一种基于3D打印技术的蛋糕机

摘要

本发明公开了一种基于3D打印技术的蛋糕机，包括三轴联动装置、摄像头信息处理装置及执行单元，使用三轴联动装置，提高装置的稳定性，保证加工过程中的定位精度，使用摄像头信息处理装置，实时反馈蛋糕的相对坐标以及进行对蛋糕三维图形的数据处理，提高制作过程中数据精度，通过三连杆的相互配合，喷嘴可以实现0‑90度相对转动，可以加工蛋糕的侧面，抹刀装置能够进一步对蛋糕造型外观优化，提高蛋糕的外观品质，清洁装置保证加工过程中食品安全。本发明公开了一种基于3D打印技术的蛋糕机，使用所需的材料对蛋糕胚进行加工，实现短时间对蛋糕成品的制作，同时能够加工出外观复杂的蛋糕造型。

说明书

技术领域

本发明涉及到3D的打印技术领域，特别涉及到一种基于3D打印技术的蛋糕机。

背景技术

随着科学技术的进步及生活水平的提高，蛋糕的制作越来越精美、细致，据市场调研发现，制作蛋糕的程序往往都是通过手工加工，越是复杂的蛋糕制作时间越长，同时，蛋糕的成本也相应提高，一个精美的蛋糕需要约占60%~80%的手工费用，通过长时间对蛋糕制作的研究发现，在蛋糕造型制作方面需要占用蛋糕制作大部分时间，即使资深的糕点师也会有小失误影响蛋糕的制造时间，3D打印技术拥有快速成型的特点。

因此，研究一种基于3D打印技术的蛋糕机解决上述问题有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的蛋糕机，以解决背景技术提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于3D打印技术的蛋糕机，包括三轴联动装置，摄像头信息处理装置及执行单元，其特征在于：所述三轴联动装置内部设有X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置，X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置安装在框架上；所述的摄像头信息处理装置，包括左摄像头、右摄像头；所述的执行单元包括气压挤出装置、抹刀装置、三连杆装置，所述的气压挤出装置安装在三连杆装置上，三连杆装置与框架通过步进电机连接，抹刀装置连接步进电机，步进电机固定在框架上。

优选的，所述的三轴联动装置包括X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置，X轴驱动装置通过X轴步进电机连接X轴齿轮传送带进行X轴精准定位，所述的X轴驱动装置安装可拆卸转盘，可拆卸转盘上固定可吸附污水收集杯；Y轴驱动装置通过Y轴步进电机连接Y轴齿轮传送带进行Y轴精准定位；Z轴驱动装置通过Z轴步进电机连接Z轴齿轮传送带进行Z轴精准定位；所述的X轴步进电机上安装第一齿轮，第一齿轮外轮廓咬合X轴齿轮传送带，X轴齿轮传送带内部紧密咬合第二齿轮，第二齿轮固定在第一丝杆上；所述的Y轴步进电机上安装第三齿轮，第三齿轮外轮廓咬合Y轴齿轮传送带，Y轴齿轮传送带内部紧密咬合第四齿轮，第四齿轮固定在第二丝杆上；所述的Z轴步进电机上安装第五齿轮，第五齿轮外轮廓咬合Z轴齿轮传送带，Z轴齿轮传送带内部紧密咬合第六齿轮，第六齿轮固定在第三丝杆上，X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置实现三维空间的在可到达范围内的任意移动。

优选的，所述的摄像头信息处理装置实时识别蛋糕的动态，所述的左摄像头、右摄像头与框架通过安装步进电机连接，通过处理器控制左摄像头、右摄像头对空间图像识别，进行空间图像的分析处理，将所需的数据通过电脉冲传输到主控系统中，主控系统控制X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置及可拆卸转盘移动到相应的机器所控制的任意一点的位置。

优选的，所述的抹刀装置由步进电机连接第三连杆，第三连杆两端通过第一铰链、第二铰链连接第四连杆和第五连杆结构，第三连杆和第四连杆固定在Y轴轴向抹刀上，形成四连杆机构，Y轴轴向抹刀与可移动X轴轴向抹刀通过转轴连接，达到相对转动，可移动X轴轴向抹刀通过铰链连接第六连杆、第七连杆，第六连杆通过铰链连接连杆第九连杆，第七连杆通过铰链连接第八连杆，第八连杆、第九连杆连接在第四步进电机做相对转动，Y轴轴向抹刀、可移动X轴轴向抹刀逆时针转动九十度进入清洁装置，在三轴联动装置驱动下，可移动X轴轴向抹刀、Y轴轴向抹刀可以加工0-180度斜面及任意弧面。

