【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 －桿件EF；8－擺動(dòng)小齒輪；9－擺動(dòng)電機(jī)；10－桿件CD；11－擺動(dòng)機(jī)架；12－轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軸；13－滾動(dòng)軸承；14－轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiàn)圖221。工具安裝在最下端的工具板上，并與兩長(zhǎng)桿用彈簧連接，擺動(dòng)電機(jī)安裝在擺動(dòng)小齒輪的背面，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其控制錢(qián)通過(guò)連接軸的中心孔引到機(jī)架，從而避免了在工具轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中控制線(xiàn)和零件發(fā)生干涉。對(duì)建模后的整個(gè)裝配產(chǎn)品，運(yùn)用Solidworks分析檢查是否會(huì)發(fā)生零件干涉的情況，如果有，則返回到零件設(shè)計(jì)階段去改進(jìn)，然后再重新建模分析，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求。利用這種方法可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用，該方法在整個(gè)設(shè)計(jì)階段具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 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(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的最大扭矩，對(duì)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)。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。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(mǎn)足要求的步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需力矩估算如下：M mgr FR = + μ 。其中：μ是滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)，一般很小，；m為擺動(dòng)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(dòng)軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，取40mm；F是工具翻動(dòng)菜肴時(shí)的阻力，取最大估計(jì)值10N；R為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工具頂端到旋轉(zhuǎn)軸的水平距離，取100mm。代入計(jì)算得M= . Nm。大小齒輪的傳動(dòng)比為4：1， . Nm。如果再考慮到機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦以及由于加工精度帶來(lái)的機(jī)械問(wèn)題等因素，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的力矩應(yīng)大于1 . Nm。在擺動(dòng)過(guò)程中，工具要翻動(dòng)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(dòng)件AB桿所需的力矩為6 . Nm。大小齒輪的傳動(dòng)比為4：1， . Nm。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。表22是選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)。為了便于采購(gòu)，將兩個(gè)電機(jī)選用同一型號(hào)86HS45， . Nm。2) 小連桿(AG) 圖222是小連桿的結(jié)構(gòu)圖。AG與AB繞同一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)，二者之間的夾角為一固定值。小連桿與旋轉(zhuǎn)軸靠螺紋連接，在其側(cè)面開(kāi)了一個(gè)深度略大于半徑的薄槽，當(dāng)調(diào)整好小連桿的對(duì)齊位置后，通過(guò)緊擰鎖緊螺釘來(lái)擠壓小連桿的兩半壓片并使之變形，從而使軸的螺紋與小連桿的螺紋緊緊地?cái)D壓在一起，達(dá)到限制二者相動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。在左邊主視圖中，下面的兩個(gè)圓孔與豎直線(xiàn)的夾角均為36.176。，用來(lái)安裝與長(zhǎng)桿GF相連的銷(xiāo)釘。安放不同位置可以改變AG桿的桿長(zhǎng)。3) 連接軸連接軸是連接整個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，它在轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)分度功能。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(dòng)大齒輪，二者過(guò)盈配合，靠鍵來(lái)帶動(dòng)其周向轉(zhuǎn)動(dòng)；右端的螺紋軸用來(lái)連接整個(gè)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，靠鎖緊螺母加定位銷(xiāo)來(lái)限定其周向轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，軸的中間開(kāi)一通孔，用來(lái)布置擺動(dòng)電機(jī)的控制線(xiàn)。4) 齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)過(guò)程中都要使用齒輪來(lái)減速以避免電機(jī)工作在底速狀態(tài)下。其主要參數(shù)如下：模數(shù)： 2 m= ；齒數(shù)：125 z = ；2100 z = ；壓力角：a=20176。精度等級(jí)8級(jí)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(duì)于整個(gè)工具的運(yùn)動(dòng)還需要其他輔助零件的支持。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]。 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(guān)如圖224所示。