炒菜機關(guān)鍵機構(gòu)研究與設(shè)計

摘 要目前，食品工業(yè)逐漸發(fā)展成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。本文以提高烹飪自動化水平為目標(biāo)設(shè)計一種全自動炒菜機，能夠?qū)崿F(xiàn)自動炒菜和遠程控制炒菜，模擬名廚制作出美味可口的菜肴。論文對炒菜機的實現(xiàn)方案和設(shè)計過程做了深入的分析，重點研究了炒菜機工具及鍋具兩關(guān)鍵機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)與控制等問題。在研究當(dāng)前國內(nèi)外炒菜設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，提出自動炒菜機的技術(shù)要求。結(jié)合炒菜工藝將人工炒菜動作進行分解并研究實現(xiàn)這些動作的機構(gòu)，對每一種機構(gòu)進行分析比較，確定合理的實現(xiàn)方案。針對選定的設(shè)計方案建立數(shù)學(xué)模型并進行優(yōu)化設(shè)計。開發(fā)機構(gòu)運動學(xué)特性可視化仿真程序，通過改變機構(gòu)相關(guān)特征參數(shù)，分析其運動學(xué)特性，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)選設(shè)計方案。運用Solidworks軟件，對方案進行建模、仿真，得到其位移、速度、加速度等動力學(xué)特征參數(shù)，進一步優(yōu)化篩選，為試驗樣機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。采用模塊化的編程思想，設(shè)計炒菜機控制程序。將每一種炒菜動作封裝為單個模塊，便于PC機和PLC聯(lián)合控制。重點研究了基于模塊化思想的炒菜機控制程序的開發(fā)問題。1 緒論1.1 課題概述1.1.1 課題來源應(yīng)深圳繁興科技有限公司委托，研制能夠自動烹調(diào)部分中式菜肴，達到中式烹調(diào)技法要求的自動炒菜機。1.1.2 研發(fā)背景烹飪，就是將被烹調(diào)物以炒、爆、煎、炸、燒、蒸、溜等各種主要烹調(diào)技法加熱至預(yù)期火候狀態(tài)，輔以調(diào)味品，達到預(yù)期的甜、酸、苦、辣等口味和香、脆、酥、嫩等風(fēng)味效果。烹飪的開始也就是人類文明的開始。勞動人民在長期的生活實踐過程中，細心觀察、不斷總結(jié)，積累了豐富的經(jīng)驗，使中國烹飪在原料的選擇、烹飪方法以及菜肴的色、香、味、形等方面都帶有鮮明的中國特色。烹飪的目的是為滿足各類人群的飲食和健康需要，為人們提供營養(yǎng)、衛(wèi)生、富有風(fēng)味特色和品種多樣的食品。實現(xiàn)這過程的一個重要條件是烹飪器具及相關(guān)設(shè)備。智能烹飪機能夠?qū)N房這個“大容器” 中的廚事操作活動全部濃縮在其中進行，從而將人們從煩雜的烹飪?nèi)蝿?wù)中解脫出來，輕松便捷地獲得有著專業(yè)廚藝水平的健康美食2。1.1.3 課題的目的隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，物質(zhì)生活越來越成為人們關(guān)注的對象。吃是人們賴以生存的條件，關(guān)系到人的生命的延續(xù)，是物質(zhì)生活的第一需求。吃的水平高低，標(biāo)志著一個國家，一個民族的生活水平、社會物質(zhì)生產(chǎn)、科學(xué)文化進步的程度。中國烹飪歷經(jīng)幾千年，前輩廚師的生產(chǎn)實踐，積累了很多寶貴的經(jīng)驗本課題的主要目的在于研制一種自動烹飪機，它能夠自動控制烹調(diào)火候，在烹調(diào)技法所要求的火候時機以烹調(diào)技法所要求的方式進行物料投放、翻動和盛出等烹調(diào)基本操作，自動完成烹調(diào)全過程并能自動實現(xiàn)多種基本烹調(diào)技法主要是中式基本烹調(diào)技法。1.1.4 課題意義人們要很好的生活、工作、勞動，就必須有健康的身體。一個人的體質(zhì)好壞與飲食有著密切的關(guān)系。人類進入高度文明的今天，人們不但要吃得飽而且要吃得好。否則，很可能會出現(xiàn)“后天失調(diào)”的現(xiàn)象。要吃得好，飯菜的品種必須多樣化，富有營養(yǎng)，清潔衛(wèi)生，而且在色、香、味、形上給人以美的感受。因此就需要懂得點烹調(diào)知識以掌握科學(xué)的制作技術(shù)。中國菜肴烹飪的歷史源遠流長，制作十分講究，風(fēng)味也譽滿天下。但對絕大多數(shù)人來說，居家做飯尤其是炒菜卻是件很麻煩的事，而且要做好就更為不易。在現(xiàn)代社會生活中，一方面，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、生活的提高以及工作的需要，幾乎不再允許人們把過多的時間和精力用在做飯上，加上社會專業(yè)分工越來越細，大部分人發(fā)現(xiàn)除了自己所從事的工作外，對烹調(diào)的技巧越來越陌生，也不可能有充足的時間和持久的熱情進行繁瑣的烹調(diào)工作；另一方面，人們對吃的要求越來越高，希望在家里也能吃到通常在酒店里才能吃到的美味佳肴。因此傳統(tǒng)且繁瑣的菜肴烹飪方式無疑已在相當(dāng)程度上限制了人們追求快節(jié)奏、高品質(zhì)生活的愿望。近年來，受“洋快餐”的啟迪，為減輕人們做飯的負擔(dān)市場上雖也相繼推出一些經(jīng)過配制的半成品菜肴出售，但由于食用者將其買回家后還需要再行炒作加工，既沒能使人們的做飯負擔(dān)問題得到以根本緩解，也難以使配制的半成品菜肴最終形成標(biāo)準化和工業(yè)化的商品。從某種意義上講，設(shè)計一種全自動控制烹飪機來制作美味可口的菜肴，既減少勞動強度，又節(jié)約時間，提高效率，將人們從炒菜的過程中解脫出來。因此，此課題的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，食品工業(yè)逐漸發(fā)展成為一個很大的產(chǎn)業(yè)，為人們提供先進的自動化食品機械。目前世界上還沒有一種實用的能完成中式菜肴制作的自動烹調(diào)設(shè)備問世，無論在家庭和飯店，中式菜肴的烹制都主要靠人工來完成，用自動烹調(diào)設(shè)備烹制中式菜肴還基本上是空白。市場上炒菜機大多功能少、自動化程度不夠高。出現(xiàn)這類現(xiàn)象的主要原因是設(shè)計者缺乏對烹飪技術(shù)和烹飪工藝全面而深刻的掌握以及現(xiàn)有的技術(shù)還不足以克服自動烹飪的關(guān)鍵問題或難點。目前，以西餐為主的國家已經(jīng)有很多食品自動生產(chǎn)機械，如皮薩餅、奶酪、漢堡、薯條、沙拉、雞塊、肉排等自動生產(chǎn)線。在國內(nèi)，電磁爐，微波爐，光波爐，電飯煲，電烤箱等烹飪輔助器件在人們?nèi)粘Ｉ钪卸己艹Ｒ?-7。但這些工具，均不具備智能炒菜功能，在現(xiàn)有技術(shù)中，廚房里使用的各種機器僅能代替人的部分工作，大量的烹飪工作仍需要人們手工完成。查閱了國內(nèi)大量的專利，下面是市面上現(xiàn)有的一些炒菜機，大致分為三類。1)簡單攪拌型該類產(chǎn)品采取工具攪拌的方式加工菜肴，鍋具不動或很少運動。通過改進普通工具的形狀或運動方式，采用機器人技術(shù)，控制調(diào)節(jié)機器手各關(guān)節(jié)的運動，使其能完成類似于人工炒菜的動作，例如聚攏，擠壓等。這類設(shè)備的鍋具基本上都做成桶狀，能夠進行簡單地旋轉(zhuǎn)晃動從而使菜在鍋里旋轉(zhuǎn)翻滾。