CN110464225A - 一种物料智能识别的破壁料理机及物料粉碎方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种物料智能识别的破壁料理机，包括机座、安装在机座上的粉碎容器、电机、转动轴、传动器、转刀和微控制单片机；所述电机和微控制单片机设置在机座内部，转动轴一端与电机输出端连接，另一端通过传动器与转刀连接，所述转刀位于粉碎容器内部；还包括用于测量电机负载时转动速度的速度传感器和含有晶闸管的电机驱动电路，所述速度传感器设置在机座内部，并与微控制单片机的输入端连接；所述微控制单片机的输出端通过电机驱动电路与电机连接。本发明还提供一种物料粉碎方法，本发明自适应地调整物料的粉碎时间，不但避免了用户的盲目调控时间导致的工作效率低问题，而且可简化用户的操作流程以提高使用体验，从而达到节能环保的目的。
Description
技术领域
本发明涉及智能家电技术领域，更具体地说，涉及一种物料智能识别的破壁料理机及物料粉碎方法。
背景技术
料榨类家电是由于生活质量的提高而带动市场销售的产物。目前市场上最流行的料榨产品，一个是原汁机，另一个就是破壁料理机。与前几代料榨类小家电相比，破壁料理机最大特点是高功率，高速电机破碎后的高出汁率、高营养保留率和破壁后的高吸收率。
破壁料理机的破碎方式主要是通过刀片对物料进行切割，使细胞壁被破坏，使果蔬中的水分及其营养物质溶出，使得营养物质混合形成果蔬汁。破壁料理机所采用的设计方式是采用杯体和主机分离的方式，由主机、杯体以及配用附件所组成，其中，杯体包括驱动装置、刀座、杯体和杯盖、进料盖和密封组件等。所使用的电机是高速串激电机，设置电流、温度两重的保护用的温控器，实际速度在16000～30000转之间。影响物料破碎效果最重要的因素为电机的运行速度与时间，而目前普遍破壁料理机采用的速度控制模式为从低速加速至高速，往后一直保持在最高速水平。
然而，目前市场上的破壁料理机的运行时间普遍通过使用者人为设定搅拌时间，或通过预设单独几个档位根据不同的物料进行搅拌时间的调节。该方法有一定的局限性，普遍的使用者对所需设定的时间均缺乏先验知识，因此人们一般使用破壁料理机的操作是不停地观察搅拌效果反复开关机器最终达到所需的效果；即使部分的破壁料理机预设几个档位，但不同的物料用量以及不同的物料与水的混合比例均直接影响所需的搅拌时间。
其次，市场上的破壁料理机采用的速度控制模式普遍采用，从低速阶梯性地递增至最高速，往后一直保持在最高速度值水平。该速度控制模式的对物料的破碎效果一般，并且耗能大，高速运转加快刀片磨损缩短产品使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种物料智能识别的破壁料理机及物料粉碎方法；该破壁料理机及物料粉碎方法根据不同的物料特征自动识别匹配，进而自适应地调整物料的粉碎时间，不但避免了用户的盲目调控时间导致的工作效率低问题，而且可简化用户的操作流程以提高使用体验，从而达到节能环保的目的。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：包括机座、安装在机座上的粉碎容器、电机、转动轴、传动器、转刀和微控制单片机；所述电机和微控制单片机设置在机座内部，转动轴一端与电机输出端连接，另一端通过传动器与转刀连接，所述转刀位于粉碎容器内部；
还包括用于测量电机负载时转动速度的速度传感器和含有晶闸管的电机驱动电路，所述速度传感器设置在机座内部，并与微控制单片机的输入端连接；所述微控制单片机的输出端通过电机驱动电路与电机连接。
在上述方案中，本发明增加了速度传感器对电机负载的转动速度进行测量，并作为微控制单片机的输入信号，通过对输入信号进行计算得到不同物料的特征，并根据不同的物料特征自动识别匹配，进而自适应地调整物料的粉碎时间，这样不但避免了用户的盲目调控时间导致的工作效率低问题，而且可简化用户的操作流程以提高使用体验，从而达到节能环保的目的。另外，本发明破壁料理机采用交流串激电机，电机速度调节采用晶闸管(可控硅)交流调压方式。在工作过程中，通过调节晶闸管的导通角改变电机的输入功率进而调整电机的速度。
所述速度传感器为反射式红外线光电开关；所述转动轴上设置有遮挡部；转动轴通过电机驱动转动时，转动轴上的遮挡部对反射式红外线光电开关进行间歇式遮挡，反射式红外线光电开关将输入信号传送至微控制器单片机。电机在工作运转时，反射式红外线光电开关被间歇遮挡，则向微控制器单片机输入方行波信号，利用输入捕获程序。在方波上升沿时，产生捕获中断服务标志，此时微控制器单片机的定时器开始计时截止至下一方波上升沿计时结束，该时间信息代表电机旋转一周所用时间。通过输入捕获得到其周期时间，折算成电机的转速数据。
具体地说，所述转动轴上设置有遮挡部是指：在转动轴的侧部沿转动轴的长度方向开设有凹槽，所述遮挡部为转动轴非凹槽位的侧部。
所述电机驱动电路由晶闸管、光耦以及***电路连接组成；所述晶闸管的阳极A与电机一端连接，阴极K与电源连接，门极G通过光耦和***电路与微控制器单片机的输出端连接。
所述转刀包括本体和与本体连接的刀片；所述刀片包括相对设置的刀片一和相对设置的刀片二；所述相对设置的刀片一均与本体齐平；所述相对设置的刀片二与本体之间具有向上倾斜的偏角。
