炒菜機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

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1、摘 要 目前，食品工業(yè)逐漸發(fā)展成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。本文以提高烹飪自動(dòng)化水平為目標(biāo)設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)炒菜機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)炒菜和遠(yuǎn)程控制炒菜，模擬名廚制作出美味可口的菜肴。論文對(duì)炒菜機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案和設(shè)計(jì)過(guò)程做了深入的分析，重點(diǎn)研究了炒菜機(jī)工具及鍋具兩關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與控制等問(wèn)題。 在研究當(dāng)前國(guó)內(nèi)外炒菜設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，提出自動(dòng)炒菜機(jī)的技術(shù)要求。結(jié)合炒菜工藝將人工炒菜動(dòng)作進(jìn)行分解并研究實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，對(duì)每一種機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析比較，確定合理的實(shí)現(xiàn)方案。針對(duì)選定的設(shè)計(jì)方案建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。開發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可視化仿真程序，通過(guò)改變機(jī)構(gòu)相關(guān)特征參數(shù)，分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，根據(jù)分析結(jié)

2、果優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用Solidworks軟件，對(duì)方案進(jìn)行建模、仿真，得到其位移、速度、加速度等動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化篩選，為試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。采用模塊化的編程思想，設(shè)計(jì)炒菜機(jī)控制程序。將每一種炒菜動(dòng)作封裝為單個(gè)模塊，便于PC機(jī)和PLC聯(lián)合控制。重點(diǎn)研究了基于模塊化思想的炒菜機(jī)控制程序的開發(fā)問(wèn)題。 1 緒論 1.1 課題概述 1.1.1 課題來(lái)源 應(yīng)深圳繁興科技有限公司委托，研制能夠自動(dòng)烹調(diào)部分中式菜肴，達(dá)到中式烹調(diào)技法要求的自動(dòng)炒菜機(jī)。 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，

3、達(dá)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(dòng)人民在長(zhǎng)期的生活實(shí)踐過(guò)程中，細(xì)心觀察、不斷總結(jié)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使中國(guó)烹飪?cè)谠系倪x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(guó)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(yíng)養(yǎng)、衛(wèi)生、富有風(fēng)味特色和品種多樣的食品。實(shí)現(xiàn)這—過(guò)程的一個(gè)重要條件是烹飪器具及相關(guān)設(shè)備。智能烹飪機(jī)能夠?qū)N房這個(gè)“大容器” 中的廚事操作活動(dòng)全部濃縮在其中進(jìn)行，從而將人們從煩雜的烹飪?nèi)蝿?wù)中解脫出來(lái)，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(jì)的發(fā)展、社會(huì)的

4、進(jìn)步，物質(zhì)生活越來(lái)越成為人們關(guān)注的對(duì)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(gè)國(guó)家，一個(gè)民族的生活水平、社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)、科學(xué)文化進(jìn)步的程度。中國(guó)烹飪歷經(jīng)幾千年，前輩廚師的生產(chǎn)實(shí)踐，積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn) 本課題的主要目的在于研制一種自動(dòng)烹飪機(jī)，它能夠自動(dòng)控制烹調(diào)火候，在烹調(diào)技法所要求的火候時(shí)機(jī)以烹調(diào)技法所要求的方式進(jìn)行物料投放、翻動(dòng)和盛出等烹調(diào)基本操作，自動(dòng)完成烹調(diào)全過(guò)程并能自動(dòng)實(shí)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(dòng)，就必須有健康的身體。一個(gè)人的體質(zhì)好壞與飲食有著密切的關(guān)系。

5、人類進(jìn)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(huì)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(yíng)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(diǎn)烹調(diào)知識(shí)以掌握科學(xué)的制作技術(shù)。中國(guó)菜肴烹飪的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，制作十分講究，風(fēng)味也譽(yù)滿天下。但對(duì)絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，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(huì)生活中，一方面，隨著經(jīng)濟(jì)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(guò)多的時(shí)間和精力用在做飯上，加上社會(huì)專業(yè)分工越來(lái)越細(xì)，大部分人發(fā)現(xiàn)除了自己所從事的工作外，對(duì)烹調(diào)的技巧越來(lái)越陌生，也不可能有充足的時(shí)間和持久的熱情進(jìn)行

6、繁瑣的烹調(diào)工作；另一方面，人們對(duì)吃的要求越來(lái)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(wú)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(lái)，受“洋快餐”的啟迪，為減輕人們做飯的負(fù)擔(dān)市場(chǎng)上雖也相繼推出一些經(jīng)過(guò)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(méi)能使人們的做飯負(fù)擔(dān)問(wèn)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(zhǔn)化和工業(yè)化的商品。 從某種意義上講，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)控制烹飪機(jī)來(lái)制作美味可口的菜肴，既減少勞動(dòng)強(qiáng)度，又節(jié)約時(shí)間，提高效率，將人們從炒菜的過(guò)程中解脫出來(lái)。因此，此課題的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義

7、。 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 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(gè)很大的產(chǎn)業(yè)，為人們提供先進(jìn)的自動(dòng)化食品機(jī)械。目前世界上還沒(méi)有一種實(shí)用的能完成中式菜肴制作的自動(dòng)烹調(diào)設(shè)備問(wèn)世，無(wú)論在家庭和飯店，中式菜肴的烹制都主要靠人工來(lái)完成，用自動(dòng)烹調(diào)設(shè)備烹制中式菜肴還基本上是空白。市場(chǎng)上炒菜機(jī)大多功能少、自動(dòng)化程度不夠高。出現(xiàn)這類現(xiàn)象的主要原因是設(shè)計(jì)者缺乏對(duì)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(dòng)烹飪的關(guān)鍵問(wèn)題或難點(diǎn)。 目前，以西餐為主的國(guó)家已經(jīng)有很多食品自動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，如皮薩餅、奶酪、漢堡、薯?xiàng)l、沙拉、雞塊、肉排等自動(dòng)生產(chǎn)線。在國(guó)內(nèi)，電磁爐，微波爐，

8、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?jiàn)[4-7]。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(jī)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(guó)內(nèi)大量的專利，下面是市面上現(xiàn)有的一些炒菜機(jī)，大致分為三類。 1)簡(jiǎn)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(dòng)或很少運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改進(jìn)普通工具的形狀或運(yùn)動(dòng)方式，采用機(jī)器人技術(shù)，控制調(diào)節(jié)機(jī)器手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，使其能完成類似于人工炒菜的動(dòng)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(jìn)行簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)晃動(dòng)從而使菜在鍋里旋轉(zhuǎn)翻滾。雖然它們?cè)诠ぞ哌\(yùn)動(dòng)上做了改進(jìn)，能夠炒制某類菜肴，但是鍋

9、具動(dòng)作過(guò)于簡(jiǎn)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(jī)帶動(dòng)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(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)的過(guò)程中達(dá)到偏心的效果，利用工具在公轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生對(duì)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(duì)物料進(jìn)行更充分、更均勻的攪拌，無(wú)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(duì)加熱溫度和加熱狀態(tài)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。圖1-4是多頭燃?xì)鈹嚢璩村?，該產(chǎn)品采用天然氣、液化氣或管道煤氣等燃?xì)饧訜?，利用四只攪拌頭在鍋內(nèi)自由伸