雖然它們在工具運動上做了改進，能夠炒制某類菜肴，但是鍋具動作過于簡單，采用旋轉(zhuǎn)攪拌只能炒制塊狀小顆粒且不易破碎的菜肴。圖1-1所示單頭偏心攪拌炒鍋，電機帶動工具在鍋內(nèi)旋轉(zhuǎn)，工具采用偏心固定在曲柄上，曲柄轉(zhuǎn)動時實現(xiàn)對鍋內(nèi)物料的攪伴。圖1-2中工具的軸向與其旋轉(zhuǎn)方向成一定角度，從而在轉(zhuǎn)動的過程中達到偏心的效果，利用工具在公轉(zhuǎn)的同時自轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生對鍋內(nèi)物料的攪拌。圖1-3所示多頭偏心攪拌炒鍋采用蒸汽加熱，具有四只攪拌頭對物料進行更充分、更均勻的攪拌，無需人工炒制，鍋體可以傾斜，方便出入料，還可以根據(jù)客戶需要配制溫度傳感器對加熱溫度和加熱狀態(tài)進行全過程監(jiān)控。圖1-4是多頭燃氣攪拌炒鍋，該產(chǎn)品采用天然氣、液化氣或管道煤氣等燃氣加熱，利用四只攪拌頭在鍋內(nèi)自由伸縮，對物料進行充分、均勻的攪拌，無需人工參與，鍋體可傾，出入物料方便。根據(jù)需求還可配制智能的溫度傳感器進行全過程跟蹤監(jiān)控，及時調(diào)整，全程均具有自動報警安全提示程序。圖1-5是攪拌導(dǎo)熱油炒鍋，該產(chǎn)品采用雙層加熱，利用燃氣燃燒加熱夾層中的油料，通過熱油間接加熱鍋內(nèi)加工的物料，通過智能控制加熱溫度，使加熱物料均勻受熱。該機帶有自動攪拌裝置，增強炒制效果，鍋體可作95傾斜倒鍋以減少人工勞動，提高工作效率。圖1-6是一種對食品、藥物等實現(xiàn)加熱、翻炒、拌和、鏟動、和鏟出等多功能操作的機械裝置，可以用于自動炒菜機中對菜肴進行多種加工操作。它使用部分球面狀的鍋和從球心輻射出的兩個鏟臂，只需在電機帶動下通過控制單根主軸的正反向旋轉(zhuǎn)和通過控制剎閘片拉桿拉出和壓下的位置，即可實現(xiàn)兩個鏟臂轉(zhuǎn)換翻炒加工工具和完成各加工動作，可較容易地實現(xiàn)加工食品時進行從進料翻炒到出料洗刷鍋底所需的多功能操作。2)鍋具晃動型該類產(chǎn)品采取鍋具動作來達到翻動菜肴。通過改進普通鍋具并在其上加運動機構(gòu)，使其能完成類似于人工炒菜的動作，如顛鍋，晃鍋等。它與前面不同的是加入了自動控制系統(tǒng)，晃鍋、加料、火控和出菜等動作都由控制系統(tǒng)實現(xiàn)，大大減少了人工操作。雖然這些產(chǎn)品加入了智能控制，但是在鍋具動作上比較簡單，而且少了炒菜中最靈活的部件工具的參與。圖1-7所示自動晃鍋機，其工作臺內(nèi)的軸承座支架通過軸承和傾斜的主軸與鍋體連接，鍋體下部夾層內(nèi)裝有加熱電阻絲，且鍋體的底部由波浪片構(gòu)成，鍋體的底部有出菜口，鍋體上部有相對固定的自動配料板，自動配料板的下部有主料容器和輔料容器。由于主、輔原料的添加和鍋體的轉(zhuǎn)動由程序控制，鍋體傾斜安裝，鍋中主、輔原料及加工菜肴被鍋底波浪片翻動，使菜肴混合均勻受熱24。圖1-8所示炒菜機由轉(zhuǎn)鍋及驅(qū)動系統(tǒng)，電磁單元及冷卻系統(tǒng)，電腦控制系統(tǒng)和支架組成，功能是：控制面板上顯示炒菜機的狀態(tài)，有操作菜單供選擇，菜單能提示操作員適時加入原料、調(diào)料、輔料，在菜單控制下，電磁單元按預(yù)定的功率、溫度、時間給特定的原料加熱，轉(zhuǎn)鍋以旋轉(zhuǎn)方向、速度及傾斜角度使特定原料充分攪拌入味。圖1-9所示全自動炒菜機，通過多個定時電路，控制開關(guān)火力、炒菜、加佐料及加菜的每個電機，定時加料、開關(guān)火，更換不同的電路插板即可炒不同的菜。具有自動點火、自加水、自動配油、自動配鹽、自動配醬油、自動配味精、自動配蠔油、自動配生粉、自動下主菜、自動下配菜、自動關(guān)火、自動盛出、自動洗鍋、自動關(guān)機等功能。3)復(fù)雜工具攪拌型該類產(chǎn)品主要是采用特殊形狀的工具來攪拌菜肴，鍋具不動或運動很少。根據(jù)不同的炒菜要求設(shè)計不同的工具形狀，使其能攪勻鍋內(nèi)物料。此外，還加入了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，在工具動作、加料及時間控制上都實現(xiàn)了程序化。這些產(chǎn)品雖然能夠?qū)崿F(xiàn)部分菜肴的炒制，但是缺少了鍋具的配合，其翻動菜肴的效果不好，而且工具的動作也很單調(diào)，無法實現(xiàn)大眾化的炒菜。圖1-10是臥式真空蒸汽攪拌炒鍋，本產(chǎn)品是在真空狀態(tài)下對物料進行加工處理，能最大限度保持食品的原色原味加熱，以防止細菌進入發(fā)生老化，調(diào)味料易于入味，使食物富含有風(fēng)味和保持良好外觀。設(shè)備帶有溫度計和傳感器易于檢測鍋內(nèi)食品加工狀態(tài)，食物在真空低溫條件下，可以消除產(chǎn)品的過熱情況，確保食品品質(zhì)。鍋體可傾斜，攪拌混合均勻，采用無級電磁調(diào)速，操作簡便、安全。圖1-11所示炒菜機包含箱體，在箱體的一側(cè)設(shè)計有門，在箱體內(nèi)腔的下部安裝有發(fā)熱裝置，在該發(fā)熱裝置上安裝有鍋，攪拌器的軸伸入鍋內(nèi)，攪拌器的軸通過減速機構(gòu)與電動機連接。圖1-12是一種機械化炒菜機。該機由一套加料機構(gòu)，移動翻轉(zhuǎn)炒鍋、翻炒機、刷鍋機、火力控制機構(gòu)組成。其中，移動翻轉(zhuǎn)炒鍋支撐在輪架上，可以翻轉(zhuǎn)并在機架移動，鍋在機架中部炒熟菜肴后，移動到機架前部翻轉(zhuǎn)倒出菜肴，再移動到機架后部刷鍋，然后翻轉(zhuǎn)回直立位置并移動回機架中部，重新加料炒下一道菜。翻炒機通過錐齒輪傳動機構(gòu)帶動翻炒勺做球面螺旋運動，對鍋中的菜料進行翻炒。刷鍋機由動力驅(qū)動，刷子架及其上的刷毛的輪廓與炒鍋內(nèi)表面的軸截面母線形狀相同，實現(xiàn)自動刷鍋?；鹆刂茩C構(gòu)由燃氣灶進氣管路上并聯(lián)的通徑大小不同的兩個電磁控制閥組成，打開不同的電磁控制閥，燃氣流量不同以改變火力大小。以上列舉了國內(nèi)現(xiàn)有的一些烹飪設(shè)備，從每類產(chǎn)品的簡介中不難看出國內(nèi)現(xiàn)有的烹飪設(shè)備或多或少具有一定的自動炒菜功能，可以完成某些簡單的功能，加工簡單的菜肴。第一類產(chǎn)品純粹采用工具攪拌的方式，會對物料的外形產(chǎn)生破壞，而且將鍋具罩起來防止物料飛濺的設(shè)計對被加工菜肴的種類也有很大限制；第二類產(chǎn)品在普通的鍋具上加運動機構(gòu)，使鍋具能完成簡單的運動，但這些動作對于實現(xiàn)中式菜肴復(fù)雜的操作手法和完成自動烹飪的功能還是遠遠不夠的。第三類是在第一類基礎(chǔ)上所做的改進，采用特殊形狀的工具攪拌。就其特點和功能可以歸納如表1-1所示。從上述比較可以看出，這三類烹飪設(shè)備所能完成的炒菜種類都很少，制作效果不好，只能面向食堂里面的大鍋炒制，食物烹調(diào)起來太過粗糙，不能達到較高的品味，與本課題所要求的目標(biāo)有很大出入。本課題所要研究的自動完成烹調(diào)中式菜肴功能的自動炒菜設(shè)備必須有以下幾個特點： 設(shè)備小型化，服務(wù)于家庭，實現(xiàn)從送料到出菜的全自動化，炒菜過程中盡量減少人為動作；炒菜機設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單化，動作擬人化，能基本完成廚師烹制時的動作，在色、香、味等方面達到大師的風(fēng)格；充分采用現(xiàn)有的先進技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜的炒菜動作； 操作簡單、安全，具有人性化。