【文章內容簡介】 、大齒輪 3）4 個低副，故機構的自由度為 13 ( 2 ) 3 3 2 4 1hF n P P? ? ? ? ? ? ? ? 由此可以看出該機構具有確定的運動，即只要電動 機主軸 旋轉，便可帶動鍋旋轉。 22222 11 2． 3． 4 鍋蓋翻轉機構 1) 組成及工作原理 鍋蓋翻轉機構原理圖如圖 25 所示 。 圖 25 鍋蓋翻轉機構原理圖 鍋蓋翻轉機構主要由 1—杠桿、安裝板、電動機、鍋蓋、聯(lián)軸器、滾動軸承等組成。其工作原理是電動機旋轉帶動杠桿運動，鍋蓋和杠桿之間通過螺釘連接為一體，當電動機主軸轉動方向控制著鍋蓋的開合，當電動機主軸正轉時，鍋蓋閉合；當電動機主軸反轉時，鍋蓋打開。電動機 主軸通過聯(lián)軸器與另一根軸聯(lián)接安裝在安裝板上。 2) 機構自由度的計算： 由圖 25 不難看出，此機構共有 1 個活動件， 1 個低副，故機構的自由度為 13 ( 2 ) 3 1 2 1 1hF n P P? ? ? ? ? ? ? ? 由此可以看出該機構具有確定的運動，即只要電動機轉動，便可帶動整個機構運動起來。 2． 4 小結 本章主要介紹了自動烹調機 總體結構組成及其 工作原理 ： 1） 自動烹調機主要由 控制計算機部分、伺服驅動部分、檢測部分以及機械運動部分22222 12 組成。 自動烹調機的運動部 分主要是翻炒運動、鍋旋轉運動、鍋蓋翻轉運動和送投料運動。 2）詳細闡述 說明自動烹調機的基本工作原理 ， 并且對烹調機本體的各部分機構（包括鍋鏟機械手、鍋旋轉機構、鍋蓋翻轉機構等）分別進行分析 。 3） 畫出各機構的機構原理圖以及機構自由度的計算，最終驗證各機構是否有確定的運動，為后面的研究作好鋪墊工作。 22222 13 3 鍋定位及鍋蓋翻轉機構的設計及計算 3． 1 引言 根據(jù)第二章所述的烹調機的總體結構，自動烹調機的機械結構主要包括：鍋鏟機械手、鍋定位及旋轉機構、鍋蓋翻轉機構和送料機構。本章將對鍋定位及鍋蓋翻轉機構進行 具體分析設計及計算，自動烹調機的鍋定位及鍋蓋翻轉機構設計的關鍵是通過機構實現(xiàn)均勻翻炒，使鍋內所有被烹調物均勻受熱的目的，同時保證鍋蓋翻轉時與鍋蓋機構和投料裝置不發(fā)生干涉。 3． 2 基于 SolidWorks 的虛擬設計 虛擬設計（ Virtual Design， VD）開發(fā)是數(shù)字化產品開發(fā)的最新進展，通過各種虛擬現(xiàn)實裝置，例如頭盔、虛擬墻、立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、音頻設備以及軟件可以營造一個三維的虛擬環(huán)境，設計者能夠多方位、多形態(tài)地與設計對象交互，提高設計者和所設計的實體之間的互動性。在將來，從消費者對產品設計和制造的 約定到對產品的生命周期支持和最終的回收處置，建模和仿真都將是所有制造企業(yè)的基本工具。設計者和消費者將在一個豐富的仿真環(huán)境中交互，這個環(huán)境映射了真實的世界并且能夠使開發(fā)快速而準確，同時找到消費者需要的潛在解決方案。這種交互的輸出將是一個完全被定義了的數(shù)字化需要，它既確定了產品的外型，性能、生命周期、成本，也確定了產品交接的時間和數(shù)量。 虛擬設計主要是開發(fā)設計新產品，建立產品的數(shù)字模型，用于整個企業(yè)的各個部門。通過對產品的實時性功能仿真，工程師、設計人員或用戶可以在產品生命周期內尋求其最優(yōu)化設計，在計算機中對產 品進行實時分析，如有限元分析、人機工程分析、干涉分析、加工過程分析等，然后迅速地修改產品的外觀形狀、裝配、加工工藝、材質等。這種功能為制造商提供了前所未有的技術，使他們更快、更全面地了解想象中的產品，這將提高他們的競爭力。 虛擬設計（ VD）主要涉及到以下幾方面內容： 1．虛擬建模。 虛擬建模不僅僅是運用現(xiàn)有的三維 CAD/CAE 系統(tǒng)在計算機中建立產品各零部件的實體模型。虛擬產品設計過程中還應充分得體現(xiàn)產品設計方法論如并行工程等思想 ，充分利用網絡通訊技術和 PDM 所構造的并行設計與管理環(huán)境，采用數(shù)字化產品模型， 并能用不完備產品模型和迷糊產品來仿真產品全生命周期。 2．虛擬分析。 