全自动蛋糕机机械结构与控制系统的设计*

1　研究背景

随着工业4.0的推出，非标自动化行业逐渐进入网络化和智能化，迎来了重大机遇［1］。工业4.0时代，智能服务已经渗入到人们的生活中。随着微电子的快速发展，控制器的功能也越来越强大［2］，大大方便了工业应用。国产控制器现已快速发展［3］，在诸如半导体、机器人、食品包装等行业都有应用，且系统稳定、快速、精准。当然，也应重视机械部件设计，合理的机械部件设计可以大大降低控制系统的复杂程度［4］，成本相应也会减小。笔者设计的全自动蛋糕机主要可实现蛋糕的自动化生产，其总装示意图如图1所示。

  

▲图1 全自动蛋糕机总装示意图

全自动蛋糕机可在大城市设置网点，制作出蛋糕供人们食用。这一蛋糕机可以节约蛋糕加工辅助时间，减少工人使用量［5］，提高产品质量和生产效率，因此可更好地适应市场竞争。

CEI的计算需要以下数据： 精确的装置图和附近的布置图；一个装置简化的主要流程图，应包含储罐等容器、主要工艺管线和化学品的量；涉及的相关化学品的理化性质，以及其应急响应计划指标值ERPG(emergency response planning guidelines)的数据。CEI的计算按照以下步骤：

蛋糕的生产过程主要包括8个步骤。

（1）推模。由推模部件将蛋糕模推至加热旋转盘指定部位。

（2）注料。通过挤压将奶油挤至蛋糕模中，由刀片将面团切割成片状后注入蛋糕模。

（3）翻面。将内圈烘烤好的蛋糕翻转面后继续烘烤。

（4）定位。翻转面后各个蛋糕的位置会产生偏差，经校准定位后使蛋糕摆正。

（7）蛋糕模传递。将已脱落蛋糕的蛋糕模经传递机构传送至指定位置。

注料部件由步进电机通过联轴器带动凸轮轴旋转，凸轮轴上的凸轮做匀速转动，凸轮从动件顶杆做往复运动，从而完成面料的吸进与压出。单向阀的单向导通性能可以确保每次压出的面料相等，不产生面料泄漏现象。注料部件三维造型如图2所示。

（5）打标。在蛋糕表面打印有关标志。

（8）蛋糕传递。将烘烤熟的蛋糕经传递机构传送至指定位置。

HPLC法同时测定蒙药复方协日嘎-4中5种有效成分的含量…………………………………………………… 白 凤等（14）：1964

2　主要部件结构设计

全自动蛋糕机主要包括注料、翻面、定位、打标、推模、脱模六个部件。

2.1　注料

（6）脱模。使蛋糕从蛋糕模中脱落。

凸轮机构是注料部件中的一个重要组成部分，如图3所示。凸轮具体结构采用作图法进行设计，其行程为15 mm。

  

▲图2 注料部件

  

▲图3 凸轮机构

2.2　翻面

当蛋糕机转盘处于初始停止状态时，转盘内圈无蛋糕模，圆弧推头处会有一个新的蛋糕模。步进电机接收到信号后工作，伸缩杆向外伸长，将外圈新的蛋糕模推向内圈，然后缩回到原位。如此循环往复，就可以将蛋糕模从转盘的外圈送至内圈，使蛋糕机连续工作。

  

▲图4 翻面部件

2.3　定位和打标

考虑到定位和打标部件在转盘停留期间只需上下运动，且均为轻载工况，因此可选用平底从动件盘形凸轮［7］。定位和打标两部件采用相同外形的凸轮，凸轮时序见表1。使用MATLAB软件进行凸轮参数化设计，其中凸轮轮廓线设计如图5所示。

在小学语文阅读教学中，由于大部分语文教师为了活跃课堂教学氛围，没有采用科学的教学方式，使语文阅读教学效果不理想。在语文阅读教学中，合理地采用小组讨论方式进行教学可以有效地开发学生的创造性思维，但是，在盲目地运用时，一味地只是追求教学形式的多样化却忽略了实质的教学内容，在合作讨论教学中，过于注重讨论的形式化，在讨论学习中放任学生进行讨论，影响到学生阅读的效率和质量。