1.3 研究內(nèi)容本文主要從以下幾個方面的研究：1) 結(jié)合炒菜工藝和基本要求對炒菜動作進行了分解，構(gòu)思實現(xiàn)這些動作的機構(gòu)并組合為復(fù)合機構(gòu)，分析每一種機構(gòu)的優(yōu)缺點并選擇一種理想的方案；2) 對方案進行優(yōu)化，完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計并加工出試驗樣機；3) 采用模塊化的編程方式，對樣機進行編程實現(xiàn)自動控制。將每一種炒菜動作封裝為單個模塊,便于上層應(yīng)用程序的調(diào)用。 2 炒菜機工具設(shè)計2.1 工具設(shè)計的要求和技術(shù)指標(biāo)本論文中所提到的工具均指炒菜機鏟子及其相關(guān)機構(gòu)的總稱。工具是炒菜機的重要部件之一，它的形狀和動作對于烹飪的效果有重要影響。并且對應(yīng)不同的菜肴，可能選用不同的工具形狀和工具運動軌跡。工具設(shè)計的核心是能夠?qū)崿F(xiàn)菜肴的攪勻和翻面。烹飪中，工具的運動比較復(fù)雜，下面是針對本課題所提出的工具應(yīng)實現(xiàn)的具體運動和要求：(1) 工具傾軋運動(如圖21所示) 在炒制團狀物料時，需要工具對團狀的物料作傾軋運動，目的是使物料受到擠壓而分散。要求：工具傾軋運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。(2) 工具劃散動作(如圖22所示) 在炒菜的過程中，物料可能聚集在鍋的底部，為了讓其均勻受熱，需要工具作從鍋中心向周邊的往復(fù)劃開運動，目的是對物料進行分散。要求：工具劃散運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。(3) 工具聚攏動作(如圖23所示) 在炒菜的過程中，物料可能分散在離鍋底很遠的部位，為了讓其充分加熱，需要工具作向鍋中心的撥動運動，目的是使物料向鍋中心聚攏。要求：工具聚攏運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。 2.2 工具運動實現(xiàn)方案2.2.1 工具運動方案一根據(jù)對廚師操縱工具的觀察和工具動作的目的分析，將工具的動作分為三個運動：翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和升降。如圖2-4所示。由電機驅(qū)動錐齒輪實現(xiàn)工具鏟臂的擺動，最下端的兩個鏟臂可以伸開或縮攏，達到翻轉(zhuǎn)物料的目的；翻轉(zhuǎn)機構(gòu)固定在一根旋轉(zhuǎn)軸上，由電機驅(qū)動實現(xiàn)其周向旋轉(zhuǎn)；整個機構(gòu)通過一對齒輪齒條實現(xiàn)升降運動。三個動作相互配合按照一定的要求運動，可以在空間范圍內(nèi)實現(xiàn)很復(fù)雜的軌跡。同時還能讓工具具有很好的運動學(xué)特性。為了使工具動作時不與鍋具內(nèi)壁發(fā)生較大碰撞，要求三個電機有位移反饋環(huán)節(jié)，通過三者的協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)對鏟頭部運動軌跡的控制該方案能夠很好地滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)簡單，每個動作所選用的機構(gòu)都是常用機構(gòu)，單個運動實現(xiàn)比較容易。但是總體機構(gòu)精度低、剛度低、傳動鏈長，負載能力差。特別是旋轉(zhuǎn)運動和翻轉(zhuǎn)運動，其動力元件及輔助元件都要隨著工具一起運動，增加了機構(gòu)的負載，加大了后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難。此外，簡單的結(jié)構(gòu)對應(yīng)著復(fù)雜的運動學(xué),特別是正向運動學(xué)求解尤其復(fù)雜,導(dǎo)致控制的難度加大且會降低控制的實時性。2.2.2 工具運動方案二將工具的運動分解為平面運動和圓周運動。連桿機構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛的機構(gòu)。從各相關(guān)文獻可以看到，平面四桿機構(gòu)中連桿上點的軌跡非?；钴S，在機構(gòu)尺寸不變而連桿上點的位置變化時，軌跡多種多樣，若再增加桿件或是改變桿件尺寸，會使最后輸出點的軌跡非常豐富。圖2-5是一平面七桿機構(gòu)，AHD桿作為機架，F(xiàn)點的軌跡千變?nèi)f化。圖2-6是某一尺寸下繪出的F點軌跡。在炒菜機工具設(shè)計時結(jié)合炒菜要求，選擇合理的軌跡，能實現(xiàn)工具在鍋內(nèi)翻動菜肴的目的。圓周運動采用棘輪機構(gòu)，將七桿機構(gòu)的機架AHD固定在棘輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸上，由電機帶動使固定在F點的工具沿鍋具圓周方向作間歇式旋轉(zhuǎn)從不同方向“推、攏、攪”動物料。在鍋內(nèi)轉(zhuǎn)動一周，達到對所有物料的翻動。該方案有如下優(yōu)點：機構(gòu)實現(xiàn)方便，在平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的桿件進而得到新的機構(gòu)，其動力源只需要兩個；F點的軌跡千變?nèi)f化，每根桿件尺寸的改變都會得到不同的軌跡，通過優(yōu)化設(shè)計可以得到合理的結(jié)果；控制簡單，很容易實現(xiàn)炒菜動作。該方案有一個缺點，為了能讓工具更多地接觸鍋底，鍋具不能使用普通鍋，必須專門制造，增加了制造成本。2.2.3 工具運動方案選擇上述兩種方案都能得到復(fù)雜的工具軌跡，且軌跡都具有很好的運性，到炒菜機的設(shè)計要求，但它們在精度、剛度及實現(xiàn)難易度等方面有著很大的別，具體比較見表21。鑒于上述兩種方案的比較，可以看出方案二明顯優(yōu)于方案一，因此，本論文選擇方案二作為研究方向。2.3 方案優(yōu)化2.3.1 運動軌跡優(yōu)化對上述方案二的平面運動機構(gòu)利用Solidworks建模如圖2-7所示。AHD桿為機架，與圓周運動的轉(zhuǎn)動軸固結(jié)在一起，AB桿作為主動件。鏟具連接在F點并可以繞F點轉(zhuǎn)動，具有一定的剛性和柔性。這里主要考慮到鏟具在運動過程中可能與鍋具發(fā)生碰撞。由于工具運動中，鍋具是不動的，所以將工具做成具有柔性就可以避免與鍋發(fā)生剛性碰撞。此外，工具要翻動物料和打散物料，又必須有一定的剛性。為了能兼顧兩方面的問題，將鏟具用一定彈性的彈簧連接在桿件EF和GF上，較好地解決了工具在運動過程中遇到的問題。圖2-8上半部分是鏟具頂點的運動軌跡，不同與圖2-6的是加入鍋具作為對照，可以更明顯地看到工具在鍋內(nèi)的運動情況。該軌跡的下半邊緊貼鍋底，能較好地翻動和傾軋物料。圖2-8下半部分是用Solidworks中的COSMOSmotion插件計算出的該軌跡對應(yīng)的水平方向的速度，設(shè)定條件是AB桿勻速圓周轉(zhuǎn)動，運動頻率是1Hz，向右方向為正方向。從該圖上可以看出工具向右運動的時間（速度為正的時間段）僅占整個運動時間的40%左右，很大一部分時間浪費在回程，即工具的有效工作時間段太短。此外，該軌跡還有一個缺點，當(dāng)鍋具翻轉(zhuǎn)傾倒物料或是具平移的時候，工具為了避讓，必須增加一個升降運動機構(gòu)，加大了方案設(shè)計的復(fù)雜程度。為此，要對軌跡進行優(yōu)化，找到一種合適的方案，能讓軌跡的最高點超過鍋邊并具有急回特性。軌跡優(yōu)化設(shè)計的目的是提高機構(gòu)合理性，滿足設(shè)計要求，降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化問題都是通過圖解法，其特點是求解簡單、直觀，但是精確度不高。