全自動蛋糕機機械結構與控制系統的設計*

□ 吳孜越 □ 李蒙蒙 □ 李志豪 □ 龍海洋

河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003

1　研究背景

隨著工業4.0的推出，非標自動化行業逐漸進入網絡化和智能化，迎來了重大機遇［1］。工業4.0時代，智能服務已經滲入到人們的生活中。隨著微電子的快速發展，控制器的功能也越來越強大［2］，大大方便了工業應用。國產控制器現已快速發展［3］，在諸如半導體、機器人、食品包裝等行業都有應用，且系統穩定、快速、精準。當然，也應重視機械部件設計，合理的機械部件設計可以大大降低控制系統的復雜程度［4］，成本相應也會減小。筆者設計的全自動蛋糕機主要可實現蛋糕的自動化生產，其總裝示意圖如圖1所示。

▲圖1 全自動蛋糕機總裝示意圖

全自動蛋糕機可在大城市設置網點，制作出蛋糕供人們食用。這一蛋糕機可以節約蛋糕加工輔助時間，減少工人使用量［5］，提高產品質量和生產效率，因此可更好地適應市場競爭。

蛋糕的生產過程主要包括8個步驟。

（1）推模。由推模部件將蛋糕模推至加熱旋轉盤指定部位。

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

（3）翻面。將內圈烘烤好的蛋糕翻轉面后繼續烘烤。

（4）定位。翻轉面后各個蛋糕的位置會產生偏差，經校準定位后使蛋糕擺正。

（5）打標。在蛋糕表面打印有關標志。

（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傳遞機構傳送至指定位置。

（8）蛋糕傳遞。將烘烤熟的蛋糕經傳遞機構傳送至指定位置。

2　主要部件結構設計

全自動蛋糕機主要包括注料、翻面、定位、打標、推模、脫模六個部件。

2.1　注料

注料部件由步進電機通過聯軸器帶動凸輪軸旋轉，凸輪軸上的凸輪做勻速轉動，凸輪從動件頂桿做往復運動，從而完成面料的吸進與壓出。單向閥的單向導通性能可以確保每次壓出的面料相等，不產生面料泄漏現象。注料部件三維造型如圖2所示。

凸輪機構是注料部件中的一個重要組成部分，如圖3所示。凸輪具體結構采用作圖法進行設計，其行程為15 mm。

▲圖2 注料部件

▲圖3 凸輪機構

2.2　翻面

翻面部件的作用是將蛋糕模從轉盤的內圈送至中圈，同時完成蛋糕模的翻轉，使蛋糕進行雙面烘烤，其三維造型如圖4所示。翻面部件由電機、直角翻板、電磁剪刀機械手三部分組成。電機提供翻轉動力源，選用步進電機，由脈沖控制轉速及旋轉角度。直角翻板將電機軸的旋轉運動轉換為蛋糕模從內圈到中圈的翻轉運動。電磁剪刀機械手由電磁鐵和剪刀手組成，通過電磁鐵的通斷電來實現機械手的張開與閉合，完成蛋糕模的抓取與松開動作。

▲圖4 翻面部件

2.3　定位和打標

考慮到定位和打標部件在轉盤停留期間只需上下運動，且均為輕載工況，因此可選用平底從動件盤形凸輪［7］。定位和打標兩部件采用相同外形的凸輪，凸輪時序見表1。使用MATLAB軟件進行凸輪參數化設計，其中凸輪輪廓線設計如圖5所示。

表1　凸輪時序

定位部件的定位頭為豎直上下運動，電機驅動凸輪機構完成定位運動。從動件運動至凸輪的遠休止部分時，定位頭位于運動位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過。從動件運動至凸輪的近休止部分時，定位部件使蛋糕模準確定位。整個運動節拍與蛋糕機的運動相協調。定位部件三維造型如圖6所示。

打標部件的打標模也為豎直上下運動，電機驅動凸輪機構完成打標運動。從動件運動至凸輪的遠休止部分時，打標模位于運動位置的最上端，能滿足蛋糕模自由通過。從動件運動至凸輪的近休止部分時，打標模接觸蛋糕表面，并對其產生一定的壓力，完成打標。整個運動節拍與蛋糕機的運動相協調［8］。打標部件三維造型如圖7所示。

▲圖5 凸輪輪廓線設計圖

▲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盤的外圈送至內圈，使蛋糕機繼續注料加工新的蛋糕。推模部件三維造型如圖8所示。