10、縮，對(duì)物料進(jìn)行充分、均勻的攪拌，無(wú)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(jìn)行全過(guò)程跟蹤監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整，全程均具有自動(dòng)報(bào)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?xì)馊紵訜釆A層中的油料，通過(guò)熱油間接加熱鍋內(nèi)加工的物料，通過(guò)智能控制加熱溫度，使加熱物料均勻受熱。該機(jī)帶有自動(dòng)攪拌裝置，增強(qiáng)炒制效果，鍋體可作95傾斜倒鍋以減少人工勞動(dòng)，提高工作效率。圖1-6是一種對(duì)食品、藥物等實(shí)現(xiàn)加熱、翻炒、拌和、鏟動(dòng)、和鏟出等多功能操作的機(jī)械裝置，可以用于自動(dòng)炒菜機(jī)中對(duì)菜肴進(jìn)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(gè)鏟臂，只需在電機(jī)帶動(dòng)下通過(guò)控制

11、單根主軸的正反向旋轉(zhuǎn)和通過(guò)控制剎閘片拉桿拉出和壓下的位置，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鏟臂轉(zhuǎn)換翻炒加工工具和完成各加工動(dòng)作，可較容易地實(shí)現(xiàn)加工食品時(shí)進(jìn)行從進(jìn)料翻炒到出料洗刷鍋底所需的多功能操作。 2)鍋具晃動(dòng)型 該類產(chǎn)品采取鍋具動(dòng)作來(lái)達(dá)到翻動(dòng)菜肴。通過(guò)改進(jìn)普通鍋具并在其上加運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其能完成類似于人工炒菜的動(dòng)作，如顛鍋，晃鍋等。它與前面不同 的是加入了自動(dòng)控制系統(tǒng)，晃鍋、加料、火控和出菜等動(dòng)作都由控制系統(tǒng)實(shí)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(dòng)作上比較 簡(jiǎn)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(dòng)晃鍋機(jī)，其工作臺(tái)內(nèi)的軸承座支架通過(guò)軸承和傾斜的主

12、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(duì)固定的自動(dòng)配料板，自動(dòng)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(dòng)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(dòng)，使菜肴混合均勻受熱[24]。圖1-8所示炒菜機(jī)由轉(zhuǎn)鍋及驅(qū)動(dòng)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(jī)的狀態(tài)，有操作菜單供選擇，菜單能提示操作員適時(shí)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(shí)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?jǐn)嚢枞胛?。圖1-9所示全自動(dòng)

13、炒菜機(jī)，通過(guò)多個(gè)定時(shí)電路，控制開關(guān)火力、炒菜、加佐料及加菜的每個(gè)電機(jī)，定時(shí)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(dòng)點(diǎn)火、自 加水、自動(dòng)配油、自動(dòng)配鹽、自動(dòng)配醬油、自動(dòng)配味精、自動(dòng)配蠔油、自動(dòng)配生粉、自動(dòng)下主菜、自動(dòng)下配菜、自動(dòng)關(guān)火、自動(dòng)盛出、自動(dòng)洗鍋、自動(dòng)關(guān)機(jī)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(lái)攪拌菜肴，鍋具不動(dòng)或運(yùn)動(dòng)很少。根據(jù)不同的炒菜要求設(shè)計(jì)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(dòng)作、加料及時(shí)間控制上都實(shí)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(dòng)菜肴的效果不好，而且工具

14、的動(dòng)作也很單調(diào)，無(wú)法實(shí)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(duì)物料進(jìn)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(xì)菌進(jìn)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(jì)和傳感器易于檢測(cè)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(guò)熱情況，確保食品品質(zhì)。鍋體可傾斜，攪拌混合均勻，采用無(wú)級(jí)電磁調(diào)速，操作簡(jiǎn)便、安全。圖1-11所示炒菜機(jī)包含箱體，在箱體的一側(cè)設(shè)計(jì)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(guò)減速機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)連接。圖1-12是一種機(jī)械化炒菜機(jī)。該機(jī)由一套加料機(jī)構(gòu)，

15、移動(dòng)翻轉(zhuǎn)炒鍋、翻炒機(jī)、刷鍋機(jī)、火力控制機(jī)構(gòu)組成。其中，移動(dòng)翻轉(zhuǎn)炒鍋支撐在輪架上，可以翻轉(zhuǎn)并在機(jī)架移動(dòng)，鍋在機(jī)架中部炒熟菜肴后，移動(dòng)到機(jī)架前部翻轉(zhuǎn)倒出菜肴，再移動(dòng)到機(jī)架后部刷 鍋，然后翻轉(zhuǎn)回直立位置并移動(dòng)回機(jī)架中部，重新加料炒下一道菜。翻炒機(jī)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)翻炒勺做球面螺旋運(yùn)動(dòng)，對(duì)鍋中的菜料進(jìn)行翻炒。刷鍋機(jī)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)自動(dòng)刷鍋?；鹆刂茩C(jī)構(gòu)由燃?xì)庠钸M(jìn)氣管路上并聯(lián)的通徑大小不同的兩個(gè)電磁控制閥組成，打開不同的電磁控制閥，燃?xì)饬髁坎煌愿淖兓鹆Υ笮　? 以上列舉了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些烹飪?cè)O(shè)備，從每類產(chǎn)品的簡(jiǎn)介中不難看出國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的烹飪?cè)O(shè)備

16、或多或少具有一定的自動(dòng)炒菜功能，可以完成某些簡(jiǎn)單的功能，加工簡(jiǎn)單的菜肴。第一類產(chǎn)品純粹采用工具攪拌的方式，會(huì)對(duì)物料的外形產(chǎn)生破壞，而且將鍋具罩起來(lái)防止物料飛濺的設(shè)計(jì)對(duì)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使鍋具能完成簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，但這些動(dòng)作對(duì)于實(shí)現(xiàn)中式菜肴復(fù)雜的操作手法和完成自動(dòng)烹飪的功能還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。第三類是在第一類基礎(chǔ)上所做的改進(jìn)，采用特殊形狀的工具攪拌。就其特點(diǎn)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?cè)O(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(lái)太過(guò)粗糙，不能達(dá)到較高的品味，與本課題所要求的目標(biāo)有很

17、大出入。本課題所要研究的自動(dòng)完成烹調(diào)中式菜肴功能的自動(dòng)炒菜設(shè)備必須有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 設(shè)備小型化，服務(wù)于家庭，實(shí)現(xiàn)從送料到出菜的全自動(dòng)化，炒菜過(guò)程中盡量減少人為動(dòng)作；炒菜機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，動(dòng)作擬人化，能基本完成廚師烹制時(shí)的動(dòng)作，在色、香、味等方面達(dá)到大師的風(fēng)格；充分采用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的炒菜動(dòng)作； 操作簡(jiǎn)單、安全，具有人性化。 1.3 研究?jī)?nèi)容 本文主要從以下幾個(gè)方面的研究： 1) 結(jié)合炒菜工藝和基本要求對(duì)炒菜動(dòng)作進(jìn)行了分解，構(gòu)思實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作的機(jī)構(gòu)并組合為復(fù)合機(jī)構(gòu)，分析每一種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)并選擇一種理想的方案； 2) 對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，完成其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并加工出試驗(yàn)樣機(jī)； 3)