优选的，左清洁毛刷、右清洁毛刷连接通水管和通风装置，左清洁毛刷、右清洁刷侧面有小孔，用于水和热风的输出，抹刀进入后，移动板向上运动，使清洁装置形成四周封闭空间，防止污水的溅漏，左清洁毛刷和右清洁毛刷分布在抹刀的两侧，沿着抹刀方向做往复运动，在清洁过程中，水沿着通水管进入左清洁毛刷、右清洁毛刷，通过左清洁毛刷和右清洁毛刷进行清洁处理，污水沿着污水通道口流出，清洁结束后，通过热风进行抹刀的烘干。

优选的，所述的三连杆装置，通过步进电机连接连杆，所述的连杆与气压挤出装置通过铰链连接，三连杆各个杆件在对应步进电机的驱动下，围绕步进电机的转动轴实现转动，杆件的另一端做Z轴的上下运动，气压挤出装置在杆件的作用下，实现三维空间0-90度相对转动。

优选的，所述的气压挤出装置包括气泵，气泵连接出气管，出气管与可拆卸物料盒紧密连接，可拆卸物料盒上的凹型轨道配合外壳内侧的凸型轨道，所述的第四步进电机连接齿轮，齿轮与可拆卸物料盒的齿槽配合，实现可拆卸物料盒的相对转动，气泵工作，通过气压将可拆卸物料盒中的物料进行挤压，通过出料口和出料通道输出，为了增加蛋糕的造型的多样性，本机器在气压挤出装置中设计了四个可拆卸物料盒，其中包含一个可拆卸清洁物料盒用于清洁出料通道，本设计图只列举了两个可拆卸物料盒，四个可拆卸物料盒进行物料的装配，可拆卸物料盒侧面的凸型轨道与气压挤出装置的凹型轨道配合，保证可拆卸物料盒可以在齿轮带动下进行稳定的旋转，在步进电机的驱动下，将可拆卸物料盒的进气口与气压挤出装置的出去管紧密配合，保证挤出物料的量，在可拆卸物料盒转换的过程中，可拆卸清洁物料盒做一次清洁工作，具体工作方式与其他物料盒工作方式相同，在可拆卸转盘安装可吸附污水收集杯，用于收集物料盒转换过程中出料通道中残余的物料。

优选的，一种基于3D打印技术的蛋糕机实现方法包括以下步骤：

步骤1，将所需制作蛋糕模型输入电脑中，配置模型所需的材料在气压挤出装置的可拆卸物料盒中；

步骤2，将蛋糕胚放在可拆卸转盘上，通过左摄像头、右摄像头识别，实时识别蛋糕胚的位置，在步进电机驱动下，实时对蛋糕胚的位置信息及时更新，对初始蛋糕胚的数据进行处理分析；进行蛋糕胚与模型数据的匹配；

步骤3，气压挤出装置通过气泵将材料置放模型对应的位置，三轴联动装置在系统的调配下，X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置将蛋糕胚移动对应的位置，三连杆装置通过控制连杆的转动的幅度，在空间任意0-90度进行对蛋糕胚的加工制作；

步骤4，抹刀装置在摄像头的检测下，对大面积平缓加工区域进行加工，对已加工蛋糕与模型进行对比，利用可移动X轴轴向抹刀边角进行对模型外观的进一步优化，通过可移动X轴轴向抹刀和Y轴轴向抹刀的相互配合，实现0-180度夹角的制作。

本发明的技术和优点：本发明一种基于3D打印技术的蛋糕机可以直接制作蛋糕成品，大大缩短了蛋糕制作的时间，增加蛋糕的造型的多样性及复杂性，同时还拥有较高的精度，清洁装置可以保证了蛋糕的食品安全，避免了不同材料对蛋糕的交叉污染。使用本机器制作蛋糕时，只需将蛋糕胚和装配材料放入机器中，选择所需制作的蛋糕造型，全程全自动运行，因此使用起来非常方便快捷。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有的技术描述中所需要的使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例。

