自动刷涂酱料烧烤设备的设计与实验

2021-10-26龙阳城陈新度吴磊

机械工程师 2021年10期

龙阳城，陈新度，吴磊

（广东工业大学机电工程学院，广州 510006）

0 引言

国内传统的烤肉是将肉制品穿在烤肉铁钎子上，在简易的烤肉炉上烤制。烤肉炉通常是铁皮长槽，使用木炭或燃煤作燃料。烤制时，将铁钎子放在烤肉槽上，加热的同时还需要撒上各种调味品并不停地翻烤[1]。在对于烧烤自动化的研究中，张振[2]设计了一种可实现烤肉自动旋转的家用燃气烤肉炉，该烤炉通过卡盘转动带动所有肉串钎实现转动，但该设计只能用于燃气烧烤，无法适应烧烤市场中多为木炭烧烤的需求。吴维欣等[3]设计的旋转式烤肉机，通过连续传送带带动烤肉钎，还设置了自动送料机，可以在传送带的作用下与烤肉机的连续传送带同步传动连接，但该设计只实现了食材的自动旋转，没有实现食材在烘烤过程中的涂刷酱料功能。韩雪超等[4]改进设计了移动式烤肉机，该设计可实现肉串的自动传输和刷料，但机械结构复杂，不能大规模使用。吕仲明[5]改进了第一代烤肉炉，改进后的便携式烤肉炉在内部压力场分布和速度场分布上都占有较大优势，但只是更改了烤肉炉的结构，并未实现机械刷料工艺。因此，针对当前烧烤市场上传统木炭烤炉的工作方式，基于STM32单片机控制技术，设计了一种能够在木炭烤炉上模拟人工刷涂酱料的机械装置。

1 涂刷酱料的运动模型建立

1.1 涂刷动作的机械动作实现

在烧烤给食物增加调味品的过程中，一般使用刷子蘸取酱料，在食物上往复移动将酱料涂刷均匀，见图1。

图1 烧烤中的刷涂酱料工艺

涂刷酱料的工艺在运动上可表现为：刷子一端被夹持着垂直放置，刷毛与食材发生干涉，在空间上以食材沿烧烤签的方向为轴，进行往复的轴向直线运动，即实现刷子在食材上的直线运动。

万亮晨等[6]发明了一种可实现刷子在食材上直线运动的自动烧烤架。该机构的运动简图如图2所示。

由图2可知，该烧烤架有一个沿x轴的直线运动v，沿y轴的直线运动u，需实现覆盖长度为L的工作范围，需要使用同样长度为L的导轨，不仅成本高，并且占用了更多的空间。基于节省成本、节约空间的目的，将X、Y方向上的两个直线运动更改为X方向上的直线运动和一个旋转运动，见图3。

图2 直线运动组合的自动烧烤架运动简图

由图3可知，改进后的机构只需要长度为d的导轨即可实现在相同的工作范围L内的往复运动。

图3 改进后的机构运动简图

1.2 机构的运动学模型建立

改进后的机构使用一个旋转运动和一个直线运动拟合成一个在食材上的往复运动。则有下式：

式中：r为旋转运动角速度，r/s；v为直线运动速度，mm/s；u为烧烤签上的直线运动速度，mm/s；D为旋转臂长，mm；θ为旋转臂与导轨之间的夹角，rad；s为烤架和导轨之间的距离，mm；dt为单位运动时间；w为角速度；a为运动瞬间时刻，s。

在D、w、s、h已知的情况下，可通过式（1）～式（4）联立求解机械臂的末端位置和u、v的瞬时速度。

故要实现在烧烤签上速度为u的直线运动，需要一个角速度为w的旋转运动和一个速度为v的直线运动。

2 机械部件选型设计和运动控制

2.1 总体设计

运动方案确定后，系统主要由机械结构、控制结构、上位机组成（如图4），机构装配建模如图5所示。

图4 自动刷涂酱料机系统结构图

图5 结构三维装配图

将烧烤放置上工位后，刷料部件开始运动。刷料部件可实现一个空间三自由度的机械臂运动。可通过直线运动、旋转运动和上下运动完成刷子在空间内的移动。当需要补充酱料时，刷子移动至烧烤炉旁边的酱料补充区，使刷子与酱料发生干涉即可蘸取酱料，然后回到食材上方继续完成刷料动作。

