CN103371200A

CN103371200A - 一种三轴联动数控蛋糕裱花机

Info

Publication number: CN103371200A
Application number: CN2012101317039A
Authority: CN
Inventors: 胡月来; 黄汉英; 赵思明; 张磊; 熊善柏; 白刚
Original assignee: Huazhong Agricultural University
Current assignee: Huazhong Agricultural University
Priority date: 2012-04-29
Filing date: 2012-04-29
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-29
Also published as: CN103371200B

Abstract

本发明公开了一种三轴联动数控蛋糕裱花机，涉及食品加工机械的蛋糕裱花技术领域，它将三维快速成型技术运用于蛋糕裱花中。它包括机架(100)、三维运动系统(200)、工作台(300)奶油挤出机构(400)和控制系统(500)；三维运动系统(200)安装在机架(100)上，工作台(300)安装在三维运动系统(200)的Y轴运动部分(220)上，奶油挤出机构(400)安装在三维运动系统(200)的Z轴运动部分(230)上，控制系统(500)控制三维运动系统(200)和奶油挤出机构(400)。本发明由机械机构完成蛋糕裱花，具有速度快、效率高、精度高、易于操作等优点。本发明直接输入图形或者程序文件，自动控制机械机构完成裱花动作。

Description

一种三轴联动数控蛋糕裱花机

技术领域

本发明属于一种食品加工设备，具体涉及一种三轴联动数控蛋糕裱花机。

背景技术

在蛋糕制作的过程当中，裱花是一个不可或缺的程序，目前蛋糕制作主要依靠裱花师手工挤绘，费时费力。

目前，国内对蛋糕裱花进行技术改造的方案有：

“多功能裱花机”(CN201167548Y)、“食品艺术袖珍裱花喷枪”(CN2616306Y)和“一种带阀浇注裱花嘴”(CN201563583U)分别公开了一种奶油、果酱的挤出裱花装置。以上专利仍需要手工裱花，无法实现自动化生产。

“快速蛋糕裱花装置”(CN200976821Y)和“一种多用途蛋糕彩色膏状辅料自动挤绘裱花机”(CN2693015Y)分别公开了一种可由计算机控制的蛋糕裱花机。“快速蛋糕裱花装置”(CN200976821Y)的X、Y轴运动部分利用带传动，带传动的缺点在于精确性、稳定性不好，挤出机构利用丝杆传动。“一种多用途蛋糕彩色膏状辅料自动挤绘裱花机”(CN2693015Y)控制的是挤绘装置的位置。以上专利与本发明原理结构不相同，并且都没有应用数控技术控制裱花系统。

经检索，尚未发现蛋糕自动裱花的设备应用于生产实际。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种创新的快速蛋糕裱花装置，克服传统人工蛋糕裱花技术中存在的缺陷，有特定的机械机构，自主的快速完成蛋糕裱花工作。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种三轴联动数控蛋糕裱花机，它包括机架100、三维运动系统200、工作台300、挤出机构400和控制系统500；

三维运动系统200安装在机架100上，工作台300安装在三维运动系统200的Y轴运动部分220上，奶油挤出机构400安装在三维运动系统200的Z轴运动部分230上，控制系统500通过电缆与三维运动系统200和挤出机构400连接。

其中：

所述的三维运动系统200，其包括X轴运动部分210、Y轴运动部分220和Z轴运动部分230；

所述的X轴运动部分210水平固定在机架100上，Y轴运动部分220连接在X轴运动部分210上面，Z轴运动部分230垂直固定在机架100上；

所述的X轴运动部分210其包括导轨架211、滚珠丝杆212、丝杆螺母213、连接件214、固定侧轴承215、支撑侧轴承216、联轴器217、步进电机218、矩形导轨219和限位开关241；

