自動(dòng)式漢堡制作機(jī)設(shè)計(jì)

王 濤WANG Tao 陳成軍 - 郭巖寶 - 劉承誠(chéng) -

(1. 中國(guó)石油大學(xué)﹝北京﹞機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2. 青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520)

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，快餐的需求量越來越大，漢堡作為最常見的快餐食品，有很大的銷售市場(chǎng)。漢堡的制作過程主要包括加面包、加肉、加漢堡醬、加生菜、加面包5個(gè)步驟。市場(chǎng)上對(duì)面包烘烤、烤肉等食品機(jī)械方面的研究比較成熟[1-2]，但都屬于對(duì)漢堡制作所需的原材料進(jìn)行加工。在各大快餐連鎖店中，用漢堡所需的各部分食材制作漢堡的過程仍然靠人工操作。在漢堡售賣的高峰期，由于人工制作速度的局限性和人工成本的增加，不僅會(huì)使制作標(biāo)準(zhǔn)和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)下降，利潤(rùn)也會(huì)被壓縮。本研究設(shè)計(jì)的漢堡制作機(jī)將原材料加工及漢堡制作的5個(gè)主要步驟進(jìn)行合并操作，擬通過自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化、流水化，提高制作效率，解放勞動(dòng)力[3]。

1 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)裝配圖見圖1。

流水線是漢堡制作的工作臺(tái)，由電機(jī)輸出的傳動(dòng)軸帶動(dòng)齒型傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，齒型傳送帶具有傳動(dòng)穩(wěn)定、噪音小等優(yōu)點(diǎn)[4]。在齒型傳送帶上面連接有托盤小車，托盤小車有4個(gè)萬(wàn)向輪，使其在轉(zhuǎn)彎時(shí)比較平穩(wěn)而不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，小車上面有2個(gè)凹槽，用來固定漢堡包裝盒。流水線的每個(gè)工位位置處都安裝有限位開關(guān)，限位開關(guān)既可以準(zhǔn)確地控制托盤小車運(yùn)動(dòng)到指定位置，也是各工序的起始開關(guān)。流水線正等測(cè)圖見圖2。

1. 傳動(dòng)軸 2. 齒型傳送帶 3. 工作平臺(tái) 4. 漢堡包裝盒 5. 托盤小車

圖2 流水線正等測(cè)圖

Figure 2 Positive contour map of assembly line

烤箱A與烤箱B的結(jié)構(gòu)和功能相同，由于漢堡含有上下兩片面包，所以設(shè)置2個(gè)加面包工位?？鞠鋬?nèi)可同時(shí)對(duì)多片面包進(jìn)行烘烤，烘烤完成之后烤箱內(nèi)保持恒溫。當(dāng)托盤小車運(yùn)行到加面包工位時(shí)，烤箱電機(jī)帶動(dòng)擋板轉(zhuǎn)動(dòng)90°，烘烤好的面包掉落到烤箱滑槽內(nèi)，依靠重力沿著傾斜的滑槽滑落到托盤小車上面的漢堡包裝盒內(nèi)。

自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的加肉工序是由天車系統(tǒng)、機(jī)械手和儲(chǔ)肉柜共同配合完成的。當(dāng)需要加烤肉時(shí)，儲(chǔ)肉柜的上蓋在電機(jī)的控制下打開，電機(jī)與儲(chǔ)肉柜上蓋之間的傳動(dòng)方式為齒輪齒條傳動(dòng)[5]。儲(chǔ)肉柜的側(cè)面采用雙開門結(jié)構(gòu)，便于儲(chǔ)肉板的取出和烤肉的補(bǔ)充，儲(chǔ)肉柜內(nèi)保持恒溫，使烤肉保持新鮮。儲(chǔ)肉柜里面每個(gè)放烤肉位置的正中心都對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)直角坐標(biāo)系坐標(biāo)，當(dāng)接收到控制系統(tǒng)指令后，天車系統(tǒng)會(huì)帶著機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定烤肉上方。天車系統(tǒng)的豎梁和兩對(duì)橫梁分別由兩根桿組成，這是為了增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。在天車系統(tǒng)豎梁的兩端分別設(shè)置有4個(gè)外圓柱側(cè)面凹進(jìn)去的輪子，該輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)豎梁在橫梁上的移動(dòng)[6]。