定位部件的定位头为竖直上下运动，电机驱动凸轮机构完成定位运动。从动件运动至凸轮的远休止部分时，定位头位于运动位置的最上端，能满足蛋糕模自由通过。从动件运动至凸轮的近休止部分时，定位部件使蛋糕模准确定位。整个运动节拍与蛋糕机的运动相协调。定位部件三维造型如图6所示。

 

表1　凸轮时序

  

从动件运动过程 凸轮转角范围/（°）推程等加速、等减速运动 0～90远休止 90～180回程等加速、等减速运动 180～270近休止 270～360

党的十八大明确提出大力推进生态文明建设,努力建设美丽中国,实现中华民族永续发展。党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央把生态文明建设作为统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局的重要内容,谋划开展了一系列根本性、开创性、长远性工作,推动生态环境保护发生历史性、转折性、全局性变化。2012年以来,各层级各部门都把生态文明建设提上议事日程并强力推进,生态文明建设成效显著。这是以习近平同志为核心的党中央对国家、民族可持续发展高度负责精神的具体体现,也是对百姓诉求的积极回应。

打标部件的打标模也为竖直上下运动，电机驱动凸轮机构完成打标运动。从动件运动至凸轮的远休止部分时，打标模位于运动位置的最上端，能满足蛋糕模自由通过。从动件运动至凸轮的近休止部分时，打标模接触蛋糕表面，并对其产生一定的压力，完成打标。整个运动节拍与蛋糕机的运动相协调［8］。打标部件三维造型如图7所示。

  

▲图5 凸轮轮廓线设计图

  

▲图6 定位部件

2.4　推模

推模部件的作用是将脱掉蛋糕的蛋糕模从转盘的外圈送至内圈，使蛋糕机继续注料加工新的蛋糕。推模部件三维造型如图8所示。

  

▲图7 打标部件

翻面部件的作用是将蛋糕模从转盘的内圈送至中圈，同时完成蛋糕模的翻转，使蛋糕进行双面烘烤，其三维造型如图4所示。翻面部件由电机、直角翻板、电磁剪刀机械手三部分组成。电机提供翻转动力源，选用步进电机，由脉冲控制转速及旋转角度。直角翻板将电机轴的旋转运动转换为蛋糕模从内圈到中圈的翻转运动。电磁剪刀机械手由电磁铁和剪刀手组成，通过电磁铁的通断电来实现机械手的张开与闭合，完成蛋糕模的抓取与松开动作。

  

▲图8 推模部件

2.5　脱模

全自动蛋糕机电控部分由8轴GUC-800控制器、扩展输入输出模块、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、继电器、限位开关等组成，编程采用CPAC平台OtoStudio软件［9-10］。根据实际需求，使用限位开关来判断各电机是否完成相应动作和回零。GUC-800控制器控制7台步进电机实现推模、注料、换料、翻模、定位、打标和脱模，并控制1台直流电机实现转盘转动。

  

▲图9 脱模部件

设计出各个部件后，绘制出全自动蛋糕机整体三维模型。将三维模型导入有限元分析软件，对其运动和温度场等进行分析，结果表明所设计的蛋糕机结构合理。在完成仿真后，制造了全自动蛋糕机实物，如图10所示。

  

▲图10 全自动蛋糕机实物图

3　控制系统设计

脱模部件采用箱体结构。蛋糕模回收装置设置于大转盘上，由主传动直接带动，操作方便。电机通过不完全齿轮带动齿轮转动90°，且带动轴转动，轴再带动推杆和推模手运动至打模头下方。此时电机顺时针旋转180°，打模头下降28 mm，使蛋糕脱离蛋糕模。电机逆时针旋转180°，打模头上升28 mm，回到原位，电机再逆时针旋转90°，脱模装置复位。脱模部件三维造型如图9所示。