所述向上倾斜的偏角为30°。本发明在30°偏角的刀片二作用下，拥有较大的湍动能作用，且刀片一和刀片二上下的作用循环区域也较大，能更大程度的增大破碎的区域，减小流动的死区，使液料能够充分的混合，达到剪切破碎的效果。
一种物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法，其特征在于：首先，设置用于测量电机负载时转动速度的速度传感器；其次，对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征；最后，通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎。
在上述方案中，通过物料粉碎方法可根据不同的物料特征自动识别匹配，进而自适应地调整物料的粉碎时间，这样不但避免了用户的盲目调控时间导致的工作效率低问题，而且可简化用户的操作流程以提高使用体验，从而达到节能环保的目的。
所述特征是指物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度；所述对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征是指：包括以下步骤：
第一步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的时间t和速度传感器的采样频率f；根据速度传感器反馈的信号，计算电机负载时的平均转速作为物料的总质量指标：
其中，n为速度传感器测量到电机负载时的转速，tf为采样速度点；
第二步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的前期时间t0；根据速度传感器反馈的信号，计算速度传感器测量到速度的斜率k，即为加速度，作为物料的软硬程度的指标：
其中，为前期时间t0速度传感器测量到的速度；
第三步，采集速度传感器的速度时间序列信息，并经过傅里叶变换转化成频域信息，频率在F附近的基频对应的幅值G作为物料的均匀程度。
所述通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间是指：设定基础粉碎的时间，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间上控制增加粉碎时间或保持基础粉碎的时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎；
对物料进行粉碎过程中采用高速和低速交替循环的破壁粉碎控制模式。本发明高速和低速交替循环的破壁粉碎控制模式可增加转刀刀片一和刀片二对物料的冲击次数，从而提高了物料的破壁率，并且能够避免持续高速运转对刀片一和刀片二的磨损及功率的消耗，是一种较为节能且节省的控制模式。
所述设定基础粉碎的时间，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间上控制增加粉碎时间或保持基础粉碎的时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎是指：
(1)当作为物料的总质量指标的平均转速为30r/s～35r/s，则判断物料的总质量为中，在基础粉碎的时间上增加时间t1对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为大，在基础粉碎的时间上控制增加时间2t1对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为小，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎；
(2)当作为物料的软硬程度指标的斜率k为18r/s2～22r/s2，则判断物料的软硬程度为中，在基础粉碎的时间上增加时间t2对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k>22r/s2，则判断物料的软硬程度为软，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k<18r/s2，则判断物料的软硬程度为硬，在基础粉碎的时间上增加时间2t2对物料进行粉碎；
(3)当作为物料的均匀程度指标的幅值G为0.5～0.75，则判断物料的均匀程度为中，在基础粉碎的时间上增加时间t3对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G>0.75，则判断物料的均匀程度为低，在基础粉碎的时间上增加时间2t3对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G<0.5，则判断物料的均匀程度为高，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎。
