□ 吳孜越 □ 李蒙蒙 □ 李志豪 □ 龍海洋

河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽(yáng) 471003

1　研究背景

隨著工業(yè)4.0的推出，非標(biāo)自動(dòng)化行業(yè)逐漸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化和智能化，迎來(lái)了重大機(jī)遇［1］。工業(yè)4.0時(shí)代，智能服務(wù)已經(jīng)滲入到人們的生活中。隨著微電子的快速發(fā)展，控制器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大［2］，大大方便了工業(yè)應(yīng)用。國(guó)產(chǎn)控制器現(xiàn)已快速發(fā)展［3］，在諸如半導(dǎo)體、機(jī)器人、食品包裝等行業(yè)都有應(yīng)用，且系統(tǒng)穩(wěn)定、快速、精準(zhǔn)。當(dāng)然，也應(yīng)重視機(jī)械部件設(shè)計(jì)，合理的機(jī)械部件設(shè)計(jì)可以大大降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度［4］，成本相應(yīng)也會(huì)減小。筆者設(shè)計(jì)的全自動(dòng)蛋糕機(jī)主要可實(shí)現(xiàn)蛋糕的自動(dòng)化生產(chǎn)，其總裝示意圖如圖1所示。

▲圖1 全自動(dòng)蛋糕機(jī)總裝示意圖

全自動(dòng)蛋糕機(jī)可在大城市設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)，制作出蛋糕供人們食用。這一蛋糕機(jī)可以節(jié)約蛋糕加工輔助時(shí)間，減少工人使用量［5］，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此可更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

蛋糕的生產(chǎn)過(guò)程主要包括8個(gè)步驟。

（1）推模。由推模部件將蛋糕模推至加熱旋轉(zhuǎn)盤指定部位。

（2）注料。通過(guò)擠壓將奶油擠至蛋糕模中，由刀片將面團(tuán)切割成片狀后注入蛋糕模。

（3）翻面。將內(nèi)圈烘烤好的蛋糕翻轉(zhuǎn)面后繼續(xù)烘烤。

（4）定位。翻轉(zhuǎn)面后各個(gè)蛋糕的位置會(huì)產(chǎn)生偏差，經(jīng)校準(zhǔn)定位后使蛋糕擺正。

（5）打標(biāo)。在蛋糕表面打印有關(guān)標(biāo)志。

（6）脫模。使蛋糕從蛋糕模中脫落。

（7）蛋糕模傳遞。將已脫落蛋糕的蛋糕模經(jīng)傳遞機(jī)構(gòu)傳送至指定位置。

（8）蛋糕傳遞。將烘烤熟的蛋糕經(jīng)傳遞機(jī)構(gòu)傳送至指定位置。

2　主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)蛋糕機(jī)主要包括注料、翻面、定位、打標(biāo)、推模、脫模六個(gè)部件。

2.1　注料

注料部件由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，凸輪軸上的凸輪做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪從動(dòng)件頂桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成面料的吸進(jìn)與壓出。單向閥的單向?qū)ㄐ阅芸梢源_保每次壓出的面料相等，不產(chǎn)生面料泄漏現(xiàn)象。注料部件三維造型如圖2所示。

凸輪機(jī)構(gòu)是注料部件中的一個(gè)重要組成部分，如圖3所示。凸輪具體結(jié)構(gòu)采用作圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其行程為15 mm。

▲圖2 注料部件

▲圖3 凸輪機(jī)構(gòu)

2.2　翻面

翻面部件的作用是將蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的內(nèi)圈送至中圈，同時(shí)完成蛋糕模的翻轉(zhuǎn)，使蛋糕進(jìn)行雙面烘烤，其三維造型如圖4所示。翻面部件由電機(jī)、直角翻板、電磁剪刀機(jī)械手三部分組成。電機(jī)提供翻轉(zhuǎn)動(dòng)力源，選用步進(jìn)電機(jī)，由脈沖控制轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)角度。直角翻板將電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為蛋糕模從內(nèi)圈到中圈的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電磁剪刀機(jī)械手由電磁鐵和剪刀手組成，通過(guò)電磁鐵的通斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張開與閉合，完成蛋糕模的抓取與松開動(dòng)作。

