安嘉強 - 湯曉華TG - 吳 婧 楊泗萍YG - 李天驕 -

(北京工商大學材料與機械工程學院，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)用范圍也隨之擴展，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食品打印機出現(xiàn)[2-3]。這種食品打印機通常是由X、Y、Z3個方向的移動副構(gòu)成，其中X、Y軸組成平面操作平臺，帶動噴嘴在平面內(nèi)掃描，Z軸在電機的帶動下做垂直運動，X、Y軸每掃描完1層，Z軸移動1個厚度，X、Y軸重新掃描，如此重復逐層堆積完成整個模型的成型[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)計支撐結(jié)構(gòu)，這對于食品打印來說后期的拆除不但麻煩而且還會造成食物浪費。

隨著工業(yè)化程度的提高，特別是成型路徑要求的提高，雙機器人或者多機器人協(xié)同工作的優(yōu)勢越來越受到專家學者的關(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)雙機器人或者多機器人協(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動的復雜性，尤其是裝裱花型成型運動路徑的多樣性、復雜性，擴大機器的加工工藝范圍，本設(shè)計擬采用1臺三軸機械臂和1臺四自由度的運動臺協(xié)同完成蛋糕成型加工，對機器人以及運動臺的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并使用微控制器加運動控制芯片的結(jié)構(gòu)對控制器進行設(shè)計，開發(fā)了相應(yīng)的上位機，最后對控制器及整個機電系統(tǒng)進行測試，以期為提升蛋糕裝裱造型加工的復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

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

圖1 蛋糕裱花成形軌跡

裱花時的運動方程：

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，(°)。

為實現(xiàn)上述成形運動，設(shè)計蛋糕加工機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。機械臂3個關(guān)節(jié)從左到右可以分別繞O1X1Y1Z1坐標系中的Z1軸、Y1軸、X1軸轉(zhuǎn)動以控制機械臂末端位姿。機械臂的基坐標系為O1，末端坐標系為O3。運動臺系統(tǒng)可以沿O2X2Y2Z2坐標系下的X2軸、Y2軸、Z2軸3個方向移動，并且可以繞Z4軸轉(zhuǎn)動，其基坐標系為O2，末端坐標系為O4。

(5)

當前市場上的運動控制器通常只針對單個機器人，為了能同時控制機械臂和運動臺協(xié)同工作，需要開發(fā)一款協(xié)同運動控制器作為該系統(tǒng)的控制部分。

圖2 機械系統(tǒng)運動原理圖

通常運動控制器的硬件架構(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)簡單，開發(fā)周期短，計算能力相對較弱；第2種是以微控制器加專用的運動控制芯片，這種結(jié)構(gòu)由于使用了專用的運動控制芯片，計算能力較強，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)計算能力強，而且開放性好，但是通常開發(fā)周期比較長[10]。從開發(fā)周期以及控制器需要完成的計算量等方面考慮，選用第2種方案，使用STM32F1系列微控制搭配MCX514四軸運動控制芯片作為控制器的核心硬件進行控制器的開發(fā)。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)是完成蛋糕加工的執(zhí)行部分，由于蛋糕的加工載荷小，故免強度校核，重點在于實現(xiàn)相應(yīng)的運動。圖3是依據(jù)圖2實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計：左部為1臺三自由度關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)，右部為一四自由度運動臺，蛋糕加工空間為Φ300 mm×200 mm。機器人機座回轉(zhuǎn)中心至數(shù)控臺機座中心距離O1O2為680 mm。

2.1 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人系統(tǒng)主要實現(xiàn)夾持帶動奶油噴嘴以及抹刀運動，見圖4。變換其末端的位姿以協(xié)同數(shù)控運動臺完成預定軌跡及奶油流量，完成預期造型工作。整個機械臂由下方步進電機帶動繞基座轉(zhuǎn)動，為了降低手臂的復雜程度，減小機器人占用空間，機器人手腕采用差動輪系結(jié)構(gòu)以控制手腕的A軸和B軸2個自由度。

1. 機械臂 2. 工作空間 3. 四軸運動臺

機械手的腕部結(jié)構(gòu)是由錐齒輪組成的差動輪系,差動輪系的2個輸入是由步進電機經(jīng)過鏈傳動輸入,運動輸出由行星輪6輸出，當2個輸入齒輪同向轉(zhuǎn)動時，末端繞A軸轉(zhuǎn)動，當2個輸入齒輪反向轉(zhuǎn)動時，末端繞B軸轉(zhuǎn)動。