本发明的工作原理是这样的：本发明利用速度传感器记录电机负载速度信息。其中，物料的总质量直接影响电机的平均转速，在输入功率恒定的情况下，假设输入能量全转化为动能，那么物料的总质量越大，相应地搅拌粉碎过程的平均速度则越小。破壁料理机启动前期时间内，转刀处于切削果蔬物料外表阶段，物料表皮的反作用力直接作用于转刀上，因此加速度的大小间接反映着物料的软硬程度，求其速度的斜率k即加速度大小。物料的均匀程度可由速度曲线的波动性反映，而速度曲线的波动性可通过快速傅里叶变换(fastFourier transform，FFT)得到。将采集到的速度时间序列经过傅里叶变换，转化成频域信息。经过实验分析，频率在4Hz附近的基频对应的幅值G最能反映速度曲线的波动性。幅值G越大反应波动越大，均匀程度较差，否则越均匀。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明的物料智能识别的破壁料理机及物料粉碎方法可根据不同的物料特征自动识别匹配，进而自适应地调整物料的粉碎时间，不但避免了用户的盲目调控时间导致的工作效率低问题，而且可简化用户的操作流程以提高使用体验，从而达到节能环保的目的。
附图说明
图1是本发明物料智能识别的破壁料理机示意图；
图2是本发明物料智能识别的破壁料理机中机座内部示意图；
图3是本发明物料智能识别的破壁料理机中电机驱动电路连接电机的示意图；
图4是本发明物料智能识别的破壁料理机中转刀示意图一；
图5是本发明物料智能识别的破壁料理机中转刀示意图二；
其中，1为机座、2为粉碎容器、3为电机、4为转动轴、5为传动器、6为转刀、6.1为本体、6.2为刀片一、6.3为刀片二、7为速度传感器、8为遮挡部、9为凹槽。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至5中所示，本发明物料智能识别的破壁料理机包括机座1、安装在机座1上的粉碎容器2、电机3、转动轴4、传动器5、转刀6和微控制单片机，其中，电机3设置在机座1内部，转动轴4一端与电机3输出端连接，另一端通过传动器5与转刀6连接，转刀6位于粉碎容器2内部。本发明还包括用于测量电机3负载时转动速度的速度传感器7和含有晶闸管的电机驱动电路，速度传感器7设置在机座1内部，并与微控制单片机的输入端连接，微控制单片机的输出端通过电机驱动电路与电机3连接。
本发明的速度传感器7为反射式红外线光电开关，转动轴4上设置有遮挡部8；转动轴4通过电机3驱动转动时，转动轴4上的遮挡部8对反射式红外线光电开关进行间歇式遮挡，反射式红外线光电开关将输入信号传送至微控制器单片机。其中，转动轴4上设置有遮挡部8是指：在转动轴4的侧部沿转动轴4的长度方向开设有凹槽9，遮挡部8为转动轴4非凹槽9位的侧部。
本发明的电机驱动电路由晶闸管、光耦以及***电路连接组成，其中，晶闸管的阳极A与电机3一端连接，阴极K与电源连接，门极G通过光耦和***电路与微控制器单片机的输出端连接，图3中端点PG2为该电机驱动电路与微控制器单片机连接的端点。
本发明转刀6包括本体6.1和与本体6.1连接的刀片，该刀片包括相对设置的刀片一6.2和相对设置的刀片二6.3，相对设置的刀片一6.2均与本体6.1齐平，相对设置的刀片二6.3与本体6.1之间具有向上倾斜的30°偏角。本发明在30°偏角的刀片二6.3作用下，拥有较大的湍动能作用，且刀片一6.2和刀片二6.3上下的作用循环区域也较大，能更大程度的增大破碎的区域，减小流动的死区，使液料能够充分的混合，达到剪切破碎的效果。
本发明一种物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法是这样的：首先，设置用于测量电机3负载时转动速度的速度传感器7；其次，对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器7反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征；最后，通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎。
具体地说，特征是指物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度。上述对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器7反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征是指：包括以下步骤：
第一步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的时间6s和速度传感器7的采样频率50Hz；根据速度传感器7反馈的信号，计算电机3负载时的平均转速作为物料的总质量指标：
其中，n为速度传感器7测量到电机3负载时的转速，上式由于速度的采样频率为50Hz，因此6s共有300个速度点。
第二步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的前期时间2s；根据速度传感器7反馈的信号，计算速度传感器7测量到速度的斜率k，即为加速度，作为物料的软硬程度的指标：
其中，为前期时间t0速度传感器测量到的速度。
