李榮林

（泰州技師學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

奶油食品作為人們比較喜歡的糕點(diǎn)之一，產(chǎn)品需求量較大，具有較好的發(fā)展前景。隨著奶油食品加工企業(yè)數(shù)量的增加，導(dǎo)致行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力越來(lái)越大[1]。部分企業(yè)采用傳統(tǒng)奶油食品加工模式經(jīng)營(yíng)，即人工裝點(diǎn)食品花樣。該模式應(yīng)用下不僅食品花樣少，樣式陳舊，作業(yè)精度和效率較低[2]。3D打印技術(shù)的提出，為奶油食品工業(yè)方案設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新的路徑，借助該項(xiàng)技術(shù)采取自動(dòng)化控制作業(yè)的模式，研發(fā)新的奶油食品花樣，打造個(gè)性化食品，同時(shí)具有提高作業(yè)效率的作用[3]。由于此項(xiàng)技術(shù)在奶油食品加工中的應(yīng)用研究時(shí)間較短，所以尚未形成完善的控制方案。本文嘗試分析3D打印技術(shù)在奶油食品工業(yè)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，提出3D打印系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 應(yīng)用分析

1.1 需求分析

控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，需要在奶油食品工控作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)3D打印技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一套控制系統(tǒng)方案[4]。首先要設(shè)定工控操作臺(tái)，以Y軸和X軸作為操控工具，組合到一起形成平面控制臺(tái)，對(duì)于打印機(jī)的噴頭及打印平臺(tái)的設(shè)置，以Z軸為操控工具。基于奶油食品工控作業(yè)要求，利用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)平面控制臺(tái)設(shè)備，因此，沿著軸向，在平面控制臺(tái)上安裝伺服電動(dòng)機(jī)，同時(shí)沿著軸向，將步進(jìn)電機(jī)安裝在打印機(jī)噴頭、平臺(tái)上[5]?？紤]到設(shè)備作業(yè)期間可能受其他因素的影響，降低作業(yè)安全性，所以本設(shè)計(jì)方案在每一個(gè)運(yùn)行終端均設(shè)置限位接近開(kāi)關(guān)，以此有效控制運(yùn)行狀況[6]。

另外，考慮到奶油食品材料與其他材料不同，對(duì)噴描作業(yè)流暢度要求較高，因而需要配備溫度控制器、加熱器，以此控制作業(yè)環(huán)境中奶油的溫度[7]。裝置作業(yè)期間，能夠根據(jù)食品加工材料、環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)控制器和加熱器的作業(yè)參數(shù)，使其得以滿(mǎn)足工控作業(yè)要求。

1.2 總體思路

3D打印技術(shù)在奶油食品工業(yè)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，實(shí)際上就是運(yùn)用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，根據(jù)奶油食品加工作業(yè)需求，設(shè)計(jì)3D打印機(jī)控制方案[8]。該方案以CPU-300單元作為核心控制裝置，通過(guò)開(kāi)發(fā)MP377多功能面板控制程序，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)作業(yè)下達(dá)控制命令，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤定位操控功能，使得掃描軌跡精度得以提升。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中定位控制功能的開(kāi)發(fā)，選取EM231定位模塊作為開(kāi)發(fā)工具，借助兩臺(tái)設(shè)備完成原始定位操控[9]。其中一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)定位Y軸，另外一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)定位X軸。操控期間，根據(jù)條件復(fù)雜程度，采用插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)方法，調(diào)節(jié)X軸和Y軸參數(shù)，使得定位更加精準(zhǔn)。定位期間，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)從EM231操作界面輸入控制系統(tǒng)中，而后借助CPU-300裝置輸出，經(jīng)過(guò)放大處理，下達(dá)至伺服電動(dòng)機(jī)，根據(jù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)給出的操控標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

系統(tǒng)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作業(yè)控制，本方案將選取步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器作為操控工具，按照設(shè)定的程序控制Z軸電機(jī)作業(yè)狀態(tài)[10]。與此同時(shí)，對(duì)打印平臺(tái)、打印機(jī)噴頭的溫度加以控制，此項(xiàng)功能的開(kāi)發(fā)，運(yùn)用單片機(jī)控制得以實(shí)現(xiàn)。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照3D打印系統(tǒng)整機(jī)開(kāi)發(fā)需求分析，本研究將整機(jī)拆分為4個(gè)主要模塊，分別是執(zhí)行功能模塊、驅(qū)動(dòng)功能模塊、控制功能模塊、供電功能模塊。其中，供電功能模塊是向整機(jī)作業(yè)提供電能的工具，根據(jù)作業(yè)需求，設(shè)計(jì)整機(jī)作業(yè)控制程序，而后按照各個(gè)設(shè)備功能特點(diǎn)，將各個(gè)控制程序命令下達(dá)給這些設(shè)備。作業(yè)期間，依靠驅(qū)動(dòng)功能模塊，對(duì)步進(jìn)電機(jī)、伺服放大器采取驅(qū)動(dòng)處理，使得各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的設(shè)備能夠有序執(zhí)行任務(wù)。如圖1所示為系統(tǒng)整機(jī)總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)中，PLC作為整機(jī)的核心控制器，型號(hào)為CPU-300。該控制器中編輯了作業(yè)控制程序，根據(jù)收集到的奶油食品加工環(huán)境數(shù)據(jù)，下達(dá)具體操控命令。這些操控命令將通過(guò)讀寫(xiě)的方式，下發(fā)給QD75裝置。在此裝置中設(shè)置數(shù)據(jù)，根據(jù)限位信號(hào)，設(shè)定限定范圍。當(dāng)QD75接收到操控命令后，將控制命令以脈動(dòng)發(fā)的方式，發(fā)送給伺服放大器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，而后作用在伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上。作業(yè)期間，伺服電動(dòng)機(jī)作業(yè)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)將形成反饋脈沖，通過(guò)伺服放大器，返回至QD75模塊，以讀寫(xiě)方式發(fā)送個(gè)PLC核心控制器。

