【正文】 ，提出一種設計方法，其思想是針對某種特定機構，專門建立數學模型，編制仿真程序，通過調節(jié)機構的某些參數，快速地顯示改變后的結果，然后根據要求合理地優(yōu)化參數，節(jié)省設計時間[26]。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。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。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。鏟具連接在F點并可以繞F點轉動，具有一定的剛性和柔性。 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、剛度及實現難易度等方面有著很大的別，具體比較見表2－1。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從不同方向“推、攏、攪”動物料。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?；钴S，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。特別是旋轉運動和翻轉運動，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)結構設計的困難。三個動作相互配合按照一定的要求運動，可以在空間范圍內實現很復雜的軌跡。要求：工具聚攏運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。要求：工具傾軋運動頻率和運動幅度參考廚師炒菜動作。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。本課題所要研究的自動完成烹調中式菜肴功能的自動炒菜設備必須有以下幾個特點： 設備小型化，服務于家庭，實現從送料到出菜的全自動化，炒菜過程中盡量減少人為動作；炒菜機設備結構簡單化，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格；充分采用現有的先進技術實現復雜的炒菜動作； 操作簡單、安全，具有人性化。第一類產品純粹采用工具攪拌的方式，會對物料的外形產生破壞，而且將鍋具罩起來防止物料飛濺的設計對被加工菜肴的種類也有很大限制；第二類產品在普通的鍋具上加運動機構，使鍋具能完成簡單的運動，但這些動作對于實現中式菜肴復雜的操作手法和完成自動烹飪的功能還是遠遠不夠的。翻炒機通過錐齒輪傳動機構帶動翻炒勺做球面螺旋運動，對鍋中的菜料進行翻炒。圖111所示炒菜機包含箱體，在箱體的一側設計有門，在箱體內腔的下部安裝有發(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，攪拌器的軸通過減速機構與電動機連接。這些產品雖然能夠實現部分菜肴的炒制，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，無法實現大眾化的炒菜。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、自動關火、自動盛出、自動洗鍋、自動關機等功能。圖17所示自動晃鍋機，其工作臺內的軸承座支架通過軸承和傾斜的主軸與鍋體連接，鍋體下部夾層內裝有加熱電阻絲，且鍋體的底部由波浪片構成，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。2)鍋具晃動型該類產品采取鍋具動作來達到翻動菜肴。該機帶有自動攪拌裝置，增強炒制效果，鍋體可作95176。圖13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。這類設備的鍋具基本上都做成桶狀，能夠進行簡單地旋轉晃動從而使菜在鍋里旋轉翻滾。但這些工具，均不具備智能炒菜功能，在現有技術中，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。市場上炒菜機大多功能少、自動化程度不夠高。從某種意義上講，設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。但對絕大多數人來說，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。否則，很可能會出現“后天失調”的現象。中國烹飪歷經幾千年，前輩廚師的生產實踐，積累了很多寶貴的經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火候，在烹調技法所要求的火候時機以烹調技法所要求的方式進行物料投放、翻動和盛出等烹調基本操作，自動完成烹調全過程并能自動實現多種基本烹調技法主要是中式基本烹調技法。智能烹飪機能夠將廚房這個“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任務中解脫出來，輕松便捷地獲得有著專業(yè)廚藝水平的健康美食[2]。烹飪的開始也就是人類文明的開始。將每一種炒菜動作封裝為單個模塊，便于PC機和PLC聯合控制。針對選定的設計方案建立數學模型并進行優(yōu)化設計。本文以提高烹飪自動化水平為目標設計一種全自動炒菜機，能夠實現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方案和設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鍵機構的結構設計實現與控制等問題。開發(fā)機構運動學特性可視化仿真程序，通過改變機構相關特征參數，分析其運動學特性，根據分析結果優(yōu)選設計方案。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。勞動人民在長期的生活實踐過程中，細心觀察、不斷總結，積累了豐富的經驗，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。 課題的目的隨著經濟的發(fā)展、社會的進步，物質生活越來越成為人們關注的對象。 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。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。