覃家金　寧雪梅

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了一種外嚙合齒輪3D食品打印擠出機(jī)構(gòu)，展示了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，描述了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)主要組件的設(shè)計(jì)過程，闡述了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)組裝與調(diào)試過程。

關(guān)鍵詞：3D食品打印;外嚙合齒輪;擠出機(jī)構(gòu);組裝與調(diào)試

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0020-03

Abstract： In this paper， a 3D food printing and extrusion mechanism of external meshing gear is designed， the structure of external meshing gear extrusion mechanism is shown， and the design process of main components of external meshing gear extrusion mechanism is described. The assembly and debugging process of external meshing gear extrusion mechanism are described.

Keywords： 3D food printing; external meshing gear; extrusion mechanism; assembly and debugging

3D食品打印技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種快速食品制造技術(shù)[1]。自2011年英國開發(fā)出世界首臺(tái)3D巧克力打印機(jī)以來[2]，很多研究機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)了各式各樣的3D食品打印機(jī)，如2015年我國浙江大學(xué)研發(fā)了活塞式3D食品打印筆[3]，2016年我國廣西大學(xué)研發(fā)了對(duì)稱嚙合雙螺桿式3D食品打印機(jī)[4]。食品打印機(jī)樣式主要包括活塞擠出式、螺桿擠出式、柱塞擠出式和齒輪擠出式等。本文設(shè)計(jì)了一種外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)，下面將介紹外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作及組裝調(diào)試過程。

1 外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)（見圖1），主要由同步打印控制模塊、機(jī)械傳動(dòng)模塊、擠出模塊等組成。同步打印控制模塊主要由XYZ三軸打印控制板和步進(jìn)電機(jī)等組成，機(jī)械傳動(dòng)模塊主要由擠出電機(jī)、同步帶、同步輪等組成，擠出模塊主要由外嚙合齒輪組、擠出嘴和料斗等組成。

2 擠出機(jī)構(gòu)各組件的設(shè)計(jì)

外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括擠出電機(jī)選擇、機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)、外嚙合擠出齒輪組件。

2.1 擠出電機(jī)選擇

電機(jī)一般分為普通電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。普通電機(jī)僅作為一般的電力拖動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)用于精度控制。3D打印的基本要求是擠出量要可控，必須實(shí)現(xiàn)精確控制，因此這種場(chǎng)合非步進(jìn)電機(jī)莫屬。步進(jìn)電機(jī)的類型主要有混合式、永磁式和反應(yīng)式三種?；旌鲜骄C合了永磁式和反應(yīng)式的輸出力矩大和步距角小兩大優(yōu)點(diǎn)，且性價(jià)比最高，最受市場(chǎng)歡迎。因此，擠出設(shè)備中XYZ三軸控制電機(jī)和擠出噴頭控制電機(jī)都采用混合式步進(jìn)電機(jī)。機(jī)構(gòu)采用兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，其型號(hào)為17HD34008-22B。

2.2 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

擠出機(jī)構(gòu)的功率要求不高，步進(jìn)電機(jī)力矩較小且要實(shí)現(xiàn)同步控制，需采用放大扭矩方式和同步帶動(dòng)方式，才能精確控制和帶動(dòng)主動(dòng)擠出齒輪。機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)動(dòng)方式是由擠出步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)小同步帶輪，小同步帶輪通過同步帶聯(lián)接方式帶動(dòng)大同步帶輪，大同步帶輪與主動(dòng)擠出齒輪聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)定量擠出功能。本設(shè)備采用同步帶型號(hào)為 T5-190，其節(jié)線長度190mm、寬10mm、齒數(shù)38;小同步帶輪型號(hào)為T5-10，齒兩面平、槽寬11 mm、內(nèi)孔直徑5 mm;大同步帶輪型號(hào)為T5-24，齒兩面平、槽寬11mm、內(nèi)孔直徑16mm。

2.3 外嚙合擠出齒輪組件

外嚙合擠出齒輪組件包括主動(dòng)擠出齒輪和從動(dòng)擠出齒輪，主動(dòng)擠出齒輪有伸出軸與大同步輪聯(lián)接。擠出齒輪組件采用CBN-F304左轉(zhuǎn)平鍵型齒輪泵改造而成，齒輪泵長寬116 mm *86 mm，平鍵軸為16 mm，齒輪泵油口有法蘭連接與螺紋連接，理論壓力為20MPa，公稱排量4ml/r，容積效率達(dá)90%。齒輪泵兩端蓋與機(jī)殼間有橡膠密封圈，由于端蓋與兩擠出齒輪側(cè)面有較大摩擦力，為了讓齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)更順暢，應(yīng)適當(dāng)加大齒輪側(cè)面與端蓋間的間隙，調(diào)整方式是適當(dāng)松開兩端蓋間的聯(lián)接緊固螺釘。

3 外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的組裝與調(diào)試過程

外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的組裝與調(diào)試過程：首先，組裝外嚙合齒輪3D食品打印機(jī)實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái);其次，使用Ard

uino-IDE軟件編輯固件并上傳至Ramps1.4主控板;最后，使用Repetier-Host軟件連接Ramps1.4主控板并打印測(cè)試。具體組裝調(diào)試過程詳細(xì)描述如下：

3.1 打印平臺(tái)組裝

3.1.1 所需模塊與器件（見表1）

3.1.2 組裝過程

第1步：主體框架結(jié)構(gòu)的組裝。主體結(jié)構(gòu)由亞克力板制作，硬度不是很高。在緊固螺釘?shù)臅r(shí)候，注意內(nèi)六角扳手力度，防止支架由于用力過猛，出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。安裝時(shí)特別注意支架間的垂直度和水平度，以免影響打印質(zhì)量。