▲圖4 翻面部件

2.3　定位和打標(biāo)

考慮到定位和打標(biāo)部件在轉(zhuǎn)盤停留期間只需上下運(yùn)動(dòng)，且均為輕載工況，因此可選用平底從動(dòng)件盤形凸輪［7］。定位和打標(biāo)兩部件采用相同外形的凸輪，凸輪時(shí)序見表1。使用MATLAB軟件進(jìn)行凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)，其中凸輪輪廓線設(shè)計(jì)如圖5所示。

表1　凸輪時(shí)序

定位部件的定位頭為豎直上下運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)完成定位運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)至凸輪的遠(yuǎn)休止部分時(shí)，定位頭位于運(yùn)動(dòng)位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過(guò)。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)至凸輪的近休止部分時(shí)，定位部件使蛋糕模準(zhǔn)確定位。整個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)拍與蛋糕機(jī)的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)。定位部件三維造型如圖6所示。

打標(biāo)部件的打標(biāo)模也為豎直上下運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)完成打標(biāo)運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)至凸輪的遠(yuǎn)休止部分時(shí)，打標(biāo)模位于運(yùn)動(dòng)位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過(guò)。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)至凸輪的近休止部分時(shí)，打標(biāo)模接觸蛋糕表面，并對(duì)其產(chǎn)生一定的壓力，完成打標(biāo)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)拍與蛋糕機(jī)的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)［8］。打標(biāo)部件三維造型如圖7所示。

▲圖5 凸輪輪廓線設(shè)計(jì)圖

▲圖6 定位部件

2.4　推模

推模部件的作用是將脫掉蛋糕的蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的外圈送至內(nèi)圈，使蛋糕機(jī)繼續(xù)注料加工新的蛋糕。推模部件三維造型如圖8所示。

▲圖7 打標(biāo)部件

當(dāng)?shù)案鈾C(jī)轉(zhuǎn)盤處于初始停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈無(wú)蛋糕模，圓弧推頭處會(huì)有一個(gè)新的蛋糕模。步進(jìn)電機(jī)接收到信號(hào)后工作，伸縮桿向外伸長(zhǎng)，將外圈新的蛋糕模推向內(nèi)圈，然后縮回到原位。如此循環(huán)往復(fù)，就可以將蛋糕模從轉(zhuǎn)盤的外圈送至內(nèi)圈，使蛋糕機(jī)連續(xù)工作。

▲圖8 推模部件

2.5　脫模

脫模部件采用箱體結(jié)構(gòu)。蛋糕模回收裝置設(shè)置于大轉(zhuǎn)盤上，由主傳動(dòng)直接帶動(dòng)，操作方便。電機(jī)通過(guò)不完全齒輪帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，且?guī)?dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸再帶動(dòng)推桿和推模手運(yùn)動(dòng)至打模頭下方。此時(shí)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，打模頭下降28 mm，使蛋糕脫離蛋糕模。電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，打模頭上升28 mm，回到原位，電機(jī)再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，脫模裝置復(fù)位。脫模部件三維造型如圖9所示。

▲圖9 脫模部件

設(shè)計(jì)出各個(gè)部件后，繪制出全自動(dòng)蛋糕機(jī)整體三維模型。將三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對(duì)其運(yùn)動(dòng)和溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的蛋糕機(jī)結(jié)構(gòu)合理。在完成仿真后，制造了全自動(dòng)蛋糕機(jī)實(shí)物，如圖10所示。

