一种注射式咖啡拉花机的结构与原理

王莎 洪昕辰 杨佳东 周雨婷

摘 要：本团队受3D打印机启发，研制了注射式咖啡拉花机，以巧克力酱为拉花原料，实现了全自动任意图案的咖啡拉花。该产品是机械自动化在咖啡拉花上的应用，代替人工咖啡拉花。其机械结构原理简单、控制结构容易实现，生产简单，整体设备成本低，拉花效率高并且误差小，人为操作简单，性价比高。

关键词：注射式；咖啡拉花；机械自动化

中图分类号：TS972.23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0033-02

Abstract： Inspired by the 3D printer， our team developed an injection-type latte art machine， which uses chocolate sauce as the raw material to achieve the automatic arbitrary pattern of latte art for coffee. This product is the application of mechanical automation in the latte art， instead of artificial latte art. Its mechanical structure principle is simple， the control structure is easy to realize， the production is simple， the overall equipment cost is low， the drawing efficiency is high and the error is small， the operation process is simple， but the performance-price ratio is high.

Keywords： injection-type； latte art； mechanical automation

1 背景及市場前景、目的

随着中国改革开放的不断深入，近几年来咖啡拉花越来越受欢迎。而专业拉花师的培养耗资巨大，一些小店铺就无法满足客户对咖啡样式的需求。现今市场机器代替人工的案例越来越多，机械自动化在实际生活中运用越来越广泛，但关于咖啡拉花机，仅有少数，在这一方面仍存在大量的空白。本团队的发明正好可以填补这些空白，实现多样式全自动任意图案式拉花。虽然国外已有技术相对成熟的咖啡拉花机，但因价格昂贵，可供选择的类型少，而不适合国内市场普及和发展。

我们的基本思路通过以下流程图来简单阐述（见图1）。

2 机械结构

该产品整体以2020铝型材、亚克力板、铝板为框架制造，部分固定件为3D打印件，经济实惠。

我们基于3D打印机的了解，将该拉花机采用XY平面内按照轨迹绘制图案，Z方向上挤压注射器送料的方案。细节上，我们在拉花机底部中心雕刻有同心圆刻度，用其确定咖啡杯的位置。后亚克力板设计成30°角的弯折，人性化地固定显示器，同时也固定控制板和电源，最大化的利用了空间。针对咖啡杯不同的高度对注射器进行了设计改造，使用齿状切合，不仅可以平稳的安置注射器，还能手动微调注射器高度。

设计时由于经验不足，出现过不少问题，但我们都找到了相应的解决方案：

（1）其中作为x轴的铝型材固定的位置太低，最下沿低于咖啡杯沿的高度，导致在y方向移动的过程中会与咖啡杯碰撞。因此我们重新定制了两侧的亚克力板，加高了固定铝型材孔的位置。

（2）在调试中，送料机构中齿轮减速部分发生了失步现象。经过分析发现是机械结构设计时两个齿轮的中心距存在误差。因此我们对送料机构内固定丝杆和齿轮的3D打印件重新进行了设计。在减小中心距误差的同时，又在原来的基础上在上方多设计了一个放置轴承的凹槽，更精确的固定了丝杆的位置，使其不偏移。

（3）z轴齿轮转动时，活塞被带动向上移动，但由于摩擦过大，导致针筒一起往上移动。因此我们调整了夹具的位置，使其固定在针筒的竖直方向上的位置。

3 控制结构

在控制上我们结合Arduino单片机，把需拉花的图片用矢量绘图转G代码软件将图案进行矢量化坐标G代码转换，形成具体化的X轴Y轴坐标变化路线。再将G代码写入Grbl嵌入式编译器和运动控制器，以驱动X轴Y轴的步进电机运行。按照G代码中的精确坐标，电机能将注射器按照标准定位轨迹移动，期间注射器由单独的Z轴电机进行定量挤压。

（1）固件选择：在固件上我们选择开源的marlin 固件，更改各类参数来获得一个良好的操作效果，通过取消固件内置的温度传感器，更改显示界面，得到了实验专属的固件。

（2）显示器：我们选择lcd12864作为我们的试验机显示器，价格便宜，配置修改方便，在产品机上我们将使用TFT全彩触摸屏，操作简洁。

（3）代码：目前开源的软件都是基于二维坐标设计，无法一次性获得x、y、z三个坐标的代码，我们对二维代码再次编程，根据代码行数和总挤出量确定了各行的挤出数据，获得了控制代码。

（4）计算及调试：巧克力酱挤出量与电机行程速度的关系：

送料电机行程速度输入为v1=20mm/s，电机齿轮址径D1=20mm

由于针筒吸入巧克力酱的方式从针头吸入，因此针头内已有巧克力酱，则挤出量不考虑针头内的体积。

挤出量Q=v2A=0.127×206.12=26.18mm3/s

挤出量与电机行程速度的关系为：

另外我们采用的巧克力酱，粘度范围在10～20Pa·s，经实验证明，在此粘度范围内及此挤出量的条件下，并不会因为张力等因素发生太大误差，可以进行拉花操作。

在调试过程中，碰到过许多问题，比如在奶泡上绘制的线条图案粗细不均，经分析我们选用了合适的注射器针头、浓度适宜的巧克力酱，并且将抽入注射器的巧克力酱中含有的空气挤尽，控制Z轴运动速度，以此达到图案线条粗细均匀；发现X轴、Y轴运动有卡顿现象，对皮带轮的松紧度进行了调整；挤出图案容易发生部分缺失，我们将注射器尽量靠近杯面，减少巧克力酱在注射器端口凝结。

4 结束语

该注射式咖啡拉花机采用的机械结构设计原理简单、控制结构容易实现。咖啡拉花机生产简单，整体设备成本低，拉花效率高并且误差小，人为操作简单，性价比高。

参考文献：

[1]周春林，张燕鹏，黄智全，等.基于Android的DXF文件解析以及数控代码的生成[J].电子世界，2018（11）：35-36.

[2]杜姗姗，周爱军，陈洪，等.3D打印技术在食品中的应用进展[J].中国农业科技导报，2018，20（03）：87-93.

[3]霍梦真，王章陶.咖啡拉花机[J].科技与创新，2017（21）：101-102.