3D裱花机的结构设计

成瑾才++周阳++钱家豪++沈双++陈晓锋

摘 要在这个快速消费的时代，人们对食品的质量和制作速度提出了越来越高的要求。同时，随着时代的自动化程度越来越高，结合微机的技术，设计了一台自动化的3D裱花设备，缩短加工时间，提高食品的质量安全。

【关键词】3D技术 蛋糕裱花 结构设计

1 3D裱花机的生产前景及意义

3D打印作为一项新兴的快速成型技术，被认为是推动第三次工业革命的重要因素之一。3D打印按照“逐层打印，堆叠成型”的方式生产产品，其具有方便、灵活、速度快、精度高等特点，在航天、医学、食品、建筑、生化、工业、文物保护、配件饰品等诸多领域得以广泛应用。

3D食品打印机是将3D打印技术应用到食品制造层面上的一种机器，主要由控制电脑、自动化食材注射器、输送装置等几部分组成，它所制作出的食物形状、大小和用量都由电脑操控，其工作原理和操作方法与3D打印机相似。其使用的打印材料是可食用的食物材料和相关配料，将其预先放入容器内，将食谱输入机器，开启按键后，注射器上的喷头就会将食材均匀喷射出来，按照“逐层打印、堆叠成型”制作出立体食物产品。

现行的裱花操作都是采用手工操作，如同厨房作业。有资料表明：与同样原材料的糕点相比，人工劳动量增加了3～4倍，可是，价格只增加了1.5～3倍，成本昂贵却得利甚微。将机械技术运用到蛋糕裱花上，这样既减少制做过程中人与食品的接触，防止细菌俊入，保证成品的卫生要求，又减少了运输、贮存等中间环节，避免了不必要的污染。使顾客买得称心，吃得放心。

2 机械结构设计思路

市面商店需要降低生产成本，其中最重要的是减少制作蛋糕过程中的人力成本，减少必要劳动时间，因而机械化生产是最优选择。与此同时，还可以严格贯彻食品卫生法，实行无菌生产、无菌包装，延长储存期。既保护人民健康，又解决礼品糕点时节性强及忙时供不应求的问题。

目前，蛋糕房制作糕点，大多是是将单色的奶油物质装在带喷嘴的软袋里面，由师傅进行手工的蛋糕裱花，根据不同的蛋糕模型，多次交替软袋，完成一个蛋糕的制作。

为了满足蛋糕设计的颜色需求，我们将以白，蓝，红，作为三种基础颜色进行裱花过程。在机器的运行过程上，我们将其分成两个阶段。

（1）奶油准备阶段——主要完成奶油从储藏盒到达喷嘴的过程。

（2）奶油上料阶段——主要完成奶油按照要求对蛋糕修饰的过程。

3 机械结构设计方案

3.1 自动蛋糕裱花机的功能结构图

蛋糕裱花机的程序运行图如图1所示。开机之后的第一个工位是对机构的复位，确保每次的运行都不会受到前一个工作任务的干扰，重置初始点，保证裱花的精度。程序中两个关键判断，一个是蛋糕是否放置的检测，一个是指令检测，保证奶油挤出的前提条件。

3.2 自动蛋糕裱花机的总体设计草图

图2所示是设备的机械结构框架示意图（无包装外壳）。

3.3 丝杆组的布局设计

XYZ轴丝杆组的组成构件见图3。

3.4 设备的气泵控制布局图

蛋糕裱花机中的控制气阀、气泵等原件的设计图，根据程序设计需要，安排如图4所示。

4 主要解决的两个问题

4.1 如何控制植脂奶油的进量

一般饼房中的鲜奶油，通常为植脂奶油，是从植物中提炼的物质由人工合成的，近似奶油口感的物质，与我们通常食用的“牛奶”没有关系，它溶点相对动物脂（淡）奶油较高不容易溶化，不易被人体吸收，但稳定性好，所以裱花效果较好，且成本低廉，在国内被普遍使用，粘稠度相对动物脂奶油略低，对其进行分析时，可以将其作为一种粘滞性较高的流体。

控制流体的出入，现行有两种方案，一是通过丝杆将电机的转动扭矩变成直线运动，将力输出在密封端面上，进而对密封端面产生可控制的压力，内部的奶油物质在外力的作用下，从挤出端挤出；二是改变密封容器内部的气压，当容器内部气压大于外部气压时，则内部的奶油被压出。以上两种方案均可以完成对奶油进出的控制，但是考虑到颜色的变化，倘若仅适用第一种方案，机械结构过于冗杂，笨重，不如第二种方案增加机电控制元件，减少重复机械结构的使用，进而简化机器。

4.2 如何使奶油按照要求修饰蛋糕

现在市面上有许多3D打印机，核心技术是：3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D蛋糕裱花机就是利用3D打印机器的机械结构（即XYZ三轴联动），将一个挤出动作分成多个不同的层次，先后执行，就可以按照一定的运动轨迹挤出所需要的奶油造型，完成奶油对蛋糕的修饰过程。

运动轨迹的实现是通过电脑上编写的代码实现的，每一次的动作分为XYZ三个方向之后，相当于执行了三次操作，X轴，Y轴，Z轴依次接收到代码命令进行移动，一个模型的堆叠是由若干次的移动实现的，子程序中也就包含了多行对应的代码，至此，完成奶油模型的堆叠及蛋糕修饰过程。

5 结束语

本文主要阐述了3D蛋糕裱花机器的设计。从设备的工作流程图，结构设计图入手，提供了一种合理且实用的设备设计。其中，机械的运作主要采用滚珠丝杆，单片机系统采用Arduino Mega2560进行设计，同时结合气泵控制系统，组成整个设备。文中所有模型均为作者使用SOILDWORKS建模设计完成，数据使用合理，实践性很强，可以实现整机的制作。

参考文献

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作者单位

南京工程学院 江苏省南京市 211167