18、 采用模塊化的編程方式，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。將每一種炒菜動(dòng)作封裝為單個(gè)模塊,便于上層應(yīng)用程序的調(diào)用。 2 炒菜機(jī)工具設(shè)計(jì) 2.1 工具設(shè)計(jì)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(jī)鏟子及其相關(guān)機(jī)構(gòu)的總稱。工具是炒菜 機(jī)的重要部件之一，它的形狀和動(dòng)作對(duì)于烹飪的效果有重要影響。并且對(duì)應(yīng)不同的菜肴，可能選用不同的工具形狀和工具運(yùn)動(dòng)軌跡。工具設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，下面是針對(duì)本課題所提出的工具應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體運(yùn)動(dòng)和要求： (1) 工具傾軋運(yùn)動(dòng)(如圖2－1所示) 在炒制團(tuán)狀物料時(shí)，需要工

19、具對(duì)團(tuán)狀的物料作傾軋運(yùn)動(dòng)，目的是使物料受到擠壓而分散。 要求：工具傾軋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。 (2) 工具劃散動(dòng)作(如圖2－2所示) 在炒菜的過(guò)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(yùn)動(dòng)，目的是對(duì)物料進(jìn)行分散。 要求：工具劃散運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。 (3) 工具聚攏動(dòng)作(如圖2－3所示) 在炒菜的過(guò)程中，物料可能分散在離鍋底很遠(yuǎn)的部位，為了讓其充分加熱，需要工具作向鍋中心的撥動(dòng)運(yùn)動(dòng)，目的是使物料向鍋中心聚攏。 要求：工具聚攏運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。 2.2 工具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案

20、 2.2.1 工具運(yùn)動(dòng)方案一 根據(jù)對(duì)廚師操縱工具的觀察和工具動(dòng)作的目的分析，將工具的動(dòng)作分為三個(gè)運(yùn)動(dòng)：翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和升降。 如圖2-4所示。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)錐齒輪實(shí)現(xiàn)工具鏟臂的擺動(dòng)，最下端的兩個(gè)鏟臂可以伸開或縮攏，達(dá)到翻轉(zhuǎn)物料的目的；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)固定在一根旋轉(zhuǎn)軸上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其周向旋轉(zhuǎn)；整個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)一對(duì)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。三個(gè)動(dòng)作相互配合按照一定的要求運(yùn)動(dòng)，可以在空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的軌跡。同時(shí)還能讓工具具有很好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。為了使工具動(dòng)作時(shí)不與鍋具內(nèi)壁發(fā)生較大碰撞，要求三個(gè)電機(jī)有位移反饋環(huán)節(jié)，通過(guò)三者的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟頭部運(yùn)動(dòng)軌跡的控制該方案能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)動(dòng)作所選

21、用的機(jī)構(gòu)都是常用機(jī)構(gòu)，單個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)比較容易。但是總體機(jī)構(gòu)精度低、剛度低、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，負(fù)載能力差。特別是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力元件及輔助元件都要隨著工具一起運(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)構(gòu)的負(fù)載，加大了后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難。此外，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué),特別是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解尤其復(fù)雜,導(dǎo)致控制的難度加大且會(huì)降低控制的實(shí)時(shí)性。 2.2.2 工具運(yùn)動(dòng)方案二 將工具的運(yùn)動(dòng)分解為平面運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用十分廣泛 的機(jī)構(gòu)。從各相關(guān)文獻(xiàn)可以看到，平面四桿機(jī)構(gòu)中連桿上點(diǎn)的軌跡非?；钴S，在機(jī)構(gòu)尺寸不變而連桿上點(diǎn)的位置變化時(shí)，軌跡多種多樣，若再增加桿件或是改變桿件尺寸，會(huì)使最后輸出點(diǎn)的軌跡非常豐富。圖2

22、-5是一平面七桿機(jī)構(gòu)，AHD桿作為機(jī)架，F(xiàn)點(diǎn)的軌跡千變?nèi)f化。圖2-6是某一尺寸下繪出的F點(diǎn)軌跡。 在炒菜機(jī)工具設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合炒菜要求，選擇合理的軌跡，能實(shí)現(xiàn)工具在鍋內(nèi)翻動(dòng)菜肴的目的。圓周運(yùn)動(dòng)采用棘輪機(jī)構(gòu)，將七桿機(jī)構(gòu)的機(jī)架AHD固定在棘輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸上，由電機(jī)帶動(dòng)使固定在F點(diǎn)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(dòng)物料。在鍋內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，達(dá)到對(duì)所有物料的翻動(dòng)。該方案有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方便，在平面四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加新的桿件進(jìn)而得到新的機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力源只需要兩個(gè)；F點(diǎn)的軌跡千變?nèi)f化，每根桿件尺寸的改變都會(huì)得到不同的軌跡，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以得到合理的結(jié)果；控制簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)炒菜動(dòng)作。該

23、方案有一個(gè)缺點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)性，到炒菜機(jī)的設(shè)計(jì)要求，但它們?cè)诰取偠燃皩?shí)現(xiàn)難易度等方面有著很大的別，具體比較見(jiàn)表2－1。 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(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化 對(duì)上述方案二的平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用Solidworks建模如圖2-7所示。AHD桿為機(jī)架，與圓周運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸固結(jié)在一起，AB桿作為主動(dòng)件。鏟具連接在F點(diǎn)并可以繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)

24、動(dòng)，具有一定的剛性和柔性。這里主要考慮到鏟具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能與鍋具發(fā)生碰撞。由于工具運(yùn)動(dòng)中，鍋具是不動(dòng)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(dòng)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(wèn)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。圖2-8上半部分是鏟具頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，不同與圖2-6的是加入鍋具作為對(duì)照，可以更明顯地看到工具在鍋內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。該軌跡的下半邊緊貼鍋底，能較好地翻動(dòng)和傾 軋物料。圖2-8下半部分是用Solidworks中的COSMOSmotion插件計(jì)算出的該軌跡對(duì)應(yīng)的水平方向的速度，設(shè)定條件是

25、AB桿勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)頻率是1Hz，向右方向?yàn)檎较?。從該圖上可以看出工具向右運(yùn)動(dòng)的時(shí)間（速度為正的時(shí)間段）僅占整個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的40%左右，很大一部分時(shí)間浪費(fèi)在回程，即工具的有效工作時(shí)間段太短。此外，該軌跡還有一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)鍋具翻轉(zhuǎn)傾倒物料或是具平移的時(shí)候，工具為了避讓，必須增加一個(gè)升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，加大了方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。為此，要對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，找到一種合適的方案，能讓軌跡的最高點(diǎn)超過(guò)鍋邊并具有急回特性。軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是提高機(jī)構(gòu)合理性，滿足設(shè)計(jì)要求，降低生產(chǎn)成本。 傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化問(wèn)題都是通過(guò)圖解法，其特點(diǎn)是求解簡(jiǎn)單、直觀，但是精確度不高。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其性能的提高，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)