上位机通过相机拍摄烧烤图片，食材各熟度阶段的图片经过图像预处理后通过输入Resnet模型训练可实现对输入图片食材熟度的判断。在判断食材成熟后，将指令发送给下料部件。下料部件为直线运动平台上装载着两个末端是夹具的微型气缸。接收到下料指令后，气缸杆伸出，使夹具夹持着烧烤签脱离烧烤炉表面。接着直线运动平台运动至下料盘下方，气缸收缩，将烧烤签放置在下料盘中，至此完成一个自动烧烤的工序。

2.2 运动部件设计

运动部件分为刷料部件和下料部件。刷料部件分为直线运动部件、旋转运动部件和上下运动部件。

2.2.1 直线运动部件

在本机构中，直线运动需要满足高精度、响应速度快的要求。因此，可以选用滚珠丝杠副和步进电动机组合成直线运动机构。

滚珠丝杠副具有高精度、高效率、高刚度等优点，被广泛用作伺服进给驱动系统的关键功能部件[7]。本设计中选用莫卡的FSL40滚珠丝杠副，丝杠单轴定位精度为0.03 mm，重复定位精度为0.05 mm，导程（螺距）为4 mm[8]。滚珠丝杠的运动公式为

式中：v为滚珠丝杠副的运动速度，mm/min；wb1为滚珠丝杠电动机转速，r/min；t为导程，mm/r。

可以通过更改脉冲频率来实现对电动机速度、方向的控制等，由这种电动机组成的开环系统既稳定又简易，快速性也很好。步进电动机由特定的驱动器供给电脉冲。在带动负载不至于出现超载的情况下，电动机的启停、理想转速V仅仅由控制器输出到电动机的脉冲信号决定，带动负载不会对其运动产生影响。本设计中选用57步进电动机。

2.2.2 旋转运动部件

旋转部件需要完成旋转臂微小角度的旋转运动，本设计中采用步进电动机加上减速器的设计。

2.2.3 上下运动部件

上下运动机构需要承载旋转运动机构和夹持刷子的悬臂进行上下运动，使刷子自上往下与食材发生干涉。该机构无精度要求，只需要刷子与食材的干涉范围在行程之内，运动平稳即可。承载质量4 kg，可选用电动推杆机构。最终选用龙翔的平底座电动推杆，使用24 V直流电，行程为200 mm，推力为500 N，速度为24 mm/s，接头为M6螺纹孔。

2.2.4 下料运动部件

未来，银川经开区将以服务业核心区为重点，着力打造信息技术、生物技术、知识产权转化、科技、媒体、通信等6大业态集聚。银川市副市长、银川经开区管委会主任高言杰告诉《中国经济周刊》，力争到2020年科技贡献率由2017年的67%达到70%以上、高新技术企业由2017年的44家增至50家左右，企业创新中心数由2017年的72家增至100家以上。

下料部件中的直线运动平台设计同2.2.1节中设计的直线运动部件。其上装载着两个微型气缸，气缸杆连接着一个夹具。两个气缸杆伸出后夹具将烧烤签抬起，完成将成熟的烧烤从烧烤炉中下料的过程。下料结束后，执行原动作的相反动作，回到原点。

2.3 运动控制单元设计

控制系统采用由STMicroelectronic 公司开发的STM32系列中的STM32F103RCT6，64引脚，板载USBTTL串口，开发程序为Keil uVision5。STM32控制器控制电动机需要使用电动机驱动器，步进驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进驱动器接收到一个脉冲信号就驱动步进电动机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角）。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。驱动器采用共阴极接线法[9]，如图7所示。

由图7可知，控制器需要控制步进电动机的速度和方向，只需要按照一定的频率发射脉冲信号和改变方向信号[10]。将单片机I/O口与步进电动机驱动器按图相连后，各引脚控制电动机参数如表1所示。