【正文】 感謝一直給予我支持的親人和朋友，正是他們對我的理解與支持，我才能夠順利地完成我的學(xué)業(yè)，在此表示最誠摯的謝意。該方案在以后的研究中會更加深入地進(jìn)行探討。該設(shè)備要求很短的時間內(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，研制一種能夠自動烹調(diào)部分中式菜肴，達(dá)到中式烹調(diào)技法要求的自動炒菜機(jī)。模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求整個程序指令通過組織塊控制并依次調(diào)用功能塊，功能塊是按照被控對象的控制功能來劃分和編程的，具有相同控制功能的被控對象可重復(fù)調(diào)用相同的功能塊。CXProgrammer管理一個項(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)入手動炒菜與自動炒菜選擇界面。達(dá)到倒鍋或切換鍋具動作的目的。它們僅用一個步進(jìn)電機(jī)通過齒輪箱來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)保持力矩為20 . Nm。為防止過度運(yùn)動對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生損壞，因此設(shè)計三重限位保護(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)動造成更大的損壞；過載保護(hù) . Nm時，程序停止并發(fā)出報警。PLC的出現(xiàn)開創(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中編寫許多動作的標(biāo)準(zhǔn)子程序，PC機(jī)通過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)的動作控制?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于自動炒菜機(jī)的神經(jīng)中樞，它指使每一個部件在特定時間內(nèi)完成特定的動作，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)動會讓其上的齒輪和安裝在齒輪箱下面的齒條嚙合，達(dá)到整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動的目的，方便出菜和上料等工序。在鍋具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從節(jié)省動力源件和安裝位置方面考慮，采用齒輪箱傳送動力比較合適?？偟膫鬟f比為：b) 切換動作圖325是切換機(jī)構(gòu)傳遞簡圖。此外，物料不能飛出鍋外，則 / ams ，所以鍋具晃動頻率選定1Hz能夠滿足要求。綜上所述，取w＝2π,即鍋具的晃動頻率為1Hz，動力曲柄的長度為30mm，鍋柄長450mm，中間支點(diǎn)到曲柄轉(zhuǎn)動軸長為170mm。鍋具在晃動的過程中，軌跡橢圓長、短軸的位置是物料最容易晃動的地方。此外，鍋具運(yùn)動的沖擊給套簡設(shè)計帶來一定的困難。把上述兩種機(jī)構(gòu)組合起來就可以滿足要求。鍋具在運(yùn)動過程中為了能使物料翻動，必須有一定的加速度。迭代法有兩個缺點(diǎn):①迭代次數(shù)無法預(yù)知,計算所需的時間也無法預(yù)知,計算量過于龐大。(3) 翻鍋運(yùn)動 翻鍋運(yùn)動為鍋前后擺動與上拋的復(fù)合運(yùn)動，目的是使鍋內(nèi)物料在鍋內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。在后續(xù)試驗(yàn)樣機(jī)改進(jìn)中，通過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逐步解決這些問題，設(shè)計出令人滿意的炒菜機(jī)。在炒制青椒肉絲的過程中，通過工具的劃散將成團(tuán)的肉絲分散為單個的肉絲，驗(yàn)證了工具具有劃散的功能；加入了辣椒絲和勾芡之后，通過工作的動作將物料充分拌勻而不會粘在一起，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)計要求查機(jī)械設(shè)計手冊得到，其它非標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以根據(jù)其各自的安裝尺寸和配合關(guān)系來確定，此外，還要考慮到本產(chǎn)品只是處于實(shí)驗(yàn)設(shè)計階段，一些零部件的尺寸最好具有互換性和可調(diào)性[29]。用來安裝與長桿GF相連的銷釘。大小齒輪的傳動比為4：1， . Nm。工具的運(yùn)動包括擺動和轉(zhuǎn)動，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算得到，只有通過實(shí)驗(yàn)才能確定其分布范圍。圖220是工具機(jī)構(gòu)簡圖。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，說明機(jī)構(gòu)具有急回特性，大大增加了其有效工作時間，提高工作效率。利用其插件COSMOSmotion作運(yùn)動分析，把AHD設(shè)為不動件，其它均為運(yùn)動件，運(yùn)動定義界面里設(shè)定AB桿繞Z軸轉(zhuǎn)動，運(yùn)動模式設(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)，為每一個變量關(guān)聯(lián)一個控件，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。優(yōu)化處理過程一般要重復(fù)進(jìn)行,這種設(shè)計很大程度上依賴于設(shè)計人員的設(shè)計經(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，能較好地翻動和傾軋物料。 方案優(yōu)化 運(yùn)動軌跡優(yōu)化對上述方案二的平面運(yùn)動機(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。為了使工具動作時不與鍋具內(nèi)壁發(fā)生較大碰撞，要求三個電機(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)對鏟頭部運(yùn)動軌跡的控制該方案能夠很好地滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)簡單，每個動作所選用的機(jī)構(gòu)都是常用機(jī)構(gòu)，單個運(yùn)動實(shí)現(xiàn)比較容易。要求：工具劃散運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作。將每一種炒菜動作封裝為單個模塊,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電磁控制閥組成，打開不同的電磁控制閥，燃?xì)饬髁坎煌愿淖兓鹆Υ笮?。設(shè)備帶有溫度計和傳感器易于檢測鍋內(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是一種對食品、藥物等實(shí)現(xiàn)加熱、翻炒、拌和、鏟動、和鏟出等多功能操作的機(jī)械裝置，可以用于自動炒菜機(jī)中對菜肴進(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)動時實(shí)現(xiàn)對鍋內(nèi)物料的攪伴。目前，以西餐為主的國家已經(jīng)有很多食品自動生產(chǎn)機(jī)械，如皮薩餅、奶酪、漢堡、薯?xiàng)l、沙拉、雞塊、肉排等自動生產(chǎn)線。