在現代社會生活中，一方面，隨著經濟的發(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)現除了自己所從事的工作外，對烹調的技巧越來越陌生，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，此課題的研究具有非常重要的現實意義。出現這類現象的主要原因是設計者缺乏對烹飪技術和烹飪工藝全面而深刻的掌握以及現有的技術還不足以克服自動烹飪的關鍵問題或難點。查閱了國內大量的專利，下面是市面上現有的一些炒菜機，大致分為三類。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，采用旋轉攪拌只能炒制塊狀小顆粒且不易破碎的菜肴。圖14是多頭燃氣攪拌炒鍋，該產品采用天然氣、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。傾斜倒鍋以減少人工勞動，提高工作效率。通過改進普通鍋具并在其上加運動機構，使其能完成類似于人工炒菜的動作，如顛鍋，晃鍋等。由于主、輔原料的添加和鍋體的轉動由程序控制，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]。3)復雜工具攪拌型該類產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。圖110是臥式真空蒸汽攪拌炒鍋，本產品是在真空狀態(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，調味料易于入味，使食物富含有風味和保持良好外觀。圖112是一種機械化炒菜機。刷鍋機由動力驅動，刷子架及其上的刷毛的輪廓與炒鍋內表面的軸截面母線形狀相同，實現自動刷鍋。第三類是在第一類基礎上所做的改進，采用特殊形狀的工具攪拌。 研究內容本文主要從以下幾個方面的研究：1) 結合炒菜工藝和基本要求對炒菜動作進行了分解，構思實現這些動作的機構并組合為復合機構，分析每一種機構的優(yōu)缺點并選擇一種理想的方案；2) 對方案進行優(yōu)化，完成其結構設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自動控制。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。(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。 工具運動實現方案 工具運動方案一根據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、旋轉和升降。同時還能讓工具具有很好的運動學特性。此外，簡單的結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。圖25是一平面七桿機構，AHD桿作為機架，F點的軌跡千變萬化。在鍋內轉動一周，達到對所有物料的翻動。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。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。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的運動情況。此外，該軌跡還有一個缺點，當鍋具翻轉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。隨著計算機的出現及其性能的提高，利用計算機進行機構的仿真與設已成為一種重要手段。平面連桿機構作為重要的基本機構,可以實現特定的輸入輸出函數關系,形成某一段特定曲線或通過某一系列設定的點等。否則,要更改某些設計變量(如尺寸),以便設計結果更好地接近設計任務。分析完該機構之后為其所有可調參數（包括桿件長度和相關夾角）綁定變量并賦以初值。圖210是用MFC編制的F點軌跡優(yōu)化程序界面。設計者參照設計要求不斷地改變參數以得到滿意的軌跡。對上述優(yōu)化所得到的結果在三維軟件Solidworks里進行建模仿真。進一步憑借經驗和設計要求去判斷該參數是否滿意。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。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容。加速度是工具運動中另一個重要的參數，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。本例中f=1Hz。 工具結構設計 工具結構布局結構設計是把產品從構想轉化為現實過程中重要的一步，它除了要保證產品的功能之外，還要考慮到節(jié)約材料、減少成本、整體美觀、結構可靠[28]。圖220 優(yōu)化后工具機構簡圖(隱藏桿AG、GF) 1－轉動小齒輪；2－工具固定板；3－轉動電機；4－擺動大齒輪；5－擺動大齒輪轉動軸；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－轉動機構軸；13－滾動軸承；14－轉動大齒輪 工具總體結構將設計好的零部件和標準件利用Solidworks建模、裝配，得到其總體結構見圖221。 主要零部件設計1) 電機的選擇電機的選擇要充分滿足機構運動的最大扭矩，對于步進電機，還要考慮步距角、步距精度和相數等參數。其中：μ是滾動軸承的摩擦系數，一般很小，；m為擺動機構的總質量，所用材料均為不銹鋼，估計30 kg；r為滾動軸承的轉動半徑，取40mm；F是工具翻動菜肴時的阻力，取最大估計值10N；R為轉動時工具頂端到旋轉軸的水平距離，取100mm。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。為了便于采購，將兩個電機選用同一型號86HS45， . Nm。在左邊主視圖中，下面的兩個圓孔與豎直線的夾角均為36.176。圖223是連接軸的結構圖，該軸的左端部分聯接轉動大齒輪，二者過盈配合，靠鍵來帶動其周向轉動；右端的螺紋軸用來連接整個擺動機構，靠鎖緊螺母加定位銷來限定其周向轉動。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構設計，對于整個工具的運動還需要其他輔助零件的支持。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的參與，其相應動