機(jī)械手正視圖見圖3，機(jī)械手的控制箱上面有4個(gè)凹輪，輪子的外圓柱側(cè)面是凹進(jìn)去的，可以在電機(jī)的帶動(dòng)下在天車系統(tǒng)的豎梁上運(yùn)動(dòng)。為了使一級(jí)伸縮臂和二級(jí)伸縮臂平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，采用氣壓傳動(dòng)。當(dāng)機(jī)械手到達(dá)烤肉上方時(shí)，機(jī)械手的一級(jí)伸縮臂就會(huì)在固定臂中伸出，一級(jí)伸縮臂運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)機(jī)械手的固定曲桿、二級(jí)伸縮臂、二級(jí)板、針桿和一級(jí)板一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一級(jí)伸縮臂伸出一定距離后，一級(jí)伸縮臂停止運(yùn)動(dòng)，由于固定曲桿和一級(jí)板固定在一級(jí)伸縮臂上，所以也會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，機(jī)械手還沒有接觸到烤肉，二級(jí)伸縮臂開始伸出，二級(jí)伸縮臂和二級(jí)板是固定在一起的，二級(jí)板上面有4個(gè)針桿，針桿底端有尖頭，并且每個(gè)針桿底部都有4個(gè)倒刺。一級(jí)板上面有4個(gè)通孔，可以供針桿伸出與縮回[7]。所以，二級(jí)伸縮臂伸出時(shí)，會(huì)帶著二級(jí)板和針桿一起伸出，隨著二級(jí)板的伸出，針桿會(huì)扎進(jìn)烤肉里，針桿扎進(jìn)一定深度時(shí)，二級(jí)伸縮臂停止運(yùn)動(dòng)，一級(jí)伸縮臂開始縮回，這時(shí)，由于倒刺的存在，烤肉不會(huì)因?yàn)橹亓ψ饔枚袈?。?dāng)機(jī)械手到達(dá)一定高度時(shí)，伸縮臂停止運(yùn)動(dòng)，由天車系統(tǒng)將機(jī)械手帶到漢堡包裝盒正上方。此時(shí)，機(jī)械手的一級(jí)伸縮臂伸出，使烤肉下降到一定位置后停止運(yùn)動(dòng)。二級(jí)伸縮臂開始縮回，直到針桿最底端運(yùn)動(dòng)到一級(jí)板上部一定距離。當(dāng)烤肉接觸到一級(jí)板時(shí)停止上升，開始與針桿分離，當(dāng)二者完全分離之后，烤肉由于重力作用會(huì)掉落到面包上面，完成加肉過程。此后，機(jī)械手、天車系統(tǒng)和儲(chǔ)肉柜復(fù)位，等待下一次加肉指令。

醬槍機(jī)構(gòu)由醬槍支架、十字桿和4個(gè)醬槍桶組成。醬槍機(jī)構(gòu)在加醬時(shí)，十字桿在電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將裝有不同口味漢堡醬的醬槍旋轉(zhuǎn)到漢堡包裝盒上方，醬槍桶內(nèi)的醬槍推桿將漢堡醬推出。醬槍桶在十字桿上直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)十字架進(jìn)行微角度旋轉(zhuǎn)，使加醬更加均勻。加菜機(jī)構(gòu)則是靠菜倉(cāng)內(nèi)的槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將菜倉(cāng)內(nèi)的生菜通過加菜機(jī)構(gòu)下部的漏口加到漢堡包裝盒內(nèi)。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)式漢堡制作機(jī)制作一個(gè)漢堡的具體工作流程見圖4，機(jī)械系統(tǒng)是制作漢堡的執(zhí)行部件，而控制系統(tǒng)則是將整個(gè)結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來并進(jìn)行控制的大腦。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的自動(dòng)化和智能化，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的控制系統(tǒng)采用觸摸屏和Siemens S7-200型的PLC作為人機(jī)界面和系統(tǒng)的控制器，即上位機(jī)和下位機(jī)，用來控制氣動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)和溫度傳感器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。制作漢堡時(shí)，在觸摸屏上對(duì)制作漢堡的種類和個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)，烤箱與儲(chǔ)肉柜內(nèi)的溫度和未加工/已加工的漢堡種類與個(gè)數(shù)將通過PLC上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)值變換傳送到觸摸屏上，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。PLC和觸摸屏的接口連接使用RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換線進(jìn)行自由口通信。自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的控制系統(tǒng)框圖見圖5[8]。

