【正文】 ，提出一種設(shè)計(jì)方法，其思想是針對某種特定機(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]。傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化問題都是通過圖解法，其特點(diǎn)是求解簡單、直觀，但是精確度不高。從該圖上可以看出工具向右運(yùn)動的時(shí)間（速度為正的時(shí)間段）僅占整個(gè)運(yùn)動時(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。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)動過程中遇到的問題。鏟具連接在F點(diǎn)并可以繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動，具有一定的剛性和柔性。 工具運(yùn)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(yùn)性，到炒菜機(jī)的設(shè)計(jì)要求，但它們在精度、剛度及實(shí)現(xiàn)難易度等方面有著很大的別，具體比較見表2－1。圓周運(yùn)動采用棘輪機(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”動物料。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，會使最后輸出點(diǎn)的軌跡非常豐富。特別是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，其動力元件及輔助元件都要隨著工具一起運(yùn)動，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。三個(gè)動作相互配合按照一定的要求運(yùn)動，可以在空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的軌跡。要求：工具聚攏運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作。要求：工具傾軋運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作。工具是炒菜機(jī)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(diào)中式菜肴功能的自動炒菜設(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化，炒菜過程中盡量減少人為動作；炒菜機(jī)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(shí)的動作，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)雜的炒菜動作； 操作簡單、安全，具有人性化。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(jì)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，使鍋具能完成簡單的運(yùn)動，但這些動作對于實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。翻炒機(jī)通過錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動翻炒勺做球面螺旋運(yùn)動，對鍋中的菜料進(jìn)行翻炒。圖111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)，攪拌器的軸通過減速機(jī)構(gòu)與電動機(jī)連接。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(shí)現(xiàn)大眾化的炒菜。具有自動點(diǎn)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(jī)等功能。圖17所示自動晃鍋機(jī)，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。2)鍋具晃動型該類產(chǎn)品采取鍋具動作來達(dá)到翻動菜肴。該機(jī)帶有自動攪拌裝置，增強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行全過程監(jiān)控。這類設(shè)備的鍋具基本上都做成桶狀，能夠進(jìn)行簡單地旋轉(zhuǎn)晃動從而使菜在鍋里旋轉(zhuǎn)翻滾。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。市場上炒菜機(jī)大多功能少、自動化程度不夠高。從某種意義上講，設(shè)計(jì)一種全自動控制烹飪機(jī)來制作美味可口的菜肴，既減少勞動強(qiáng)度，又節(jié)約時(shí)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(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。否則，很可能會出現(xiàn)“后天失調(diào)”的現(xiàn)象。中國烹飪歷經(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烹飪機(jī)，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(shí)機(jī)以烹調(diào)技法所要求的方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)多種基本烹調(diào)技法主要是中式基本烹調(diào)技法。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，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(gè)模塊，便于PC機(jī)和PLC聯(lián)合控制。針對選定的設(shè)計(jì)方案建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文以提高烹飪自動化水平為目標(biāo)設(shè)計(jì)一種全自動炒菜機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動炒菜和遠(yuǎn)程控制炒菜，模擬名廚制作出美味可口的菜肴。論文對炒菜機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案和設(shè)計(jì)過程做了深入的分析，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)與控制等問題。開發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性可視化仿真程序，通過改變機(jī)構(gòu)相關(guān)特征參數(shù)，分析其運(yùn)動學(xué)特性，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。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)問題。勞動人民在長期的生活實(shí)踐過程中，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(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，物質(zhì)生活越來越成為人們關(guān)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(xiàn)代社會生活中，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多的時(shí)間和精力用在做飯上，加上社會專業(yè)分工越來越細(xì)，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(shí)間和持久的熱情進(jìn)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，此課題的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。出現(xiàn)這類現(xiàn)象的主要原因是設(shè)計(jì)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(diǎn)。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(jī)，大致分為三類。雖然它們在工具運(yùn)動上做了改進(jìn)，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14是多頭燃?xì)鈹嚢璩村仯摦a(chǎn)品采用天然氣、液化氣或管道煤氣等燃?xì)饧訜幔盟闹粩嚢桀^在鍋內(nèi)自由伸縮，對物料進(jìn)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(jìn)普通鍋具并在其上加運(yùn)動機(jī)構(gòu)，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(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]。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(yùn)動很少。圖110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(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。圖112是一種機(jī)械化炒菜機(jī)。刷鍋機(jī)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(shí)現(xiàn)自動刷鍋。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。 研究內(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炒菜動作進(jìn)行了分解，構(gòu)思實(shí)現(xiàn)這些動作的機(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) 采用模塊化的編程方式，對樣機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)自動控制。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(yùn)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(fù)劃開運(yùn)動，目的是對物料進(jìn)行分散。 工具運(yùn)動實(shí)現(xiàn)方案 工具運(yùn)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(gè)運(yùn)動：翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)和升降。同時(shí)還能讓工具具有很好的運(yùn)動學(xué)特性。此外，簡單的結(jié)構(gòu)對應(yīng)著復(fù)雜的運(yùn)動學(xué),特別是正向運(yùn)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(shí)時(shí)性。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。在鍋內(nèi)轉(zhuǎn)動一周，達(dá)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(yùn)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(diǎn)的運(yùn)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(yùn)動情況。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)動機(jī)構(gòu)，加大了方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。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。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。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)。分析完該機(jī)構(gòu)之后為其所有可調(diào)參數(shù)（包括桿件長度和相關(guān)夾角）綁定變量并賦以初值。圖210是用MFC編制的F點(diǎn)軌跡優(yōu)化程序界面。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。對上述優(yōu)化所得到的結(jié)果在三維軟件Solidworks里進(jìn)行建模仿真。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。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(yùn)動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。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。加速度是工具運(yùn)動中另一個(gè)重要的參數(shù)，它直接決定工具運(yùn)動速度的變化，加速度過大會增加機(jī)構(gòu)的振動，加速度過小則增加了攪伴和打散物料的時(shí)間。本例中f=1Hz。 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 優(yōu)化后工具機(jī)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(jī)；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(jī)；10－桿件CD；11－擺動機(jī)架；12－轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)軸；13－滾動軸承；14－轉(zhuǎn)動大齒輪 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)見圖221。 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)動的最大扭矩，對于步進(jìn)電機(jī)，還要考慮步距角、步距精度和相數(shù)等參數(shù)。其中：μ是滾動軸承的摩擦系數(shù)，一般很小，；m為擺動機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，所用材料均為不銹鋼，估計(jì)30 kg；r為滾動軸承的轉(zhuǎn)動半徑，取40mm；F是工具翻動菜肴時(shí)的阻力，取最大估計(jì)值10N；R為轉(zhuǎn)動時(shí)工具頂端到旋轉(zhuǎn)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(jī)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(gè)電機(jī)選用同一型號86HS45， . Nm。在左邊主視圖中，下面的兩個(gè)圓孔與豎直線的夾角均為36.176。圖223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(gè)擺動機(jī)構(gòu)，靠鎖緊螺母加定位銷來限定其周向轉(zhuǎn)動。精度等級8級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)，對于整個(gè)工具的運(yùn)動還需要其他輔助零件的支持。本樣機(jī)主要是對工具進(jìn)行炒菜實(shí)驗(yàn)，所以鍋具采用固定式，在工具動作的時(shí)候，鍋具沒有產(chǎn)生與之相配合的動作，此外，該實(shí)驗(yàn)也沒有火控單元、加料單元等輔助機(jī)構(gòu)的參與，其相應(yīng)動