自動刷涂醬料燒烤設(shè)備的設(shè)計與實驗

龍陽城，陳新度，吳磊

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

國內(nèi)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(diào)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(shè)計了一種可實現(xiàn)烤肉自動旋轉(zhuǎn)的家用燃氣烤肉爐，該烤爐通過卡盤轉(zhuǎn)動帶動所有肉串釬實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，但該設(shè)計只能用于燃氣燒烤，無法適應(yīng)燒烤市場中多為木炭燒烤的需求。吳維欣等[3]設(shè)計的旋轉(zhuǎn)式烤肉機，通過連續(xù)傳送帶帶動烤肉釬，還設(shè)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(shè)計只實現(xiàn)了食材的自動旋轉(zhuǎn)，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(shè)計了移動式烤肉機，該設(shè)計可實現(xiàn)肉串的自動傳輸和刷料，但機械結(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)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(jié)構(gòu)，并未實現(xiàn)機械刷料工藝。因此，針對當(dāng)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(shù)，設(shè)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(diào)味品的過程中，一般使用刷子蘸取醬料，在食物上往復(fù)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?zé)竞灥姆较驗檩S，進行往復(fù)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(gòu)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(dǎo)軌，不僅成本高，并且占用了更多的空間?；诠?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(zhuǎn)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(gòu)只需要長度為d的導(dǎo)軌即可實現(xiàn)在相同的工作范圍L內(nèi)的往復(fù)運動。

圖3 改進后的機構(gòu)運動簡圖

1.2 機構(gòu)的運動學(xué)模型建立

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

式中：r為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臂長，mm；θ為旋轉(zhuǎn)臂與導(dǎo)軌之間的夾角，rad；s為烤架和導(dǎo)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(zhuǎn)運動和一個速度為v的直線運動。

2 機械部件選型設(shè)計和運動控制

2.1 總體設(shè)計

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

圖4 自動刷涂醬料機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)運動和上下運動完成刷子在空間內(nèi)的移動。當(dāng)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(yù)處理后通過輸入Resnet模型訓(xùn)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(shè)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(zhuǎn)運動部件和上下運動部件。

2.2.1 直線運動部件

在本機構(gòu)中，直線運動需要滿足高精度、響應(yīng)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(gòu)。

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(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件[7]。本設(shè)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(fù)定位精度為0.05 mm，導(dǎo)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(zhuǎn)速，r/min；t為導(dǎo)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(qū)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(zhuǎn)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(shè)計中選用57步進電動機。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)運動部件

旋轉(zhuǎn)部件需要完成旋轉(zhuǎn)臂微小角度的旋轉(zhuǎn)運動，本設(shè)計中采用步進電動機加上減速器的設(shè)計。

2.2.3 上下運動部件

上下運動機構(gòu)需要承載旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)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(gòu)無精度要求，只需要刷子與食材的干涉范圍在行程之內(nèi)，運動平穩(wěn)即可。承載質(zhì)量4 kg，可選用電動推桿機構(gòu)。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(wù)業(yè)核心區(qū)為重點，著力打造信息技術(shù)、生物技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)計同2.2.1節(jié)中設(shè)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(jié)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(shè)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(qū)動器，步進驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號就驅(qū)動步進電動機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速和定位的目的。驅(qū)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(qū)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(shè)計圖

圖7 驅(qū)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(guān)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(zhuǎn)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(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(zhì)量設(shè)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(jié)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(yīng)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(yīng)力圖

3.3 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

本設(shè)計目的為模擬人工夾持刷子在燒烤簽上的往復(fù)直線運動，故需驗證設(shè)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(fù)位到起點再一次運動到終點，以此往復(fù)測量h值，該過程重復(fù)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(fù)位次數(shù)變化的折線圖如圖13所示，可知隨著復(fù)位動作次數(shù)的增多，機構(gòu)的偏差值越來越大，需要人工復(fù)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(fù)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(jié)語

設(shè)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(fù)涂刷次數(shù)為20以內(nèi)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(shè)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(dǎo)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(shè)計中加入更多的位置傳感器，將能更好地保證定位精度。