根據(jù)需要，對產品進行人機工程分析、干涉分析、有限元分析22222 14 等。有限元分析是用來檢驗產品可靠性和性能的，它可以預測復雜零部件的應力、變形、溫度等。在設計階段，使用有限元分析能夠幫助做出設計選擇，可以避免重復設計制造造成的時間和成本的浪費。 3．仿真。 對虛擬產品設計過程的仿真包括： ① 虛擬產品模型的演變過程的仿真； ② 虛擬產品性能仿真，包括運動學、動力學、精度特性、熱物性及其它特殊性能的仿真； ③ 虛擬裝配仿真，用計算機仿真產品的實際裝配過程，確定裝配 的好壞。要求首先進行裝配建模、裝配序列與路徑規(guī)劃、實況裝配零部件及在裝配路徑各節(jié)點進行動態(tài)干涉檢查。 3． 2． 1 SolidWorks 的簡介 SolidWorks 是在總結和繼承了大型機械 CAD 軟件優(yōu)點的基礎上，在 Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機械 CAD 軟件，是面向產品級的機械設計工具。它全面采用非全約束的特征建模技術，為設計者提供了極強的設計靈活性。其設計過程的全相關性，即零件設計、裝配設計和工程圖之間的完全動態(tài)連接，使得設計者可以在設計過程的任何階段修改設計，同時牽動相關部分的改變。 SolidWorks 與其它三維軟件相比，具有以下顯著的特點： （ 1）生動的人性化用戶交互界面。由于 SolidWorks 是在 Windows 環(huán)境下開發(fā)的，它能夠充分利用 Windows 的優(yōu)秀界面，為設計者提供簡易方便的工作界面。其首創(chuàng)的特征管理員，能夠將設計過程的每一步都記錄下來，并形成特征管理樹，放在屏幕的左側，設計者可以隨時點取任意一個特征進行一改變零件的形狀。在特征樹的基礎上， SolidWorks 創(chuàng)新地提出 配置管理器的功能，能使一個零件在每個文檔內生成多個不同的派生樣式，它能夠在不同部分、不同屬性或其它方式下開發(fā)和管理零件組和實體組。 （ 2）快速而靈活的裝配設計。 SolidWorks 不是一個簡單的實體建模工具，而是一個面向產品級的機械設計系統(tǒng)。它既提供自底而上的裝配方法，同時還提供自頂而下的裝配方法。自頂而下的裝配方法使設計者在裝配環(huán)境中參考裝配體和其它零部件的位置及尺寸設計新零件，更加符合工程習慣。并提供了孔選擇和插入標準螺栓，增加螺母墊片的 “智能零件 ”和 “智能裝配 ”功能。同時 SolidWorks 還 提供了動態(tài)仿真的功能，并在仿真過程中提供了干涉檢查、間隙控制等功能，給設計帶來了極大的便利。 （ 3）迅速生成完整詳細的工程圖。 SolidWorks 提供了從 3D 模型自動生成 2D 工程圖和任意剖面視圖的功能。對工程圖或 3D 模型的任何一個改動都能關聯(lián)到整個設計，有效地保證了圖紙的準確性和實時更新。通過拖動、解剖、投影等方式生成各種22222 15 工程圖，自動標注、自動生成剖面線，自動生成材料清單。 （ 4）完善而強大的插件。 SolidWorks 還根據(jù)設計者的不同需要，提供了各種插件。 Photoworks 插件提供了方便 易用的、最佳品質的渲染功能，可有效地展示概念設計，減少樣機的制作費用。而動畫插件 Animator 則可以方便地實現(xiàn)演示產品的外觀和性能，縮短產品設計的周期，減少新產品投放市場的時間，能迅速地制作動畫文件并通過電子郵件發(fā)送或在網站展示。 本研究選取 SolidWorks 作為虛擬設計開發(fā)平臺，也正是基于以上幾個方面：他提供的特征管理樹可以使設計者對零部件的結構特征有全面的了解。這樣設計者在設計各零部件時可有的放矢，零部件的再設計也更為簡單更具針對性；再者， SolidWorks可實現(xiàn)從底而上和從頂而下兩種裝配設計，為 我們基于全局約束的裝配設計提供了極大的便利；運動仿真、干涉檢驗、渲染等功能以及零部件、裝配體和工程圖之間的聯(lián)動，對參數(shù)化虛擬設計系統(tǒng)來說，更是強有利的補充，使之更趨完備。 3． 2． 2 SolidWorks 的裝配方法 裝配是產品生命周期的一個重要環(huán)節(jié)，是產品功能實現(xiàn)的主要過程。