奶油蛋糕遠(yuǎn)程3D打印機(jī)器人數(shù)控協(xié)同機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安嘉強(qiáng) - 湯曉華TG - 吳 婧 楊泗萍YG - 李天驕 -

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

一般的奶油蛋糕制作過程先選用一定形狀規(guī)格的蛋糕坯料，然后將奶油平整地涂抹在坯料上，此過程稱為抹坯，最后再做各種裝飾，裝裱花型，完成蛋糕加工工藝流程[1]。傳統(tǒng)上這些工作都是由手工完成，效率、效果也因技師的技能不同而差別甚大。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U展，在食品行業(yè)已有以巧克力、奶油、糖漿、面糊、果醬等為打印材料的3D食品打印機(jī)出現(xiàn)[2-3]。這種食品打印機(jī)通常是由X、Y、Z3個(gè)方向的移動(dòng)副構(gòu)成，其中X、Y軸組成平面操作平臺(tái)，帶動(dòng)噴嘴在平面內(nèi)掃描，Z軸在電機(jī)的帶動(dòng)下做垂直運(yùn)動(dòng)，X、Y軸每掃描完1層，Z軸移動(dòng)1個(gè)厚度，X、Y軸重新掃描，如此重復(fù)逐層堆積完成整個(gè)模型的成型[4]。逐層堆積的這種成型方式噴嘴始終垂直向下，這就要求模型下方不能出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)，否則就要在下面設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，這對(duì)于食品打印來說后期的拆除不但麻煩而且還會(huì)造成食物浪費(fèi)。

隨著工業(yè)化程度的提高，特別是成型路徑要求的提高，雙機(jī)器人或者多機(jī)器人協(xié)同工作的優(yōu)勢(shì)越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注[5-7]。目前的奶油蛋糕3D打印成型工藝中都是采用傳統(tǒng)逐層掃描堆積成型[8-9]，沒有出現(xiàn)雙機(jī)器人或者多機(jī)器人協(xié)同完成奶油蛋糕成型加工，傳統(tǒng)的逐層掃描堆積成型方式由于噴嘴的姿態(tài)不可調(diào)整，限制了蛋糕裱花造型的多樣性。為了滿足蛋糕成型加工運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，尤其是裝裱花型成型運(yùn)動(dòng)路徑的多樣性、復(fù)雜性，擴(kuò)大機(jī)器的加工工藝范圍，本設(shè)計(jì)擬采用1臺(tái)三軸機(jī)械臂和1臺(tái)四自由度的運(yùn)動(dòng)臺(tái)協(xié)同完成蛋糕成型加工，對(duì)機(jī)器人以及運(yùn)動(dòng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并使用微控制器加運(yùn)動(dòng)控制芯片的結(jié)構(gòu)對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)，最后對(duì)控制器及整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以期為提升蛋糕裝裱造型加工的復(fù)雜程度和制作效率提供基礎(chǔ)支撐。

1 系統(tǒng)分析及規(guī)劃

手工進(jìn)行奶油蛋糕的加工是在轉(zhuǎn)臺(tái)上完成，操作者一手拿抹刀或者裱花袋，另一只手旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)，裱花時(shí)的成型軌跡一般是1個(gè)半徑漸縮的S形螺旋，如圖1所示。要完成這個(gè)造型運(yùn)動(dòng)軌跡需要4個(gè)自由度，其中3個(gè)聯(lián)動(dòng)完成錐螺旋插補(bǔ)，另外1個(gè)自由度控制半徑的尺寸。按照這種加工思路，使用三軸的機(jī)械臂來模擬拿抹刀或者裱花袋的一只手，使用四自由度的運(yùn)動(dòng)臺(tái)來帶動(dòng)坯料運(yùn)動(dòng)。

圖1 蛋糕裱花成形軌跡

裱花時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程：

x=acost，

(1)

y=asint，

(2)

z=bt，

(3)

α=ct，

(4)

式中：

a——螺旋最大半徑，mm；

b——螺旋上升速度，mm/s；

c——A軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

t——時(shí)間，s；

x——X軸位移方程，mm；

y——Y軸位移方程，mm；

z——Z軸位移方程，mm；

α——A軸旋轉(zhuǎn)角度，(°)。

為實(shí)現(xiàn)上述成形運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)蛋糕加工機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)械臂3個(gè)關(guān)節(jié)從左到右可以分別繞O1X1Y1Z1坐標(biāo)系中的Z1軸、Y1軸、X1軸轉(zhuǎn)動(dòng)以控制機(jī)械臂末端位姿。機(jī)械臂的基坐標(biāo)系為O1，末端坐標(biāo)系為O3。運(yùn)動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)可以沿O2X2Y2Z2坐標(biāo)系下的X2軸、Y2軸、Z2軸3個(gè)方向移動(dòng)，并且可以繞Z4軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其基坐標(biāo)系為O2，末端坐標(biāo)系為O4。

