基于3D打印技術的奶油食品工業方案設計研究

李榮林

（泰州技師學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

奶油食品作為人們比較喜歡的糕點之一，產品需求量較大，具有較好的發展前景。隨著奶油食品加工企業數量的增加，導致行業競爭壓力越來越大[1]。部分企業采用傳統奶油食品加工模式經營，即人工裝點食品花樣。該模式應用下不僅食品花樣少，樣式陳舊，作業精度和效率較低[2]。3D打印技術的提出，為奶油食品工業方案設計開辟了新的路徑，借助該項技術采取自動化控制作業的模式，研發新的奶油食品花樣，打造個性化食品，同時具有提高作業效率的作用[3]。由于此項技術在奶油食品加工中的應用研究時間較短，所以尚未形成完善的控制方案。本文嘗試分析3D打印技術在奶油食品工業方案設計中的應用方法，提出3D打印系統整機結構設計方案。

1 應用分析

1.1 需求分析

控制系統的開發，需要在奶油食品工控作業要求的基礎上，根據3D打印技術特點，開發一套控制系統方案[4]。首先要設定工控操作臺，以Y軸和X軸作為操控工具，組合到一起形成平面控制臺，對于打印機的噴頭及打印平臺的設置，以Z軸為操控工具。基于奶油食品工控作業要求，利用伺服電動機驅動平面控制臺設備，因此，沿著軸向，在平面控制臺上安裝伺服電動機，同時沿著軸向，將步進電機安裝在打印機噴頭、平臺上[5]?？紤]到設備作業期間可能受其他因素的影響，降低作業安全性，所以本設計方案在每一個運行終端均設置限位接近開關，以此有效控制運行狀況[6]。

另外，考慮到奶油食品材料與其他材料不同，對噴描作業流暢度要求較高，因而需要配備溫度控制器、加熱器，以此控制作業環境中奶油的溫度[7]。裝置作業期間，能夠根據食品加工材料、環境的變化，調節控制器和加熱器的作業參數，使其得以滿足工控作業要求。

1.2 總體思路

3D打印技術在奶油食品工業方案設計中的應用，實際上就是運用自動化控制系統，根據奶油食品加工作業需求，設計3D打印機控制方案[8]。該方案以CPU-300單元作為核心控制裝置，通過開發MP377多功能面板控制程序，對步進電動機、伺服電動機作業下達控制命令，從而實現跟蹤定位操控功能，使得掃描軌跡精度得以提升。

系統開發中定位控制功能的開發，選取EM231定位模塊作為開發工具，借助兩臺設備完成原始定位操控[9]。其中一臺伺服電動機定位Y軸，另外一臺伺服電動機定位X軸。操控期間，根據條件復雜程度，采用插補運動方法，調節X軸和Y軸參數，使得定位更加精準。定位期間，將關鍵數據從EM231操作界面輸入控制系統中，而后借助CPU-300裝置輸出，經過放大處理，下達至伺服電動機，根據關鍵數據給出的操控標準，對機械運轉進行精準控制。

系統中步進電動機的作業控制，本方案將選取步進驅動器作為操控工具，按照設定的程序控制Z軸電機作業狀態[10]。與此同時，對打印平臺、打印機噴頭的溫度加以控制，此項功能的開發，運用單片機控制得以實現。

2 整機結構設計

按照3D打印系統整機開發需求分析，本研究將整機拆分為4個主要模塊，分別是執行功能模塊、驅動功能模塊、控制功能模塊、供電功能模塊。其中，供電功能模塊是向整機作業提供電能的工具，根據作業需求，設計整機作業控制程序，而后按照各個設備功能特點，將各個控制程序命令下達給這些設備。作業期間，依靠驅動功能模塊，對步進電機、伺服放大器采取驅動處理，使得各個作業環節的設備能夠有序執行任務。如圖1所示為系統整機總體架構。

圖1 系統整機總體結構

該結構中，PLC作為整機的核心控制器，型號為CPU-300。該控制器中編輯了作業控制程序，根據收集到的奶油食品加工環境數據，下達具體操控命令。這些操控命令將通過讀寫的方式，下發給QD75裝置。在此裝置中設置數據，根據限位信號，設定限定范圍。當QD75接收到操控命令后，將控制命令以脈動發的方式，發送給伺服放大器、步進驅動器，而后作用在伺服電動機、步進電動機上。作業期間，伺服電動機作業狀態相關數據將形成反饋脈沖，通過伺服放大器，返回至QD75模塊，以讀寫方式發送個PLC核心控制器。

整個電機作業參數并非固定不變，而是根據反饋回來的數據，對作業參數進行實時調整，從而達到高精度控制的目的，使得奶油食品花樣更加全面，加工質量有所提升。為了實現奶油流暢噴描作業，本系統整機增加了QD64AD、D62DAN兩個模塊，利用PLC外圍設備接線口建立通信連接。其中，D62DAN模塊負責加熱命令的下達，從而實現噴嘴加熱和平臺加熱，QD64AD作為噴嘴和憑臺加熱作業狀態信息反饋模塊，將反饋信息發送給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根據實際作業狀況反饋信息，此部分信息將作為D62DAN命令調整依據。

