基于3D打印技术的奶油食品工业方案设计研究

李荣林

（泰州技师学院，江苏 泰州 225300）

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方案。

1.1 需求分析

控制系统的开发，需要在奶油食品工控作业要求的基础上，根据3D打印技术特点，开发一套控制系统方案[4]。首先要设定工控操作台，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。

1.2 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。

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。

3.1 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。

3.2 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±0.02 mm，移动速度1 m/s，作业期间加速度大数值为1 g。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±0.01 mm，转动速度最大值3000 r/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±0.01 mm，转动速度最大值3000 r/min，垂直推力数值为1000 N。

3.3 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、喷嘴及料筒。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。

3.4 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。

4.1 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。

4.2 测试结果与分析

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，结果见表1、表2。

表1 奶油喷描温度控制与喷头定位控制精度

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%。

由表2可知，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%。

表2 奶油食品加工3D打印图案类型多样化及精准度

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。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%。