【正文】 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。 工具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案 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24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。 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)的軌跡非常活躍，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25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26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。 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?、剛度及?shí)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(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27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)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)過程中遇到的問題。圖28上半部分是鏟具頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，不同與圖26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28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)化問題都是通過圖解法，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)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)有的成熟方法—迭代設(shè)計(jì),它是一個(gè)信息處理及反饋過程。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29是F點(diǎn)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)過程圖。在圖27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210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(diǎn)軌跡，細(xì)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(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，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，反過來運(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。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(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。 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圖212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213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，，說明機(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)非常重要的參數(shù)。它的大小直接決定炒菜的質(zhì)量，過小的速度會(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)間過長(zhǎng)，出現(xiàn)過火現(xiàn)象，影響菜肴的味道；過大的速度會(huì)在翻動(dòng)菜肴的過程中將菜肴、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)化過程中的另一個(gè)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(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，可以通過適量地增加或減少運(yùn)動(dòng)頻率來達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本例中選擇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，加速度過大會(huì)增加機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，加速度過小則增加了攪伴和打散物料的時(shí)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(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)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)。 工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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220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）來傳遞動(dòng)力。圖220 優(yōu)化后工具機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(隱藏桿AG、GF) 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