帶動左輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)左輪2小孔與儲料桶1出料孔重合時，調(diào)料由儲料桶進(jìn)入左輪小孔，取料完成；當(dāng)左輪2小孔與出料盤3出料孔重合時，左輪小孔內(nèi)的調(diào)料由3的出料孔漏出，進(jìn)入出料漏斗7，出料完成。取料和出料動作由左輪2上不同的小孔同時進(jìn)行，左輪每轉(zhuǎn)一定的角度完成一次取料和出料。通過控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度來控制取料和出料的次數(shù)，從而準(zhǔn)確控制調(diào)料的出料量。工作情況如圖3所示，電機(jī)帶動左輪軸逆時針旋轉(zhuǎn)。

圖3 固體出料原理圖Figure 3 Schematic diagram of discharging solid seasoning

2.2 液體調(diào)料出料部分

2.2.1 液體調(diào)料出料部分結(jié)構(gòu) 液體調(diào)料出料部分采用簡易液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［7］，如圖4所示。液體儲料桶固定在儲料箱體中。三通接頭的其中兩個接頭都分別與一個單向閥相連，一個與液體儲料桶的出料孔相連，另一個與液體調(diào)料出料導(dǎo)管相連，剩下的接頭與針筒頭部相連。

圖4 液體出料結(jié)構(gòu)Figure 4 The structure of discharging liquid seasoning

2.2.2 液體調(diào)料出料原理 如圖5所示，液壓缸的進(jìn)液口1通過單向閥與儲料桶連接，出液口2通過單向閥與出料管連接，采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榛钊闹本€往復(fù)運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，活塞向下運(yùn)動（工作行程），單向閥1導(dǎo)通，液體從儲料桶流入液壓缸，取料動作完成；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，活塞向上運(yùn)動（返回行程），單向閥2導(dǎo)通，液體從液壓缸排出，通過導(dǎo)管從出料漏斗流出，出料動作完成。工作過程中，采用單向閥控制液體的流向，防止液體回流，通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來控制活塞的直線運(yùn)動距離，從而實(shí)現(xiàn)定量出料。

圖5 液體出料原理圖Figure 5 Schematic diagram of discharging liquid seasoning

3 控制系統(tǒng)

智能調(diào)料機(jī)控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，鍵盤作為輸入設(shè)備，步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器作為輸出設(shè)備，為方便人機(jī)交互采用了TFT液晶顯示屏，單片機(jī)通過I/O口與輸入、輸出設(shè)備建立通信［8］?？刂葡到y(tǒng)按功能可劃分為三大模塊：信息輸入模塊、運(yùn)算處理模塊和執(zhí)行與顯示模塊，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)方框圖Figure 6 Schematic diagram of control system

信息輸入模塊是用戶根據(jù)液晶顯示屏的提示信息操作鍵盤，進(jìn)行菜單選擇或數(shù)據(jù)輸入，通過一定的按鍵掃描程序完成信息的收集。運(yùn)算處理模塊由一塊51芯片為核心的控制板和運(yùn)行在其中的控制程序組成［9］；負(fù)責(zé)接收和分析信息輸入模塊送來的數(shù)據(jù)，分模塊地進(jìn)行調(diào)料種類的選擇和調(diào)料量的計算、電機(jī)的運(yùn)動控制和液晶屏的顯示控制。最后，再通過單片機(jī)I/O口向顯示和執(zhí)行裝置發(fā)出控制信號，使液晶屏界面更新和（或）電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行出料［10］。51單片機(jī)控制程序使用C語言，主要采用“窗口模式”編寫，通過按鍵輸入來控制液晶顯示屏窗口的跳轉(zhuǎn)及步進(jìn)電機(jī)的工作。主程序流程圖見圖7。

4 出料試驗與分析

為了進(jìn)一步驗證智能調(diào)料機(jī)的出料功能和效果，試驗在固體儲料筒中加入300g的食鹽，在液體儲料筒中加入3 00mL水來代替液體調(diào)料。通過測定調(diào)料實(shí)際輸出量，計算調(diào)料實(shí)際輸出量與理論輸出量之間的誤差來判斷調(diào)料機(jī)的精度。

