基于3D打印技术的奶油食品工业方案设计研究
（泰州技师学院 江苏泰州 225300）
摘要：为了优化奶油食品工业方案，实现奶油食品加工自动化、图案多样化，选取3D打印技术作为研究工具，设计一套3D打印系统整机方案。该方案选以PLC作为核心控制器，利用三相机械控制技术和喷射技术，开发步进电动机、伺服电动机作业控制方案，运用该方案实现3D打印喷射控制。实验测试结果显示，本设计方案能够达到奶油食品加工图案多样化和自动化控制需求，控制精度在97.9%以上。
关键词：3D打印技术；奶油食品；控制系统
Research on scheme design of cream food industry based on 3D printing technology
Rong Lin Li
(Taizhou technician college, Taizhou, Jiangsu 225300)
Abstract: in order to optimize the scheme of cream food industry and realize the automation of cream food processing and pattern diversification, 3D printing technology is selected as the research tool to design a complete scheme of 3D printing system. In this scheme, PLC is selected as the core controller, and the operation control scheme of stepping motor and servo motor is developed by using three-phase mechanical control technology and injection technology. This scheme is used to realize 3D printing and injection control. The experimental results show that the design scheme can meet the requirements of pattern diversification and automatic control of cream food processing, and the control accuracy is more than 97.9%.
Keywords: 3D printing technology; Cream food; Control system
Keywords: 3D printing technology; Cream food; Control system
奶油食品作为人们比较喜欢的糕点之一，产品需求量较大，具有较好的发展前景。随着奶油食品加工企业数量的增加，导致行业竞争压力越来越大[1]。部分企业采用传统奶油食品加工模式经营，即人工装点食品花样。该模式应用下不仅食品花样少，样式陈旧，作业精度和效率较低[2]。3D打印技术的提出，为奶油食品工业方案设计开辟了新的路径，借助该项技术采取自动化控制作业的模式，研发新的奶油食品花样，打造个性化食品，同时具有提高作业效率的作用[3]。由于此项技术在奶油食品加工中的应用研究时间较短，所以尚未形成完善的控制方案。本文尝试分析3D打印技术在奶油食品工业方案设计中的应用方法，提出3D打印系统整机结构设计研究。
一、3D打印技术在奶油食品工业方案设计中的应用分析
1、控制系统开发要求分析
控制系统的开发，需要根据奶油食品工控作业要求基础上，根据3D打印技术特点，开发一套控制系统方案[4]。第一步，设定工控操作台，以Y轴和X轴作为操控工具，组合到一起形成平面控制台，对于打印机的喷头及打印平台的设置，以Z轴为操控工具。基于奶油食品工控作业要求，利用伺服电动机驱动平面控制台设备，因此，沿着轴向，在平面控制台上安装伺服电动机，同时沿着轴向，将步进电机安装在打印机喷头、平台上[5]。考虑到设备作业期间可能受其他因素的影响，降低作业安全性，所以本设计方案在每一个运行终端均设置限位接近开关，以此有效控制运行状况[6]。
另外，考虑到奶油食品材料与其他材料不同，对喷描作业流畅度要求较高，因而需要配备温度控制器、加热器，以此控制作业环境中奶油的温度[7]。装置作业期间，能够根据食品加工材料、环境的变化，调节控制器和加热器的作业参数，使其得以满足工控作业要求。
2、系统设计总体思路
3D打印技术在奶油食品工业方案设计中的应用，实际上就是运用自动化控制系统，根据奶油食品加工作业需求，设计3D打印机控制方案[8]。该方案以CPU-300单元作为核心控制装置，通过开发MP377多功能面板控制程序，对步进电动机、伺服电动机作业下达控制命令，从而实现跟踪定位操控功能，使得扫描轨迹精度得以提升。