隨著計算機的出現(xiàn)及其性能的提高，利用計算機進行機構(gòu)的仿真與設(shè)已成為一種重要手段。三維仿真軟件Solidworks在這方面做的很成熟，可以進行機構(gòu)的軌跡、速度、加速度分析。但是在軌跡優(yōu)化時，每次改變參數(shù)之后，都要重新建模分析，然后才輸出結(jié)果，這樣加大了工作量，增大了設(shè)計周期。為此，提出一種設(shè)計方法，其思想是針對某種特定機構(gòu)，專門建立數(shù)學(xué)模型，編制仿真程序，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)的某些參數(shù)，快速地顯示改變后的結(jié)果，然后根據(jù)要求合理地優(yōu)化參數(shù)，節(jié)省設(shè)計時間26。平面連桿機構(gòu)作為重要的基本機構(gòu),可以實現(xiàn)特定的輸入輸出函數(shù)關(guān)系,形成某一段特定曲線或通過某一系列設(shè)定的點等。因此,在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中連桿構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。對工具軌跡的優(yōu)化，本論文采用現(xiàn)有的成熟方法迭代設(shè)計,它是一個信息處理及反饋過程。如果運動規(guī)律能很好地滿足設(shè)計任務(wù),那么設(shè)計過程自動結(jié)束;否則,要更改某些設(shè)計變量(如尺寸),以便設(shè)計結(jié)果更好地接近設(shè)計任務(wù)。優(yōu)化處理過程一般要重復(fù)進行,這種設(shè)計很大程度上依賴于設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗,尤其在機構(gòu)的初始狀態(tài)的選擇上27。圖2-9是F點軌跡優(yōu)化設(shè)計過程圖。在圖2-7所示機構(gòu)中，ABCD是一個以AHD為機架、BC為連桿的平面曲柄搖桿機構(gòu)，E是連桿上的點，G是曲柄上的點，F(xiàn)點可以看作是曲柄和連桿的一個交點，整個機構(gòu)看成是平面四桿機構(gòu)的一個拓展。分析完該機構(gòu)之后為其所有可調(diào)參數(shù)（包括桿件長度和相關(guān)夾角）綁定變量并賦以初值。然后由己知條件將B、G點坐標(biāo)時間參數(shù)化，寫出其運動一周內(nèi)任一點的坐標(biāo)公式，參考平面四桿機構(gòu)計算公式求解E點坐標(biāo)。當(dāng)E、G坐標(biāo)已知時，由EF和GF桿長可以得到F點的坐標(biāo)。最后利用MFC編制程序輸出F點軌跡圖，設(shè)計人員憑借設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計要求來確定該軌跡圖是否滿意，如果不滿意，則到參數(shù)可調(diào)區(qū)去重新設(shè)定各參數(shù)值，再一次計算F點坐標(biāo)并輸出軌跡，依此循環(huán)，直到軌跡達到設(shè)計要求。圖2-10是用MFC編制的F點軌跡優(yōu)化程序界面。在參數(shù)可調(diào)區(qū)內(nèi)，為每一個變量關(guān)聯(lián)一個控件，憑借經(jīng)驗選擇E點處于連桿的中垂線上，F(xiàn)點處于E點和G點的中垂線上，曲柄AB和AG通過角度來限定兩者的位置關(guān)系。在圖形輸出區(qū)內(nèi)，粗線表示F點軌跡，細線表示普通鍋具的截面圖，加入了鍋具對照可以清楚地看出兩者之間的位置關(guān)系，給設(shè)計者一個非常直觀的對比，方便用戶判斷該情況下的軌跡是否合適。程序中的每一個變量都可以通過調(diào)節(jié)控制條位置來改變其數(shù)值，當(dāng)接收到新數(shù)值時，程序首先判斷該組數(shù)據(jù)是否滿足平面曲柄搖桿機構(gòu)尺寸關(guān)系以及其它尺寸約束關(guān)系，如果不行則提示用戶重新選擇，否則就將對應(yīng)的軌跡圖快速地顯示在圖形輸出區(qū)內(nèi)。設(shè)計者參照設(shè)計要求不斷地改變參數(shù)以得到滿意的軌跡。如圖所示的一組參數(shù)得到的F點軌跡其下半部分緊貼鍋底，從鍋具的中間位置下鏟，運動到最前端，能很好地翻動或打散菜肴，由于下鏟位置比軌跡最前端的位置要高，所以菜肴不會分散于鍋內(nèi)四周，在工具轉(zhuǎn)動一周后，菜肴主要集中在鍋底附近，如果再加上鍋具平面晃動，就能很好地保證菜肴集中在鍋底，反過來運動也可以劃散分開菜肴。分析該機構(gòu)，它還具有急回特性，工具可以快速地回到初始位置，大大地增加了工具的有效工作時間，提高工作效率。此外，軌跡最高點高出鍋邊，讓工具停留在最高點時，鍋具翻倒或晃動，就不會出現(xiàn)運動干涉的情況，從而省去了工具的一個升降運動裝置。對上述優(yōu)化所得到的結(jié)果在三維軟件Solidworks里進行建模仿真。利用其插件COSMOSmotion作運動分析，把AHD設(shè)為不動件，其它均為運動件，運動定義界面里設(shè)定AB桿繞Z軸轉(zhuǎn)動，運動模式設(shè)為位移，作用欄內(nèi)定義桿件在一秒內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動一周，模擬得F點的軌跡。優(yōu)化所得的軌跡與用成熟三維軟件Solidworks分析所得結(jié)果一致，說明該優(yōu)化程序的模型建立是正確的，達到其預(yù)期目的。在工具的設(shè)計中，其軌跡的合理性最重要，而對速度和加速度也有一定的要求，當(dāng)利用優(yōu)化程序得到合適的軌跡之后，再利用三維軟件模擬仿真，輸出其速度和加速度特征參數(shù)。進一步憑借經(jīng)驗和設(shè)計要求去判斷該參數(shù)是否滿意。如果不行，則返回到軌跡優(yōu)化程序中去調(diào)節(jié)參數(shù)，依此循環(huán)，直到在軌跡、速度和加速度均滿足要求為止。2.3.2 運動學(xué)參數(shù)分析利用COSMOSmotion作運動分析，得到其在XY平面內(nèi)的軌跡。為了更準確地描述工具的運動，可以用圖表的形式把軌跡在某個方向上的投影展示出來圖2-12是工具軌跡相對于其初始位置的X方向上位移，最大位移為111mm，最小位移為-141mm，其在X 方向上的總位移為252mm，略大于常用鍋具的半200mm，滿足設(shè)計要求。圖2-13是工具軌跡相對于其初始位置的Y方向上的位移，最大位移為11mm,最小位移為-106mm，其在Y方向上的總位移為117mm，略大于常用鍋具的深度110mm，工具在運動過程中的某些位置高于鍋邊，達到了省略工具升降機構(gòu)的目的。另外，從X方向的位移圖上可以看出，工具到最右端回最左端的時刻是從0.3s到0.5s，總用時約0.2s，說明機構(gòu)具有急回特性，大大增加了其有效工作時間，提高工作效率。速度也是工具運動中一個非常重要的參數(shù)。它的大小直接決定炒菜的質(zhì)量，過小的速度會使翻動菜肴很慢，增加工具翻炒時間，使得菜肴在鍋內(nèi)的加熱時間過長，出現(xiàn)過火現(xiàn)象，影響菜肴的味道；過大的速度會在翻動菜肴的過程中將菜肴、油水或菜汁拋出，對環(huán)境和人生安全都有嚴重的影響，這是在炒菜過程中決對不允許出現(xiàn)的。因此，選定合適的炒菜速度是優(yōu)化過程中的另一個重要內(nèi)容。圖2-14、2-15、2-16分別畫出了工具在X方向上的速度、Y方向上的速度以及合成的速度標(biāo)量。從這三個圖中也可以看出工在工作時間內(nèi)運動相對平穩(wěn)，而在回程內(nèi)有較快的速度，充分驗證了機構(gòu)的急回特性。