【正文】 感謝一直給予我支持的親人和朋友，正是他們對(duì)我的理解與支持，我才能夠順利地完成我的學(xué)業(yè)，在此表示最誠(chéng)摯的謝意。該方案在以后的研究中會(huì)更加深入地進(jìn)行探討。該設(shè)備要求很短的時(shí)間內(nèi)炒制大量的菜肴，在色、香、味方面達(dá)到大師做菜的風(fēng)格。在Solidworks下建模、仿真，得出其位移、速度、加速度等特性。5 總結(jié)和展望 全文總結(jié)本文是應(yīng)深圳繁興科技有限公司委托，研制一種能夠自動(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)。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求整個(gè)程序指令通過(guò)組織塊控制并依次調(diào)用功能塊，功能塊是按照被控對(duì)象的控制功能來(lái)劃分和編程的，具有相同控制功能的被控對(duì)象可重復(fù)調(diào)用相同的功能塊。CXProgrammer管理一個(gè)項(xiàng)目的所有數(shù) 程序控制流程PLC上電后進(jìn)行初始化并自檢，接著進(jìn)入手動(dòng)炒菜與自動(dòng)炒菜選擇界面。達(dá)到倒鍋或切換鍋具動(dòng)作的目的。它們僅用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)保持力矩為20 . Nm。為防止過(guò)度運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生損壞，因此設(shè)計(jì)三重限位保護(hù)：軟件限位 利用軟件限定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)極限位置；機(jī)構(gòu)限位 利用機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)進(jìn)行限位，防止機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)造成更大的損壞；過(guò)載保護(hù) . Nm時(shí)，程序停止并發(fā)出報(bào)警。PLC的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了以微電子技術(shù)為核心的數(shù)字化電氣控制技術(shù)的新局面[4148]。在PLC中編寫許多動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)子程序，PC機(jī)通過(guò)串口將這些子程序的參數(shù)入口傳遞給PLC，PLC根據(jù)傳遞的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制。控制系統(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。2) 箱體圖329是齒輪箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，反映了七根軸在齒輪箱上的擺放位置及相互尺寸關(guān)系。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。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?？偟膫鬟f比為：b) 切換動(dòng)作圖325是切換機(jī)構(gòu)傳遞簡(jiǎn)圖。此外，物料不能飛出鍋外，則 / ams ，所以鍋具晃動(dòng)頻率選定1Hz能夠滿足要求。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。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。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。把上述兩種機(jī)構(gòu)組合起來(lái)就可以滿足要求。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。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)間也無(wú)法預(yù)知,計(jì)算量過(guò)于龐大。(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)。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)。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。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]。用來(lái)安裝與長(zhǎng)桿GF相連的銷釘。大小齒輪的傳動(dòng)比為4：1， . Nm。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。圖220是工具機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。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。另外，從X方向的位移圖上可以看出，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。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。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。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]。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。該軌跡的下半邊緊貼鍋底，能較好地翻動(dòng)和傾軋物料。 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。圖26是某一尺寸下繪出的F點(diǎn)軌跡。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。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。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?；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(kāi)不同的電磁控制閥，燃?xì)饬髁坎煌愿淖兓鹆Υ笮　ＴO(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)。圖18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16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。圖11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。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。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。一個(gè)人的體質(zhì)好壞與飲食有著密切的關(guān)系。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。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)。 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)。采用模塊化的編程思想，設(shè)計(jì)炒菜機(jī)控制程序。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。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。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。在國(guó)內(nèi)，電磁爐，微波爐，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)[47]。圖12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。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。圖19所示全自動(dòng)炒菜機(jī)，通過(guò)多個(gè)定時(shí)電路，控制開(kāi)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(kāi)關(guān)火，更換不同的電路插板即可炒不同的菜。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。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。 2 炒菜機(jī)工具設(shè)計(jì) 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。(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。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。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。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。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?。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。圖29是F點(diǎn)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程圖。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。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。速度也是工具運(yùn)動(dòng)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。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。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。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)電機(jī)。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。安放不同位置可以改變AG桿的桿長(zhǎng)。 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224所示。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。3 炒菜機(jī)鍋具設(shè)計(jì) 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。要求：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)。②迭代法有時(shí)根本得不到正確的解。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。設(shè)計(jì)一種連接部件如圖313所示。 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。圖314反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長(zhǎng)度之間的關(guān)系。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)。圖321和圖322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 。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)90176。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327和圖328所示。 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)。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。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)。由于需要實(shí)時(shí)性要求，PC機(jī)傳遞的參數(shù)要求盡可能的少，因此將每個(gè)控制模塊定義為一個(gè)控制對(duì)象，針對(duì)每個(gè)控制對(duì)象定義不同的控制寄存器，只需要將這些不同的控制寄存器的值傳遞給PLC就可以高效的進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。PLC作為工業(yè)自動(dòng)化的核心設(shè)備其應(yīng)用極為廣泛，可以說(shuō)只要有工廠，有控制要求，就會(huì)有PLC的應(yīng)用。由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)涉及到鍋具運(yùn)動(dòng)的配合，對(duì)工具的停放位置及開(kāi)始位置都有一定要求，因此設(shè)置一個(gè)home位(利用接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn))。定義每個(gè)動(dòng)作的home位和一些