(5)

當(dāng)前市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)控制器通常只針對(duì)單個(gè)機(jī)器人，為了能同時(shí)控制機(jī)械臂和運(yùn)動(dòng)臺(tái)協(xié)同工作，需要開發(fā)一款協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制器作為該系統(tǒng)的控制部分。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理圖

通常運(yùn)動(dòng)控制器的硬件架構(gòu)有3種。第1種是以嵌入式微控制為核心，這種控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短，計(jì)算能力相對(duì)較弱；第2種是以微控制器加專用的運(yùn)動(dòng)控制芯片，這種結(jié)構(gòu)由于使用了專用的運(yùn)動(dòng)控制芯片，計(jì)算能力較強(qiáng)，并且能夠有效縮短開發(fā)周期；另外1種是微控制器加FPGA的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)計(jì)算能力強(qiáng)，而且開放性好，但是通常開發(fā)周期比較長(zhǎng)[10]。從開發(fā)周期以及控制器需要完成的計(jì)算量等方面考慮，選用第2種方案，使用STM32F1系列微控制搭配MCX514四軸運(yùn)動(dòng)控制芯片作為控制器的核心硬件進(jìn)行控制器的開發(fā)。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)是完成蛋糕加工的執(zhí)行部分，由于蛋糕的加工載荷小，故免強(qiáng)度校核，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。圖3是依據(jù)圖2實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：左部為1臺(tái)三自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)，右部為一四自由度運(yùn)動(dòng)臺(tái)，蛋糕加工空間為Φ300 mm×200 mm。機(jī)器人機(jī)座回轉(zhuǎn)中心至數(shù)控臺(tái)機(jī)座中心距離O1O2為680 mm。

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)夾持帶動(dòng)奶油噴嘴以及抹刀運(yùn)動(dòng)，見圖4。變換其末端的位姿以協(xié)同數(shù)控運(yùn)動(dòng)臺(tái)完成預(yù)定軌跡及奶油流量，完成預(yù)期造型工作。整個(gè)機(jī)械臂由下方步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)繞基座轉(zhuǎn)動(dòng)，為了降低手臂的復(fù)雜程度，減小機(jī)器人占用空間，機(jī)器人手腕采用差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)以控制手腕的A軸和B軸2個(gè)自由度。

1. 機(jī)械臂 2. 工作空間 3. 四軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)

機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)是由錐齒輪組成的差動(dòng)輪系,差動(dòng)輪系的2個(gè)輸入是由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過鏈傳動(dòng)輸入,運(yùn)動(dòng)輸出由行星輪6輸出，當(dāng)2個(gè)輸入齒輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，末端繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)2個(gè)輸入齒輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，末端繞B軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

1. 步進(jìn)電機(jī) 2. 鏈輪 3. 鏈條 4. 錐齒輪 5. 行星架 6. 行星輪 7. 末端手爪

圖4 手腕結(jié)構(gòu)

Figure 4 Wrist structure

2.2 運(yùn)動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)臺(tái)主要是帶動(dòng)蛋糕胚體運(yùn)動(dòng)，圖5為運(yùn)動(dòng)臺(tái)1個(gè)移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)，用3個(gè)類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行疊加構(gòu)成三軸方向的移動(dòng)。各軸均由1臺(tái)伺服電機(jī)帶動(dòng)，行程為200 mm，由于Z軸受重力作用，故Z軸電機(jī)需要有自鎖功能，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，圓盤直徑為320 mm。

1. 滑塊 2. 絲杠螺母 3. 絲杠 4. 導(dǎo)軌 5. 聯(lián)軸器 6. 伺服電機(jī)

圖5 運(yùn)動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件

考慮到系統(tǒng)對(duì)運(yùn)算速度以及穩(wěn)定性、開發(fā)周期等方面的要求，控制器硬件系統(tǒng)采用微控制加運(yùn)動(dòng)控制芯片的方案。使用日本NOVA公司的MCX514四軸運(yùn)動(dòng)控制芯片控制四軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)[11-12]；STM32F103微控制器通過FSMC總線對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片各個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫實(shí)現(xiàn)2個(gè)芯片間的通信。STM32F103通過自身的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度的機(jī)械臂進(jìn)行控制，同時(shí)輸出PWM波控制奶油泵流量。為了能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程個(gè)性化定制蛋糕以及后期功能擴(kuò)展的需要，將STM32的4個(gè)串口引出，其中串口1用來和上位機(jī)進(jìn)行通信，串口2接SIM800A DTU模塊用來接收遠(yuǎn)程發(fā)來的蛋糕模型加工代碼，串口3和串口4分別轉(zhuǎn)換成RS232和RS485作為預(yù)留接口備用?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 控制器軟件