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的气压挤出装置内部结构示意图；

图3为本发明的抹刀装置结构示意图；

图4为笨发明的清洁装置结构示意图；

图5为本发明的系统示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

1、第一步进电机；2、第一连杆；3、Z轴步进电机；4、左摄像头；5、Z轴丝杠；6、气压挤出装置；7、X轴丝杠；8、Y轴丝杠；9、右摄像头；10、第二步进电机；11、第二连杆；12、抹刀装置；13、可吸附污水收集杯；14、移动板；15、可拆卸转盘；16、支撑柱；17、框架；18、气泵；19、出气管；20、进气口；21、凸型轨道；22、第一可拆卸物料盒；23、第三步进电机；24、出料口；25、出料通道；26、凹型轨道；27、第二可拆卸物料盒；28、齿轮；29、第四步进电机；30、第一铰链；31、第三连杆；32、第四连杆；33、第五连杆；34、轨道；35、可移动X轴轴向抹刀；36、Y轴轴向抹刀；37、第六连杆；38、第七连杆；39、第八连杆；40、第五步进电机；41、第九连杆；42、第二铰链；43、污水通道口；44、右清洁毛刷；45、左清洁毛刷；46、通水管；47、通风口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造劳动力的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，X轴、Y轴及Z轴等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，X轴表示水平方向，Y轴表示垂直图形空间向外及向里无限延伸方向，Z轴表示竖直方向，为了描述方便，第一齿轮~第六齿轮和文中多个部件连接的铰链、步进电机位于结构内侧，以及第三可拆卸物料盒和可拆卸物料盒四位于结构的内侧，未在图中表示出来。

参见图1~图4所示，一种基于3D打印技术的蛋糕机，包括三轴联动装置，摄像头信息处理装置及执行单元，三轴联动装置内部设有X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置，X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置安装在框架17上；摄像头信息处理装置，包括左摄像头4、右摄像头9；执行单元包括气压挤出装置6、抹刀装置12、三连杆装置，气压挤出装置6安装在三连杆装置上，三连杆装置与框架17通过步进电机连接，抹刀装置12连接步进电机，步进电机固定在框架17上。

三轴联动装置包括X轴驱动装置、Y轴驱动装置及Z轴驱动装置，X轴驱动装置通过X轴步进电机连接X轴齿轮传送带进行X轴精准定位，X轴驱动装置安装可拆卸转盘15，可拆卸转盘15上固定可吸附污水收集杯13；Y轴驱动装置通过Y轴步进电机连接Y轴齿轮传送带进行Y轴精准定位；Z轴驱动装置通过Z轴步进电机连接Z轴齿轮传送带进行Z轴精准定位；X轴步进电机上安装第一齿轮，第一齿轮外轮廓咬合X轴齿轮传送带，X轴齿轮传送带内部紧密咬合第二齿轮，第二齿轮固定在第一丝杆上；Y轴步进电机上安装第三齿轮，第三齿轮外轮廓咬合Y轴齿轮传送带，Y轴齿轮传送带内部紧密咬合第四齿轮，第四齿轮固定在第二丝杆上；所述的Z轴步进电机上安装第五齿轮，第五齿轮外轮廓咬合Z轴齿轮传送带，Z轴齿轮传送带内部紧密咬合第六齿轮，第六齿轮固定在第三丝杆上，X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置实现三维空间的在可到达范围内的任意移动。

摄像头信息处理装置实时识别蛋糕的动态，左摄像头4、右摄像头9与框架通过安装步进电机连接，通过处理器控制左摄像头4、右摄像头9，对空间图像处理，进行空间图像的分析处理，将所需的数据传输到处理器中，控制X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置及可拆卸转盘15移动到相应的机器所控制的任意一点的位置。

抹刀装置12由步进电机连接第三连杆31，第三连杆31两端通过第一铰链30、第二铰链42连接第四连杆32和第五连杆33结构，第三连杆31和第四连杆32固定在Y轴轴向抹刀36上，形成四连杆机构，Y轴轴向抹刀36与可移动X轴轴向抹刀35通过转轴连接，达到相对转动，可移动X轴轴向抹刀35通过铰链连接第六连杆37、第七连杆38，第六连杆37通过铰链连接连杆第九连杆41，第七连杆38通过铰链连接第七连杆39，第七连杆39、第九连杆41连接在第四步进电机29做相对转动，Y轴轴向抹刀36、可移动X轴轴向抹刀35逆时针转动九十度进入清洁装置，在三轴联动装置驱动下，可移动X轴轴向抹刀35、Y轴轴向抹刀36可以加工0-180度斜面及任意弧面。