如果速度不滿足設(shè)計要求，可以通過適量地增加或減少運動頻率來達到設(shè)計要求，本例中選擇f=1Hz。加速度是工具運動中另一個重要的參數(shù)，它直接決定工具運動速度的變化，加速度過大會增加機構(gòu)的振動，加速度過小則增加了攪伴和打散物料的時間。圖2-17、2-18、2-19分別畫出了工具在X方向上的加速度、Y方向上的加速度以及合成的加速度標(biāo)量。從圖中可以看出，在工具工作期間內(nèi)加速度相對穩(wěn)定，而在回程中加速度很大。選擇合適的運動頻率同樣可以控制加速度的大小，使之滿足設(shè)計要求。本例中f=1Hz。工具運動包括平面擺動和周向轉(zhuǎn)動，利用上述方法優(yōu)化完工具擺動機構(gòu)之后，接下來考慮轉(zhuǎn)動機構(gòu)。在前面所提的方案中采用棘輪機構(gòu)來實現(xiàn)其分度，考慮到采用程序控制步進電機也能很好地達到設(shè)計要求，控制相對簡單，而且還能保證轉(zhuǎn)動精度，對機構(gòu)的設(shè)計是一個很大的簡化，唯一的缺點是用步進電機取代普通電機，增加了設(shè)計成本。綜合兩種方案的優(yōu)缺點，本設(shè)計選用步進電機實現(xiàn)。2.4 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計2.4.1 工具結(jié)構(gòu)布局結(jié)構(gòu)設(shè)計是把產(chǎn)品從構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實過程中重要的一步，它除了要保證產(chǎn)品的功能之外，還要考慮到節(jié)約材料、減少成本、整體美觀、結(jié)構(gòu)可靠28。圖2-20是工具機構(gòu)簡圖。整個機構(gòu)固定在板件2上，步進電機3通過大小齒輪1和14帶動工具做圓周轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)分度功能。擺動機構(gòu)固定在轉(zhuǎn)動軸12上，步進電機9由小齒輪8帶動大齒輪（相當(dāng)于件AB）來傳遞動力。圖2-20 優(yōu)化后工具機構(gòu)簡圖(隱藏桿AG、GF) 1轉(zhuǎn)動小齒輪；2工具固定板；3轉(zhuǎn)動電機；4擺動大齒輪；5擺動大齒輪轉(zhuǎn)動軸；6三角板BCE；7桿件EF；8擺動小齒輪；9擺動電機；10桿件CD；11擺動機架；12轉(zhuǎn)動機構(gòu)軸；13滾動軸承；14轉(zhuǎn)動大齒輪2.4.2 工具總體結(jié)構(gòu)將設(shè)計好的零部件和標(biāo)準件利用Solidworks建模、裝配，得到其總體結(jié)構(gòu)見圖2-21。工具安裝在最下端的工具板上，并與兩長桿用彈簧連接，擺動電機安裝在擺動小齒輪的背面，帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，其控制錢通過連接軸的中心孔引到機架，從而避免了在工具轉(zhuǎn)動過程中控制線和零件發(fā)生干涉。對建模后的整個裝配產(chǎn)品，運用Solidworks分析檢查是否會發(fā)生零件干涉的情況，如果有，則返回到零件設(shè)計階段去改進，然后再重新建模分析，直到達到設(shè)計要求。利用這種方法可以提前發(fā)現(xiàn)問題，減少開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用，該方法在整個設(shè)計階段具有重要的現(xiàn)實意義。2.4.3 主要零部件設(shè)計1) 電機的選擇電機的選擇要充分滿足機構(gòu)運動的最大扭矩，對于步進電機，還要考慮步距角、步距精度和相數(shù)等參數(shù)。工具的運動包括擺動和轉(zhuǎn)動，它們各自所需要的力在炒菜的不同階段均不一樣，其大小用一般的仿真軟件或公式不可能精確計算得到，只有通過實驗才能確定其分布范圍。在產(chǎn)品設(shè)計階段，設(shè)計者只能憑借經(jīng)驗和估計來大致計算工具運動所需要的最大力矩，并以此為根據(jù)選擇能夠滿足要求的步進電機。對于轉(zhuǎn)動過程中所需力矩估算如下：M mgr FR = + 。其中：是滾動軸承的摩擦系數(shù)，一般很小，取0.005；m為擺動機構(gòu)的總質(zhì)量，所用材料均為不銹鋼，估計30 kg；r為滾動軸承的轉(zhuǎn)動半徑，取40mm；F是工具翻動菜肴時的阻力，取最大估計值10N；R為轉(zhuǎn)動時工具頂端到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，取100mm。代入計算得M=1.6 . Nm。大小齒輪的傳動比為4：1，所以需要轉(zhuǎn)動電機的力矩為0.4 . Nm。如果再考慮到機械運動過程中的摩擦以及由于加工精度帶來的機械問題等因素，轉(zhuǎn)動電機的力矩應(yīng)大于1 . Nm。在擺動過程中，工具要翻動或打散物料，取其阻力最大值為10N，在不考慮重力和摩擦的情況下，利用機械原理求得主動件AB桿所需的力矩為6 . Nm。大小齒輪的傳動比為4：1，所以需要擺動電機的力矩為1.5 . Nm。如果考慮到重力及桿件間摩擦等因素，擺動電機所需要的力距應(yīng)大于3 . Nm。表2-2是選用的步進電機參數(shù)。為了便于采購，將兩個電機選用同一型號86HS45，其保持轉(zhuǎn)矩為4.5 . Nm。2) 小連桿(AG) 圖2-22是小連桿的結(jié)構(gòu)圖。AG與AB繞同一根軸轉(zhuǎn)動，二者之間的夾角為一固定值。小連桿與旋轉(zhuǎn)軸靠螺紋連接，在其側(cè)面開了一個深度略大于半徑的薄槽，當(dāng)調(diào)整好小連桿的對齊位置后，通過緊擰鎖緊螺釘來擠壓小連桿的兩半壓片并使之變形，從而使軸的螺紋與小連桿的螺紋緊緊地擠壓在一起，達到限制二者相動轉(zhuǎn)動的作用。在左邊主視圖中，下面的兩個圓孔與豎直線的夾角均為36.，用來安裝與長桿GF相連的銷釘。安放不同位置可以改變AG桿的桿長。3) 連接軸連接軸是連接整個擺動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，它在轉(zhuǎn)動電機的帶動下實現(xiàn)分度功能。圖2-23是連接軸的結(jié)構(gòu)圖，該軸的左端部分聯(lián)接轉(zhuǎn)動大齒輪，二者過盈配合，靠鍵來帶動其周向轉(zhuǎn)動；右端的螺紋軸用來連接整個擺動機構(gòu)，靠鎖緊螺母加定位銷來限定其周向轉(zhuǎn)動。此外，軸的中間開一通孔，用來布置擺動電機的控制線。4) 齒輪在轉(zhuǎn)動和擺動過程中都要使用齒輪來減速以避免電機工作在底速狀態(tài)下。其主要參數(shù)如下：模數(shù)： 2 m= ；齒數(shù)：125 z = ；2100 z = ；壓力角：a=20精度等級8級5) 其它零件以上介紹了幾個主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于整個工具的運動還需要其他輔助零件的支持。軸承、鍵和螺釘?shù)葮?biāo)準件可以根據(jù)各自所要承受的最大載荷及設(shè)計要求查機械設(shè)計手冊得到，其它非標(biāo)準件的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來確定，此外，還要考慮到本產(chǎn)品只是處于實驗設(shè)計階段，一些零部件的尺寸最好具有互換性和可調(diào)性29。2.5 工具炒菜實驗把加工好的零部件組裝為試驗樣機，其外觀如圖2-24所示。工具的轉(zhuǎn)動部分封裝在箱體內(nèi)部，其擺動部分圍繞連接軸轉(zhuǎn)動，鏟子采用雙面鏟，其優(yōu)點是正擺和反擺過程中均能對物料進行推動。