第三步，采集速度传感器7的速度时间序列信息，并经过傅里叶变换转化成频域信息，频率在4Hz附近的基频对应的幅值G作为物料的均匀程度。
上述通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间是指：设定基础粉碎的时间30s，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间30s上控制增加粉碎时间或保持基础粉碎的时间30s，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎；
对物料进行粉碎过程中采用高速和低速交替循环的破壁粉碎控制模式。本发明高速和低速交替循环的破壁粉碎控制模式可增加转刀刀片一和刀片二对物料的冲击次数，从而提高了物料的破壁率，并且能够避免持续高速运转对刀片一和刀片二的磨损及功率的消耗，是一种较为节能且节省的控制模式。
其中，设定基础粉碎的时间30s，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间30s上控制增加粉碎时间30s或保持基础粉碎的时间30s，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎是指：
(1)当作为物料的总质量指标的平均转速为30r/s～35r/s，则判断物料的总质量为中，在基础粉碎的时间30s上增加时间10s对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为大，在基础粉碎的时间30s上控制增加时间20s对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为小，保持基础粉碎的时间30s对物料进行粉碎；
(2)当作为物料的软硬程度指标的斜率k为18r/s2～22r/s2，则判断物料的软硬程度为中，在基础粉碎的时间30s上增加时间5s对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k>22r/s2，则判断物料的软硬程度为软，保持基础粉碎的时间30s对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k<18r/s2，则判断物料的软硬程度为硬，在基础粉碎的时间30s上增加时间10s对物料进行粉碎；
(3)当作为物料的均匀程度指标的幅值G为0.5～0.75，则判断物料的均匀程度为中，在基础粉碎的时间30s上增加时间5s对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G>0.75，则判断物料的均匀程度为低，在基础粉碎的时间30s上增加时间10s对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G<0.5，则判断物料的均匀程度为高，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎。
本发明的工作原理是这样的：本发明利用速度传感器7记录电机3负载速度信息，其中，物料的总质量直接影响电机3的平均转速，在输入功率恒定的情况下，假设输入能量全转化为动能，那么物料的总质量越大，相应地搅拌粉碎过程的平均速度则越小。而破壁料理机启动前期时间内，转刀6处于切削果蔬物料外表阶段，物料表皮的反作用力直接作用于转刀6上，因此加速度的大小间接反映着物料的软硬程度，求其速度的斜率k即加速度大小。物料的均匀程度可由速度曲线的波动性反映，而速度曲线的波动性可通过快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)得到。将采集到的速度时间序列经过傅里叶变换，转化成频域信息。经过实验分析，频率在4Hz附近的基频对应的幅值G最能反映速度曲线的波动性。幅值G越大反应波动越大，均匀程度较差，否则越均匀。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：包括机座、安装在机座上的粉碎容器、电机、转动轴、传动器、转刀和微控制单片机；所述电机和微控制单片机设置在机座内部，转动轴一端与电机输出端连接，另一端通过传动器与转刀连接，所述转刀位于粉碎容器内部；
还包括用于测量电机负载时转动速度的速度传感器和含有晶闸管的电机驱动电路，所述速度传感器设置在机座内部，并与微控制单片机的输入端连接；所述微控制单片机的输出端通过电机驱动电路与电机连接。
2.根据权利要求1所述的物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：所述速度传感器为反射式红外线光电开关；所述转动轴上设置有遮挡部；转动轴通过电机驱动转动时，转动轴上的遮挡部对反射式红外线光电开关进行间歇式遮挡，反射式红外线光电开关将输入信号传送至微控制器单片机。
3.根据权利要求2所述的物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：所述转动轴上设置有遮挡部是指：在转动轴的侧部沿转动轴的长度方向开设有凹槽，所述遮挡部为转动轴非凹槽位的侧部。