左清洁毛刷45、右清洁毛刷44连接通水管46和通风装置，左清洁毛刷45、右清洁刷两侧有小孔，用于水和热风的输入，抹刀进入后，移动板14向上运动，使清洁装置形成四周封闭空间，防止污水的溅漏，左清洁毛刷45和右清洁毛刷44分布在抹刀的两侧，沿着抹刀方向做往复运动，在清洁过程中，水沿着通水管46进入左清洁毛刷45、右清洁毛刷44，通过左清洁毛刷45和右清洁毛刷44进行清洁处理，清洁结束后，通过热风进行抹刀的烘干。

三连杆装置，通过步进电机连接连杆，连杆与气压挤出装置6通过铰链连接，三连杆各个杆件在对应步进电机的驱动下，围绕步进电机的转动轴实现转动，杆件的另一端做Z轴的上下运动，气压挤出装置6在杆件的作用下，实现三维空间0-90度相对转动。

气压挤出装置6包括气泵18，气泵18连接出气管19，出气管19与可拆卸物料盒紧密连接，可拆卸物料盒上的凹型轨道26配合外壳的凸型轨道21，第二步进电机10连接齿轮，齿轮与可拆卸物料盒的齿槽配合，实现可拆卸物料盒的相对转动，气泵18工作，通过气压将可拆卸物料盒中的物料进行挤压通过出料口24和出料通道25输出，为了增加蛋糕的造型的多样性，本设计设计了可以四个可拆卸物料盒在气压挤出装置6，本设计图只列举了两个可拆卸物料盒，包含一个可拆卸清洁物料盒装置，四个可拆卸物料盒进行物料的装配，可拆卸物料盒侧面的凸型轨道21与气压挤出装置6的凹型轨道26配合，保证可拆卸物料盒可以在齿轮带动下进行稳定的旋转，在步进电机的驱动下，将可拆卸物料盒的进气口20与气压挤出装置6的出去管紧密配合，保证挤出物料的量，在可拆卸物料盒转换的过程中，可拆卸清洁物料盒做一次清洁工作，具体工作方式与其他物料盒工作方式相同，在可拆卸转盘15安装可吸附污水收集杯13，用于收集物料盒转换过程中出料通道25中残余的物料。

具体工作过程如下：

参照图1~图4说明，详细介绍本装置的实施方式，本装置实施方式主要依赖蛋糕模型的制作，下面将根据具体模型将实施方式表达出来。

首先，制作一个生日蛋糕，在蛋糕的中间写着宋体红色“生日快乐”的字样，蛋糕表面涂有白色奶油不包括底层，在蛋糕周围装饰一圈蓝色裱花，此模型已经在软件系统中设定完毕。

将红色奶油装在第一可拆卸物料盒22中，蓝色奶油装在第二可拆卸物料盒27中，白色奶油装在第三可拆卸物料盒中，清洁蒸馏水装在可拆卸清洁盒四中，将蛋糕胚放在可拆卸转盘15上，可拆卸转盘15在步进电机的驱动下，转动一周，左摄像头4、右摄像头9将蛋糕胚三维实体外观数据传输主控系统中，包括蛋糕胚的直径高度及表面的光滑程度，在此说明，此装置无需将蛋糕放在可拆卸转盘15的中央，在加工过程中，为了实现蛋糕围绕任意一点作周转运动，三轴联动装置会配合可拆卸转盘15转动过程中，X轴驱动装置、Y轴驱动装置弥补蛋糕胚达到实现周转运动，减少手工放置中心的误差，增加蛋糕的外观精度要求。