整個(gè)電機(jī)作業(yè)參數(shù)并非固定不變，而是根據(jù)反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而達(dá)到高精度控制的目的，使得奶油食品花樣更加全面，加工質(zhì)量有所提升。為了實(shí)現(xiàn)奶油流暢噴描作業(yè)，本系統(tǒng)整機(jī)增加了QD64AD、D62DAN兩個(gè)模塊，利用PLC外圍設(shè)備接線(xiàn)口建立通信連接。其中，D62DAN模塊負(fù)責(zé)加熱命令的下達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)噴嘴加熱和平臺(tái)加熱，QD64AD作為噴嘴和憑臺(tái)加熱作業(yè)狀態(tài)信息反饋模塊，將反饋信息發(fā)送給PLC，以此形成完整的奶油食品加工體系。如果更換其他加工材料，QD64AD根據(jù)實(shí)際作業(yè)狀況反饋信息，此部分信息將作為D62DAN命令調(diào)整依據(jù)。

3 整機(jī)功能設(shè)計(jì)

3.1 3D打印機(jī)控制功能開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)與PLC作為信息處理核心控制器，根據(jù)奶油食品加工作業(yè)要求，下達(dá)運(yùn)動(dòng)控制模塊作業(yè)命令，按照方向不同，分別下發(fā)給X軸、Y軸、Z軸伺服電動(dòng)機(jī)，根據(jù)控制要求，同時(shí)對(duì)噴嘴電動(dòng)機(jī)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采用數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接方式，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)模塊與PLC之間的通信連接，形成雙向交流，即在下達(dá)操控命令的同時(shí)，可以收集一些本次作業(yè)的數(shù)據(jù)，作為下一次作業(yè)調(diào)節(jié)的參考依據(jù)。

關(guān)于3D打印機(jī)控制功能的開(kāi)發(fā)，運(yùn)用PLC接口芯片下達(dá)控制命令。其中，PLC芯片由兩部分組成，分別是FPGA芯片、DSP芯片。同時(shí)運(yùn)行這兩個(gè)芯片，能夠全面管控3D打印機(jī)作業(yè)，為整機(jī)提供控制脈沖，同時(shí)還具備參數(shù)調(diào)整功能。以插補(bǔ)運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)速度控制作為主要調(diào)整工具，通過(guò)實(shí)時(shí)采集打印機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)，掌握當(dāng)前打印機(jī)作業(yè)狀態(tài)，判斷其是否滿(mǎn)足奶油食品加工控制要求，給出下一步調(diào)整方案。根據(jù)調(diào)控需求，采取插補(bǔ)運(yùn)算處理，同時(shí)開(kāi)啟各個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)速度控制模式。