所述的矩形导轨219安装固定在导轨架211的两侧，固定侧轴承215和支撑侧轴承216固定在导轨架211上，限位开关241固定在导轨架211的支撑侧轴承216端，滚珠丝杆212两端分别连接固定侧轴承215和支撑侧轴承216，联轴器217连接步进电机218的输出轴和滚珠丝杆212，丝杆螺母213套在滚珠丝杆212上，连接件214固定在丝杆螺母213上；

所述的Y轴运动部分220，其包括导轨架221、滚珠丝杆222、丝杆螺母223、连接件224、固定侧轴承225、支撑侧轴承226、联轴器227、步进电机228、矩形导轨229和限位开关242；

所述的矩形导轨229安装固定在导轨架221两侧，固定侧轴承225和支撑侧轴承226固定在导轨架221上，限位开关242固定在导轨架221的支撑侧轴承226端，滚珠丝杆222两端分别连接固定侧轴承225和支撑侧轴承226，联轴器227连接步进电机228的输出轴和滚珠丝杆222，丝杆螺母223套在滚珠丝杆222上，连接件224固定在丝杆螺母223上；

所述的Z轴运动部分230，其包括导轨架231、滚珠丝杆232、丝杆螺母233、连接件234、固定侧轴承235、支撑侧轴承236、联轴器237、步进电机238、矩形导轨239和限位开关243；

所述的矩形导轨239安装固定在导轨架231两侧，固定侧轴承235和支撑侧轴承236固定在导轨架231上，限位开关243固定在导轨架231的支撑侧轴承236端，滚珠丝杆232两端分别连接固定侧轴承235和支撑侧轴承236，联轴器237连接步进电机238的输出轴和滚珠丝杆232，丝杆螺母233套在滚珠丝杆232上，连接件234固定在丝杆螺母233上。

其中：

所述的挤出机构400包括平板410、直线推杆420、活塞430、A固定件440、B固定件450、奶筒460和C固定件470；

所述的平板410连接在Z轴运动部分230上，A固定件440和B固定件450将直线推杆420固定在平板410上，直线推杆420下端连接活塞430，C固定件470将奶筒460固定在平板410上。

其中：

所述的控制系统500包括箱体510、电源520、滤波器530、空气开关540、运动控制器550、X轴步进驱动器560、Y轴步进驱动器570和Z轴步进驱动器580；

所述的电源520、滤波器530、空气开关540和运动控制器550依次连接，X轴步进驱动器(560)、Y轴步进驱动器(570)和Z轴步进驱动器(580)连接在运动控制器上(550)，X轴步进驱动器(560)、Y轴步进驱动器(570)和Z轴步进驱动器(580)分别与X轴运动部分(210)的步进电机(218)、Y轴运动部分(220)的步进电机(228)和Z轴运动部分(230)的步进电机(238)连接。

更详细的技术方案见说明书附图和具体实施方式所述。

附图说明

图1是本发明的结构方框图。

图2是本发明的总体结构图。

图3为本发明的控制流程图。虚线框代表各控制单元。

图4为三维运动系统200中X轴运动部分210的结构图。

图5为三维运动系统200中Y轴运动部分220的结构图。

图6为三维运动系统200中Z轴运动部分230的结构图。

图7为奶油挤出机构400的结构图。

附图标记含义如下：

100-机架

200-三维运动系统

210-X轴运动部分

211-导轨架；212-滚珠丝杆；213-丝杆螺母；214-连接件；215-固定侧轴承；216-支撑侧轴承；217-联轴器；218-步进电机；219-矩形导轨；241-限位开关

220-Y轴运动部分

221-导轨架；222-滚珠丝杆；223-丝杆螺母；224-连接件；225-固定侧轴承；226-支撑侧轴承；227-联轴器；228-步进电机；229-矩形导轨；242-限位开关

230-Z轴运动部分

231-导轨架；232-滚珠丝杆；233-丝杆螺母；234-连接件；235-固定侧轴承；236-支撑侧轴承；237-联轴器；238-步进电机；239-矩形导轨；243-限位开关300-工作台

