一种基于力/位置混合控制的食品3D打印机物料挤出系统及控制方法与流程

本发明涉及一种基于力/位置混合控制的食品3d打印机物料挤出系统，属于食品3d打印技术领域。

背景技术

3d打印(3dprinting)，以前通常称为快速成型(rp)。它以数字模型文件为基础，通过逐层将粉末状金属、塑料等可粘合材料或者光敏树脂等以打印的方式构造物体。目前，该技术在模具制造、工业设计、建筑、医疗产业、地理信息系统等领域都有应用。

3d食品打印机是在3d打印技术的基础上发展的一种快速食品制造机械，所以3d食品打印研究是符合时代、符合国情的研究。3d食品打印应用在生活、生产的各个方面，目前食品加工浪费很多，3d食品打印可以提高粮食利用率，在一定程度上缓解粮食浪费。同时，3d食品打印存储时间长，水分少，即食即用，家庭制作食材方便快捷，极大提高效率，提高了人们的生活水平和生活品质。

目前国内在食品3d打印生产加工方面仍主要停留在探索尝试阶段，并未实现大规模的实际应用。在食品3d打印机挤料方面，目前尝试较多的有直线电机直接挤料，步进电机蜗杆挤料，电动推杆挤料及气泵挤料等，但以上电机和电动推杆等挤料方式多数存在不易清洗、易造成食材物料的污染以及成本高的问题，气泵挤料存在气体流量大、控制超调高、不易截止等问题，故需对食品3d打印挤料系统进行深入全面的研究，为后期食品3d打印技术的发展奠定基础。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种可基于力/位置混合控制，出料精确、稳定，物料更换快捷方便，寿命长，易清洗，成本低，绿色环保无污染的食品3d打印机物料挤出系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于力/位置混合控制的食品3d打印机物料挤出系统及控制方法，系统结构包括一夹持器调压装置、两个t型气动三通接头、一电磁阀、一气压缓冲缸、一气压传感器、一物料挤出筒以及多段导气软管，其特征在于，夹持器调压装置通过导气软管与t型气动三通接头左侧连接，电磁阀通过导气软管与t型气动三通接头下侧连接，t型气动三通接头右侧与气压缓冲缸一端连接，气压缓冲缸另一端与另一t型气动三通接头左侧连接，该t型气动三通接头另外两端分别与气压传感器和物料挤出筒相连接，各接头连接处皆采用密闭耦合结构，防止漏气。

控制电路包括stm32单片机、仪表放大器u1、仪表放大器u2、气压传感器xgzp6847、电机驱动a4988以及电磁阀驱动2sk3377，其特征在于，左力传感器连接到仪表放大器u1的输入端，仪表放大器u1的输出端连接到stm32单片机的ad转换口pc0，右力传感器连接到仪表放大器u2的输入端，仪表放大器u2的输出端连接到stm32单片机的ad转换口pc1，气压传感器xgzp6847连接到stm32单片机的ad转换口pc2，stm32单片机的数据输出口pb8和pb9与电机驱动a4988的励磁接口和使能接口连接，电机驱动a4988的输出接口连接到电机，stm32单片机的数据输出口pb10与电磁阀驱动2sk3377的门极连接，电磁阀驱动2sk3377的漏极连接到电磁阀。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明针对食品3d打印机挤料需求设计挤出系统，采用夹持器调压结构，相对于螺杆挤压，电机推动方式来讲，食材与设备接触面积有效减少，不易对食材造成污染，保证了食材的质量与新鲜程度；传动设备与食材没有接触，易清洗，寿命长。

(2)本发明所采用的力/位置混合控制夹持器调压装置，采用pid控制，可保证出料速度的精确实时控制。出料粗细均匀，流速控制精确，打印效率高，信息采集实时精确，大大提高了食材的有效利用率，降低了打印成本。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明中夹持器调压装置的左右二等角轴测图。