26、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(jìn)行機(jī)構(gòu)的軌跡、速度、加速度分析。但是在軌跡優(yōu)化時(shí)，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(jì)周期。為此，提出一種設(shè)計(jì)方法，其思想是針對(duì)某種特定機(jī)構(gòu)，專門建立數(shù)學(xué)模型，編制仿真程序，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)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(jì)時(shí)間[26]。 平面連桿機(jī)構(gòu)作為重要的基本機(jī)構(gòu),可以實(shí)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(guò)某一系列設(shè)定的點(diǎn)等。因此,在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中連桿構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)工具軌跡的優(yōu)化，本論文采用現(xiàn)有的成

27、熟方法—迭代設(shè)計(jì),它是一個(gè)信息處理及反饋過(guò)程。如果運(yùn)動(dòng)規(guī)律能很好地滿足設(shè)計(jì)任務(wù),那么設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)結(jié)束;否則,要更改某些設(shè)計(jì)變量(如尺寸),以便設(shè)計(jì)結(jié)果更好地接近設(shè)計(jì)任務(wù)。優(yōu)化處理過(guò)程一般要重復(fù)進(jìn)行,這種設(shè)計(jì)很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),尤其在機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)的選擇上[27]。 圖2-9是F點(diǎn)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程圖。在圖2-7所示機(jī)構(gòu)中，ABCD是一個(gè)以AHD為機(jī)架、BC為連桿的平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，E是連桿上的點(diǎn)，G是曲柄上的點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)可以看作是曲柄和連桿的一個(gè)交點(diǎn)，整個(gè)機(jī)構(gòu)看成是平面四桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)拓展。分析完該機(jī)構(gòu)之后為其所有可調(diào)參數(shù)（包括桿件長(zhǎng)度和相關(guān)夾角）綁定變量并賦以初值。然后由己知條件將

28、B、G點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間參數(shù)化，寫出其運(yùn)動(dòng)一周內(nèi)任一點(diǎn)的坐標(biāo)公式，參考平面四桿機(jī)構(gòu)計(jì)算公式求解E點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)E、G坐標(biāo)已知時(shí)，由EF和GF桿長(zhǎng)可以得到F點(diǎn)的坐標(biāo)。最后利用MFC編制程序輸出F點(diǎn)軌跡圖，設(shè)計(jì)人員憑借設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求來(lái)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(jì)算F點(diǎn)坐標(biāo)并輸出軌跡，依此循環(huán)，直到軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)要求 。 圖2-10是用MFC編制的F點(diǎn)軌跡優(yōu)化程序界面。在參數(shù)可調(diào)區(qū)內(nèi)，為每一 個(gè)變量關(guān)聯(lián)一個(gè)控件，憑借經(jīng)驗(yàn)選擇E點(diǎn)處于連桿的中垂線上，F(xiàn)點(diǎn)處于E點(diǎn)和G點(diǎn)的中垂線上，曲柄AB和AG通過(guò)角度來(lái)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(diǎn)軌跡，細(xì)

29、線表示普通鍋具的截面圖，加入了鍋具對(duì)照可以清楚地看出兩者之間的位置關(guān)系，給設(shè)計(jì)者一個(gè)非常直觀的對(duì)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(gè)變量都可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制條位置來(lái)改變其數(shù)值，當(dāng)接收到新數(shù)值時(shí)，程序首先判斷該組數(shù)據(jù)是否滿足平面曲柄搖桿機(jī)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(duì)應(yīng)的軌跡圖快速地顯示在圖形輸出區(qū)內(nèi)。設(shè)計(jì)者參照設(shè)計(jì)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(diǎn)軌跡其下半部分緊貼鍋底，從鍋具的中間位置下鏟，運(yùn)動(dòng)到最前端，能很好地翻動(dòng)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(huì)分散于鍋內(nèi)四周，在工具轉(zhuǎn)動(dòng)一周后

30、，菜肴主要集中在鍋底附近，如果再加上鍋具平面晃動(dòng)，就能很好地保證菜肴集中在鍋底，反過(guò)來(lái)運(yùn)動(dòng)也可以劃散分開菜肴。分析該機(jī)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(shí)間，提高工作效率。此外，軌跡最高點(diǎn)高出鍋邊，讓工具停留在最高點(diǎn)時(shí)，鍋具翻倒或晃動(dòng)，就不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉的情況，從而省去了工具的一個(gè)升降運(yùn)動(dòng)裝置。對(duì)上述優(yōu)化所得到的結(jié)果在三維軟件Solidworks里進(jìn)行建模仿真。利用其插件COSMOSmotion作運(yùn)動(dòng)分析，把AHD設(shè)為不動(dòng)件，其它均為運(yùn)動(dòng)件，運(yùn)動(dòng)定義界面里設(shè)定AB桿繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(dòng)一周，模擬得F點(diǎn)的軌跡。

31、 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(shuō)明該優(yōu)化程序的模型建立是正確的，達(dá)到其預(yù)期目的。在工具的設(shè)計(jì)中，其軌跡的合理性最重要，而對(duì)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(jìn)一步憑借經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)分析 利用COSMOSmotion作運(yùn)動(dòng)分析，得到其在XY平面內(nèi)的軌跡。為了更準(zhǔn)確地描述工具的運(yùn)動(dòng)，可以用圖表的形式把軌跡在某個(gè)方向上的投影展示出來(lái)圖2-

32、12是工具軌跡相對(duì)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(jì)要求。圖2-13是工具軌跡相對(duì)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中的某些位置高于鍋邊，達(dá)到了省略工具升降機(jī)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(shí)刻是從0.3s到0.5s，總用時(shí)約0.2s，說(shuō)明機(jī)構(gòu)具有急回特性，大大增加了其有效工作時(shí)間，提高工作效率。速度也是工具運(yùn)動(dòng)中一個(gè)非常重要的參

33、數(shù)。它的大小直接決定炒菜的質(zhì)量，過(guò)小的速度會(huì)使翻動(dòng)菜肴很慢，增加工具翻炒時(shí)間，使得菜肴在鍋內(nèi)的加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)過(guò)火現(xiàn)象，影響菜肴的味道；過(guò)大的速度會(huì)在翻動(dòng)菜肴的過(guò)程中將菜肴、油水或菜汁拋出，對(duì)環(huán)境和人生安全都有嚴(yán)重的影響，這是在炒菜過(guò)程中決對(duì)不允許出現(xiàn)的。因此，選定合適的炒菜速度是優(yōu)化過(guò)程中的另一個(gè)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(gè)圖中也可以看出工在 工作時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，而在回程內(nèi)有較快的速度，充分驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的急回特性。如果速度不滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)適量地增加或減少運(yùn)動(dòng)頻率來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本例中選