4.1 精確出調(diào)料測試

將調(diào)料機(jī)接上電源，根據(jù)液晶屏提示進(jìn)入精確出調(diào)料模式，選擇調(diào)料名稱，輸入出料量，等待出料，測量所出調(diào)料量。測定后的結(jié)果見表1、2。

由表1可知，液體出料的誤差≤±1%。

由表2可知，固體出料的精度較差且整體偏大，分析數(shù)據(jù)可得固體實(shí)際出料量隨輸入質(zhì)量成一次函數(shù)線性增長。由此可以判定該機(jī)型設(shè)計原理是正確的。經(jīng)過反復(fù)地檢查，發(fā)現(xiàn)出料偏大的原因是：由于食鹽顆粒較小而左輪盤與出料盤之間的安裝精度不夠高，在左輪盤轉(zhuǎn)動出料時，食鹽容易從兩者之間的縫隙中被排出。

圖7 主程序流程圖Figure 7 Flow chart of main program

表1 液體（水）精確出調(diào)料測定表Table 1 Deviation of discharging liquid seasonings（e.g.，water.）

表2 固體（鹽）精確出調(diào)料測定表Table 1 Deviation of discharging solid seasonings（e.g.，salt.）

為了排除上述影響，提出以下兩種解決方案：

（1）提高左輪盤與出料盤之間的安裝精度避免食鹽進(jìn)入兩者縫隙中。

（2）適量減小左輪盤上小孔的直徑來消除泄露造成的影響。

幾次試驗結(jié)果表明：采用方案（1）改進(jìn)后的固體出料誤差為±3%，采用方案（2）改進(jìn)后的固體出料誤差為±2%。

4.2 依據(jù)內(nèi)置的菜譜按比例出料測試

將調(diào)料機(jī)接上電源按液晶屏提示進(jìn)入菜譜出調(diào)料模式，選擇菜品，輸入主材重量，等待出料，測量所出調(diào)料的質(zhì)量（體積）。

測試所選菜譜：魚香肉絲，主材：豬里脊肉300g，調(diào)料：食鹽3g，醬油15mL，……，測定后的結(jié)果見表3。

表3 按菜譜成比例出料質(zhì)量（體積）測定表Table 3 Quantity of different seasonings by a certain percentage according to recipes

5 結(jié)論

針對中餐烹飪時調(diào)料用量難以控制的問題，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)固體調(diào)料、液體調(diào)料精確出料及依據(jù)內(nèi)置菜譜按比例自動配出調(diào)料的智能調(diào)料機(jī)設(shè)計，該調(diào)料機(jī)由左輪出料系統(tǒng)和液體液壓出料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等組成。通過出料試驗表明，該智能調(diào)料機(jī)固體出料精度主要受到安裝精度的影響，適量減小左輪盤上小孔的直徑能夠提高出料精度。不過，該調(diào)料機(jī)只能對固體和液體調(diào)料進(jìn)行出料，對其它形態(tài)的調(diào)料品的精確出料還有待于進(jìn)一步研究和設(shè)計。

1 鐘樹.海外中餐發(fā)展很快［J］.決策與信息，2007（11）：69～70.

2 Chen Jenhao，Chi Peiyu，Chu Haohua.A smart kitchen for nutrition-aware cooking［J］.Pervasive Computing，2010，10（10）：58～65.

3 張少文，吳學(xué)梅.新型烹飪機(jī)器人鍋具運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計及運(yùn)動學(xué)仿真［J］.食品與機(jī)械，2013，29（4）：92～94.

4 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊聯(lián)接與緊固［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

5 方玉瑩.粉狀物料供料與計量裝置設(shè)計［J］.食品與機(jī)械，1997（2）：23～24.

6 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊彈簧、起重運(yùn)輸件、五金件［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

7 袁子榮.液氣壓傳動與控制［M］.第2版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2010.

8 王宏，唐煒，熊瑞平.單片微型計算機(jī)原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2009.

9 唐繼賢.51單片機(jī)工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

10 李磊.基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)升降速控制研究［J］.微電機(jī)，2011，44（11）：84～86.