3 整機功能設計

3.1 3D打印機控制功能開發

本系統與PLC作為信息處理核心控制器，根據奶油食品加工作業要求，下達運動控制模塊作業命令，按照方向不同，分別下發給X軸、Y軸、Z軸伺服電動機，根據控制要求，同時對噴嘴電動機作業參數進行設置。采用數據總線連接方式，創建運動模塊與PLC之間的通信連接，形成雙向交流，即在下達操控命令的同時，可以收集一些本次作業的數據，作為下一次作業調節的參考依據。

關于3D打印機控制功能的開發，運用PLC接口芯片下達控制命令。其中，PLC芯片由兩部分組成，分別是FPGA芯片、DSP芯片。同時運行這兩個芯片，能夠全面管控3D打印機作業，為整機提供控制脈沖，同時還具備參數調整功能。以插補運算、驅動速度控制作為主要調整工具，通過實時采集打印機作業數據，掌握當前打印機作業狀態，判斷其是否滿足奶油食品加工控制要求，給出下一步調整方案。根據調控需求，采取插補運算處理，同時開啟各個裝置的驅動速度控制模式。

3.2 奶油食品加工裝置機械控制方案

本控制方案遵循X軸、Y軸、Z軸運動要求，結合3D打印機械控制要求，設計平面機械控制方案及Z軸控制方案。其中，Z軸的運動控制，是通過伺服電動機下達操控命令，沿著垂直方向做運動；X軸和Y軸組成的平臺，受牽引力作用，開始做平面運動。其中，施加牽引力的是伺服電動機?？紤]到奶油質地比較輕，其荷載數值比較小，高速運轉條件下將形成慣性，容易影響奶油食品加工質量。為了解決此問題，本研究提出快速制動、柔性操控兩項控制方法，施加在平臺作業面。關于Z軸的控制，則是以運動平穩性、承載力作為主要控制指標。

為了實現這些控制，本設計方案為不同軸向設計了差異化驅動方式。X軸向，選取直流電動機作為控制工具，引入同步齒形帶傳動方式，設計打印噴頭移動控制方案。其中，重復定位精度±0.02 mm，移動速度1 m/s，作業期間加速度大數值為1 g。沿著Y軸方向的設計，利用步進電機經精密滾珠絲杠傳動，根據實際作業情況，調整設備作業導向。其中，重復定位精度±0.01 mm，轉動速度最大值3000 r/min。打印系統整機結構中，在X軸運動單元上安裝奶油噴嘴，下達直線運動命令，使噴嘴得以沿著X軸做直線運動。在步進電機密滾珠絲杠傳動作用下，噴嘴能夠沿著Z軸方向移動。作業期間，以精密圓柱導軌作為密滾珠絲杠傳動工具，并為其配備直線，從而實現滾珠軸承導向再循環作業，從而完成3D奶油打印操作。其中，重復定位精度±0.01 mm，轉動速度最大值3000 r/min，垂直推力數值為1000 N。

3.3 噴射控制方案

噴射控制方案的設計，根據奶油材質不易流動特點，選取微型氣泵作為噴射工具，采用施加氣壓的方法，實現對活塞運動的有效控制。裝置腹腔內正壓和負壓的相互作用下，以射流的方式，從噴嘴中擠壓奶油。關于噴射的控制，建立在奶油食品圖形設計方案基礎上，通過噴射作業，逐層堆積運動軌跡，從而形成多種風格圖案和圖形。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，設計噴射驅動命令，使其得以按照要求驅動3D奶油打印機中的噴射裝置。其中，每一層的噴射作業，都需要調整X軸、Y軸、Z軸軌跡坐標。如圖2所示為逐層噴射控制程序開發流程。

圖2 逐層噴射控制程序開發流程

第一步：逐層噴射控制程序初始化處理；

第二步：調整X軸和Y軸定位子程序；

第三步：調整Z軸坐標；

第四步：判斷當前Z軸是否調整結束，如果調整結束，則結束本次操控，如果未能達到調整標準，則返回第二步。

3.4 人機交互設計

本設計方案以觸摸屏作為3D打印機械設備與操作人員交流的工具，操作人員根據奶油食品生產加工需求輸入相關指令，計算機接收這些指令后，將其轉換為匯編語言，下達3D打印機械設備，實現奶油食品生產加工自動化控制。

4 測試分析

4.1 測試內容與方法

（1）以5種不同的奶油食品作為制作對象，測試3D打印系統整機作業期間的溫度控制與噴頭定位控制精度。

（2）以5種不同類型的奶油食品圖案作為制作對象，測試3D打印系統整機作業狀態及噴描圖案精度。

4.2 測試結果與分析

按照測試內容與方法，分別對奶油噴描溫度控制與噴頭定位控制精度、奶油食品加工3D打印圖案類型多樣化及精準度展開測試，結果見表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，本設計方案能夠有效控制奶油噴描溫度，使其達到奶油加工制作溫度環境要求，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，本設計的3D打印系統整機作業正常，能夠準確噴描不同類型奶油食品圖案，精度不低于97.9%。

表2 奶油食品加工3D打印圖案類型多樣化及精準度

5 結語

選取3D打印技術作為研究工具，嘗試提出一套奶油食品工業方案。該方案是從奶油食品工業制作需求出發，引入3D打印技術，設計自動化控制打印系統整機。在PLC核心控制器的作用下，實現X軸、Y軸、Z軸作業控制。實驗測試結果顯示，本設計方案能夠有效控制整機噴頭作業溫度，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%。