自動式漢堡制作機設計

王 濤WANG Tao 陳成軍 - 郭巖寶 - 劉承誠 -

(1. 中國石油大學﹝北京﹞機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 青島理工大學機械工程學院，山東 青島 266520)

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，快餐的需求量越來越大，漢堡作為最常見的快餐食品，有很大的銷售市場。漢堡的制作過程主要包括加面包、加肉、加漢堡醬、加生菜、加面包5個步驟。市場上對面包烘烤、烤肉等食品機械方面的研究比較成熟[1-2]，但都屬于對漢堡制作所需的原材料進行加工。在各大快餐連鎖店中，用漢堡所需的各部分食材制作漢堡的過程仍然靠人工操作。在漢堡售賣的高峰期，由于人工制作速度的局限性和人工成本的增加，不僅會使制作標準和衛(wèi)生標準下降，利潤也會被壓縮。本研究設計的漢堡制作機將原材料加工及漢堡制作的5個主要步驟進行合并操作，擬通過自動式漢堡制作機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相互配合，實現(xiàn)機械自動化、流水化，提高制作效率，解放勞動力[3]。

1 機械系統(tǒng)的設計

自動式漢堡制作機的機械系統(tǒng)裝配圖見圖1。

流水線是漢堡制作的工作臺，由電機輸出的傳動軸帶動齒型傳送帶轉動，齒型傳送帶具有傳動穩(wěn)定、噪音小等優(yōu)點[4]。在齒型傳送帶上面連接有托盤小車，托盤小車有4個萬向輪，使其在轉彎時比較平穩(wěn)而不會產生滑動，小車上面有2個凹槽，用來固定漢堡包裝盒。流水線的每個工位位置處都安裝有限位開關，限位開關既可以準確地控制托盤小車運動到指定位置，也是各工序的起始開關。流水線正等測圖見圖2。

1. 傳動軸 2. 齒型傳送帶 3. 工作平臺 4. 漢堡包裝盒 5. 托盤小車

圖2 流水線正等測圖

Figure 2 Positive contour map of assembly line

烤箱A與烤箱B的結構和功能相同，由于漢堡含有上下兩片面包，所以設置2個加面包工位?？鞠鋬瓤赏瑫r對多片面包進行烘烤，烘烤完成之后烤箱內保持恒溫。當托盤小車運行到加面包工位時，烤箱電機帶動擋板轉動90°，烘烤好的面包掉落到烤箱滑槽內，依靠重力沿著傾斜的滑槽滑落到托盤小車上面的漢堡包裝盒內。

自動式漢堡制作機的加肉工序是由天車系統(tǒng)、機械手和儲肉柜共同配合完成的。當需要加烤肉時，儲肉柜的上蓋在電機的控制下打開，電機與儲肉柜上蓋之間的傳動方式為齒輪齒條傳動[5]。儲肉柜的側面采用雙開門結構，便于儲肉板的取出和烤肉的補充，儲肉柜內保持恒溫，使烤肉保持新鮮。儲肉柜里面每個放烤肉位置的正中心都對應控制系統(tǒng)中的一個直角坐標系坐標，當接收到控制系統(tǒng)指令后，天車系統(tǒng)會帶著機械手運動到指定烤肉上方。天車系統(tǒng)的豎梁和兩對橫梁分別由兩根桿組成，這是為了增加系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性。在天車系統(tǒng)豎梁的兩端分別設置有4個外圓柱側面凹進去的輪子，該輪子由電機驅動，可實現(xiàn)豎梁在橫梁上的移動[6]。

機械手正視圖見圖3，機械手的控制箱上面有4個凹輪，輪子的外圓柱側面是凹進去的，可以在電機的帶動下在天車系統(tǒng)的豎梁上運動。為了使一級伸縮臂和二級伸縮臂平穩(wěn)運動，采用氣壓傳動。當機械手到達烤肉上方時，機械手的一級伸縮臂就會在固定臂中伸出，一級伸縮臂運動時會帶動機械手的固定曲桿、二級伸縮臂、二級板、針桿和一級板一起運動。當一級伸縮臂伸出一定距離后，一級伸縮臂停止運動，由于固定曲桿和一級板固定在一級伸縮臂上，所以也會停止運動。此時，機械手還沒有接觸到烤肉，二級伸縮臂開始伸出，二級伸縮臂和二級板是固定在一起的，二級板上面有4個針桿，針桿底端有尖頭，并且每個針桿底部都有4個倒刺。一級板上面有4個通孔，可以供針桿伸出與縮回[7]。所以，二級伸縮臂伸出時，會帶著二級板和針桿一起伸出，隨著二級板的伸出，針桿會扎進烤肉里，針桿扎進一定深度時，二級伸縮臂停止運動，一級伸縮臂開始縮回，這時，由于倒刺的存在，烤肉不會因為重力作用而掉落。當機械手到達一定高度時，伸縮臂停止運動，由天車系統(tǒng)將機械手帶到漢堡包裝盒正上方。此時，機械手的一級伸縮臂伸出，使烤肉下降到一定位置后停止運動。二級伸縮臂開始縮回，直到針桿最底端運動到一級板上部一定距離。當烤肉接觸到一級板時停止上升，開始與針桿分離，當二者完全分離之后，烤肉由于重力作用會掉落到面包上面，完成加肉過程。此后，機械手、天車系統(tǒng)和儲肉柜復位，等待下一次加肉指令。