系统开发中定位控制功能的开发，选取EM231定位模块作为开发工具，借助两台设备完成原始定位操控[9]。其中一台伺服电动机定位Y轴，另外一台伺服电动机定位X轴。操控期间，根据条件复杂程度，采用插补运动方法，调节X轴和Y轴参数，使得定位更加精准。定位期间，将关键数据从EM231操作界面输入控制系统中，而后借助CPU-300装置输出，经过放大处理，下达至伺服电动机，根据关键数据给出的操控标准，对机械运转进行精准控制。
系统中步进电动机的作业控制，本方案将选取步进驱动器作为操控工具，按照设定的程序控制Z轴电机作业状态[10]。与此同时，对打印平台、打印机喷头的温度加以控制，此项功能的开发，运用单片机控制得以实现。
二、基于奶油食品加工的3D打印系统整机结构设计
按照3D打印系统整机开发需求分析，本研究将整机拆分为4个主要模块，分别是执行功能模块、驱动功能模块、控制功能模块、供电功能模块。其中，供电功能模块是向整机作业提供电能的工具，根据作业需求，设计整机作业控制程序，而后按照各个设备功能特点，将各个控制程序命令下达给这些设备。作业期间，依靠驱动功能模块，对步进电机、伺服放大器采取驱动处理，使得各个作业环节的设备能够有序执行任务。如图1所示为系统整机总体架构。
图1 系统整机总体结构
该结构中，PLC作为整机的核心控制器，型号为CPU-300。该控制器中编辑了作业控制程序，根据收集到的奶油食品加工环境数据，下达具体操控命令。这些操控命令将通过读写的方式，下发给QD75装置。在此装置中设置数据，根据限位信号，设定限定范围。当QD75接收到操控命令后，将控制命令以脉动发的方式，发送给伺服放大器、步进驱动器，而后作用在伺服电动机、步进电动机上。作业期间，伺服电动机作业状态相关数据将形成反馈脉冲，通过伺服放大器，返回至QD75模块，以读写方式发送个PLC核心控制器。
整个电机作业参数并非固定不变，而是根据反馈回来的数据，对作业参数进行实时调整，从而达到高精度控制的目的，使得奶油食品花样更加全面，加工质量有所提升。为了实现奶油流畅喷描作业，本系统整机增加了QD64AD、D62DAN两个模块，利用PLC外围设备接线口建立通信连接。其中，D62DAN模块负责加热命令的下达，从而实现喷嘴加热和平台加热，QD64AD作为喷嘴和凭台加热作业状态信息反馈模块，将反馈信息发送给PLC，以此形成完整的奶油食品加工体系。如果更换其他加工材料，QD64AD根据实际作业状况反馈信息，此部分信息将作为D62DAN命令调整依据。
三、整机详细设计
1、3D打印机控制功能开发
本系统与PLC作为信息处理核心控制器，根据奶油食品加工作业要求，下达运动控制模块作业命令，按照方向不同，分别下发给X轴、Y轴、Z轴伺服电动机，根据控制要求，同时对喷嘴电动机作业参数进行设置。采用数据总线连接方式，创建运动模块与PLC之间的通信连接，形成双向交流，即在下达操控命令的同时，可以收集一些本次作业的数据，作为下一次作业调节的参考依据。
关于3D打印机控制功能的开发，运用PLC接口芯片下达控制命令。其中，PLC芯片由两部分组成，分别是FPGA芯片、DSP芯片。同时运行这两个芯片，能够全面管控3D打印机作业，为整机提供控制脉冲，同时还具备参数调整功能。以插补运算、驱动速度控制作为主要调整工具，通过实时采集打印机作业数据，掌握当前打印机作业状态，判断其是否满足奶油食品加工控制要求，给出下一步调整方案。根据调控需求，采取插补运算处理，同时开启各个装置的驱动速度控制模式。
2、奶油食品加工装置机械控制方案
本控制方案遵循X轴、Y轴、Z轴运动要求，结合3D打印机械控制要求，设计平面机械控制方案及Z轴控制方案。其中，Z轴的运动控制，是通过伺服电动机下达操控命令，沿着垂直方向做运动；X轴和Y轴组成的平台，受牵引力作用，开始做平面运动。其中，施加牵引力的是伺服电动机。考虑到奶油质地比较轻，其荷载数值比较小，高速运转条件下将形成惯性，容易影响奶油食品加工质量。为了解决此问题，本研究提出快速制动、柔性操控两项控制方法，施加在平台作业面。关于Z轴的控制，则是以运动平稳性、承载力作为主要控制指标。
为了实现这些控制，本设计方案为不同轴向设计了差异化驱动方式。X轴向，选取直流电动机作为控制工具，引入同步齿形带传动方式，设计打印喷头移动控制方案。其中，重复定位精度±0.02mm，移动速度1m/s，作业期间加速度大数值为1g。沿着Y轴方向的设计，利用步进电机经精密滚珠丝杠传动，根据实际作业情况，调整设备作业导向。其中，重复定位精度±0.01mm，转动速度最大值3000r/min。打印系统整机结构中，在X轴运动单元上安装奶油喷嘴，下达直线运动命令，使喷嘴得以沿着X轴做直线运动。在步进电机密滚珠丝杠传动作用下，喷嘴能够沿着Z轴方向移动。作业期间，以精密圆柱导轨作为密滚珠丝杠传动工具，并为其配备直线，从而实现滚珠轴承导向再循环作业，从而完成3D奶油打印操作。其中，重复定位精度±0.01mm，转动速度最大值3000r/min，垂直推力数值为1000N。
