【正文】 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，工具的運動比較復雜，下面是針對本課題所提出的工具應實現(xiàn)的具體運動和要求：(1) 工具傾軋運動(如圖2－1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2－2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2－3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。 工具運動實現(xiàn)方案 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24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)很復雜的軌跡。同時還能讓工具具有很好的運動學特性。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計要求，結(jié)構簡單，每個動作所選用的機構都是常用機構，單個運動實現(xiàn)比較容易。但是總體機構精度低、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，增加了機構的負載，加大了后續(xù)結(jié)構設計的困難。此外，簡單的結(jié)構對應著復雜的運動學,特別是正向運動學求解尤其復雜,導致控制的難度加大且會降低控制的實時性。 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。連桿機構是一種應用十分廣泛的機構。從各相關文獻可以看到，平面四桿機構中連桿上點的軌跡非常活躍，在機構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25是一平面七桿機構，AHD桿作為機架，F(xiàn)點的軌跡千變?nèi)f化。圖26是某一尺寸下繪出的F點軌跡。在炒菜機工具設計時結(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，將七桿機構的機架AHD固定在棘輪機構的旋轉(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：機構實現(xiàn)方便，在平面四桿機構的基礎上增加新的桿件進而得到新的機構，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。 工具運動方案選擇上述兩種方案都能得到復雜的工具軌跡，且軌跡都具有很好的運性，到炒菜機的設計要求，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。 方案優(yōu)化 運動軌跡優(yōu)化對上述方案二的平面運動機構利用Solidworks建模如圖27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28上半部分是鏟具頂點的運動軌跡，不同與圖26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28下半部分是用Solidworks中的COSMOSmotion插件計算出的該軌跡對應的水平方向的速度，設定條件是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，加大了方案設計的復雜程度。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)化設計的目的是提高機構合理性，滿足設計要求，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的仿真與設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，增大了設計周期。為此，提出一種設計方法，其思想是針對某種特定機構，專門建立數(shù)學模型，編制仿真程序，通過調(diào)節(jié)機構的某些參數(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)省設計時間[26]。平面連桿機構作為重要的基本機構,可以實現(xiàn)特定的輸入輸出函數(shù)關系,形成某一段特定曲線或通過某一系列設定的點等。因此,在工業(yè)生產(chǎn)設計中連桿構得到了廣泛的應用。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)律能很好地滿足設計任務,那么設計過程自動結(jié)束。否則,要更改某些設計變量(如尺寸),以便設計結(jié)果更好地接近設計任務。優(yōu)化處理過程一般要重復進行,這種設計很大程度上依賴于設計人員的設計經(jīng)驗,尤其在機構的初始狀態(tài)的選擇上[27]。圖29是F點軌跡優(yōu)化設計過程圖。在圖27所示機構中，ABCD是一個以AHD為機架、BC為連桿的平面曲柄搖桿機構，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，整個機構看成是平面四桿機構的一個拓展。分析完該機構之后為其所有可調(diào)參數(shù)（包括桿件長度和相關夾角）綁定變量并賦以初值。然后由己知條件將B、G點坐標時間參數(shù)化，寫出其運動一周內(nèi)任一點的坐標公式，參考平面四桿機構計算公式求解E點坐標。當E、G坐標已知時，由EF和GF桿長可以得到F點的坐標。最后利用MFC編制程序輸出F點軌跡圖，設計人員憑借設計經(jīng)驗和設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)去重新設定各參數(shù)值，再一次計算F點坐標并輸出軌跡，依此循環(huán)，直到軌跡達到設計要求。圖210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系，給設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尺寸關系以及其它尺寸約束關系，如果不行則提示用戶重新選擇，否則就將對應的軌跡圖快速地顯示在圖形輸出區(qū)內(nèi)。設計者參照設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，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設為不動件，其它均為運動件，運動定義界面里設定AB桿繞Z軸轉(zhuǎn)動，運動模式設為位移，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，達到其預期目的。在工具的設計中，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。 運動學參數(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212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，滿足設計要求。圖213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的目的。另外，從X方向的位移圖上可以看出，，說明機構具有急回特性，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2121216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，充分驗證了機構的急回特性。如果速度不滿足設計要求，可以通過適量地增加或減少運動頻率來達到設計要求，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的振動，加速度過小則增加了攪伴和打散物料的時間。圖2121219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)化完工具擺動機構之后，接下來考慮轉(zhuǎn)動機構。在前面所提的方案中采用棘輪機構來實現(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計要求，控制相對簡單，而且還能保證轉(zhuǎn)動精度，對機構的設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，增加了設計成本。綜合兩種方案的優(yōu)缺點，本設計選用步進電機實現(xiàn)。 工具結(jié)構設計 工具結(jié)構布局結(jié)構設計是把產(chǎn)品從構想轉(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)構可靠[28]。圖220是工具機構簡圖。整個機構固定在板件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（相當于件AB）來傳遞動力。圖220 優(yōu)化后工具機構簡圖(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