34、擇f=1Hz。加速度是工具運(yùn)動(dòng)中另一個(gè)重要的參數(shù)，它直接決定工具運(yùn)動(dòng)速度的變化，加速度過(guò)大會(huì)增加機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，加速度過(guò)小則增加了攪伴和打散物料的時(shí)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(duì)穩(wěn)定，而在回程中加速度很大。選擇合適的運(yùn)動(dòng)頻率同樣可以控制加速度的大小，使之滿足設(shè)計(jì)要求。本例中f=1Hz。工具運(yùn)動(dòng)包括平面擺動(dòng)和周向轉(zhuǎn)動(dòng)，利用上述方法優(yōu)化完工具擺動(dòng)機(jī)構(gòu)之后，接下來(lái)考慮轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在前面所提的方案中采用棘輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其分度，考慮到采用程序控制步進(jìn)電機(jī)也能很好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求，控制相對(duì)簡(jiǎn)

35、單，而且還能保證轉(zhuǎn)動(dòng)精度，對(duì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的簡(jiǎn)化，唯一的缺點(diǎn)是用步進(jìn)電機(jī)取代普通電機(jī)，增加了設(shè)計(jì)成本。綜合兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 2.4 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1 工具結(jié)構(gòu)布局 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是把產(chǎn)品從構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)過(guò)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。整個(gè)機(jī)構(gòu)固定在板件2上，步進(jìn)電機(jī)3通過(guò)大小齒輪1和14帶動(dòng)工具做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分度功能。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸12上，步進(jìn)電機(jī)9由小齒輪8帶動(dòng)大齒輪（相當(dāng)于件AB）來(lái)傳遞動(dòng)力。圖2-20 優(yōu)化后工具機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(隱藏桿AG、G

36、F) 1－轉(zhuǎn)動(dòng)小齒輪；2－工具固定板；3－轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)；4－擺動(dòng)大齒輪；5－擺動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸；6－三角板BCE；7－桿件EF；8－擺動(dòng)小齒輪；9－擺動(dòng)電機(jī)；10－桿件CD；11－擺動(dòng)機(jī)架；12－轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸；13－滾動(dòng)軸承；14－轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪 2.4.2 工具總體結(jié)構(gòu) 將設(shè)計(jì)好的零部件和標(biāo)準(zhǔn)件利用Solidworks建模、裝配，得到其總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-21。工具安裝在最下端的工具板上，并與兩長(zhǎng)桿用彈簧連接，擺動(dòng)電機(jī)安裝在擺動(dòng)小齒輪的背面，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其控制錢通過(guò)連接軸的中心孔引到機(jī)架，從而避免了在工具轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中控制線和零件發(fā)生干涉。對(duì)建模后的整個(gè)裝配產(chǎn)品，運(yùn)用Solidworks分析檢查是否會(huì)

37、發(fā)生零件干涉的情況，如果有，則返回到零件設(shè)計(jì)階段去改進(jìn)，然后再重新建模分析，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。利用這種方法可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，該方法在整個(gè)設(shè)計(jì)階段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 2.4.3 主要零部件設(shè)計(jì) 1) 電機(jī)的選擇 電機(jī)的選擇要充分滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大扭矩，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，還要考慮步距角、步距精度和相數(shù)等參數(shù)。工具的運(yùn)動(dòng)包括擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)算得到，只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能確定其分布范圍。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者只能憑借經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)來(lái)大致計(jì)算工具運(yùn)動(dòng)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(jìn)

38、電機(jī)。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需力矩估算如下：M mgr FR = + μ 。其中：μ是滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)，一般很小，取0.005；m為擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，所用材料均為不銹鋼，估計(jì)30 kg；r為滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，取40mm；F是工具翻動(dòng)菜肴時(shí)的阻力，取最大估計(jì)值10N；R為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工具頂端到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，取100mm。代入計(jì)算得M=1.6 . Nm。大小齒輪的傳動(dòng)比為4：1，所以需要轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的力矩為0.4 . Nm。如果再考慮到機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦以及由于加工精度帶來(lái)的機(jī)械問(wèn)題等因素，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的力矩應(yīng)大于1 . Nm。在擺動(dòng)過(guò)程中，工具要翻動(dòng)或打散物料，取其阻力最大值為10N，在不考慮重力和摩擦的

39、情況下，利用機(jī)械原理求得主動(dòng)件AB桿所需的力矩為6 . Nm。大小齒輪的傳動(dòng)比為4：1，所以需要擺動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)所需要的力距應(yīng)大于3 . Nm。表2-2是選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)。為了便于采購(gòu)，將兩個(gè)電機(jī)選用同一型號(hào)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(dòng)，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(gè)深度略大于半徑的薄槽，當(dāng)調(diào)整好小連桿的對(duì)齊位置后，通過(guò)緊擰鎖緊螺釘來(lái)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

40、緊地?cái)D壓在一起，達(dá)到限制二者相動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。在左邊主視圖中，下面的兩個(gè)圓孔與豎直線的夾角均為36.，用來(lái)安裝與長(zhǎng)桿GF相連的銷釘。安放不同位置可以改變AG桿的桿長(zhǎng)。 3) 連接軸 連接軸是連接整個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，它在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)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(dòng)大齒輪，二者過(guò)盈配合，靠鍵來(lái)帶動(dòng)其周向轉(zhuǎn)動(dòng)；右端的螺紋軸用來(lái)連接整個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，靠鎖緊螺母加定位銷來(lái)限定其周向轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，軸的中間開一通孔，用來(lái)布置擺動(dòng)電機(jī)的控制線。 4) 齒輪 在轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)過(guò)程中都要使用齒輪來(lái)減速以避免電機(jī)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

41、 z = ；2100 z = ；壓力角：a=20精度等級(jí)8級(jí) 5) 其它零件 以上介紹了幾個(gè)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于整個(gè)工具的運(yùn)動(dòng)還需要其他輔助零件的支持。軸承、鍵和螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)各自所要承受的最大載荷及設(shè)計(jì)要求查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到，其它非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來(lái)確定，此外，還要考慮到本產(chǎn)品只是處于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn) 把加工好的零部件組裝為試驗(yàn)樣機(jī)，其外觀如圖2-24所示。工具的轉(zhuǎn)動(dòng)部分封裝在箱體內(nèi)部，其擺動(dòng)部分圍繞連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鏟子采用雙面鏟，其優(yōu)點(diǎn)是正擺和反擺過(guò)程中均能對(duì)物料進(jìn)行推動(dòng)

42、。本樣機(jī)主要是對(duì)工具進(jìn)行炒菜實(shí)驗(yàn)，所以 鍋具采用固定式，在工具動(dòng)作的時(shí)候，鍋具沒(méi)有產(chǎn)生與之相配合的動(dòng)作，此外，該實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有火控單元、加料單元等輔助機(jī)構(gòu)的參與，其相應(yīng)動(dòng)作由廚師人工完成。 2004年12月下旬在揚(yáng)州大學(xué)烹飪學(xué)院進(jìn)行炒菜實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)的加料、出料和火控等由廚師完成，工具動(dòng)作由實(shí)驗(yàn)人員完成，他們?cè)趶N師的指點(diǎn)下，向PLc發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制設(shè)備動(dòng)作。菜肴的炒制時(shí)間由廚師憑借經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)炒制情況來(lái)確定。 圖2-25和圖2-26分別是用本論文所設(shè)計(jì)的工具炒制出來(lái)的青椒肉絲和豆腐，經(jīng)過(guò)廚師的鑒定，效果很好。在炒制青椒肉絲的過(guò)程中，通過(guò)工具的劃散將成團(tuán)的肉絲分散為單個(gè)的肉絲，驗(yàn)證了工具具