本樣機主要是對工具進行炒菜實驗，所以鍋具采用固定式，在工具動作的時候，鍋具沒有產(chǎn)生與之相配合的動作，此外，該實驗也沒有火控單元、加料單元等輔助機構(gòu)的參與，其相應(yīng)動作由廚師人工完成。2004年12月下旬在揚州大學(xué)烹飪學(xué)院進行炒菜實驗?，F(xiàn)場的加料、出料和火控等由廚師完成，工具動作由實驗人員完成，他們在廚師的指點下，向PLc發(fā)送控制命令，進而控制設(shè)備動作。菜肴的炒制時間由廚師憑借經(jīng)驗和現(xiàn)場炒制情況來確定。圖2-25和圖2-26分別是用本論文所設(shè)計的工具炒制出來的青椒肉絲和豆腐，經(jīng)過廚師的鑒定，效果很好。在炒制青椒肉絲的過程中，通過工具的劃散將成團的肉絲分散為單個的肉絲，驗證了工具具有劃散的功能；加入了辣椒絲和勾芡之后，通過工作的動作將物料充分拌勻而不會粘在一起，驗證了工具具有聚攏和攪勻的功能。在炒制豆腐的過程中，工具可以將成團的豆腐打散但又不至于將成塊的豆腐塊攪爛，充分驗證了該試驗樣機具有良好的炒菜特性。通過炒菜實驗看出該試驗樣機具有炒制基本菜肴的功能，實現(xiàn)了本論文對工具設(shè)計所提出的要求和技術(shù)指標(biāo)。在炒制菜肴的過程中，除了輔助單元要實現(xiàn)的動作由廚師手動完成外，其它動作均由炒菜機工具動作獨立完成。對于某些復(fù)雜菜肴的炒制，可以在整個炒菜機設(shè)計完之后，加入鍋具配合來實現(xiàn)。所以，從炒菜效果和炒菜種類方面考慮該設(shè)計是成功的。此外，工具試驗樣機的實驗結(jié)果對后續(xù)鍋具的設(shè)計具有重要的參考價值。但是，該試驗樣機還存在著不少問題，比如機器運轉(zhuǎn)時有一定的振動和噪聲，擺動頻率和轉(zhuǎn)動頻率越大，機器振動的幅度和噪聲就越大，機械運動不夠靈活對炒菜肴效果有一定的影響。在后續(xù)試驗樣機改進中，通過改變某些零件的材料或提高某些零部件的加工精度等方法會逐步解決這些問題，設(shè)計出令人滿意的炒菜機。3 炒菜機鍋具設(shè)計3.1 鍋具設(shè)計的基本要求鍋具承擔(dān)著裝載食材、佐料等元素，并將熱量均勻或者局部傳入這些元素。它除了具有晃、顛、翻等基本動作之外，還要根據(jù)所用食譜和食材的不同完成某些特殊動作。炒菜時有些菜需要用冷油，有些需要用熱油，有些用小火，有些用中火或者大火，有些需要局部高溫，有些又必須使鍋全熱，因此，鍋具的運動方向、速度、加速度等特性直接影響著菜肴制作的質(zhì)量。在烹飪過程中，鍋具的運動比較復(fù)雜，下面是針對本課題所要設(shè)計的鍋具應(yīng)實現(xiàn)的具體運動要求：1) 晃鍋運動 晃鍋運動為直線(弧線)擺動，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：晃鍋運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。(2) 旋鍋運動 旋鍋運動為鍋在鍋口平面內(nèi)作圓周平動，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：旋鍋運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。(3) 翻鍋運動 翻鍋運動為鍋前后擺動與上拋的復(fù)合運動，目的是使鍋內(nèi)物料在鍋內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動。要求：翻鍋運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作，其加速度滿足物料能在鍋內(nèi)翻動。(4) 鍋具傾倒運動) 滿足空油、出料所需的傾倒運動，目的是傾倒出鍋內(nèi)的物料。3.2 鍋具運動實現(xiàn)方案3.2.1 鍋具運動方案一采用并聯(lián)機構(gòu)30-37。過控制三個滑塊的往復(fù)運動來實現(xiàn)晃鍋、顛鍋、翻鍋和傾倒等動作。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、傳動鏈短、精度高、成本低和負載能力強等優(yōu)點。但是簡單的結(jié)構(gòu)對應(yīng)著復(fù)雜的運動學(xué),特別是正向運動學(xué)求解尤其復(fù)雜,導(dǎo)致控制的難度加大且會降低控制的實時性。并聯(lián)機構(gòu)有時無法求出封閉解,有時只得用迭代法求其數(shù)值解。迭代法有兩個缺點:迭代次數(shù)無法預(yù)知,計算所需的時間也無法預(yù)知,計算量過于龐大;迭代法有時根本得不到正確的解。因此迭代法不能用于調(diào)整、實時性和控制要求很高的工程中。3.2.2 鍋具運動方案二將鍋具所要求的三個運動分開實現(xiàn)，然后再組合38。圖36是一平面曲柄搖桿機構(gòu)，利用其連桿上點的活躍性，可以用來實現(xiàn)平面晃鍋動作；圖37是一空間凸輪機構(gòu)，兩板之間靠萬向聯(lián)軸器聯(lián)接，鍋具放在上支撐板上，當(dāng)凸輪座轉(zhuǎn)動時，鍋具在空間范圍內(nèi)晃動；圖38是一顛鍋機構(gòu)，鍋具的把柄和搖塊焊接在一起，當(dāng)右邊曲柄轉(zhuǎn)動時，帶動鍋具上下顛簸。采用這三種機構(gòu)可以分別實現(xiàn)鍋具的三個動作。炒菜過程中，鍋具既有平面晃動，又有上下顛動，如果將三種機構(gòu)進行組合，就能夠達到設(shè)計要求。把凸輪機構(gòu)中的凸輪座連接在四桿機構(gòu)的連桿上，顛鍋機構(gòu)的底座固定在凸輪機構(gòu)的上支撐板上，這樣組合的機構(gòu)通過程序控制可以很好地實現(xiàn)鍋的平面、空間晃動和上下顛動。鍋具在運動過程中為了能使物料翻動，必須有一定的加速度。所以對于鍋具的設(shè)計，其機構(gòu)的加速度特性顯得尤為重要。圖3-9是用Solidworks模擬平面四桿機構(gòu)所得其連桿上某點的加速度特性，圖3-10是模擬顛鍋機構(gòu)所得其把柄頂端的加速度特性，各桿的尺寸單位為mm，設(shè)定曲柄的轉(zhuǎn)動頻率均為1Hz，從圖中可以看出，曲柄轉(zhuǎn)動的過程中，其最大加速度超過g。該方案能夠很好地實現(xiàn)鍋具的三種動作，達到設(shè)計要求，控制簡單。但是復(fù)合機構(gòu)復(fù)雜，精度低，剛度低、傳動鏈長，特別是凸輪機構(gòu)和顛鍋機構(gòu)，其動力原件及輔助原件都要隨著鍋具一起運動，增加了機構(gòu)的負載，加大了后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的困難。3.2.3 鍋具運動方案三受上述方案二的啟發(fā)，平面四桿機構(gòu)可以提供滿足設(shè)計要求的加速度特性，利用曲柄滑塊機構(gòu)很好地實現(xiàn)了晃鍋運動和顛鍋運動，因此，我們設(shè)想一種機構(gòu)把兩種情況綜合起來。圖3-11所示的機構(gòu)，鍋具實現(xiàn)水平方向的晃動，其軌跡在水平面內(nèi)是一個橢圓；鍋具實現(xiàn)豎直方向的顛動，其軌跡在垂直面內(nèi)是一個橢圓。在整個炒菜過程中，鍋具的運動是復(fù)合運動，既有晃鍋，又有顛鍋。把上述兩種機構(gòu)組合起來就可以滿足要求。設(shè)計一種連接部件如圖3-13所示。套固定在鍋柄上，銷嵌在套中，曲柄連接在銷上。當(dāng)曲柄在豎直平面轉(zhuǎn)動時，曲柄帶動銷、套、鍋柄運動，實現(xiàn)顛鍋運動；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到水平位置時，轉(zhuǎn)動連接曲柄的支撐板，使銷沿著套轉(zhuǎn)到右圖所示的曲柄水平位置。這時曲柄轉(zhuǎn)動，便帶動鍋具作水平面內(nèi)的晃動。