2.1 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖見圖6，用2個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾取烤肉的動(dòng)作。氣動(dòng)系統(tǒng)主要分為控制氣源的總氣路和2個(gè)單獨(dú)氣路，即機(jī)械手一、二級(jí)伸縮臂的伸縮動(dòng)作。用開關(guān)信號(hào)來控制電磁換向閥的得電與失電，電磁換向閥可以選擇氣缸的進(jìn)出氣回路，也就是PLC通過控制電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)氣缸的伸縮動(dòng)作[9]。采用4個(gè)行程開關(guān)來保護(hù)氣缸。

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC(可編程邏輯控制器)采用一種可編程的存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存器內(nèi)部存有順序控制、邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)和定時(shí)等操作指令，在開關(guān)量的開環(huán)控制、模擬量的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用，具有可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便和運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)[10]。自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的PLC程序在STEP 7 MicroWIN操作平臺(tái)上采用梯形圖進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)控制程序的主要功能包括系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、步進(jìn)電機(jī)控制、電磁閥控制、溫度調(diào)節(jié)和計(jì)數(shù)控制等[11]。部分PLC程序見圖7，整個(gè)PLC程序用來實(shí)現(xiàn)流水線平臺(tái)的啟動(dòng)與停止控制、烤箱內(nèi)溫度與擋板的控制、天車系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制、機(jī)械手氣缸的控制、儲(chǔ)肉柜溫度與電機(jī)的控制、醬槍與加菜機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)控制、計(jì)數(shù)控制和制作原材料剩余量(包括漢堡面包剩余個(gè)數(shù)、烤肉剩余個(gè)數(shù)、漢堡醬剩余量和生菜剩余量)顯示的控制。

2.3 通訊程序設(shè)計(jì)

通訊程序是PLC和上位機(jī)之間進(jìn)行通訊的橋梁，完整的通訊程序包括主程序、子程序和中斷程序。主程序可以調(diào)用子程序和控制系統(tǒng)運(yùn)行，子程序?qū)崿F(xiàn)通訊口初始化、譯碼和校驗(yàn)，中斷程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。中斷程序在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)分別采用XMT發(fā)送指令和RCV接收指令。在完成初始化之后，端口始終處于接收狀態(tài)，并在數(shù)據(jù)接收完成之后終止接收狀態(tài)[12]。系統(tǒng)的整個(gè)通訊流程圖見圖8。

2.4 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)觸摸屏是用LabVIEW軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，通過觸摸屏對(duì)下位機(jī)進(jìn)行指令下達(dá)，完成控制。觸摸屏界面見圖9，整個(gè)界面包括1個(gè)信息顯示板和8個(gè)觸摸按鈕。在自動(dòng)式漢堡制作機(jī)正常運(yùn)行的時(shí)候，信息顯示板切換至主界面，顯示漢堡制作計(jì)劃和未加工/已加工漢堡的種類及數(shù)量。點(diǎn)擊狀態(tài)信息按鈕，信息顯示板切換至狀態(tài)信息界面，顯示下位機(jī)的反饋信息；點(diǎn)擊測(cè)試界面按鈕，切換到測(cè)試界面，可對(duì)通訊等進(jìn)行測(cè)試；點(diǎn)擊溫度監(jiān)控按鈕，切換到溫度監(jiān)控界面，對(duì)烤箱和儲(chǔ)肉柜進(jìn)行溫度監(jiān)控；點(diǎn)擊原料剩余按鈕，切換到原料剩余界面，對(duì)漢堡面包剩余個(gè)數(shù)、烤肉剩余個(gè)數(shù)、漢堡醬剩余量和生菜剩余量進(jìn)行監(jiān)控。在完成前期準(zhǔn)備工作進(jìn)行加工時(shí)，點(diǎn)擊漢堡制作計(jì)劃按鈕，切換到漢堡制作選擇界面，對(duì)制作的漢堡種類和數(shù)量進(jìn)行選擇，確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，啟動(dòng)機(jī)器，開始制作漢堡，點(diǎn)擊停止按鈕，可以使機(jī)器停止制作，進(jìn)行原料添加或故障排除工作。為防止在發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，控制系統(tǒng)或通訊不能正常工作，將急停按鈕設(shè)置在機(jī)器上，觸摸屏上不再設(shè)置急停按鈕。