图3是本发明中夹持器调压装置的后视图。

图4是本发明中挤出系统的控制电路。

具体实施方式

本发明是一种基于力/位置混合控制的食品3d打印机物料挤出系统及控制方法，系统结构包括一夹持器调压装置100、两个t型气动三通接头300/600、一电磁阀400、一气压缓冲缸500、一气压传感器700、一物料挤出筒800以及多段导气软管200，其特征在于，夹持器调压装置100通过导气软管200与t型气动三通接头300左侧连接，电磁阀400通过导气软管与t型气动三通接头300下侧连接，t型气动三通接头300右侧与气压缓冲缸500一端连接，气压缓冲缸500另一端与另一t型气动三通接头600左侧连接，该t型气动三通接头600另外两端分别与气压传感器700和物料挤出筒800相连接，各接头连接处皆采用密闭耦合结构，防止漏气。

夹持器调压装置由气腔接口101、气腔腔体102、气体单向截止阀103、气腔支架104、支架左固定座106、支架右固定座105、左夹持块107、左力传感器108、左滑动块110、右夹持块111、右力传感器112、右滑动块114、前向光杆117、后向光杆118、传动丝杆115、丝杆齿轮116、驱动电机120、电机齿轮119和基座121组成，其中前向光杆117、后向光杆118两端与基座121固定连接，并贯穿于左滑动块110和右滑动块114底部贯穿孔中且与其滑动连接，传动丝杆115两端通过轴承与基座121旋转连接，并与左滑动块110和右滑动块114底部贯穿螺纹孔噬合连接，其中传动丝杆115对称两侧螺纹旋向相反，丝杆齿轮116与传动丝杆115固定连接，驱动电机120与基座121固定连接，电机齿轮119与驱动电机120输出轴固定连接，丝杆齿轮116与电机齿轮119噬合连接，支架左固定座106和支架右固定座105与基座121固定连接，气腔支架104和支架左固定座106、支架右固定座105固定连接，气腔腔体102和气腔支架104固定连接，气腔接口101和气腔腔体102固定连接，气体单向截止阀103和气腔腔体102固定连接，左夹持块107和右夹持块111分别与左力传感器108和右力传感器112固定连接，左力传感器108和右力传感器112分别与左滑动块110和右滑动块114固定连接。

控制电路包括stm32单片机、仪表放大器u1、仪表放大器u2、气压传感器xgzp6847、电机驱动a4988以及电磁阀驱动2sk3377，其特征在于，左力传感器108连接到仪表放大器u1的输入端，仪表放大器u1的输出端连接到stm32单片机的ad转换口pc0，右力传感器112连接到仪表放大器u2的输入端，仪表放大器u2的输出端连接到stm32单片机的ad转换口pc1，气压传感器xgzp6847连接到stm32单片机的ad转换口pc2，stm32单片机的数据输出口pb8和pb9与电机驱动a4988的励磁接口和使能接口连接，电机驱动a4988的输出接口连接到电机120，stm32单片机的数据输出口pb10与电磁阀驱动2sk3377的门极连接，电磁阀驱动2sk3377的漏极连接到电磁阀400。

为使本发明的设计意图、实施方式和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

图1所示100为夹持器调压装置，包括气腔接口101、气腔腔体102、气体单向截止阀103、气腔支架104、支架左固定座106、支架右固定座105、左夹持块107、左力传感器108、左滑动块110、右夹持块111、右力传感器112、右滑动块114、前向光杆117、后向光杆118、传动丝杆115、丝杆齿轮116、驱动电机120、电机齿轮119和基座121。由驱动电机120通过电机齿轮119和丝杆齿轮116带动传动丝杆115，由于前向光杆117、后向光杆118贯穿于左滑动块110和右滑动块114底部贯穿孔中滑动连接，故夹持器只能沿光杆径向移动，又由传动丝杆115两侧螺纹旋向相反，且传动丝杆115与左滑动块110和右滑动块114底部贯穿螺纹孔噬合连接，故传动丝杆115可驱动左滑动块110和右滑动块114向反向移动，通过控制驱动电机120的转向和转速便可控制夹持器的张开与闭合，从而对气腔腔体102进行往复挤压，经气体单向截止阀103的单向进气作用，达到对整个挤料系统的气压维持和调节。

图1所示200为导气软管，用于连通多个功能部件形成挤料系统，是多个部件协同工作的枢纽。

图1所示300以及600为t型气动三通接头，用于不同器件之间的连接耦合，扩大气腔，平衡气压。

图1所示400为电磁阀，包括电路供电部分和磁控通断部分，用于控制挤料系统工作的开始和停止，以及打印中途的间歇性暂停。电磁阀处于关断状态，则挤料系统处于挤料状态；电磁阀处于开通状态，则挤料系统处于停止或空走暂停状态。