1. 步進電機 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 運動臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

運動臺主要是帶動蛋糕胚體運動，圖5為運動臺1個移動軸的結(jié)構(gòu)，用3個類似結(jié)構(gòu)進行疊加構(gòu)成三軸方向的移動。各軸均由1臺伺服電機帶動，行程為200 mm，由于Z軸受重力作用，故Z軸電機需要有自鎖功能，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。圓盤的轉(zhuǎn)動由1個步進電機帶動，圓盤直徑為320 mm。

1. 滑塊 2. 絲杠螺母 3. 絲杠 4. 導軌 5. 聯(lián)軸器 6. 伺服電機

圖5 運動臺結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制器硬件

考慮到系統(tǒng)對運算速度以及穩(wěn)定性、開發(fā)周期等方面的要求，控制器硬件系統(tǒng)采用微控制加運動控制芯片的方案。使用日本NOVA公司的MCX514四軸運動控制芯片控制四軸運動臺[11-12]；STM32F103微控制器通過FSMC總線對運動控制芯片各個寄存器進行讀寫實現(xiàn)2個芯片間的通信。STM32F103通過自身的定時器實現(xiàn)對三自由度的機械臂進行控制，同時輸出PWM波控制奶油泵流量。為了能實現(xiàn)遠程個性化定制蛋糕以及后期功能擴展的需要，將STM32的4個串口引出，其中串口1用來和上位機進行通信，串口2接SIM800A DTU模塊用來接收遠程發(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作為預留接口備用。控制器硬件結(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個并行任務(wù)。MCX514通過內(nèi)部的8個16位寫寄存器以及8個16位讀寄存器實現(xiàn)四軸運動臺的直線、圓弧以及S形螺旋插補功能，由于對MCX514的控制就是對其寄存器的讀寫，所以可以將其作為1個存儲器掛在STM32的FSMC總線下作為STM32的外部存儲器[13]。然后，依據(jù)寄存器的功能和命令碼等，將MCX514的內(nèi)部功能封裝成運動控制函數(shù)供外部調(diào)用。機械臂的控制采用開源的GRBL數(shù)控系統(tǒng)[14]，實現(xiàn)對3個關(guān)節(jié)的控制。

3.3 上位機

上位機用于加工系統(tǒng)的人機交互，主要有坐標顯示、控制器加工控制、通信設(shè)置、控制器狀態(tài)查看、機器人和運動臺協(xié)同標定等功能，使用Qt框架開發(fā)[15]?？刂破骱蜕衔粰C使用串口進行通信，上位機通過串口發(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)同標定窗口。

圖7 控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖8 協(xié)同標定窗口

3.4 遠程通信

用戶在遠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、永遠在線、支持透傳等優(yōu)勢[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)部存儲單元，并通過串口1發(fā)出接收到新文件的提示。遠程通信的結(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、出錯等問題，需要在傳輸時加入校驗等保證數(shù)據(jù)傳輸可靠。

4 系統(tǒng)搭建與測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，搭建如圖10所示實驗測試系統(tǒng)驗證系統(tǒng)的可行性。確認接線無誤后，首先使用串口將控制器和上位機建立通信連接，讓機器人和運動臺各軸都回到原點，再手動控制讓機器人和運動臺完成3次握手進行標定，標定完成之后即可將測試程序發(fā)給控制器啟動加工。這里控制運動臺進行一段圓弧和一段直線插補，并使用激光位移傳感器對位移數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)處理得到插補偏移距離誤差，結(jié)果如圖11所示。

圖9 遠程通信

1. 機械臂 2. 反光板 3. 激光位移傳感器 4. 運動臺 5. 驅(qū)動器 6. 數(shù)據(jù)接收器 7. 控制器 8. 上位機

圖10 系統(tǒng)測試

Figure 10 System test

圖11 插補測試結(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臺三自由度的機器人和1臺四軸的運動臺協(xié)同完成奶油蛋糕的抹坯、裱花等工序，這樣不但可以擴大加工范圍，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，可以完成更復雜的成型軌跡，同時采用微控制器加專用運動控制芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計了相應(yīng)的控制器以及上位機系統(tǒng)，經(jīng)測試整個系統(tǒng)的精度可以達到0.11 mm以內(nèi)。本設(shè)計與傳統(tǒng)的3D奶油打印機相比雖然能完成抹坯以及更加復雜的裱花造型，但在噴嘴、抹刀的自動清洗、更換以及多色奶油噴涂等方面有待進一步升級優(yōu)化。