因此傳統(tǒng)且繁瑣的菜肴烹飪方式無疑已在相當(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，對方案進(jìn)行建模、仿真，得到其位移、速度、加速度等動力學(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)計提供依據(jù)。 摘 要目前，食品工業(yè)逐漸發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。采用模塊化的編程思想，設(shè)計炒菜機(jī)控制程序。實(shí)現(xiàn)這—過程的一個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，受“洋快餐”的啟迪，為減輕人們做飯的負(fù)擔(dān)市場上雖也相繼推出一些經(jīng)過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，既沒能使人們的做飯負(fù)擔(dān)問題得到以根本緩解，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奫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)動的過程中達(dá)到偏心的效果，利用工具在公轉(zhuǎn)的同時自轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生對鍋內(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鏟臂，只需在電機(jī)帶動下通過控制單根主軸的正反向旋轉(zhuǎn)和通過控制剎閘片拉桿拉出和壓下的位置，即可實(shí)現(xiàn)兩個鏟臂轉(zhuǎn)換翻炒加工工具和完成各加工動作，可較容易地實(shí)現(xiàn)加工食品時進(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所示全自動炒菜機(jī)，通過多個定時電路，控制開關(guān)火力、炒菜、加佐料及加菜的每個電機(jī)，定時加料、開關(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，采用無級電磁調(diào)速，操作簡便、安全。以上列舉了國內(nèi)現(xiàn)有的一些烹飪設(shè)備，從每類產(chǎn)品的簡介中不難看出國內(nèi)現(xiàn)有的烹飪設(shè)備或多或少具有一定的自動炒菜功能，可以完成某些簡單的功能，加工簡單的菜肴。 2 炒菜機(jī)工具設(shè)計 工具設(shè)計的要求和技術(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運(yùn)動，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、傳動鏈長，負(fù)載能力差。在炒菜機(jī)工具設(shè)計時結(jié)合炒菜要求，選擇合理的軌跡，能實(shí)現(xiàn)工具在鍋內(nèi)翻動菜肴的目的。AHD桿為機(jī)架，與圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)動軸固結(jié)在一起，AB桿作為主動件。圖28下半部分是用Solidworks中的COSMOSmotion插件計算出的該軌跡對應(yīng)的水平方向的速度，設(shè)定條件是AB桿勻速圓周轉(zhuǎn)動，運(yùn)動頻率是1Hz，向右方向?yàn)檎较颉５窃谲壽E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(shè)計周期。圖29是F點(diǎn)軌跡優(yōu)化設(shè)計過程圖。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，加入了鍋具對照可以清楚地看出兩者之間的位置關(guān)系，給設(shè)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。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。速度也是工具運(yùn)動中一個非常重要的參數(shù)。從圖中可以看出，在工具工作期間內(nèi)加速度相對穩(wěn)定，而在回程中加速度很大。整個機(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帶動工具做圓周轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)分度功能。在產(chǎn)品設(shè)計階段，設(shè)計者只能憑借經(jīng)驗(yàn)和估計來大致計算工具運(yùn)動所需要的最大力矩，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。 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 鍋具設(shè)計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)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作，其加速度滿足物料能在鍋內(nèi)翻動。②迭代法有時根本得不到正確的解。所以對于鍋具的設(shè)計，其機(jī)構(gòu)的加速度特性顯得尤為重要。設(shè)計一種連接部件如圖313所示。 鍋具運(yùn)動方案選擇上述三個方案所得到的鍋具運(yùn)動均具有很好的運(yùn)動學(xué)特性，能夠達(dá)到設(shè)計自動炒菜機(jī)的要求，但它們在精度、剛度及實(shí)現(xiàn)難易度等方面有著很大的差別，具體比較見表3－1。圖314反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長度之間的關(guān)系。顛鍋運(yùn)動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。圖321和圖322分別反映了顛鍋過程中在Z方向的加速度和總的加速度，為了能讓物料在鍋內(nèi)顛動起來，則要ag 。此時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，鍋具也就不再晃動或顛動，安裝在軸三上的齒輪帶動軸五上的齒輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)電磁離合器二上電時，使軸五和安裝在其上的大齒輪一起轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過軸五上的小齒輪帶動軸七轉(zhuǎn)動90176。由于其傳動比較復(fù)雜，用二維簡圖很難表達(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1) 電機(jī)的選擇電機(jī)的選擇要充分滿足鍋具運(yùn)動所需要的最大扭矩，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安裝軸承蓋。系統(tǒng)設(shè)計的好壞是炒菜機(jī)自動化程度水平的直接體現(xiàn)。由于需要實(shí)時性要求，PC機(jī)傳遞的參數(shù)要求盡可能的少，因此將每個控制模塊定義為一個控制對象，針對每個控制對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)時控制。PLC作為工業(yè)自動化的核心設(shè)備其應(yīng)用極為廣泛，可以說只要有工廠，有控制要求，就會有PLC的應(yīng)用。由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動涉及到鍋具運(yùn)動的配合，對工具的停放位置及開始位置都有一定要求，因此設(shè)置一個home位(利用接近開關(guān)實(shí)現(xiàn))。定義每個動作的home位和一些