3、喷射控制方案
喷射控制方案的设计，根据奶油材质不易流动特点，选取微型气泵作为喷射工具，采用施加气压的方法，实现对活塞运动的有效控制。装置腹腔内正压和负压的相互作用下，以射流的方式，从喷嘴中挤压奶油。关于喷射的控制，建立在奶油食品图形设计方案基础上，通过喷射作业，逐层堆积运动轨迹，从而形成多种风格图案和图形。一般情况下，微型气泵主要由5部分组成，分别是气泵、密封圈、活塞、喷嘴、料筒。按照食品加工尺寸要求，设计喷射驱动命令，使其得以按照要求驱动3D奶油打印机中的喷射装置。其中，每一层的喷射作业，都需要调整X轴、Y轴、Z轴轨迹坐标。如图2所示为逐层喷射控制程序开发流程。
图2逐层喷射控制程序开发流程
第一步：逐层喷射控制程序初始化处理；
第二步：调整X轴和Y轴定位子程序；
第三步：调整Z轴坐标；
第四步：判断当前Z轴是否调整结束，如果调整结束，则结束本次操控，如果未能达到调整标准，则返回第二步。
4、人机交互设计
本设计方案以触摸屏作为3D打印机械设备与操作人员交流的工具，操作人员根据奶油食品生产加工需求输入相关指令，计算机接收这些指令后，将其转换为汇编语言，下达3D打印机械设备，实现奶油食品生产加工自动化控制。
四、测试分析
1、测试内容与方法
（1）以5种不同的奶油食品作为制作对象，测试3D打印系统整机作业期间的温度控制与喷头定位控制精度。
（2）以5种不同类型的奶油食品图案作为制作对象，测试3D打印系统整机作业状态及喷描图案精度。
2、测试结果分析
按照测试内容与方法，分别对奶油喷描温度控制与喷头定位控制精度、奶油食品加工3D打印图案类型多样化及精准度展开测试，结果如表1、表2所示。
表1 奶油喷描温度控制与喷头定位控制精度
测试指标 奶油食品1 奶油食品2 奶油食品3 奶油食品4 奶油食品5
温度控制精度/% 99.5% 99.3% 99.6% 99.7% 99.3%
喷头定位控制/% 99.5% 98.7% 98.9% 98.7% 99.3%
表1中，本设计方案能够有效控制奶油喷描温度，使其达到奶油加工制作温度环境要求，操控精度在99.3%以上。5种食品中，喷头定位精度不低于99.3%。
表2 奶油食品加工3D打印图案类型多样化及精准度
测试指标 图案类型1 图案类型2 图案类型3 图案类型4 图案类型5
作业状况 正常 正常 正常 正常 正常
图案精度/% 98.6% 97.9% 98.6% 98.2% 98.3%
表2中，本设计的3D打印系统整机作业正常，能够准确喷描不同类型奶油食品图案，精度不低于97.9%。
总结
本文选取3D打印技术作为研究工具，尝试提出一套奶油食品工业方案设计研究。该方案是从奶油食品工业制作需求出发，引入3D打印技术，设计自动化控制打印系统整机。在PLC核心控制器的作用下，实现X轴、Y轴、Z轴作业控制。实验测试结果显示，本设计方案能够有效控制整机喷头作业温度，喷头定位精度较高，可以形成多种食品图案，精度不低于97.9%。
参考文献
[1]杨庆余,王妍文,李响,等.基于食品3D打印技术的食品原料研究及应用[J].食品工业科技,2021,42(8):1-7.
[2]袁佩佩,王文琼,周吉阳,等.复配蛋白质添加量对黄油基搅打稀奶油稳定性及搅打性能的影响[J].食品与发酵工业,2021,47(12):161-165.
[3]王佳林,孙江宏.面向中小型制造业生产线改善方案设计及研究[J].制造技术与机床,2021(2):111-115.
[4]魏东.数字媒体艺术在当代食品工业产品设计中的应用[J].食品工业,2020,41(11):417.
[5]原红玲,王寒里.基于“互联网+3D打印技术”的产品创新系统研究[J].包装工程,2020,41(20):298-302.
[6]郑宝东,林少玲,曾绍校,等.光动力技术研究进展及其在食品工业中的应用前景[J].食品与生物技术学报,2020,39(5):6-15.
[7]安嘉强,汤晓华,吴婧,等.奶油蛋糕远程3D打印机器人数控协同机电系统设计[J].食品与机械,2019,35(5):123-126,143.
[8]周军,张立斐,谭林峰,等.基于3D打印技术的食品成型设备结构设计及有限元分析[J].机械强度,2019,41(2):400-406.
[9]常恒诚,孙启湲,丁承君,冯玉伯.基于ROS的奶油裱花机器人系统架构设计[J].食品工业,2019,40(2):216-219.
[10]陈子豪,柴丽芳.基于3D打印技术在服装设计专业教学中的创新运用研究——以立体裁剪课程为例[J].装饰,2019(1):120-123.
作者简介：第一作者：李荣林（出生年月—1978.8），性别：男，民族：汉族，籍贯：江苏泰州，职称：一级实习指导教师，学历：本科，研究方向：3D打印技术应用。