400-挤出机构

410-平板；420-直线推杆；430-活塞；440-A固定件；450-B固定件；460-奶筒；470-C固定件

500-控制系统

510-箱体；520-电源；530-滤波器；540-空气开关；550-运动控制器；560-X轴步进驱动器；570-Y轴步进驱动器；580-Z轴步进驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但不是限制本发明。

由图1至图7，本发明包括机架100、三维运动系统200、工作台300、奶油挤出机构400和控制系统500；

其中所述的三维运动系统200安装在机架100上，工作台300安装在三维运动系统200的Y轴运动部分220上，挤出机构400安装在三维运动系统200的Z轴运动部分230上，控制系统500通过电缆与三维运动系统200和挤出机构400连接。

上述的三维运动系统200包括X轴运动部分210、Y轴运动部分220和Z轴运动部分230；

X轴运动部分210水平固定在机架100上，Y轴运动部分220连接在X轴运动部分210上面，Z轴运动部分230垂直固定在机架100上；

X轴运动部分210包括导轨架211、滚珠丝杆212、丝杆螺母213、连接件214、固定侧轴承215、支撑侧轴承216、联轴器217、步进电机218、矩形导轨219和限位开关241；

矩形导轨219安装固定在导轨架211两侧，固定侧轴承215和支撑侧轴承216固定在导轨架211上，限位开关241固定在导轨架211的支撑侧轴承216端，滚珠丝杆212两端分别连接固定侧轴承215和支撑侧轴承216，联轴器217连接步进电机218的输出轴和滚珠丝杆212，丝杆螺母213套在滚珠丝杆212上，连接件214固定在丝杆螺母213上；

Y轴运动部分220包括导轨架221、滚珠丝杆222、丝杆螺母223、连接件224、固定侧轴承225、支撑侧轴承226、联轴器227、步进电机228、矩形导轨229和限位开关242；

矩形导轨229安装固定在导轨架221两侧，固定侧轴承225和支撑侧轴承226固定在导轨架221上，限位开关242固定在导轨架221的支撑侧轴承226端，滚珠丝杆222两端分别连接固定侧轴承225和支撑侧轴承226，联轴器227连接步进电机228的输出轴和滚珠丝杆222，丝杆螺母223套在滚珠丝杆222上，连接件224固定在丝杆螺母223上；

Z轴运动部分230包括导轨架231、滚珠丝杆232、丝杆螺母233、连接件234、固定侧轴承235、支撑侧轴承236、联轴器237、步进电机238、矩形导轨239和限位开关243；

矩形导轨239安装固定在导轨架231两侧，固定侧轴承235和支撑侧轴承236固定在导轨架231上，限位开关243固定在导轨架231的支撑侧轴承236端，滚珠丝杆232两端分别连接固定侧轴承235和支撑侧轴承236，联轴器237连接步进电机238的输出轴和滚珠丝杆232，丝杆螺母233套在滚珠丝杆232上，连接件234固定在丝杆螺母233上。

上述的挤出机构400包括平板410、直线推杆420、活塞430、A固定件440、B固定件450、奶筒460和C固定件470；

平板410连接在Z轴运动部分230上，A固定件440和B固定件450将直线推杆420固定在平板410上，直线推杆420下端连接活塞430，C固定件470将奶筒460固定在平板410上。

上述的控制系统500包括箱体510、电源520、滤波器530、空气开关540、运动控制器(购自上海维宏电子科技有限公司，型号：维宏NK105)550、X轴步进驱动器560、Y轴步进驱动器570和Z轴步进驱动器580，上述步进驱动器购自上海步科自动化有限公司，型号：Kinco2M412。

电源520、滤波器530、空气开关540和运动控制器550依次连接，X轴步进驱动器560、Y轴步进驱动器570和Z轴步进驱动器580与运动控制器550连接，X轴步进驱动器560、Y轴步进驱动器570和Z轴步进驱动器580分别与X轴运动部分210的步进电机218、Y轴运动部分220的步进电机228和Z轴运动部分230的步进电机238连接。