▲圖7 打標部件

當蛋糕機轉盤處于初始停止狀態時，轉盤內圈無蛋糕模，圓弧推頭處會有一個新的蛋糕模。步進電機接收到信號后工作，伸縮桿向外伸長，將外圈新的蛋糕模推向內圈，然后縮回到原位。如此循環往復，就可以將蛋糕模從轉盤的外圈送至內圈，使蛋糕機連續工作。

▲圖8 推模部件

2.5　脫模

脫模部件采用箱體結構。蛋糕模回收裝置設置于大轉盤上，由主傳動直接帶動，操作方便。電機通過不完全齒輪帶動齒輪轉動90°，且帶動軸轉動，軸再帶動推桿和推模手運動至打模頭下方。此時電機順時針旋轉180°，打模頭下降28 mm，使蛋糕脫離蛋糕模。電機逆時針旋轉180°，打模頭上升28 mm，回到原位，電機再逆時針旋轉90°，脫模裝置復位。脫模部件三維造型如圖9所示。

▲圖9 脫模部件

設計出各個部件后，繪制出全自動蛋糕機整體三維模型。將三維模型導入有限元分析軟件，對其運動和溫度場等進行分析，結果表明所設計的蛋糕機結構合理。在完成仿真后，制造了全自動蛋糕機實物，如圖10所示。

▲圖10 全自動蛋糕機實物圖

3　控制系統設計

全自動蛋糕機電控部分由8軸GUC-800控制器、擴展輸入輸出模塊、步進電機、步進電機驅動器、直流電機、繼電器、限位開關等組成，編程采用CPAC平臺OtoStudio軟件［9-10］。根據實際需求，使用限位開關來判斷各電機是否完成相應動作和回零。GUC-800控制器控制7臺步進電機實現推模、注料、換料、翻模、定位、打標和脫模，并控制1臺直流電機實現轉盤轉動。

全自動蛋糕機電氣柜布置如圖11所示，圖中①為220 V/24 V開關電源，②為GUC-800控制器，③為擴展輸入輸出模塊，④為220 V、6 A空氣開關，⑤為繼電器，⑥為步進電機驅動器，⑦為外接限位信號端子板。

▲圖11 全自動蛋糕機電氣柜布置圖

全自動蛋糕機控制部分包括輸入輸出、調試、參數、控制系統四個主要界面。輸入輸出界面的主要功能是在蛋糕機運行過程中檢測各運動過程是否正常，如果發現信號異常，需要立刻采取急停措施，并且將報警信息傳遞至操作者。輸入輸出界面主要包括啟動、停止、急停等功能按鍵。調試界面主要用于各個單軸的運動調試，主要包括定位工藝、推模工藝、注料工藝、翻模工藝等內容。在調試界面中可以改變各工藝的速率，以檢測蛋糕機各個部分是否正常工作。操作者可以設定正方向或負方向進行檢測，同時可以檢測轉盤的溫度。當轉盤溫度超過設定值之后，系統會發出報警。參數界面可用于檢測注料部件中三個不同作用的倉，判斷其注料是否正常。

綜上所述，在CPAC平臺上利用OtoStudio軟件進行全自動蛋糕機動作程序的編寫及可視化界面的設計，通過可視化界面可以對蛋糕機進行操作。全自動蛋糕機自動化控制界面如圖12所示。

▲圖12 全自動蛋糕機自動化控制界面

4　結束語

筆者對全自動蛋糕機的機械結構進行了分析，完成了全自動蛋糕機的結構設計，并對所設計的結構進行了仿真。結果表明，所設計的機械結構是可行的。基于三維造型，制造出全自動蛋糕機實物，并利用CPAC平臺設計了蛋糕機控制系統，實現了蛋糕的自動化生產。

［1］ 伯陽.用微型蛋糕機生產小蛋糕［J］.沿海企業與科技，2004（10）：39.

［2］ 吳宏獻.蛋糕蓋注塑模的設計與制造［D］.長沙：湖南大學，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研究［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2016，34（3）：305-310.

［4］ 機械設計手冊編委會.機械設計手冊：新版［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［5］ 楊巍，何曉玲.機械原理［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［6］ 西北工業大學機械原理及機械零件教研室.機械設計［M］．9版.北京：高等教育出版社，2013.

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

［8］ 正生.無電式微型蛋糕機［J］.適用技術市場，2001（6）：56.

［9］ 固高科技（深圳）有限公司．OtoStudio運動控制編程手冊［Z］．

［10］ 韓建海，胡東方.數控技術及裝備［M］．2版．武漢：華中科技大學出版社，2011.