4.根据权利要求1所述的物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：所述电机驱动电路由晶闸管、光耦以及***电路连接组成；所述晶闸管的阳极A与电机一端连接，阴极K与电源连接，门极G通过光耦和***电路与微控制器单片机的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：所述转刀包括本体和与本体连接的刀片；所述刀片包括相对设置的刀片一和相对设置的刀片二；所述相对设置的刀片一均与本体齐平；所述相对设置的刀片二与本体之间具有向上倾斜的偏角。
6.根据权利要求6所述的物料智能识别的破壁料理机，其特征在于：所述向上倾斜的偏角为30°。
7.一种物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法，其特征在于：首先，设置用于测量电机负载时转动速度的速度传感器；其次，对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征；最后，通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎。
8.根据权利要求7所述的物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法，其特征在于：所述特征是指物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度；所述对负载物料进行初始阶段的预粉碎步骤，在预粉碎步骤中根据速度传感器反馈的信号进行分析计算，初步判断该负载物料的特征是指：包括以下步骤：
第一步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的时间t和速度传感器的采样频率f；根据速度传感器反馈的信号，计算电机负载时的平均转速作为物料的总质量指标：
其中，n为速度传感器测量到电机负载时的转速，tf为采样速度点；
第二步，设定初始阶段对负载物料预粉碎的前期时间t0；根据速度传感器反馈的信号，计算速度传感器测量到速度的斜率k，即为加速度，作为物料的软硬程度的指标：
其中，为前期时间t0速度传感器测量到的速度；
第三步，采集速度传感器的速度时间序列信息，并经过傅里叶变换转化成频域信息，频率在F附近的基频对应的幅值G作为物料的均匀程度。
9.根据权利要求8所述的物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法，其特征在于：所述通过负载物料的特征自动识别匹配粉碎时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间是指：设定基础粉碎的时间，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间上控制增加粉碎时间或保持基础粉碎的时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎；
对物料进行粉碎过程中采用高速和低速交替循环的破壁粉碎控制模式。
10.根据权利要求9所述的物料智能识别的破壁料理机的物料粉碎方法，其特征在于：所述设定基础粉碎的时间，根据物料的总质量、物料的软硬程度和物料的均匀程度三个特征的数值范围，在基础粉碎的时间上控制增加粉碎时间或保持基础粉碎的时间，实现自适应控制调整物料的粉碎时间对物料进行粉碎是指：
(1)当作为物料的总质量指标的平均转速为30r/s～35r/s，则判断物料的总质量为中，在基础粉碎的时间上增加时间t1对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为大，在基础粉碎的时间上控制增加时间2t1对物料进行粉碎；当作为物料的总质量指标的平均转速则判断物料的总质量为小，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎；
(2)当作为物料的软硬程度指标的斜率k为18r/s2～22r/s2，则判断物料的软硬程度为中，在基础粉碎的时间上增加时间t2对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k>22r/s2，则判断物料的软硬程度为软，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎；当作为物料的软硬程度指标的斜率k<18r/s2，则判断物料的软硬程度为硬，在基础粉碎的时间上增加时间2t2对物料进行粉碎；
(3)当作为物料的均匀程度指标的幅值G为0.5～0.75，则判断物料的均匀程度为中，在基础粉碎的时间上增加时间t3对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G>0.75，则判断物料的均匀程度为低，在基础粉碎的时间上增加时间2t3对物料进行粉碎；当作为物料的均匀程度指标的幅值G<0.5，则判断物料的均匀程度为高，保持基础粉碎的时间对物料进行粉碎。
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