本发明的工作原理和应用方法如下：

以制作生日蛋糕的裱花为例，先在计算机上利用通用的CAD制图软件或数控编程方式(参考文献，顾京.数控机床加工程序编制.机械工业出版社，2009)获得一个格式为ENG/DXF/NC的裱花程序文件，该裱花程序文件决定裱花机的动作，将该裱花程序文件拷贝到U盘上。打开裱花机的电源520，手动调试蛋糕裱花机确保其能够正常运行。第一次使用时还需要设定三轴联动蛋糕裱花机的脉冲当量(X轴为0.001mm/pp，Y轴为0.001mm/pp，Z轴为0.001mm/pp)、机床行程(X轴行程为300mm，Y轴行程为300mm，Z轴行程为150mm)、速度配置(空程速度为15000mm/min，加工速度为8000mm/min，接近速度为2000mm/min，Z轴最大速度为10000mm/min)、进给倍率(进给倍率为0.9)等参数，设定好之后保存参数，以后无需重新设置。正确设置所有参数之后，选择原点运动模式将裱花机回到机械原点。再选择连续运动模式或者步进运动模式，移动X、Y、Z三个轴到希望的原点位置，确定该位置为工件原点。将准备裱花的蛋糕放置在工作台上，再将上述的U盘插在由控制系统500中的运动控制器550的USB接口上，选择相应的裱花程序文件并开始裱花。控制系统500通过控制三维运动系统200的三个步进电机218、228、238使得工作台300和奶油挤出机构400实现三轴联动，并控制奶油挤出机构400的直线推杆420以实现对奶油的注出、停止注出、注出量的大小的控制。当裱花程序结束后，系统自动停止并回到上述的工件原点。

在X轴上，步进电机218通过联轴器217驱动滚珠丝杆212转动，从而固定在丝杆螺母213上的Y轴运动部分220在X轴方向上移动，最后使得工作台300在X方向移动；在Y轴上，步进电机228通过联轴器227驱动滚珠丝杆222转动，从而固定在丝杆螺母223上的工作台300在Y方向移动，最终可实现工作台在X-Y平面运动；在Z轴上，步进电机238通过联轴器237驱动滚珠丝杆232转动，从而固定在丝杆螺母233上的挤出机构400在Z轴方向移动；挤出机构400的直线推杆420向下运动，可挤压奶筒460内的裱花袋将奶油挤出，直线推杆400向上运动，可从奶筒460中取出裱花袋添加奶油。

X轴运动部分210的限位开关241安装在导轨架211的靠近支撑侧轴承216一端，用于确定丝杆螺母213的原点位置；Y轴运动部分220的限位开关242安装在导轨架221的靠近支撑侧轴承226端，用于确定丝杆螺母223的原点位置；Z轴运动部分230的限位开关243安装在导轨架231的靠近支撑侧轴承236端，用于确定丝杆螺母233的原点位置；由三个限位开关241、242、243的位置就可以确定机械原点的位置，滚珠丝杆212、222、232的导程为4mm，所以步进电机218、228、238的输出轴每旋转一周工作台300或者挤出机构400就移动4mm，因此该系统可以确定工作台的准确位置。

Claims

1.一种三轴联动数控蛋糕裱花机，其特征在于：

包括机架(100)、三维运动系统(200)、工作台(300)、挤出机构(400)和控制系统(500)；

三维运动系统(200)安装在机架(100)上，工作台(300)安装在三维运动系统(200)的Y轴运动部分(220)上，挤出机构(400)安装在三维运动系统(200)的Z轴运动部分(230)上，控制系统(500)通过电缆与三维运动系统(200)和挤出机构(400)连接。