43、有劃散的功能；加入了辣椒絲和勾芡之后，通過(guò)工作的動(dòng)作將物料充分拌勻而不會(huì)粘在一起，驗(yàn)證了工具具有聚攏和攪勻的功能。在炒制豆腐的過(guò)程中，工具可以將成團(tuán)的豆腐打散但又不至于將成塊的豆腐塊攪爛，充分驗(yàn)證了該試驗(yàn)樣機(jī)具有良好的炒菜特性。通過(guò)炒菜實(shí)驗(yàn)看出該試驗(yàn)樣機(jī)具有炒制基本菜肴的功能，實(shí)現(xiàn)了本論文對(duì)工具設(shè)計(jì)所提出的要求和技術(shù)指標(biāo)。在炒制菜肴的過(guò)程中，除了輔助單元要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作由廚師手動(dòng)完成外，其它動(dòng)作均由炒菜機(jī)工具動(dòng)作獨(dú)立完成。對(duì)于某些復(fù)雜菜肴的炒制，可以在整個(gè)炒菜機(jī)設(shè)計(jì)完之后，加入鍋具配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，從炒菜效果和炒菜種類方面考慮該設(shè)計(jì)是成功的。此外，工具試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)鍋具的設(shè)計(jì)具有重要的參

44、考價(jià)值。但是，該試驗(yàn)樣機(jī)還存在著不少問(wèn)題，比如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有一定的振動(dòng)和噪聲，擺動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率越大，機(jī)器振動(dòng)的幅度和噪聲就越大，機(jī)械運(yùn)動(dòng)不夠靈活對(duì)炒菜肴效果有一定的影響。在后續(xù)試驗(yàn)樣機(jī)改進(jìn)中，通過(guò)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(huì)逐步解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)出令人滿意的炒菜機(jī)。 3 炒菜機(jī)鍋具設(shè)計(jì) 3.1 鍋具設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)作。炒菜時(shí)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

45、須使鍋全熱，因此，鍋具的運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，鍋具的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，下面是針對(duì)本課題所要設(shè)計(jì)的鍋具應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體運(yùn)動(dòng)要求： 1) 晃鍋運(yùn)動(dòng) 晃鍋運(yùn)動(dòng)為直線(弧線)擺動(dòng)，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動(dòng)，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：晃鍋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。 (2) 旋鍋運(yùn)動(dòng) 旋鍋運(yùn)動(dòng)為鍋在鍋口平面內(nèi)作圓周平動(dòng)，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動(dòng)，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：旋鍋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。 (3) 翻鍋運(yùn)動(dòng) 翻鍋運(yùn)動(dòng)為鍋前后擺動(dòng)與上拋的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，目的是使鍋內(nèi)物料在鍋內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 要

46、求：翻鍋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作，其加速度滿足物料能在鍋內(nèi)翻動(dòng)。 (4) 鍋具傾倒運(yùn)動(dòng)) 滿足空油、出料所需的傾倒運(yùn)動(dòng)，目的是傾倒出鍋內(nèi)的物料。 3.2 鍋具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案 3.2.1 鍋具運(yùn)動(dòng)方案一 采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)[30-37]。過(guò)控制三個(gè)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)晃鍋、顛鍋、翻鍋和傾倒等動(dòng)作。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、傳動(dòng)鏈短、精度高、成本低和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué),特別是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解尤其復(fù)雜,導(dǎo)致控制的難度加大且會(huì)降低控制的實(shí)時(shí)性。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有時(shí)無(wú)法求出封閉解,有時(shí)只得用迭代法求其數(shù)值解。迭代法有兩個(gè)缺點(diǎn):①迭代次數(shù)無(wú)法預(yù)知,計(jì)算所需的時(shí)間也

47、無(wú)法預(yù)知,計(jì)算量過(guò)于龐大;②迭代法有時(shí)根本得不到正確的解。因此迭代法不能用于調(diào)整、實(shí)時(shí)性和控制要求很高的工程中。 3.2.2 鍋具運(yùn)動(dòng)方案二 將鍋具所要求的三個(gè)運(yùn)動(dòng)分開實(shí)現(xiàn)，然后再組合[38]。圖3－6是一平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，利用其連桿上點(diǎn)的活躍性，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)平面晃鍋動(dòng)作；圖3－7是一空間凸輪機(jī)構(gòu)，兩板之間靠萬(wàn)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(dòng)時(shí)，鍋具在空間范圍內(nèi)晃動(dòng)；圖3－8是一顛鍋機(jī)構(gòu)，鍋具的把柄和搖塊焊接在一起，當(dāng)右邊曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)鍋具上下顛簸。采用這三種機(jī)構(gòu)可以分別實(shí)現(xiàn)鍋具的三個(gè)動(dòng)作。炒菜過(guò)程中，鍋具既有平面晃動(dòng)，又有上下顛動(dòng)，如果將三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，就能夠達(dá)到

48、設(shè)計(jì)要求。把凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪座連接在四桿機(jī)構(gòu)的連桿上，顛鍋機(jī)構(gòu)的底座固定在凸輪機(jī)構(gòu)的上支撐板上，這樣組合的機(jī)構(gòu)通過(guò)程序控制可以很好地實(shí)現(xiàn)鍋的平面、空間晃動(dòng)和上下顛動(dòng)。鍋具在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為了能使物料翻動(dòng)，必須有一定的加速度。所以對(duì)于鍋具的設(shè)計(jì)，其機(jī)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(jī)構(gòu)所得其連桿上某點(diǎn)的加速度特性，圖3-10是模擬顛鍋機(jī)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(dòng)頻率均為1Hz，從圖中可以看出，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，其最大加速度超過(guò)g。該方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)鍋具的三種動(dòng)作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，控制簡(jiǎn)單。但是復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)雜，精度低，剛度低

49、、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，特別是凸輪機(jī)構(gòu)和顛鍋機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力原件及輔助原件都要隨著鍋具一起運(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)構(gòu)的負(fù)載，加大了后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難。 3.2.3 鍋具運(yùn)動(dòng)方案三 受上述方案二的啟發(fā)，平面四桿機(jī)構(gòu)可以提供滿足設(shè)計(jì)要求的加速度特性，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了晃鍋運(yùn)動(dòng)和顛鍋運(yùn)動(dòng)，因此，我們?cè)O(shè)想一種機(jī)構(gòu)把兩種情況綜合起來(lái)。圖3-11所示的機(jī)構(gòu)，鍋具實(shí)現(xiàn)水平方向的晃動(dòng)，其軌跡在水平面內(nèi)是一個(gè)橢圓；鍋具實(shí)現(xiàn)豎直方向的顛動(dòng)，其軌跡在垂直面內(nèi)是一個(gè)橢圓。在整個(gè)炒菜過(guò)程中，鍋具的運(yùn)動(dòng)是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，既有晃鍋，又有顛鍋。把上述兩種機(jī)構(gòu)組合起來(lái)就可以滿足要求。設(shè)計(jì)一種連接部件如圖3-13所示。套固定在鍋柄上，銷嵌在套中