取白泥的碱浸滤液20 mL加入烧杯中，调整碱浸滤液的硅铝比为3.0，控制溶液pH值为9.70，加入不同体积分数的结构导向剂，搅拌30 min后，在室温老化24 h，转移至聚四氟反应釜中，于100 ℃烘箱中反应24 h，过滤、洗涤、烘干获得分子筛原粉。

全自动蛋糕机电气柜布置如图11所示，图中①为220 V/24 V开关电源，②为GUC-800控制器，③为扩展输入输出模块，④为220 V、6 A空气开关，⑤为继电器，⑥为步进电机驱动器，⑦为外接限位信号端子板。

从习近平总书记关于党的群众路线的重要论述来看，可以看出习近平的理论贡献在他在遵循和继承马克思主义唯物史观的价值精髓的基础上，吸收了中国传统优秀政治文化的积极因素，创造性的提出了“以人民为中心的发展思想”，并从马克思主义政党同其他政党的本质区别出发论述了党的群众路线的政治意义和实践意义。他提出了“开展党的群众路线教育实践活动，就是要把为民务实清廉的价值追求深深植根于全党同志的思想和行动中”。〔13〕质言之，通过群众路线巩固党执政的基层基础，提升党的创造力、凝聚力、战斗力；通过群众路线构建“共建共治共享”治理过程，增强人民群众的获得感、幸福感和安全感。

  

▲图11 全自动蛋糕机电气柜布置图

全自动蛋糕机控制部分包括输入输出、调试、参数、控制系统四个主要界面。输入输出界面的主要功能是在蛋糕机运行过程中检测各运动过程是否正常，如果发现信号异常，需要立刻采取急停措施，并且将报警信息传递至操作者。输入输出界面主要包括启动、停止、急停等功能按键。调试界面主要用于各个单轴的运动调试，主要包括定位工艺、推模工艺、注料工艺、翻模工艺等内容。在调试界面中可以改变各工艺的速率，以检测蛋糕机各个部分是否正常工作。操作者可以设定正方向或负方向进行检测，同时可以检测转盘的温度。当转盘温度超过设定值之后，系统会发出报警。参数界面可用于检测注料部件中三个不同作用的仓，判断其注料是否正常。

小麦孕穗期是水分的临界期，最适的土壤湿度是0～20cm土层内，维持田间持水量的80%左右，此时此土层内的田间持水量<60%将严重影响产量。这时的日平均气温要求在16～18℃，并要求有较好的光照条件。

综上所述，在CPAC平台上利用OtoStudio软件进行全自动蛋糕机动作程序的编写及可视化界面的设计，通过可视化界面可以对蛋糕机进行操作。全自动蛋糕机自动化控制界面如图12所示。

  

▲图12 全自动蛋糕机自动化控制界面

4　结束语

笔者对全自动蛋糕机的机械结构进行了分析，完成了全自动蛋糕机的结构设计，并对所设计的结构进行了仿真。结果表明，所设计的机械结构是可行的。基于三维造型，制造出全自动蛋糕机实物，并利用CPAC平台设计了蛋糕机控制系统，实现了蛋糕的自动化生产。

参考文献

［1］ 伯阳.用微型蛋糕机生产小蛋糕［J］.沿海企业与科技，2004（10）：39.

［2］ 吴宏献.蛋糕盖注塑模的设计与制造［D］.长沙：湖南大学，2013.

［3］ 李凡姝，王崇，王霞，等.速膨蛋糕粉挤压工艺及微波熟化参数研究［J］.沈阳师范大学学报（自然科学版），2016，34（3）：305-310.

［4］ 机械设计手册编委会.机械设计手册：新版［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［5］ 杨巍，何晓玲.机械原理［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［6］ 西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械设计［M］．9版.北京：高等教育出版社，2013.

［7］ 李娟.基于PLC的自动切蛋糕机的控制方案［J］.考试周刊，2016（88）：195-196.

［8］ 正生.无电式微型蛋糕机［J］.适用技术市场，2001（6）：56.

［9］ 固高科技（深圳）有限公司．OtoStudio运动控制编程手册［Z］．

［10］ 韩建海，胡东方.数控技术及装备［M］．2版．武汉：华中科技大学出版社，2011.