自動烹飪粉面裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳 熵，袁 真，汪 鵬，李 旭，2

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)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(jù)2018年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(yè)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(dān)擔(dān)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(fā)現(xiàn)，煮熟的過程往往是制作美食中耗時(shí)較長的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)烹飪的工藝較為單一，具有較強(qiáng)的重復(fù)性。隨著科技不斷進(jìn)步，自動化設(shè)備已經(jīng)漸漸走入人們的生活［4］。烹飪機(jī)構(gòu)也在逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工。通過觀察與分析，人們煮粉面的過程通?？煞譃椋合洛?、翻煮、出鍋三個(gè)精簡的步驟，因此本文設(shè)計(jì)了一種自動烹飪粉面裝置，代替人工，實(shí)現(xiàn)粉面烹飪的自動化。

1 自動烹飪粉面裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)一種自動烹飪粉面裝置，裝置分為：機(jī)械臂、溫控煮鍋［5］、滑槽漏勺三個(gè)部分，如圖1所示。機(jī)械臂為此裝置的主體部分，為一個(gè)具有兩自由度的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由抬臂機(jī)構(gòu)和旋臂機(jī)構(gòu)兩部分組成。其中，抬臂機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)粉面烹飪過程中的下鍋、出鍋控制；旋臂機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)將粉面在鍋中的翻煮和出鍋后倒入預(yù)備容器的控制。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 抬臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

自動烹飪粉面裝置的抬臂機(jī)構(gòu)為豎直狀態(tài)下的絲桿滑臺，其外部框架由鋁型材結(jié)構(gòu)加固而成，組成部分包括：絲桿、電機(jī)、滑軌、滑塊四個(gè)部分。抬臂機(jī)構(gòu)的動力主件為步進(jìn)電機(jī)及其同軸的滾珠絲杠，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成滾珠絲桿上的滑塊機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動，這種轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)升降平臺在豎直方向上進(jìn)行運(yùn)動并精準(zhǔn)定位。

該裝置的滑塊進(jìn)行升降動作時(shí)，要求每次移動的距離控制精準(zhǔn)，因此采用滾珠絲杠規(guī)格為R1605滾珠絲杠，其直徑為16 mm，行程為390 mm，絲間導(dǎo)程為5 mm。裝置導(dǎo)軌為三根直徑為10 mm的光軸所組成。因此抬臂機(jī)構(gòu)具有負(fù)載能力高，運(yùn)動精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

1.2 旋臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)裝置的旋臂機(jī)構(gòu)負(fù)載于抬臂機(jī)構(gòu)的滑塊上，可隨抬臂滑塊運(yùn)動。旋臂機(jī)構(gòu)由懸掛電機(jī)及懸臂桿所構(gòu)成，懸臂桿一端與懸掛電機(jī)同軸，隨電機(jī)轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，另一端垂直安裝漏勺，因此懸臂電機(jī)可精準(zhǔn)控制漏勺的旋轉(zhuǎn)。懸臂桿的長度依據(jù)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(shè)定為430mm，內(nèi)徑為6.38mm，與懸臂電機(jī)用聯(lián)軸器鏈接。

1.3 滑槽漏勺的設(shè)計(jì)

該裝置的滑槽漏勺主體為鏤空圓柱體結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)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(jī)轉(zhuǎn)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(jù)整體裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滑槽漏勺總長設(shè)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(gè)數(shù)可根據(jù)用于需求設(shè)定。

圖2 滑塊漏勺示意圖

1.4 溫控煮鍋的設(shè)計(jì)

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

溫控煮鍋的頂部設(shè)計(jì)一塊可移動平臺蓋，平臺蓋的結(jié)構(gòu)為互鎖類型的滑道。當(dāng)裝置處于非工作狀態(tài)時(shí)，平臺蓋充當(dāng)煮鍋的防塵蓋；當(dāng)裝置處于工作狀態(tài)時(shí)，平臺蓋通過滑道向外滑出，可在其上放置預(yù)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(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)

自動烹飪粉面裝置的工作執(zhí)行元件為：抬臂電機(jī)以及懸掛電機(jī)，根據(jù)實(shí)際功能需求，本裝置的控制系統(tǒng)為基于STM32系列單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)［6］，具有控制方便、精度高、扭矩大、耐高溫等特點(diǎn)。

2.1 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本研究采用電極片控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的方式對抬臂機(jī)構(gòu)和旋臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。懸掛電機(jī)為60步進(jìn)電機(jī)，抬臂電機(jī)為86步進(jìn)電機(jī)，其步距角都為1.8°。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)為360°除以步距角，因此步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈需要360°/1.8°=200個(gè)脈沖。

由于抬臂電機(jī)轉(zhuǎn)一圈絲杠前進(jìn)一個(gè)導(dǎo)程，本裝置絲桿導(dǎo)程為5 mm，絲桿導(dǎo)程為390 mm，因此抬臂滑塊運(yùn)動的最長路徑需要15600個(gè)脈沖。脈沖信號為單片機(jī)模塊所產(chǎn)生的PWM信號，由于步進(jìn)電機(jī)不能直接接脈沖信號，只能接收分時(shí)供電，因此單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號先傳給電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊再將其轉(zhuǎn)化的控制信號傳給步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動模塊以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的，其設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

2.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本研究采用STM32系列單片機(jī)作為核心控制單元，對數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動控制，實(shí)現(xiàn)滑槽漏勺的精準(zhǔn)控制和煮鍋的水溫調(diào)節(jié)。由于驅(qū)動電機(jī)的當(dāng)前位置沒有斷電記憶功能，在機(jī)器斷電后，每次重啟都需要通過固定程序?qū)崿F(xiàn)裝置的初始化。初始化功能的實(shí)現(xiàn)是通過抬臂電機(jī)及旋臂電機(jī)依次向坐標(biāo)原點(diǎn)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直至觸發(fā)原點(diǎn)位置的行程開關(guān)，并及時(shí)停止相對應(yīng)的電機(jī)。裝置的程序流程是依次實(shí)現(xiàn)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(gè)步驟。

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)圖

圖4 程序流程圖

3 試驗(yàn)與調(diào)試

通過程序設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)，不同品種的粉面對水溫的要求不同，對煮熟的時(shí)間要求也不同。以湖南米粉的為例（粉的種類為指寬扁狀態(tài)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(shí)口感也是最佳狀態(tài)。本文以湖南米粉為例，對機(jī)器的主要參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試。

當(dāng)設(shè)定溫度開始達(dá)到80℃后，抬臂機(jī)構(gòu)才可開始工作，水溫在升高的同時(shí)，將需烹飪的米粉放入滑槽漏勺。

圖5 下鍋前狀態(tài)圖

當(dāng)米粉完全浸泡入水后完成了下鍋動作，此時(shí)抬臂電機(jī)將停止工作，旋臂電機(jī)將開始工作。

圖6 煮粉狀態(tài)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(jī)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)翻抖，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，漏勺在鍋中進(jìn)行50度左右的順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速為0～20圈每分鐘較為合適，米粉不會粘連，同時(shí)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(jī)上升至指定高度后，懸臂電機(jī)順時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，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(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款自動烹飪粉面裝置，可機(jī)器代替人工實(shí)現(xiàn)粉面下鍋、翻煮、出鍋的過程，經(jīng)過對湖南米粉的試驗(yàn)檢測，確定了多項(xiàng)研究參數(shù)，為自動烹飪粉面裝置的后續(xù)生產(chǎn)研究提供依據(jù)。

圖8 米粉出鍋倒置狀態(tài)圖