當(dāng)曲柄處于豎直平面內(nèi)的最點端時，曲柄和鍋柄卡在一起，轉(zhuǎn)動連接曲柄的支撐板帶著銷和鍋柄轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)倒鍋的功能。該方案使用一個機構(gòu)實現(xiàn)顛鍋、晃鍋、倒鍋等絕大部分鍋具動作，且控制簡單，通過調(diào)節(jié)曲柄的轉(zhuǎn)速和長度改變鍋具晃動的幅度，實現(xiàn)小翻、大翻等動作。但是由于鍋具運動所產(chǎn)生的沖擊較大，而該結(jié)構(gòu)所采用單邊支撐的方式，整個機構(gòu)的平穩(wěn)性會受到很大影響。此外，鍋具運動的沖擊給套簡設(shè)計帶來一定的困難。3.2.4 鍋具運動方案選擇上述三個方案所得到的鍋具運動均具有很好的運動學(xué)特性，能夠達到設(shè)計自動炒菜機的要求，但它們在精度、剛度及實現(xiàn)難易度等方面有著很大的差別，具體比較見表31。鑒于上述三種方案的比較結(jié)果，可以看出方案三明顯優(yōu)于方案一和方案二，因此，本論文選用方案三作為研究方向。3.3 方案優(yōu)化前面提到，在鍋具的設(shè)計中，加速度的確定是最重要的，太大的加速度會使物料晃出鍋外，從環(huán)境和安全方面考慮是絕對不允許的；太小的加速度又無法使物料在鍋內(nèi)晃動。曲柄滑塊機構(gòu)能夠產(chǎn)生一定的加速度，其大小隨著曲柄尺寸和轉(zhuǎn)動頻率的變化而變化39。對于平面晃鍋，為了能讓物料在鍋內(nèi)運動，則2 mr>mg 1即物料與鍋具的摩擦力無法提供物料的向心加速度。式中取0.2，r為物料的旋轉(zhuǎn)半徑，由于鍋具晃動的軌跡是一近似橢圓，所以r 不是固定值，這里按鍋具中心點計算，代表一般情況。鍋具在晃動的過程中，軌跡橢圓長、短軸的位置是物料最容易晃動的地方。圖3-14反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長度之間的關(guān)系。取L1=170，L2=450，則由圖中可以得到：221 1 2121112.65 1 rLr r rLLL= = 長 （11 rL<< ）； 21rr=短； 3wrwLr1短11 ； 1wrwr長 4初選r1=30mm，在橢圓長軸處代入公式1得：12rg wrL >=5.4rad/s；在橢圓短軸處代入公式1得：11121Lr gwrLr>+=9.4rad/s；上述分析可以看出，只要w5.4rad/s就有能實現(xiàn)鍋內(nèi)的物料晃動。而且角速度越大，其晃動越劇烈，對于翻動物料越有利，但是，過大的加速度又會使物料飛出鍋外，因此必須限定曲柄轉(zhuǎn)動的最大角速度。對物料受力分析如圖3-15所示。水平方向上： 2sin cos mw r N f <+豎直方向上： cos sin Nfmg = +f N =由上述三個公式可以推出：2 sin coscos sinwr g +<取30，=0.2。在橢圓長軸處，將公式2 、3 、4 代入得：w11.2rad/s 在橢圓短軸處，將公式2 、3 、4 代入得：w19.2rad/s 為了避免物料飛出，則應(yīng)取w的最小值，即w11.2rad/s。綜上所述，取w2,即鍋具的晃動頻率為1Hz，動力曲柄的長度為30mm，鍋柄長450mm，中間支點到曲柄轉(zhuǎn)動軸長為170mm。顛鍋運動同樣需要一定的加速度，只有機構(gòu)所提供的最大加速度大于g才能使物料在鍋內(nèi)運動。由于在平晃優(yōu)化過程中，機構(gòu)各桿尺寸參數(shù)已經(jīng)確定，所以只能通過改變曲柄轉(zhuǎn)動頻率來改變加速度的大小。在軌跡橢圓短軸處：222212211 ()wr LgLr awrwr >= = KKK短 ；代入1r=30mm，1 L=170mm，2 L450mm，得: 22 / wrads > ；在軌跡橢圓長軸處：2222122wr Lgrawrwr > = KKK長 ；代入1r=30mm，2 L450mm， 1 2.65r r= 得：12.5 / wrads > ；取w4，即鍋具顛動頻率為2Hz。把上述優(yōu)化后的結(jié)果，在Solidworks里建模，利用其插件COSMOSmotion作運動分析，得到鍋具的運動學(xué)特性。圖3-16是鍋具運動的軌跡圖，它近似一個橢圓，晃鍋運動和顛鍋運動的軌跡是一樣的，只是所在平面不同而已。圖3-17是平晃在X方向上位移，最大值與最小值的差恰好等于曲柄長的兩倍長，反映了鍋具在X方向上的移動范圍；圖3-18是平晃在Y方向上位移，最大值與最小值的差是橢圓長軸的大小，反映了鍋具在Y方向上的移動范圍。圖3-19和圖3-20分別反映了鍋具平晃過程中在X方向和Y方向上的加速度，為了能讓物料在鍋內(nèi)動起來，要求有 2 ma umg a ug >>=，從圖中看出加速度大于22/ ms的位置點很多。此外，物料不能飛出鍋外，則 29.6 / ams < ，在橢圓長軸處產(chǎn)生最大的加速度9.452/ ms，所以鍋具晃動頻率選定1Hz能夠滿足要求。圖3-21和圖3-22分別反映了顛鍋過程中在Z方向的加速度和總的加速度，為了能讓物料在鍋內(nèi)顛動起來，則要ag> ，從圖中可以看出加速度大于9.82/ ms的位置點很多。所以選擇顛鍋頻率為2Hz能夠滿足要求。3.4 鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4.1 鍋具動力傳動分析整個鍋具運動的動力來源于同一個電機，通過齒輪箱傳遞給每一種執(zhí)行機構(gòu)，靠三個電磁離合器的離、合來達到功能的分解，如圖3-23所示。聯(lián)結(jié)在軸三上的電磁離合器一工作時，電機帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動，完成晃鍋和顛鍋動作；聯(lián)結(jié)在軸五上的電磁離合器二工作時，電機帶動軸七轉(zhuǎn)動，完成鍋具平晃和顛動動作切換；聯(lián)結(jié)在軸六上的電磁離合器三工作時，固定在軸六上的齒輪和齒條嚙合，達到整個機構(gòu)移動。a) 晃鍋和顛鍋圖3-24是晃鍋和顛鍋動作的傳動簡圖，把空間三維機構(gòu)在一個平面上展開，更直觀地表達出傳動關(guān)系。當(dāng)電磁離合器一上電工作時，軸三帶動軸四轉(zhuǎn)動，通過兩對皮帶輪將動力傳送到軸九上，換向齒輪箱僅改變動力轉(zhuǎn)動方向，最后由軸十將動力輸出，帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動。圖中沿虛線以下的部分，均固定在軸七上，同時軸七又作為切換機構(gòu)的一個實現(xiàn)機構(gòu)?？偟膫鬟f比為：b) 切換動作圖3-25是切換機構(gòu)傳遞簡圖。此時電磁離合器一不工作，軸三上的齒輪與軸三靠軸承連接，所以軸三不再轉(zhuǎn)動，鍋具也就不再晃動或顛動，安裝在軸三上的齒輪帶動軸五上的齒輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)電磁離合器二上電時，使軸五和安裝在其上的大齒輪一起轉(zhuǎn)動，進而通過軸五上的小齒輪帶動軸七轉(zhuǎn)動90,使將軸七做為支撐板的部分（圖3-24中虛線以下的部分）均轉(zhuǎn)動90，達到切換晃鍋和顛鍋的目的。其傳遞比：253713232 46 42 826.218 26 46 38 5zzz zizz zz= = 大大小小c) 整體移動圖3-26是整體移動傳遞簡圖。此時電磁離合器一和電磁離合器二均不工作，軸三和軸五均不轉(zhuǎn)動，鍋具和切換機構(gòu)均不動作。當(dāng)電磁離合器三上電時，電機工作，軸六右邊的齒輪和離合器連在一起帶動軸六轉(zhuǎn)動，安裝在軸六左邊的齒輪和固定在基架上的齒條嚙合，整個齒輪箱就可以在軌道上前后滑動，方便出菜和上料等工序。