2.根据权利要求1所述的一种三轴联动数控蛋糕裱花机，其特征在于：

所述的三维运动系统(200)，其包括X轴运动部分(210)、Y轴运动部分(220)和Z轴运动部分(230)；

X轴运动部分(210)水平固定在机架(100)上，Y轴运动部分(220)连接在X轴运动部分(210)上面，Z轴运动部分(230)垂直固定在机架(100)上；

所述的X轴运动部分(210)其包括导轨架(211)、滚珠丝杆(212)、丝杆螺母(213)、连接件(214)、固定侧轴承(215)、支撑侧轴承(216)、联轴器(217)、步进电机(218)、矩形导轨(219)和限位开关(241)；

所述的矩形导轨(219)安装固定在导轨架(211)的两侧，固定侧轴承(215)和支撑侧轴承(216)固定在导轨架(211)上，限位开关(241)固定在导轨架(211)的支撑侧轴承(216)端，滚珠丝杆(212)两端分别连接固定侧轴承(215)和支撑侧轴承(216)，联轴器(217)连接步进电机(218)的输出轴和滚珠丝杆(212)，丝杆螺母(213)套在滚珠丝杆(212)上，连接件(214)固定在丝杆螺母(213)上；

所述的Y轴运动部分(220)，其包括导轨架(221)、滚珠丝杆(222)、丝杆螺母(223)、连接件(224)、固定侧轴承(225)、支撑侧轴承(226)、联轴器(227)、步进电机(228)、矩形导轨(229)和限位开关(242)；

所述的矩形导轨(229)安装固定在导轨架(221)两侧，固定侧轴承(225)和支撑侧轴承(226)固定在导轨架(221)上，限位开关(242)固定在导轨架(221)的支撑侧轴承(226)端，滚珠丝杆(222)两端分别连接固定侧轴承(225)和支撑侧轴承(226)，联轴器(227)连接步进电机(228)的输出轴和滚珠丝杆(222)，丝杆螺母(223)套在滚珠丝杆(222)上，连接件(224)固定在丝杆螺母(223)上；

所述的Z轴运动部分(230)，其包括导轨架(231)、滚珠丝杆(232)、丝杆螺母(233)、连接件(234)、固定侧轴承(235)、支撑侧轴承(236)、联轴器(237)、步进电机(238)、矩形导轨(239)和限位开关(243)；

所述的矩形导轨(239)安装固定在导轨架(231)两侧，固定侧轴承(235)和支撑侧轴承(236)固定在导轨架(231)上，限位开关(243)固定在导轨架(231)的支撑侧轴承(236)端，滚珠丝杆(232)两端分别连接固定侧轴承(235)和支撑侧轴承(236)，联轴器(237)连接步进电机(238)的输出轴和滚珠丝杆(232)，丝杆螺母(233)套在滚珠丝杆(232)上，连接件(234)固定在丝杆螺母(233)上。

3.根据权利要求1所述的一种三轴联动数控蛋糕裱花机，其特征在于：

所述的挤出机构(400)包括平板(410)、直线推杆(420)、活塞(430)、A固定件(440)、B固定件(450)、奶筒(460)和C固定件(470)；

所述的平板(410)连接在Z轴运动部分(230)上，A固定件(440)和B固定件(450)将直线推杆(420)固定在平板(410)上，直线推杆(420)下端连接活塞(430)，C固定件(470)将奶筒(460)固定在平板(410)上。

4.根据权利要求1所述的一种三轴联动数控蛋糕裱花机，其特征在于：

所述的控制系统(500)包括箱体(510)、电源(520)、滤波器(530)、空气开关(540)、运动控制器(550)、X轴步进驱动器(560)、Y轴步进驱动器(570)和Z轴步进驱动器(580)；

所述的电源(520)、滤波器(530)、空气开关(540)和运动控制器(550)依次连接，X轴步进驱动器(560)、Y轴步进驱动器(570)和Z轴步进驱动器(580)与运动控制器(550)连接，X轴步进驱动器(560)、Y轴步进驱动器(570)和Z轴步进驱动器(580)分别与X轴运动部分(210)的步进电机(218)、Y轴运动部分(220)的步进电机(228)和Z轴运动部分(230)的步进电机(238)连接。