自动刷涂酱料烧烤设备设计与实验探究
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摘要：针对当前烧烤市场上的工作方式，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。对刷涂酱料动作进行了运动方案分析和设计，对系统部件和控制方案进行选型和设计，并对关键连接件强度进行了有限元分析校验以确保满足强度要求。经过试验，该装置可以实现模拟人工在市场常用木炭烧烤炉上的刷涂酱料运动，为自动化烧烤提供了新思路。
关键词：烧烤；自动化；运动模型；STM32
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。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。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。
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：sinθ=（k+s）/D；（1）k=h－a0乙udt；（2）u=Dwcosθ；（3）v=Dwsinθ。（4）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。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0.03mm，重复定位精度为0.05mm，导程（螺距）为4mm[8]。滚珠丝杠的运动公式为v=wb1·t。（5）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4kg，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24V直流电，行程为200mm，推力为500N，速度为24mm/s，接头为M6螺纹孔。2.2.4下料运动部件。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USB-TTL串口，开发程序为KeiluVision5。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。控制运动流程图如图8所示。
3样机关键连接件强度分析与运动误差分析
3.1整机装配
部件选型完毕后，按照图4所示的模型图进行装配。整机装配完全后如图9所示。由图可知，旋转臂、减速器和电动机全部固定于电动推杆接头的连接件上，该处为机构的最大危险处，故必须对该处进行强度校验，以确保满足强度要求。
3.2连接件强度有限元分析
3.2.1建立连接件有限元模型。要对连接件进行有限元分析，首先需要进行连接件的3D建模。建模和有限元分析软件使用SolidWorks2016。3.2.2连接件的材料连接件使用材料为桌面级3D打印材料聚乳酸PLA优化后的PLA+，屈服强度为49MPa，抗折强度为88.8MPa，拉伸强度为61.5MPa[11]。3.2.3边界条件设置和网格划分。连接件以螺栓固定于电动推杆接口处，承载着减速器、电动机和旋转臂，总重为3kg。4个螺栓孔作为支撑点时受径向的剪力，为保险起见，取较大值100N。网格划分质量设置为高，共划分53326个单元。3.2.4计算结果分析。由图11可知，最危险位置在4个螺孔连接处的厚度中点，该处使用vonMises准则判断的应力值为0.85MPa，远远小于材料的屈服强度49MPa、抗折强度88.8MPa、拉伸强度61.5MPa。证明连接件强度满足使用要求。
3.3实验设计与结果分析
本设计目的为模拟人工夹持刷子在烧烤签上的往复直线运动，故需验证设计能否实现该运动。偏差率公式为ε=hH×100%。（6）式中：ε为偏差率；h为刷子中心到签的距离，mm；H为刷子宽度的1/2，mm。误差率ε的大小表示了该次运动刷子偏离运动轨迹和烧烤签位置的程度。偏差率小于50%则视为满足刷涂动作要求。如图12所示，刷子宽为20mm，即H=10mm。每次运动到终点后，测量刷子中心到烧烤签的偏置值h，复位到起点再一次运动到终点，以此往复测量h值，该过程重复20次。记录数据见表2。偏差率随复位次数变化的折线图如图13所示，可知随着复位动作次数的增多，机构的偏差值越来越大，需要人工复位，以重新定位初始位置，使其满足运动精度要求。经过分析，该误差主要来源为：1）机械部件本身的误差；2）运动控制算法需要优化；3）测量误差。
4结语
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，该装置可以在现有的烧烤市场中常用的木炭烤炉上使用，可实现自动刷涂酱料和下料的工序。经过试验，在重复涂刷次数为20以内时偏差率可满足动作要求。建立的涂刷动作模型为烧烤自动化提供了一种机械实现的方法。设计中也有不足，如在检测h值时采用的量具不够精密，只能精确到1mm，导致偏差率的变化是以10%为单位，出现的偏差率均为离散值，与实际上连续变化的偏差率有差别；如能在设计中加入更多的位置传感器，将能更好地保证定位精度。
作者:龙阳城 陈新度 吴磊 单位:广东工业大学机电工程学院