50、，曲柄連接在銷上。當(dāng)曲柄在豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲柄帶動(dòng)銷、套、鍋柄運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顛鍋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，便帶動(dòng)鍋具作水平面內(nèi)的晃動(dòng)。當(dāng)曲柄處于豎直平面內(nèi)的最點(diǎn)端時(shí)，曲柄和鍋柄卡在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)連接曲柄的支撐板帶著銷和鍋柄轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)倒鍋的功能。該方案使用一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顛鍋、晃鍋、倒鍋等絕大部分鍋具動(dòng)作，且控制簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)度改變鍋具晃動(dòng)的幅度，實(shí)現(xiàn)小翻、大翻等動(dòng)作。但是由于鍋具運(yùn)動(dòng)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(gè)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性會(huì)受到很大影響。此外，鍋具運(yùn)動(dòng)的沖擊給套簡(jiǎn)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。 3.2

51、.4 鍋具運(yùn)動(dòng)方案選擇 上述三個(gè)方案所得到的鍋具運(yùn)動(dòng)均具有很好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)自動(dòng)炒菜機(jī)的要求，但它們?cè)诰取偠燃皩?shí)現(xiàn)難易度等方面有著很大的差別，具體比較見(jiàn)表3－1。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(jì)中，加速度的確定是最重要的，太大的加速度會(huì)使物料晃出鍋外，從環(huán)境和安全方面考慮是絕對(duì)不允許的；太小的加速度又無(wú)法使物料在鍋內(nèi)晃動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)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(dòng)頻率的變化而變化[39]。對(duì)于平面晃鍋，為了能讓物料在鍋內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則2 mωr>m

52、g ○1即物料與鍋具的摩擦力無(wú)法提供物料的向心加速度。式中μ取0.2，r為物料的旋轉(zhuǎn)半徑，由于鍋具晃動(dòng)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(diǎn)計(jì)算，代表一般情況。鍋具在晃動(dòng)的過(guò)程中，軌跡橢圓長(zhǎng)、短軸的位置是物料最容易晃動(dòng)的地方。圖3-14反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長(zhǎng)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(zhǎng) （11 rL<< ）； ○21rr=短； ○3wrwLr?1短11＝ ； 1wrwr≈長(zhǎng) ○4初選r1=30mm，在橢圓長(zhǎng)軸處代入公式○1得：12rg wrL >μ=5.4rad

53、/s；在橢圓短軸處代入公式○1得：11121Lr gwrLr?>+μ=9.4rad/s； 上述分析可以看出，只要w＞5.4rad/s就有能實(shí)現(xiàn)鍋內(nèi)的物料晃動(dòng)。而且角速度越大，其晃動(dòng)越劇烈，對(duì)于翻動(dòng)物料越有利，但是，過(guò)大的加速度又會(huì)使物料飛出鍋外，因此必須限定曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角速度。對(duì)物料受力分析如圖3-15所示。水平方向上： 2sin cos mw r N f θ θ <+豎直方向上： cos sin Nfmg θ θ = +f N =μ由上述三個(gè)公式可以推出：2 sin coscos sinwr gθ θθ θ+

54、：w＜11.2rad/s 在橢圓短軸處，將公式○2 、○3 、○4 代入得：w＜19.2rad/s 為了避免物料飛出，則應(yīng)取w的最小值，即w＜11.2rad/s。綜上所述，取w＝2π,即鍋具的晃動(dòng)頻率為1Hz，動(dòng)力曲柄的長(zhǎng)度為30mm，鍋柄長(zhǎng)450mm，中間支點(diǎn)到曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)軸長(zhǎng)為170mm。顛鍋運(yùn)動(dòng)同樣需要一定的加速度，只有機(jī)構(gòu)所提供的最大加速度大于g才能使物料在鍋內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于在平晃優(yōu)化過(guò)程中，機(jī)構(gòu)各桿尺寸參數(shù)已經(jīng)確定，所以只能通過(guò)改變曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來(lái)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=170

55、mm，2 L＝450mm，得: 22 / wrads > ；在軌跡橢圓長(zhǎng)軸處：2222122wr Lgrawrwr > == ≈ KKK長(zhǎng) ；代入1r=30mm，2 L＝450mm， 1 2.65r r= 得：12.5 / wrads > ；取w＝4π，即鍋具顛動(dòng)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(yùn)動(dòng)分析，得到鍋具的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。圖3-16是鍋具運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，它近似一個(gè)橢圓，晃鍋運(yùn)動(dòng)和顛鍋運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)的兩倍長(zhǎng)，反映了鍋具在X方向上的移動(dòng)范

56、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(zhǎng)軸的大小，反映了鍋具在Y方向上的移動(dòng)范圍。圖3-19和圖3-20分別反映了鍋具平晃過(guò)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(dòng)起來(lái)，要求有 2 ma umg a ug >?>=，從圖中看出加速度大于22/ ms的位置點(diǎn)很多。此外，物料不能飛出鍋外，則 29.6 / ams < ，在橢圓長(zhǎng)軸處產(chǎn)生最大的加速度9.452/ ms，所以鍋具晃動(dòng)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(guò)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(dòng)起來(lái)，則要ag> ，從圖中可以看出加速度大于9.82/ ms的位置

57、點(diǎn)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(jì) 3.4.1 鍋具動(dòng)力傳動(dòng)分析 整個(gè)鍋具運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源于同一個(gè)電機(jī)，通過(guò)齒輪箱傳遞給每一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，靠三個(gè)電磁離合器的離、合來(lái)達(dá)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(shí)，電機(jī)帶動(dòng)曲柄盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成晃鍋和顛鍋動(dòng)作；聯(lián)結(jié)在軸五上的電磁離合器二工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)軸七轉(zhuǎn)動(dòng)，完成鍋具平晃和顛動(dòng)動(dòng)作切換；聯(lián)結(jié)在軸六上的電磁離合器三工作時(shí)，固定在軸六上的齒輪和齒條嚙合，達(dá)到整個(gè)機(jī)構(gòu)移動(dòng)。 a) 晃鍋和顛鍋圖3-24是晃鍋和顛鍋動(dòng)作的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖，把空間三維機(jī)構(gòu)在一個(gè)平面上展開，更直觀地表達(dá)出傳動(dòng)關(guān)系。當(dāng)電磁離合器