其傳動比為: 2 3613232 46 563.8318 26 46z zz izz z = 大小3.4.2 鍋具設(shè)計結(jié)構(gòu)布局簡圖結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要保證產(chǎn)品的功能之外，還要考慮到節(jié)約材料、減少成本、整體美觀、結(jié)構(gòu)可靠40。在鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從節(jié)省動力源件和安裝位置方面考慮，采用齒輪箱傳送動力比較合適。由于其傳動比較復(fù)雜，用二維簡圖很難表達清楚，因此我們采用Solidworks三維建模，如圖3-27和圖3-28所示。圖3-27是隱藏了齒輪箱體看到的其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖，在軸三、軸五和軸六上分別裝有電磁離合器，各軸轉(zhuǎn)動動力靠齒輪或皮帶輪傳遞。整個工作過程中，電機功能的分解是由離合器的離、合來決定的，不同的離合器工作，實現(xiàn)不同的功能。圖3-28是從側(cè)面看到的齒輪箱結(jié)構(gòu)簡圖。齒輪箱體隱藏了電機動力傳送路徑，工作時鍋具和鍋具把柄連接在一塊，一起繞前面的支點(圖中沒有畫)轉(zhuǎn)動。軸十是換向齒輪箱的輸出軸，它帶動曲柄盤轉(zhuǎn)動，是鍋具晃動和顛動的動力源。軸七是改變鍋具運動狀態(tài)的重要部件，通過套筒的巧妙結(jié)構(gòu)切換平面晃動和顛鍋運動。軸六的轉(zhuǎn)動會讓其上的齒輪和安裝在齒輪箱下面的齒條嚙合，達到整個機構(gòu)運動的目的，方便出菜和上料等工序。3.4.3 主要零部件設(shè)計1) 電機的選擇電機的選擇要充分滿足鍋具運動所需要的最大扭矩，在步進電機的選擇中，還要考慮步距角、步距精度和相數(shù)等參數(shù)。鍋具在運動過程中所需要的力矩估算如下：M Fr = 。設(shè)鍋具及其內(nèi)的物料總重5kg，當(dāng)曲柄勻速運動時，它所受到鍋具最大的反作用力是在曲柄轉(zhuǎn)動到最右端位置處，max21LFmgL= ，所以21max max 3.97LNmLMFrmgr= = ，如果再考慮鍋具把柄的重量和曲柄滑塊運動過程中的摩擦力，取 5 M Nm =。齒輪箱的傳動過程中存在著力矩放大和克服摩擦分耗力矩兩種情況。從前面的分析中可以看出，三種運動其傳動比最小的為3.15，此時共有六對齒輪或帶輪嚙合，九付軸承參與運動，為了克服這些運動部件之間摩擦力，必須要選擇足夠大力矩的電機。由于從理論分析上無得到電機所用力矩的精確值，所以我們只能估計所需電機力矩的范圍，這里取能提供大于10Nm 的電機。表3-2是選用的步進電機參數(shù)，型號為110HS20，其保持轉(zhuǎn)矩為20 . Nm。2) 箱體圖3-29是齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡圖，反映了七根軸在齒輪箱上的擺放位置及相互尺寸關(guān)系。該箱體寬200mm，壁 厚20mm，采用鑄造的方式加工，經(jīng)回火處理后再鉆螺釘孔來安裝軸承蓋。3) 齒輪該齒輪箱共有齒輪11個，分別安裝在軸一（電機軸）到軸七上，其主要特征參數(shù)如下(未標(biāo)注均指對所有的齒輪)：模數(shù)： 2.5 m= ；齒數(shù)：118 z = ；232 z大 ；226 z =小 ；346 z =大 ；336 z小 ；436 z = ；542 z =大 ；538 z??；656 z = （兩付）；782 z = ；壓力角：a=20；精度等級8級4) 其它零件上面介紹了幾個主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于整個鍋具的運動還需要其他輔助零件的支持。軸承、鍵和螺釘?shù)葮?biāo)準件可以根據(jù)各自所要承受的最大載荷及設(shè)計要求查機械設(shè)計手冊得到，其它非標(biāo)準件的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來確定，此外，還要考慮到本產(chǎn)品還只是處于實驗設(shè)計階段，一些零部件的尺寸最好具有互換性和可調(diào)性。3.5 本章小結(jié)本章詳細分析了三種鍋具實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點，選定最佳方案對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要做了以下幾個方面的工作：1）對構(gòu)思的三種實現(xiàn)方案進行分析、比較，確定可行性方案；2）建立數(shù)學(xué)模型，計算機構(gòu)所能提供的加速度，篩選合適的結(jié)果，接著在Solidworks下建模、仿真并輸出其位移、速度等參數(shù)，進一步判斷是否滿足設(shè)計要求；3）對優(yōu)化后的機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到各零件的結(jié)構(gòu)圖，然后在Solidworks下建模，分析，檢查是否有干涉、碰撞等問題。4 控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計要求自動炒菜是工具模塊、鍋具模塊、火控單元、加料單元等所有運動部件相互協(xié)調(diào)、相互配合的結(jié)果?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于自動炒菜機的神經(jīng)中樞，它指使每一個部件在特定時間內(nèi)完成特定的動作，而且彼此間不能發(fā)生干涉。系統(tǒng)設(shè)計的好壞是炒菜機自動化程度水平的直接體現(xiàn)。下面是本課題的控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的具體要求：具有先進的控制功能和良好的可操作性能，提供手動和全自動兩種工作模式；手動模式炒菜時，系統(tǒng)具有記錄每一步動作參數(shù)(頻率、幅度、時間等)并保存為制菜文件(菜單)的功能，方便炒菜過程再現(xiàn)；自動模式下，具有用戶點菜的功能，系統(tǒng)根據(jù)用戶選定的菜單自動復(fù)現(xiàn)該種菜的制作過程；提供計算機監(jiān)控能力，即時將標(biāo)準的菜肴文件格式進行圖像化的顯示，方便使用人員對整個炒菜過程系統(tǒng)地操作；具有遠程操作功能，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制；良好的安全性，可靠性，可維護性，可擴展性；4.2 炒菜機控制系統(tǒng)設(shè)計4.2.1 炒菜機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖自動炒菜機采用PC機和PLC聯(lián)合控制，整個控制關(guān)系如圖4-1所示。PC機應(yīng)用于用戶層，將示教系統(tǒng)返回的炒菜參數(shù)以一定的格式保存為菜單文件并進行處理，同時將該炒菜參數(shù)傳送給PLC，使之驅(qū)動炒菜機構(gòu)，完成炒菜動作。采用這種設(shè)計方法的好處有：示教系統(tǒng)和炒菜系統(tǒng)分開，只要定義好兩者的接口，就可以分開設(shè)計，具有優(yōu)良的軟件設(shè)計風(fēng)格；不需要在每一臺炒菜機上都裝上示教系統(tǒng)，大多數(shù)用戶只用在PC機上選擇不同的菜單就可以達到炒不同菜肴的目的；PC機可以遠離控制現(xiàn)場，起到保護用戶和相關(guān)設(shè)備的作用PC機提供了一整套菜肴管理與定制的控制模塊。首先，它與視教儀接口函數(shù)進行實時的數(shù)據(jù)傳輸，將視教儀傳輸過來的數(shù)據(jù)按照一定標(biāo)準格式進行編碼（制定一套標(biāo)