醬槍機構由醬槍支架、十字桿和4個醬槍桶組成。醬槍機構在加醬時，十字桿在電機帶動下進行旋轉，將裝有不同口味漢堡醬的醬槍旋轉到漢堡包裝盒上方，醬槍桶內的醬槍推桿將漢堡醬推出。醬槍桶在十字桿上直線往復運動的同時十字架進行微角度旋轉，使加醬更加均勻。加菜機構則是靠菜倉內的槽輪轉動，將菜倉內的生菜通過加菜機構下部的漏口加到漢堡包裝盒內。

2 控制系統(tǒng)的設計

自動式漢堡制作機制作一個漢堡的具體工作流程見圖4，機械系統(tǒng)是制作漢堡的執(zhí)行部件，而控制系統(tǒng)則是將整個結構串聯(lián)起來并進行控制的大腦。為了實現(xiàn)自動式漢堡制作機的自動化和智能化，需要對控制系統(tǒng)進行設計。

自動式漢堡制作機的控制系統(tǒng)采用觸摸屏和Siemens S7-200型的PLC作為人機界面和系統(tǒng)的控制器，即上位機和下位機，用來控制氣動系統(tǒng)、電動機和溫度傳感器等執(zhí)行機構。制作漢堡時，在觸摸屏上對制作漢堡的種類和個數(shù)進行設置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制自動式漢堡制作機的執(zhí)行機構。同時，烤箱與儲肉柜內的溫度和未加工/已加工的漢堡種類與個數(shù)將通過PLC上的A/D轉換、數(shù)值變換傳送到觸摸屏上，進行實時顯示。PLC和觸摸屏的接口連接使用RS-485/RS-232轉換線進行自由口通信。自動式漢堡制作機的控制系統(tǒng)框圖見圖5[8]。

2.1 氣動系統(tǒng)的設計

氣動系統(tǒng)的設計圖見圖6，用2個氣缸實現(xiàn)機械手夾取烤肉的動作。氣動系統(tǒng)主要分為控制氣源的總氣路和2個單獨氣路，即機械手一、二級伸縮臂的伸縮動作。用開關信號來控制電磁換向閥的得電與失電，電磁換向閥可以選擇氣缸的進出氣回路，也就是PLC通過控制電磁換向閥來實現(xiàn)氣缸的伸縮動作[9]。采用4個行程開關來保護氣缸。

2.2 PLC程序設計

PLC(可編程邏輯控制器)采用一種可編程的存儲器，儲存器內部存有順序控制、邏輯運算、計數(shù)和定時等操作指令，在開關量的開環(huán)控制、模擬量的閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等領域都有很廣泛的應用，具有可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、輸入/輸出功能模塊齊全、安裝方便和運行速度快等優(yōu)點，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)[10]。自動式漢堡制作機的PLC程序在STEP 7 MicroWIN操作平臺上采用梯形圖進行開發(fā)，系統(tǒng)控制程序的主要功能包括系統(tǒng)運行時間計時、模數(shù)轉換、步進電機控制、電磁閥控制、溫度調節(jié)和計數(shù)控制等[11]。部分PLC程序見圖7，整個PLC程序用來實現(xiàn)流水線平臺的啟動與停止控制、烤箱內溫度與擋板的控制、天車系統(tǒng)的步進電機控制、機械手氣缸的控制、儲肉柜溫度與電機的控制、醬槍與加菜機構的步進電機控制、計數(shù)控制和制作原材料剩余量(包括漢堡面包剩余個數(shù)、烤肉剩余個數(shù)、漢堡醬剩余量和生菜剩余量)顯示的控制。

2.3 通訊程序設計

通訊程序是PLC和上位機之間進行通訊的橋梁，完整的通訊程序包括主程序、子程序和中斷程序。主程序可以調用子程序和控制系統(tǒng)運行，子程序實現(xiàn)通訊口初始化、譯碼和校驗，中斷程序實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。中斷程序在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時分別采用XMT發(fā)送指令和RCV接收指令。在完成初始化之后，端口始終處于接收狀態(tài)，并在數(shù)據(jù)接收完成之后終止接收狀態(tài)[12]。系統(tǒng)的整個通訊流程圖見圖8。