58、一上電工作時(shí)，軸三帶動(dòng)軸四轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩對(duì)皮帶輪將動(dòng)力傳送到軸九上，換向齒輪箱僅改變動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)方向，最后由軸十將動(dòng)力輸出，帶動(dòng)曲柄盤轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中沿虛線以下的部分，均固定在軸七上，同時(shí)軸七又作為切換機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)。總的傳遞比為：b) 切換動(dòng)作圖3-25是切換機(jī)構(gòu)傳遞簡(jiǎn)圖。此時(shí)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(dòng)，鍋具也就不再晃動(dòng)或顛動(dòng)，安裝在軸三上的齒輪帶動(dòng)軸五上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電磁離合器二上電時(shí)，使軸五和安裝在其上的大齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)軸五上的小齒輪帶動(dòng)軸七轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)90，達(dá)到切換晃鍋和顛鍋的目的。其傳遞

59、比：253713232 46 42 826.218 26 46 38 5zzz zizz zz== = 大大小小c) 整體移動(dòng)圖3-26是整體移動(dòng)傳遞簡(jiǎn)圖。此時(shí)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(dòng)，鍋具和切換機(jī)構(gòu)均不動(dòng)作。當(dāng)電磁離合器三上電時(shí)，電機(jī)工作，軸六右邊的齒輪和離合器連在一起帶動(dòng)軸六轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在軸六左邊的齒輪和固定在基架上的齒條嚙合，整個(gè)齒輪箱就可以在軌道上前后滑動(dòng)，方便出菜和上料等工序。其傳動(dòng)比為: 2 3613232 46 563.8318 26 46z zz izz z === 大小 3.4.2 鍋具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)圖 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了要保證產(chǎn)品的功能之外，還要

60、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(jì)中，從節(jié)省動(dòng)力源件和安裝位置方面考慮，采用齒輪箱傳送動(dòng)力比較合適。由于其傳動(dòng)比較復(fù)雜，用二維簡(jiǎn)圖很難表達(dá)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(jiǎn)圖，在軸三、軸五和軸六上分別裝有電磁離合器，各軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力靠齒輪或皮帶輪傳遞。整個(gè)工作過(guò)程中，電機(jī)功能的分解是由離合器的離、合來(lái)決定的，不同的離合器工作，實(shí)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(jiǎn)圖。齒輪箱體隱藏了電機(jī)動(dòng)力傳送路徑，工作時(shí)鍋具和鍋具把柄連接在一塊，一起繞前面的支點(diǎn)(圖中沒(méi)有畫)轉(zhuǎn)動(dòng)

61、。軸十是換向齒輪箱的輸出軸，它帶動(dòng)曲柄盤轉(zhuǎn)動(dòng)，是鍋具晃動(dòng)和顛動(dòng)的動(dòng)力源。軸七是改變鍋具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要部件，通過(guò)套筒的巧妙結(jié)構(gòu)切換平面晃動(dòng)和顛鍋運(yùn)動(dòng)。軸六的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)讓其上的齒輪和安裝在齒輪箱下面的齒條嚙合，達(dá)到整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的目的，方便出菜和上料等工序。 3.4.3 主要零部件設(shè)計(jì) 1) 電機(jī)的選擇 電機(jī)的選擇要充分滿足鍋具運(yùn)動(dòng)所需要的最大扭矩，在步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)時(shí)，它所受到鍋具最大的反作用力是在曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到最右端位置處，max21LFmgL= ，所以2

62、1max max 3.97LNmLMFrmgr=? == ，如果再考慮鍋具把柄的重量和曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，取 5 M Nm =?。齒輪箱的傳動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)其傳動(dòng)比最小的為3.15，此時(shí)共有六對(duì)齒輪或帶輪嚙合，九付軸承參與運(yùn)動(dòng)，為了克服這些運(yùn)動(dòng)部件之間摩擦力，必須要選擇足夠大力矩的電機(jī)。由于從理論分析上無(wú)得到電機(jī)所用力矩的精確值，所以我們只能估計(jì)所需電機(jī)力矩的范圍，這里取能提供大于10Nm? 的電機(jī)。表3-2是選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)，型號(hào)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(jiǎn)圖，反

63、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(lái)安裝軸承蓋。3) 齒輪該齒輪箱共有齒輪11個(gè)，分別安裝在軸一（電機(jī)軸）到軸七上，其主要特征參數(shù)如下(未標(biāo)注均指對(duì)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?。?；436 z = ；542 z =大 ；538 z?。剑?56 z = （兩付）；782 z = ；壓力角：a=20；精度等級(jí)8級(jí)4) 其它零件上面介紹了幾個(gè)主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于整個(gè)鍋具的運(yùn)動(dòng)還需要其他輔助零件的支持。

64、軸承、鍵和螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件可以根據(jù)各自所要承受的最大載荷及設(shè)計(jì)要求查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得到，其它非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來(lái)確定，此外，還要考慮到本產(chǎn)品還只是處于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(xì)分析了三種鍋具實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選定最佳方案對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要做了以下幾個(gè)方面的工作：1）對(duì)構(gòu)思的三種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析、比較，確定可行性方案；2）建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)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(jìn)一步判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求；3）對(duì)優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到

65、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(wèn)題。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 自動(dòng)炒菜是工具模塊、鍋具模塊、火控單元、加料單元等所有運(yùn)動(dòng)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(dòng)炒菜機(jī)的神經(jīng)中樞，它指使每一個(gè)部件在特定時(shí)間內(nèi)完成特定的動(dòng)作，而且彼此間不能發(fā)生干涉。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞是炒菜機(jī)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的具體要求：具有先進(jìn)的控制功能和良好的可操作性能，提供手動(dòng)和全自動(dòng)兩種工作模式；手動(dòng)模式炒菜時(shí)，系統(tǒng)具有記錄每一步動(dòng)作參數(shù)(頻率、幅度、時(shí)間等)并保存為制菜文件(菜單)的功能，方便炒菜過(guò)程再

66、現(xiàn)；自動(dòng)模式下，具有用戶點(diǎn)菜的功能，系統(tǒng)根據(jù)用戶選定的菜單自動(dòng)復(fù)現(xiàn)該種菜的制作過(guò)程；提供計(jì)算機(jī)監(jiān)控能力，即時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)的菜肴文件格式進(jìn)行圖像化的顯示，方便使用人員對(duì)整個(gè)炒菜過(guò)程系統(tǒng)地操作；具有遠(yuǎn)程操作功能，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制；良好的安全性，可靠性，可維護(hù)性，可擴(kuò)展性； 4.2 炒菜機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.2.1 炒菜機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 自動(dòng)炒菜機(jī)采用PC機(jī)和PLC聯(lián)合控制，整個(gè)控制關(guān)系如圖4-1所示。PC機(jī)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(jìn)行處理，同時(shí)將該炒菜參數(shù)傳送給PLC，使之驅(qū)動(dòng)炒菜機(jī)構(gòu)，完成炒菜動(dòng)作。采用這種設(shè)計(jì)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(jì)，具有優(yōu)良的軟件設(shè)計(jì)風(fēng)格；不需要在每一臺(tái)炒菜機(jī)上都裝上示教系統(tǒng)，大多數(shù)用戶只用在PC機(jī)上選擇不同的菜單就可以達(dá)到炒不同菜肴的目的；PC機(jī)可以遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場(chǎng)，起到保護(hù)用戶和相關(guān)設(shè)備的作用PC機(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，將視教儀傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)按照一定標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行編碼（制定一套標(biāo)