▲圖10 全自動(dòng)蛋糕機(jī)實(shí)物圖

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)蛋糕機(jī)電控部分由8軸GUC-800控制器、擴(kuò)展輸入輸出模塊、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)、繼電器、限位開關(guān)等組成，編程采用CPAC平臺(tái)OtoStudio軟件［9-10］。根據(jù)實(shí)際需求，使用限位開關(guān)來(lái)判斷各電機(jī)是否完成相應(yīng)動(dòng)作和回零。GUC-800控制器控制7臺(tái)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)推模、注料、換料、翻模、定位、打標(biāo)和脫模，并控制1臺(tái)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

全自動(dòng)蛋糕機(jī)電氣柜布置如圖11所示，圖中①為220 V/24 V開關(guān)電源，②為GUC-800控制器，③為擴(kuò)展輸入輸出模塊，④為220 V、6 A空氣開關(guān)，⑤為繼電器，⑥為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，⑦為外接限位信號(hào)端子板。

▲圖11 全自動(dòng)蛋糕機(jī)電氣柜布置圖

全自動(dòng)蛋糕機(jī)控制部分包括輸入輸出、調(diào)試、參數(shù)、控制系統(tǒng)四個(gè)主要界面。輸入輸出界面的主要功能是在蛋糕機(jī)運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)各運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否正常，如果發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常，需要立刻采取急停措施，并且將報(bào)警信息傳遞至操作者。輸入輸出界面主要包括啟動(dòng)、停止、急停等功能按鍵。調(diào)試界面主要用于各個(gè)單軸的運(yùn)動(dòng)調(diào)試，主要包括定位工藝、推模工藝、注料工藝、翻模工藝等內(nèi)容。在調(diào)試界面中可以改變各工藝的速率，以檢測(cè)蛋糕機(jī)各個(gè)部分是否正常工作。操作者可以設(shè)定正方向或負(fù)方向進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以檢測(cè)轉(zhuǎn)盤的溫度。當(dāng)轉(zhuǎn)盤溫度超過(guò)設(shè)定值之后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。參數(shù)界面可用于檢測(cè)注料部件中三個(gè)不同作用的倉(cāng)，判斷其注料是否正常。

綜上所述，在CPAC平臺(tái)上利用OtoStudio軟件進(jìn)行全自動(dòng)蛋糕機(jī)動(dòng)作程序的編寫及可視化界面的設(shè)計(jì)，通過(guò)可視化界面可以對(duì)蛋糕機(jī)進(jìn)行操作。全自動(dòng)蛋糕機(jī)自動(dòng)化控制界面如圖12所示。

▲圖12 全自動(dòng)蛋糕機(jī)自動(dòng)化控制界面

4　結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)全自動(dòng)蛋糕機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，完成了全自動(dòng)蛋糕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是可行的?；谌S造型，制造出全自動(dòng)蛋糕機(jī)實(shí)物，并利用CPAC平臺(tái)設(shè)計(jì)了蛋糕機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了蛋糕的自動(dòng)化生產(chǎn)。

［1］ 伯陽(yáng).用微型蛋糕機(jī)生產(chǎn)小蛋糕［J］.沿海企業(yè)與科技，2004（10）：39.

［2］ 吳宏獻(xiàn).蛋糕蓋注塑模的設(shè)計(jì)與制造［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

［3］ 李凡姝，王崇，王霞，等.速膨蛋糕粉擠壓工藝及微波熟化參數(shù)研究［J］.沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，34（3）：305-310.

［4］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：新版［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］ 楊巍，何曉玲.機(jī)械原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］ 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．9版.北京：高等教育出版社，2013.

［7］ 李娟.基于PLC的自動(dòng)切蛋糕機(jī)的控制方案［J］.考試周刊，2016（88）：195-196.

［8］ 正生.無(wú)電式微型蛋糕機(jī)［J］.適用技術(shù)市場(chǎng)，2001（6）：56.

［9］ 固高科技（深圳）有限公司．OtoStudio運(yùn)動(dòng)控制編程手冊(cè)［Z］．

［10］ 韓建海，胡東方.數(shù)控技術(shù)及裝備［M］．2版．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.