3 結(jié)論

通過對(duì)漢堡的制作現(xiàn)狀進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種集機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為一體的自動(dòng)式漢堡制作機(jī)，控制系統(tǒng)通過調(diào)用不同的程序，控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，制作出不同種類的漢堡。自動(dòng)式漢堡制作機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括烤箱、天車系統(tǒng)、儲(chǔ)肉柜、機(jī)械手、托盤小車、流水線、醬槍、加菜機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)則是以觸摸屏和PLC分別作為上位機(jī)和下位機(jī)，通過對(duì)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)的自由口通訊。通過在觸摸屏上的設(shè)置，可以控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)漢堡制作的加面包、加肉、加漢堡醬、加生菜、加面包5個(gè)步驟。經(jīng)試驗(yàn)證明，自動(dòng)式漢堡制作機(jī)具有可行性和合理性，自動(dòng)化程度高；通過觸摸屏對(duì)下位機(jī)下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)控制，操作簡(jiǎn)單；可以實(shí)現(xiàn)漢堡的流水化制作，提高漢堡的加工效率，省時(shí)省力，在實(shí)際應(yīng)用中，可在1 min內(nèi)完成一個(gè)漢堡的制作，有很好的應(yīng)用前景。但自動(dòng)式漢堡制作機(jī)在制作漢堡的時(shí)候，仍然需要一個(gè)操作員把漢堡包裝盒放在托盤小車上，以及在漢堡制作完成后完成后續(xù)的包裝工作，所以，今后可以在這方面繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)無人化的漢堡制作。

[1] 宋澄, 勒海. 自動(dòng)面包機(jī)技術(shù)專利分析[J]. 科學(xué)家, 2016, 4(11): 3-4.

[2] 陳仙清. 漢堡機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D]. 廈門: 廈門大學(xué), 2008: 42-58.

[3] 陳成軍, 王濤, 常世勇, 等. 一種漢堡自動(dòng)制作機(jī): 中國(guó), 201410387199.8[P]. 2014-12-03.

[4] 濮良貴, 陳國(guó)定, 吳立言. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013: 143-144.

[5] 王豐元, 李蘭, 李震, 等. 旋轉(zhuǎn)式多工位自動(dòng)干果包裝機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 食品與機(jī)械, 2017, 33(1): 76-80.

[6] 錢振華, 王榮揚(yáng), 左希慶. 基于 HMI 和 PLC 的食品包裝箱碼垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 食品與機(jī)械, 2016, 32(10): 105-107.

[7] 叢海鷹, 毛承志, 劉北英. 吸盤式上下板料機(jī)械手關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2008, 37(3): 76-78.

[8] 呂品. PLC 和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化儀表, 2010, 31(8): 45-47.

[9] 胡志剛. 基于 S7-200 PLC 的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師, 2014(3): 120-121.

[10] 張浩棟, 張燕, 曾小英, 等. 基于 PLC 的香蕉秸稈自動(dòng)打包機(jī)的設(shè)計(jì)和控制研究[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(4): 115-117.

[11] 呂華芳, 楊漢波, 叢振濤, 等. 基于 PLC 控制的室內(nèi)降雨入滲自動(dòng)測(cè)定系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(9): 144-149.

[12] 劉寶霞, 趙弘. 基于 LabVIEW 的石油固井作業(yè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2013(1): 44-47.