據(jù)統(tǒng)計，在工業(yè)發(fā)達國家中，產品的生產過程中大約 1/3 左右的人力在從事產品裝配有關活動，40%以上的生產費用用于產品的裝配和調試，產品裝配所需工時占產品生產制造總工時的 40%60%。另據(jù)有關研究表明，在產品設計中良好的裝配設計 ，可減少 20%40%的制造費。同時提高 100%200%的生產率。因此，良好的裝配設計和裝配性能，對保證產品質量和可靠性，降低產品成本和提高市場競爭力具有十分重要的意義。在產品開發(fā)過程中，對裝配問題考慮越早，所獲取的 質量、成本和時間效應就越明顯。 隨著 CAD 技術的發(fā)展，特別是實體造型功能和特征造型技術的發(fā)展，設計者可以方便地設計出各種形狀的零件。輸入零件之間的幾何約束關系，將設計好的零件裝配成產品，這是目前 CAD 系統(tǒng)可以支持的一種自底而上（ Bottomup）的設計過程；另一種是自頂而下（ Topdown）的方法，即在零件設計的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關系，在完成產品的整體設計之后，再實現(xiàn)單個零件的詳細設計，SolidWorks 的裝配遵循這兩種方法。 自底而上（ Bottomup）是傳統(tǒng) CAD 軟件通常使用的一種設計過程。他的主要思路是先設計好各個零件，然后將這些零件拿到一起進行裝配，如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)某些零件不符和要求，諸如：零件與零件之間產生干涉，某一零件根本無法進行安裝等，就要對零件進行重新設計，重新裝配；再發(fā)現(xiàn)問題，再進行修改。這樣做的優(yōu)點很明顯，思路簡單，容易理解。 22222 16 自頂而下（ Topdown）則是從產品的功能出發(fā)，選用一系列的零件去實現(xiàn)產品的功能：先設計出初步方案及其結構草圖，建立約束驅動的產品模型，通過設計計算，確定每個參數(shù)設計，然后進行零件的詳細設計，通過幾何關系求解將零件裝配成產品。這種設計過程充分利用計算機的優(yōu)良性能，最大限度地發(fā)揮設計人員的設計潛力，最大限度地減少設計實施階段不必要的重復工作。 本課題在機構設計過程中，利用 SolidWorks 的以上優(yōu)點，并同時應用自底而上（ Bottomup）和自頂而下（ Topdown）的兩種裝配設計方法，極大地提高了機構設計的效率和可靠 性。 3． 3 鍋定位的工作原理 由于鍋鏟機構的運動限制在一個平面內，顯然不能達到均勻翻炒，使鍋內所有被烹調物均勻受熱的目的。為此，通過合理地使鍋旋轉，采用一種主動的方式，讓鍋內的被烹調物未受熱部分接受鍋鏟動作，均勻受熱，就可以解決問題。 圖 31 鍋定位及旋轉機構 模型 鍋旋轉機構 模型 參見圖 31 所示。支撐圓盤的一端面均布滾珠安裝孔，內加潤滑22222 17 劑后將滾珠放入其中，從而可以支撐到齒輪轉盤的弧面導軌凹槽；齒輪轉盤的上部為齒輪環(huán)，齒輪環(huán)上 端 面有螺孔，用以安裝支架，中部為圓環(huán)，圓環(huán)外直徑小于齒輪環(huán)的齒根圓直徑，避 免齒輪嚙合時的干涉；圓環(huán)下面有突起臺階，臺階外圓直徑大于中部圓環(huán)外徑；下部圓環(huán)端面是弧面導軌槽，弧面半徑與滾珠相同；齒輪轉盤內圓面焊接鍋的支架；通過電機驅動動齒輪從而帶動齒輪轉盤在滾珠上旋轉，電機安裝在動齒輪的下方，用一個套筒固定，可以有利于鍋的安置，且有效避免高溫的影響；齒輪環(huán)上面可以安裝固定定位卡槽，而定位卡槽是 由 具有彈性的金屬板材作成，為 “U”形的卡槽，兩邊微向內彎曲，當用力壓下適當寬度的鍋把手時，定位卡槽端面限制鍋在齒輪轉盤直徑方向的自由度，兩邊彈性片限制鍋在齒輪轉盤切線方向的自由度，所以當齒輪轉盤 旋轉時，將帶動鍋旋轉，而又不會發(fā)生晃動。在支撐圓盤外圓面均布了 3個限位輪架，滾輪直接套在限位輪架的銷軸上；限位輪架斜壓住齒輪轉盤下部的突起臺階，保證齒輪轉盤旋轉時不會偏出弧面導軌槽，也限制其向上運動，從而將整個旋轉機構連成一個整體。 3． 4 鍋旋轉機構的設計 3． 4． 1 電動機的選擇 根據(jù)實際生活經驗，鍋及鍋內烹調物總重量約為 ，即 F=25N。設齒輪轉盤帶動鍋轉動的轉速為 60r/min，即 n 從 =60r/min 設齒