3.2 奶油食品加工裝置機(jī)械控制方案

本控制方案遵循X軸、Y軸、Z軸運(yùn)動(dòng)要求，結(jié)合3D打印機(jī)械控制要求，設(shè)計(jì)平面機(jī)械控制方案及Z軸控制方案。其中，Z軸的運(yùn)動(dòng)控制，是通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)下達(dá)操控命令，沿著垂直方向做運(yùn)動(dòng)；X軸和Y軸組成的平臺(tái)，受牽引力作用，開(kāi)始做平面運(yùn)動(dòng)。其中，施加牽引力的是伺服電動(dòng)機(jī)?？紤]到奶油質(zhì)地比較輕，其荷載數(shù)值比較小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下將形成慣性，容易影響奶油食品加工質(zhì)量。為了解決此問(wèn)題，本研究提出快速制動(dòng)、柔性操控兩項(xiàng)控制方法，施加在平臺(tái)作業(yè)面。關(guān)于Z軸的控制，則是以運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、承載力作為主要控制指標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)這些控制，本設(shè)計(jì)方案為不同軸向設(shè)計(jì)了差異化驅(qū)動(dòng)方式。X軸向，選取直流電動(dòng)機(jī)作為控制工具，引入同步齒形帶傳動(dòng)方式，設(shè)計(jì)打印噴頭移動(dòng)控制方案。其中，重復(fù)定位精度±0.02 mm，移動(dòng)速度1 m/s，作業(yè)期間加速度大數(shù)值為1 g。沿著Y軸方向的設(shè)計(jì)，利用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)精密滾珠絲杠傳動(dòng)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，調(diào)整設(shè)備作業(yè)導(dǎo)向。其中，重復(fù)定位精度±0.01 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最大值3000 r/min。打印系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)中，在X軸運(yùn)動(dòng)單元上安裝奶油噴嘴，下達(dá)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)命令，使噴嘴得以沿著X軸做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在步進(jìn)電機(jī)密滾珠絲杠傳動(dòng)作用下，噴嘴能夠沿著Z軸方向移動(dòng)。作業(yè)期間，以精密圓柱導(dǎo)軌作為密滾珠絲杠傳動(dòng)工具，并為其配備直線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)滾珠軸承導(dǎo)向再循環(huán)作業(yè)，從而完成3D奶油打印操作。其中，重復(fù)定位精度±0.01 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)速度最大值3000 r/min，垂直推力數(shù)值為1000 N。

3.3 噴射控制方案

噴射控制方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)奶油材質(zhì)不易流動(dòng)特點(diǎn)，選取微型氣泵作為噴射工具，采用施加氣壓的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的有效控制。裝置腹腔內(nèi)正壓和負(fù)壓的相互作用下，以射流的方式，從噴嘴中擠壓奶油。關(guān)于噴射的控制，建立在奶油食品圖形設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，通過(guò)噴射作業(yè)，逐層堆積運(yùn)動(dòng)軌跡，從而形成多種風(fēng)格圖案和圖形。一般情況下，微型氣泵主要由5部分組成，分別是氣泵、密封圈、活塞、噴嘴及料筒。按照食品加工尺寸要求，設(shè)計(jì)噴射驅(qū)動(dòng)命令，使其得以按照要求驅(qū)動(dòng)3D奶油打印機(jī)中的噴射裝置。其中，每一層的噴射作業(yè)，都需要調(diào)整X軸、Y軸、Z軸軌跡坐標(biāo)。如圖2所示為逐層噴射控制程序開(kāi)發(fā)流程。

圖2 逐層噴射控制程序開(kāi)發(fā)流程

第一步：逐層噴射控制程序初始化處理；

第二步：調(diào)整X軸和Y軸定位子程序；

第三步：調(diào)整Z軸坐標(biāo)；

第四步：判斷當(dāng)前Z軸是否調(diào)整結(jié)束，如果調(diào)整結(jié)束，則結(jié)束本次操控，如果未能達(dá)到調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，則返回第二步。

3.4 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案以觸摸屏作為3D打印機(jī)械設(shè)備與操作人員交流的工具，操作人員根據(jù)奶油食品生產(chǎn)加工需求輸入相關(guān)指令，計(jì)算機(jī)接收這些指令后，將其轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言，下達(dá)3D打印機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)奶油食品生產(chǎn)加工自動(dòng)化控制。

4 測(cè)試分析

4.1 測(cè)試內(nèi)容與方法

（1）以5種不同的奶油食品作為制作對(duì)象，測(cè)試3D打印系統(tǒng)整機(jī)作業(yè)期間的溫度控制與噴頭定位控制精度。

（2）以5種不同類(lèi)型的奶油食品圖案作為制作對(duì)象，測(cè)試3D打印系統(tǒng)整機(jī)作業(yè)狀態(tài)及噴描圖案精度。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

按照測(cè)試內(nèi)容與方法，分別對(duì)奶油噴描溫度控制與噴頭定位控制精度、奶油食品加工3D打印圖案類(lèi)型多樣化及精準(zhǔn)度展開(kāi)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 奶油噴描溫度控制與噴頭定位控制精度

表1中，本設(shè)計(jì)方案能夠有效控制奶油噴描溫度，使其達(dá)到奶油加工制作溫度環(huán)境要求，操控精度在99.3%以上。5種食品中，噴頭定位精度不低于99.3%。

由表2可知，本設(shè)計(jì)的3D打印系統(tǒng)整機(jī)作業(yè)正常，能夠準(zhǔn)確噴描不同類(lèi)型奶油食品圖案，精度不低于97.9%。

表2 奶油食品加工3D打印圖案類(lèi)型多樣化及精準(zhǔn)度

5 結(jié)語(yǔ)

選取3D打印技術(shù)作為研究工具，嘗試提出一套奶油食品工業(yè)方案。該方案是從奶油食品工業(yè)制作需求出發(fā)，引入3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制打印系統(tǒng)整機(jī)。在PLC核心控制器的作用下，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸作業(yè)控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)方案能夠有效控制整機(jī)噴頭作業(yè)溫度，噴頭定位精度較高，可以形成多種食品圖案，精度不低于97.9%。