图1所示500为气压缓冲缸，包括一气腔与两个软管连接头，其主要功能在于提供气压上升与下降的缓冲空间，防止气压上升与下降过快造成出料的突然不均匀、断料或堵塞等问题。

图1所示700为气压传感器，用于检测整个气腔的气压变化并将所测得参数快速反馈给中心控制系统，作为调整夹持器调压装置100送气流量大小和电磁阀400开关通断的依据，其对气压的实时检测是精确出料的重要保证。

图1所示800为物料挤出筒，包括物料储存腔、软管连接头、食材挤出头，用于储存物料和挤出物料。该挤出头与物料储存腔通过螺纹结构连接，拆卸后可进行物料的填充和挤出头不同型号的更换。

图2所示107为左夹持块、108为左力传感器、110为左滑动块、111为右夹持块、112为右力传感器、114为右滑动块，左力传感器108插入左夹持块107和左滑动块110中，右力传感器112插入右夹持块111和右滑动块114中，通过螺栓固定，组成左夹持器和右夹持器，用于挤压气腔并检测气腔腔体102外部压力。

图4所示为挤出系统的控制电路，所述的基于力/位置混合控制的食品3d打印机物料挤出系统控制方法，包括以下步骤：

step1，设备初始化，stm32单片机初始化pb8口和pb9口为低电平，使驱动电机120处于停止状态，初始化pb10口为低电平，使电磁阀400处于关断状态；

step2，气压传感器700检测系统气腔气压值，stm32单片机对所检测气压值进行采集，并将当前气压值与设定值进行比对，并求出误差e；

step3，当误差e的绝对值高于某一最高阈值a时，延时10ms，再次采集气压值，若误差e的绝对值仍高于某一最高阈值a，stm32单片机pb8口和pb9口输出低电平，使驱动电机120停转，stm32单片机pb10口输出高电平，使电磁阀400开通；

step4，当误差e的绝对值处于某一最高阈值a和某一最低阈值b之间时，延时10ms，再次采集气压值，若误差e的绝对值仍处于某一最高阈值a和某一最低阈值b之间，stm32单片机pb8口和pb9口输出低电平，使驱动电机120停转，stm32单片机pb10口输出低电平，使电磁阀400关断；

step5，当误差e的绝对值低于某一最低阈值b时，延时10ms，再次采集气压值，若误差e的绝对值仍低于某一最低阈值b，stm32单片机pb10口输出低电平，使电磁阀400关断，左力传感器108和右力传感器112检测气腔腔体102外部压力f1和f2，stm32单片机对检测压力值f1和f2进行采集；

step6，当f1和f2中任一压力值低于某一最低阈值c时，延时10ms，再次采集压力值f1和f2，若f1和f2中仍有任一压力值低于某一最低阈值c，stm32单片机pb8口输出正向励磁pwm，pb9口输出高电平，使左滑动块110和右滑动块114向中间移动；

step7，当f1和f2处于某一最低阈值c和某一最高阈值d之间时，延时10ms，再次采集压力值f1和f2，若f1和f2仍处于某一最低阈值c和某一最高阈值d之间，stm32单片机pb8口和pb9口输出低电平，使左滑动块110和右滑动块114停止移动；

step8，当f1和f2中任一压力值高于某一最高阈值d时，延时10ms，再次采集压力值f1和f2，若f1和f2中仍有任一压力值高于某一最高阈值d，stm32单片机pb8口输出反向励磁pwm，pb9口输出高电平，使左滑动块110和右滑动块114向两侧移动；

step9，比较误差e的绝对值和某一最低阈值b，当误差e的绝对值仍低于某一最低阈值b时，循环step6-9；

step10，气压传感器700采集当前最新气腔气压值，stm32单片机将当前最新气压值与设定值进行比对，求出误差e，循环step3-10。

综上所述，本发明提供了一种食品3d打印机物料挤出系统及控制方法，通过对其整体结构、调压控制的综合设计，能够顺利完成食品3d打印机出料的实时精确控制。