在第二步进电机10的驱动下，第二步进电机10带动齿轮转动，可拆卸物料盒联接的凸型轨道21与气压挤出装置6的凹轨道装置相对滑动，将第三可拆卸物料盒准确定位在出气管19处，与出气管19紧密配合，在气泵18的工作下，将所需量的白色奶油通过可拆卸物料盒出料口24挤压进出料通道25中，左摄像头4与右摄像头9识别出白色奶油，气压装置控制气体输入的量进而控制奶油挤出的量，X轴驱动装置、Y轴驱动装置在系统控制下，X轴驱动装置通过X轴步进电机带动X轴齿轮传送带进行X轴精准定位；Y轴驱动装置通过Y轴步进电机带动Y轴齿轮传送带进行Y轴精准定位；在X-Y轴面作任意移动，左摄像头4、右摄像头9在步进电机的驱动下，跟随蛋糕胚的X-Y面的运动，将蛋糕胚顶层奶油进行制作，在X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置在主控系统控制下，制作侧面奶油造型，在制作侧面造型过程中，主控系统驱动三连杆装置，通过步进电机连接连杆，连杆与气压挤出装置6通过铰链连接，三连杆各个杆件在对应步进电机的驱动下，围绕步进电机的转动轴实现转动，杆件的另一端做Z轴的上下运动，气压挤出装置6在杆件的作用下，实现三维空间0-90度相对转动，因为侧面与X-Y面垂直，气压挤出装置6在空间转动90度达到精确要求，左摄像头4、右摄像头9识别平面与X-Y面的角度的斜面，系统将气压挤出装置6垂直工作，达到提高精度制作要求，三轴联动装置将挤压挤出装置移动到可吸附污水杯的正上方，第二步进电机10的驱动下，第二步进电机10带动齿轮转动，可拆卸物料盒联接的凸型轨道21与气压挤出装置6的凹轨道装置相对滑动，将可拆卸清洁物料盒准确定位在出气管19处，与出气管19紧密配合，在气泵18的工作下，将相对量的蒸馏水通过可拆卸清洁物料盒冲刷通道，第二步进电机10的驱动下，第二步进电机10带动齿轮转动，可拆卸物料盒联接的凸型轨道21与气压挤出装置6的凹轨道装置相对滑动，将第一可拆卸物料盒22准确定位在出气管19处，与出气管19紧密配合，在气泵18的工作下，将相对量的蓝色奶油通过可拆卸物料盒出料口24挤压进出料通道25中，挤出一定剂量的蓝色奶油处理出料通道25的残留蒸馏水，裱花制作在X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置和可拆卸转盘15在系统控制下，精确进行裱花造型制作，裱花结束后进行以上描述的清洁工作，第二步进电机10的驱动下，第二步进电机10带动齿轮转动，可拆卸物料盒联接的凸型轨道21与气压挤出装置6的凹轨道装置相对滑动，将第二可拆卸物料盒27准确定位在出气管19处，与出气管19紧密配合，在气泵18的工作下，将相对量的红色奶油通过可拆卸物料盒出料口24挤压进出料通道25中，进行宋体红色“生日快乐”字体的制作。

奶油制作结束后，左摄像头4、右摄像头9通过实时图像与模型对比，在表面光滑度的范围进行下一步动作，如若表面光滑程度达不到系统设置设置要求，使用抹刀装置12进一步加强表面光滑度要求。抹刀装置12由步进电机连接第三连杆31，第三连杆31两端通过第一铰链30、第二铰链42连接第四连杆32和第五连杆33结构，第三连杆31和第四连杆32固定在Y轴轴向抹刀36上，形成四连杆机构，Y轴轴向抹刀36与可移动X轴轴向抹刀35通过转轴连接，达到相对转动，可移动X轴轴向抹刀35通过铰链连接第六连杆37、第七连杆38，第六连杆37通过铰链连接连杆第九连杆41，第七连杆38通过铰链连接第七连杆39，第七连杆39、第九连杆41连接在第四步进电机29做相对转动，Y轴轴向抹刀36、可移动X轴轴向抹刀35逆时针转动九十度进入清洁装置，在三轴联动装置驱动下，可移动X轴轴向抹刀35、Y轴轴向抹刀36可以加工0-180度斜面及任意弧面。X轴向抹刀前段带有细杆，用于对复杂造型的的修补。当表面造型光滑程度达不到要求时，对于大面积需要修补造型的地方，使用可移动X轴轴向抹刀35、Y轴轴向抹刀36侧面进一步造型的精加工，对于小面积的造型修补，使用可移动X轴轴向抹刀35对造型的精加工，达到造型精度要求，在对不同物料的加工过程中，实现对可移动X轴轴向抹刀35、Y轴轴向抹刀36清洗，结束对上一步物料清洗的过程后，Y轴轴向旋转与可移动X轴轴向抹刀35同向，进入清洁装置，抹刀进入后，移动板14向上运动，使清洁装置形成四周封闭空间，防止污水的溅漏，左清洁毛刷45和右清洁毛刷44分布在抹刀的两侧，沿着抹刀方向做往复运动，在清洁过程中，水沿着通水管46进入左清洁毛刷45、右清洁毛刷44，通过左清洁毛刷45和右清洁毛刷44进行清洁处理，清洁结束后，通过热风进行抹刀的烘干。

加工结束，X轴驱动装置、Y轴驱动装置、Z轴驱动装置在系统的控制下，将已加工生日蛋糕运送框架边缘处，以便取出。

上述可拆卸转盘15、第一可拆卸物料盒22、第二可拆卸物料盒27、第三可拆卸物料盒、可拆卸清洁物料盒便于拆卸、安装，用于清洗，保证食品安全。

最后说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。