成瑾才++周陽(yáng)++錢家豪++沈雙++陳曉鋒

摘 要在這個(gè)快速消費(fèi)的時(shí)代，人們對(duì)食品的質(zhì)量和制作速度提出了越來(lái)越高的要求。同時(shí)，隨著時(shí)代的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，結(jié)合微機(jī)的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)化的3D裱花設(shè)備，縮短加工時(shí)間，提高食品的質(zhì)量安全。

【關(guān)鍵詞】3D技術(shù) 蛋糕裱花 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 3D裱花機(jī)的生產(chǎn)前景及意義

3D打印作為一項(xiàng)新興的快速成型技術(shù)，被認(rèn)為是推動(dòng)第三次工業(yè)革命的重要因素之一。3D打印按照“逐層打印，堆疊成型”的方式生產(chǎn)產(chǎn)品，其具有方便、靈活、速度快、精度高等特點(diǎn)，在航天、醫(yī)學(xué)、食品、建筑、生化、工業(yè)、文物保護(hù)、配件飾品等諸多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

3D食品打印機(jī)是將3D打印技術(shù)應(yīng)用到食品制造層面上的一種機(jī)器，主要由控制電腦、自動(dòng)化食材注射器、輸送裝置等幾部分組成，它所制作出的食物形狀、大小和用量都由電腦操控，其工作原理和操作方法與3D打印機(jī)相似。其使用的打印材料是可食用的食物材料和相關(guān)配料，將其預(yù)先放入容器內(nèi)，將食譜輸入機(jī)器，開啟按鍵后，注射器上的噴頭就會(huì)將食材均勻噴射出來(lái)，按照“逐層打印、堆疊成型”制作出立體食物產(chǎn)品。

現(xiàn)行的裱花操作都是采用手工操作，如同廚房作業(yè)。有資料表明：與同樣原材料的糕點(diǎn)相比，人工勞動(dòng)量增加了3～4倍，可是，價(jià)格只增加了1.5～3倍，成本昂貴卻得利甚微。將機(jī)械技術(shù)運(yùn)用到蛋糕裱花上，這樣既減少制做過(guò)程中人與食品的接觸，防止細(xì)菌俊入，保證成品的衛(wèi)生要求，又減少了運(yùn)輸、貯存等中間環(huán)節(jié)，避免了不必要的污染。使顧客買得稱心，吃得放心。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

市面商店需要降低生產(chǎn)成本，其中最重要的是減少制作蛋糕過(guò)程中的人力成本，減少必要?jiǎng)趧?dòng)時(shí)間，因而機(jī)械化生產(chǎn)是最優(yōu)選擇。與此同時(shí)，還可以嚴(yán)格貫徹食品衛(wèi)生法，實(shí)行無(wú)菌生產(chǎn)、無(wú)菌包裝，延長(zhǎng)儲(chǔ)存期。既保護(hù)人民健康，又解決禮品糕點(diǎn)時(shí)節(jié)性強(qiáng)及忙時(shí)供不應(yīng)求的問題。

目前，蛋糕房制作糕點(diǎn)，大多是是將單色的奶油物質(zhì)裝在帶噴嘴的軟袋里面，由師傅進(jìn)行手工的蛋糕裱花，根據(jù)不同的蛋糕模型，多次交替軟袋，完成一個(gè)蛋糕的制作。

為了滿足蛋糕設(shè)計(jì)的顏色需求，我們將以白，藍(lán)，紅，作為三種基礎(chǔ)顏色進(jìn)行裱花過(guò)程。在機(jī)器的運(yùn)行過(guò)程上，我們將其分成兩個(gè)階段。

（1）奶油準(zhǔn)備階段——主要完成奶油從儲(chǔ)藏盒到達(dá)噴嘴的過(guò)程。

（2）奶油上料階段——主要完成奶油按照要求對(duì)蛋糕修飾的過(guò)程。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 自動(dòng)蛋糕裱花機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖

蛋糕裱花機(jī)的程序運(yùn)行圖如圖1所示。開機(jī)之后的第一個(gè)工位是對(duì)機(jī)構(gòu)的復(fù)位，確保每次的運(yùn)行都不會(huì)受到前一個(gè)工作任務(wù)的干擾，重置初始點(diǎn)，保證裱花的精度。程序中兩個(gè)關(guān)鍵判斷，一個(gè)是蛋糕是否放置的檢測(cè)，一個(gè)是指令檢測(cè)，保證奶油擠出的前提條件。

3.2 自動(dòng)蛋糕裱花機(jī)的總體設(shè)計(jì)草圖

圖2所示是設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)框架示意圖（無(wú)包裝外殼）。

3.3 絲桿組的布局設(shè)計(jì)

XYZ軸絲桿組的組成構(gòu)件見圖3。

3.4 設(shè)備的氣泵控制布局圖

蛋糕裱花機(jī)中的控制氣閥、氣泵等原件的設(shè)計(jì)圖，根據(jù)程序設(shè)計(jì)需要，安排如圖4所示。

4 主要解決的兩個(gè)問題

4.1 如何控制植脂奶油的進(jìn)量

一般餅房中的鮮奶油，通常為植脂奶油，是從植物中提煉的物質(zhì)由人工合成的，近似奶油口感的物質(zhì)，與我們通常食用的“牛奶”沒有關(guān)系，它溶點(diǎn)相對(duì)動(dòng)物脂（淡）奶油較高不容易溶化，不易被人體吸收，但穩(wěn)定性好，所以裱花效果較好，且成本低廉，在國(guó)內(nèi)被普遍使用，粘稠度相對(duì)動(dòng)物脂奶油略低，對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，可以將其作為一種粘滯性較高的流體。

控制流體的出入，現(xiàn)行有兩種方案，一是通過(guò)絲桿將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩變成直線運(yùn)動(dòng)，將力輸出在密封端面上，進(jìn)而對(duì)密封端面產(chǎn)生可控制的壓力，內(nèi)部的奶油物質(zhì)在外力的作用下，從擠出端擠出；二是改變密封容器內(nèi)部的氣壓，當(dāng)容器內(nèi)部氣壓大于外部氣壓時(shí)，則內(nèi)部的奶油被壓出。以上兩種方案均可以完成對(duì)奶油進(jìn)出的控制，但是考慮到顏色的變化，倘若僅適用第一種方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)過(guò)于冗雜，笨重，不如第二種方案增加機(jī)電控制元件，減少重復(fù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用，進(jìn)而簡(jiǎn)化機(jī)器。

4.2 如何使奶油按照要求修飾蛋糕

現(xiàn)在市面上有許多3D打印機(jī)，核心技術(shù)是：3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過(guò)電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。3D蛋糕裱花機(jī)就是利用3D打印機(jī)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)（即XYZ三軸聯(lián)動(dòng)），將一個(gè)擠出動(dòng)作分成多個(gè)不同的層次，先后執(zhí)行，就可以按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡擠出所需要的奶油造型，完成奶油對(duì)蛋糕的修飾過(guò)程。

運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)電腦上編寫的代碼實(shí)現(xiàn)的，每一次的動(dòng)作分為XYZ三個(gè)方向之后，相當(dāng)于執(zhí)行了三次操作，X軸，Y軸，Z軸依次接收到代碼命令進(jìn)行移動(dòng)，一個(gè)模型的堆疊是由若干次的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，子程序中也就包含了多行對(duì)應(yīng)的代碼，至此，完成奶油模型的堆疊及蛋糕修飾過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述了3D蛋糕裱花機(jī)器的設(shè)計(jì)。從設(shè)備的工作流程圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖入手，提供了一種合理且實(shí)用的設(shè)備設(shè)計(jì)。其中，機(jī)械的運(yùn)作主要采用滾珠絲桿，單片機(jī)系統(tǒng)采用Arduino Mega2560進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合氣泵控制系統(tǒng)，組成整個(gè)設(shè)備。文中所有模型均為作者使用SOILDWORKS建模設(shè)計(jì)完成，數(shù)據(jù)使用合理，實(shí)踐性很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的制作。

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作者單位

南京工程學(xué)院 江蘇省南京市 211167