第2步：XYZ三軸電機(jī)的組裝。XYZ三軸電機(jī)控制線的聯(lián)接順序一定要正確，否則出現(xiàn)電機(jī)不動(dòng)或反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。電機(jī)不動(dòng)的原因是四線制的電機(jī)四根線不按順序聯(lián)接，內(nèi)部兩組線圈出現(xiàn)了兩個(gè)相反磁場(chǎng)，導(dǎo)致電機(jī)不動(dòng);電機(jī)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象不是問題，可以通過調(diào)換聯(lián)接線的相序解決。X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)控制分別由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)完成，Z軸控制是由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)串聯(lián)而成完成控制的。

第3步：擠出噴頭的組裝。外嚙合齒輪3D食品打印機(jī)噴頭由擠出電機(jī)和齒輪擠出部件組成。齒輪擠出部件的前后端蓋夾緊要適當(dāng)，其內(nèi)置有密封圈，緊固螺釘聯(lián)接前后端蓋并鎖緊，若螺釘力度過大，前后端蓋會(huì)對(duì)內(nèi)部齒輪產(chǎn)生較大摩擦，將導(dǎo)致齒輪運(yùn)行困難，無法進(jìn)行打印，間接導(dǎo)致控制板溫度上高，可能燒毀電路板。擠出電機(jī)與主動(dòng)齒輪間通過同步帶聯(lián)接，松緊度不好調(diào)整，可以采用預(yù)加墊片，再鎖緊緊固螺釘。

第4步：各元器件的電氣線路聯(lián)接。Ramps1.4拓展板與三個(gè)限位開關(guān)連接時(shí)，限位參數(shù)端應(yīng)選擇最小位置端，因打印坐標(biāo)以原點(diǎn)開始。Ramps1.4拓展板與A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板連接時(shí)，特別注意管腳聯(lián)接順序，接反易造成燒毀，操作時(shí)應(yīng)在脫電狀態(tài)下進(jìn)行。A4988步進(jìn)電機(jī)在調(diào)試運(yùn)行過程中，可能會(huì)碰到動(dòng)力不足、電機(jī)噪聲過大、發(fā)熱過量等問題，可調(diào)整驅(qū)動(dòng)控制板上的微調(diào)電位計(jì)來解決。溫度檢測(cè)管腳端無需將溫度探頭連上，若機(jī)器報(bào)錯(cuò)，可以通過設(shè)置固件中的參數(shù)來解決。Ramps1.4拓展板與步進(jìn)電機(jī)連線時(shí)，注意接線相序，防止接反;若接反，可通過修改Repetier-Host軟件控制參數(shù)來解決。

3.2 編輯固件參數(shù)

3D打印設(shè)備組裝完成后，需要調(diào)整打印軟件的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果。需調(diào)整的固件參數(shù)包括：擠出頭數(shù)量、溫度控制、擠出速度等。本打印設(shè)備只需一個(gè)噴頭，所以需要修改對(duì)應(yīng)控制軟件的參數(shù)。參數(shù)調(diào)整方法：使用Arduino-IDE打開Marlin.ino文件，將Configuration.h中的“#define MOTHERBOARD 某數(shù)字”修改成“#define MOTHERBOARD 33”。若改成雙噴頭打印，“#define MOTHERBOARD 某數(shù)字”修改成“#define MOTHERBOARD 34”。系統(tǒng)默認(rèn)的打印溫度一般是0-80攝氏度，低于0攝氏度或超出80攝氏度，打印機(jī)會(huì)停止工作，本設(shè)備無需溫度控制，地域常溫25攝氏度左右，為了保證打印設(shè)備能時(shí)刻正常工作，特意將最低溫度設(shè)定為0攝氏度，意味著只要超過0攝氏度，打印設(shè)備即可正常起動(dòng)。

3.3 設(shè)計(jì)3D打印模型

本實(shí)驗(yàn)中以木薯粉為原料，考慮到打印食材的特性、擠出噴頭直徑和打印效果，應(yīng)以單層打印為佳，所以在設(shè)計(jì)Pro/e模型時(shí)，層高不能太高，以免物料受重力影響發(fā)生坍塌，塑料材料不用考慮這種問題。Pro/e模型圖案制作完成后，應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成打印軟件識(shí)別的通用STL格式。

3.4 設(shè)置CuraEngine打印參數(shù)

將STL格式的打印模型導(dǎo)入Repetier-Host V1.6.0軟件，設(shè)置切片軟件CuraEngine的打印參數(shù)。CuraEngine的打印參數(shù)：層號(hào)（1mm）、層高（1mm）、材料直徑（1mm）、缺省質(zhì)量（0.2mm）。

3.5 制作打印材料

按體積比例制作實(shí)驗(yàn)材料：水（2）、木薯粉（1）、玉米粉（1）。加熱食材溫度至70-80攝氏度，保證食材均勻，黏度適中，并將制作好的食料加至加料斗中。

3.6 編輯3D打印代碼

溫度是控制的重要參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)過程不需要溫度加熱控制，因此編輯切片軟件CuraEngine中3D打印代碼（gcode），注釋溫度檢測(cè)命令行，并刪除“M104 T0 S0”和“M109 T0 S0” 兩行代碼，完成重啟并開始測(cè)試打印。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)，為了讓大家更好理解該設(shè)備的設(shè)計(jì)和制作過程，本文簡單介紹了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)中主要組件的設(shè)計(jì)過程，詳細(xì)闡述了外嚙合齒輪擠出機(jī)構(gòu)組裝與調(diào)試過程，希望本文能為大家提供一些打印擠出機(jī)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)思路。

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