2.4 觸摸屏界面設計

上位機觸摸屏是用LabVIEW軟件進行編程設計，通過觸摸屏對下位機進行指令下達，完成控制。觸摸屏界面見圖9，整個界面包括1個信息顯示板和8個觸摸按鈕。在自動式漢堡制作機正常運行的時候，信息顯示板切換至主界面，顯示漢堡制作計劃和未加工/已加工漢堡的種類及數(shù)量。點擊狀態(tài)信息按鈕，信息顯示板切換至狀態(tài)信息界面，顯示下位機的反饋信息；點擊測試界面按鈕，切換到測試界面，可對通訊等進行測試；點擊溫度監(jiān)控按鈕，切換到溫度監(jiān)控界面，對烤箱和儲肉柜進行溫度監(jiān)控；點擊原料剩余按鈕，切換到原料剩余界面，對漢堡面包剩余個數(shù)、烤肉剩余個數(shù)、漢堡醬剩余量和生菜剩余量進行監(jiān)控。在完成前期準備工作進行加工時，點擊漢堡制作計劃按鈕，切換到漢堡制作選擇界面，對制作的漢堡種類和數(shù)量進行選擇，確認無誤后，點擊運行按鈕，啟動機器，開始制作漢堡，點擊停止按鈕，可以使機器停止制作，進行原料添加或故障排除工作。為防止在發(fā)生突發(fā)狀況時，控制系統(tǒng)或通訊不能正常工作，將急停按鈕設置在機器上，觸摸屏上不再設置急停按鈕。

3 結論

通過對漢堡的制作現(xiàn)狀進行分析，設計了一種集機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為一體的自動式漢堡制作機，控制系統(tǒng)通過調用不同的程序，控制機械系統(tǒng)運動，制作出不同種類的漢堡。自動式漢堡制作機的機械系統(tǒng)包括烤箱、天車系統(tǒng)、儲肉柜、機械手、托盤小車、流水線、醬槍、加菜機構?？刂葡到y(tǒng)則是以觸摸屏和PLC分別作為上位機和下位機，通過對通訊系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了上位機和下位機的自由口通訊。通過在觸摸屏上的設置，可以控制機械系統(tǒng)實現(xiàn)漢堡制作的加面包、加肉、加漢堡醬、加生菜、加面包5個步驟。經試驗證明，自動式漢堡制作機具有可行性和合理性，自動化程度高；通過觸摸屏對下位機下達指令，實現(xiàn)控制，操作簡單；可以實現(xiàn)漢堡的流水化制作，提高漢堡的加工效率，省時省力，在實際應用中，可在1 min內完成一個漢堡的制作，有很好的應用前景。但自動式漢堡制作機在制作漢堡的時候，仍然需要一個操作員把漢堡包裝盒放在托盤小車上，以及在漢堡制作完成后完成后續(xù)的包裝工作，所以，今后可以在這方面繼續(xù)進行改進，實現(xiàn)無人化的漢堡制作。

[1] 宋澄, 勒海. 自動面包機技術專利分析[J]. 科學家, 2016, 4(11): 3-4.

[2] 陳仙清. 漢堡機的設計與研究[D]. 廈門: 廈門大學, 2008: 42-58.

[3] 陳成軍, 王濤, 常世勇, 等. 一種漢堡自動制作機: 中國, 201410387199.8[P]. 2014-12-03.

[4] 濮良貴, 陳國定, 吳立言. 機械設計[M]. 北京: 高等教育出版社, 2013: 143-144.

[5] 王豐元, 李蘭, 李震, 等. 旋轉式多工位自動干果包裝機的設計[J]. 食品與機械, 2017, 33(1): 76-80.

[6] 錢振華, 王榮揚, 左希慶. 基于 HMI 和 PLC 的食品包裝箱碼垛機控制系統(tǒng)設計[J]. 食品與機械, 2016, 32(10): 105-107.

[7] 叢海鷹, 毛承志, 劉北英. 吸盤式上下板料機械手關鍵結構設計[J]. 機械制造與自動化, 2008, 37(3): 76-78.

[8] 呂品. PLC 和觸摸屏組合控制系統(tǒng)的應用[J]. 自動化儀表, 2010, 31(8): 45-47.

[9] 胡志剛. 基于 S7-200 PLC 的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J]. 機械工程師, 2014(3): 120-121.

[10] 張浩棟, 張燕, 曾小英, 等. 基于 PLC 的香蕉秸稈自動打包機的設計和控制研究[J]. 食品與機械, 2013, 29(4): 115-117.

[11] 呂華芳, 楊漢波, 叢振濤, 等. 基于 PLC 控制的室內降雨入滲自動測定系統(tǒng)[J]. 農業(yè)機械學報, 2014, 45(9): 144-149.

[12] 劉寶霞, 趙弘. 基于 LabVIEW 的石油固井作業(yè)氣動控制系統(tǒng)設計[J]. 液壓與氣動, 2013(1): 44-47.