控制器軟件結(jié)構(gòu)以FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)為依托，采用多線程編程模式實(shí)現(xiàn)各任務(wù)間并行處理以減低各任務(wù)間的耦合度?？刂破鞯能浖Y(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，共6個(gè)并行任務(wù)。MCX514通過內(nèi)部的8個(gè)16位寫寄存器以及8個(gè)16位讀寄存器實(shí)現(xiàn)四軸運(yùn)動(dòng)臺(tái)的直線、圓弧以及S形螺旋插補(bǔ)功能，由于對(duì)MCX514的控制就是對(duì)其寄存器的讀寫，所以可以將其作為1個(gè)存儲(chǔ)器掛在STM32的FSMC總線下作為STM32的外部存儲(chǔ)器[13]。然后，依據(jù)寄存器的功能和命令碼等，將MCX514的內(nèi)部功能封裝成運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)供外部調(diào)用。機(jī)械臂的控制采用開源的GRBL數(shù)控系統(tǒng)[14]，實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)關(guān)節(jié)的控制。

3.3 上位機(jī)

上位機(jī)用于加工系統(tǒng)的人機(jī)交互，主要有坐標(biāo)顯示、控制器加工控制、通信設(shè)置、控制器狀態(tài)查看、機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)臺(tái)協(xié)同標(biāo)定等功能，使用Qt框架開發(fā)[15]?？刂破骱蜕衔粰C(jī)使用串口進(jìn)行通信，上位機(jī)通過串口發(fā)送命令行指令用于設(shè)置查看控制器狀態(tài)，圖8為協(xié)同標(biāo)定窗口。

圖7 控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖8 協(xié)同標(biāo)定窗口

3.4 遠(yuǎn)程通信

用戶在遠(yuǎn)程客戶端完成蛋糕定制后，需要將加工代碼傳給控制器。由于基于TCP/IP協(xié)議的GPRS網(wǎng)絡(luò)擁有傳輸速度快、永遠(yuǎn)在線、支持透?jìng)鞯葍?yōu)勢(shì)[16]，使用SIM800A DTU模塊來完成數(shù)據(jù)的傳輸，控制器接收到數(shù)據(jù)后將其保存到內(nèi)部存儲(chǔ)單元，并通過串口1發(fā)出接收到新文件的提示。遠(yuǎn)程通信的結(jié)構(gòu)如圖9所示，為了避免數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、出錯(cuò)等問題，需要在傳輸時(shí)加入校驗(yàn)等保證數(shù)據(jù)傳輸可靠。

4 系統(tǒng)搭建與測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，搭建如圖10所示實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。確認(rèn)接線無誤后，首先使用串口將控制器和上位機(jī)建立通信連接，讓機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)臺(tái)各軸都回到原點(diǎn)，再手動(dòng)控制讓機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)臺(tái)完成3次握手進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成之后即可將測(cè)試程序發(fā)給控制器啟動(dòng)加工。這里控制運(yùn)動(dòng)臺(tái)進(jìn)行一段圓弧和一段直線插補(bǔ)，并使用激光位移傳感器對(duì)位移數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)處理得到插補(bǔ)偏移距離誤差，結(jié)果如圖11所示。

圖9 遠(yuǎn)程通信

1. 機(jī)械臂 2. 反光板 3. 激光位移傳感器 4. 運(yùn)動(dòng)臺(tái) 5. 驅(qū)動(dòng)器 6. 數(shù)據(jù)接收器 7. 控制器 8. 上位機(jī)

圖10 系統(tǒng)測(cè)試

Figure 10 System test

圖11 插補(bǔ)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

在分析奶油蛋糕加工制作的操作行為以及奶油蛋糕成形軌跡的基礎(chǔ)上，提出使用1臺(tái)三自由度的機(jī)器人和1臺(tái)四軸的運(yùn)動(dòng)臺(tái)協(xié)同完成奶油蛋糕的抹坯、裱花等工序，這樣不但可以擴(kuò)大加工范圍，而且由于噴嘴的位姿可以調(diào)整，避免了傳統(tǒng)3D打印只能在垂直方向上逐層掃描堆積加工所帶來的局限性，可以完成更復(fù)雜的成型軌跡，同時(shí)采用微控制器加專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器以及上位機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的精度可以達(dá)到0.11 mm以內(nèi)。本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的3D奶油打印機(jī)相比雖然能完成抹坯以及更加復(fù)雜的裱花造型，但在噴嘴、抹刀的自動(dòng)清洗、更換以及多色奶油噴涂等方面有待進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化。