工具的轉(zhuǎn)動(dòng)部分封裝在箱體內(nèi)部，其擺動(dòng)部分圍繞連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鏟子采用雙面鏟，其優(yōu)點(diǎn)是正擺和反擺過(guò)程中均能對(duì)物料進(jìn)行推動(dòng)。本樣機(jī)主要是對(duì)工具進(jìn)行炒菜實(shí)驗(yàn)，所以鍋具采用固定式，在工具動(dòng)作的時(shí)候，鍋具沒(méi)有產(chǎn)生與之相配合的動(dòng)作，此外，該實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有火控單元、加料單元等輔助機(jī)構(gòu)的參與，其相應(yīng)動(dòng)作由廚師人工完成。2004年12月下旬在揚(yáng)州大學(xué)烹飪學(xué)院進(jìn)行炒菜實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)的加料、出料和火控等由廚師完成，工具動(dòng)作由實(shí)驗(yàn)人員完成，他們?cè)趶N師的指點(diǎn)下，向PLc發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制設(shè)備動(dòng)作。菜肴的炒制時(shí)間由廚師憑借經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)炒制情況來(lái)確定。圖225和圖226分別是用本論文所設(shè)計(jì)的工具炒制出來(lái)的青椒肉絲和豆腐，經(jīng)過(guò)廚師的鑒定，效果很好。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。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。通過(guò)炒菜實(shí)驗(yàn)看出該試驗(yàn)樣機(jī)具有炒制基本菜肴的功能，實(shí)現(xiàn)了本論文對(duì)工具設(shè)計(jì)所提出的要求和技術(shù)指標(biāo)。在炒制菜肴的過(guò)程中，除了輔助單元要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作由廚師手動(dòng)完成外，其它動(dòng)作均由炒菜機(jī)工具動(dòng)作獨(dú)立完成。對(duì)于某些復(fù)雜菜肴的炒制，可以在整個(gè)炒菜機(jī)設(shè)計(jì)完之后，加入鍋具配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，從炒菜效果和炒菜種類(lèi)方面考慮該設(shè)計(jì)是成功的。此外，工具試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)鍋具的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。但是，該試驗(yàn)樣機(jī)還存在著不少問(wèn)題，比如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有一定的振動(dòng)和噪聲，擺動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率越大，機(jī)器振動(dòng)的幅度和噪聲就越大，機(jī)械運(yùn)動(dòng)不夠靈活對(duì)炒菜肴效果有一定的影響。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(mǎn)意的炒菜機(jī)。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。它除了具有晃、顛、翻等基本動(dòng)作之外，還要根據(jù)所用食譜和食材的不同完成某些特殊動(dòng)作。炒菜時(shí)有些菜需要用冷油，有些需要用熱油，有些用小火，有些用中火或者大火，有些需要局部高溫，有些又必須使鍋全熱，因此，鍋具的運(yùn)動(dòng)方向、速度、加速度等特性直接影響著菜肴制作的質(zhì)量。在烹飪過(guò)程中，鍋具的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，下面是針對(duì)本課題所要設(shè)計(jì)的鍋具應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體運(yùn)動(dòng)要求：1) 晃鍋運(yùn)動(dòng) 晃鍋運(yùn)動(dòng)為直線(xiàn)(弧線(xiàn))擺動(dòng)，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動(dòng)，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：晃鍋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。(2) 旋鍋運(yùn)動(dòng) 旋鍋運(yùn)動(dòng)為鍋在鍋口平面內(nèi)作圓周平動(dòng)，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動(dòng)，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：旋鍋運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度參考廚師炒菜動(dòng)作。(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)。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(mǎn)足物料能在鍋內(nèi)翻動(dòng)。(4) 鍋具傾倒運(yùn)動(dòng)) 滿(mǎn)足空油、出料所需的傾倒運(yùn)動(dòng)，目的是傾倒出鍋內(nèi)的物料。 鍋具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案 鍋具運(yùn)動(dòng)方案一采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)[3037]。過(guò)控制三個(gè)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)晃鍋、顛鍋、翻鍋和傾倒等動(dòng)作。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、傳動(dòng)鏈短、精度高、成本低和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué),特別是正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解尤其復(fù)雜,導(dǎo)致控制的難度加大且會(huì)降低控制的實(shí)時(shí)性。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有時(shí)無(wú)法求出封閉解,有時(shí)只得用迭代法求其數(shù)值解。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。②迭代法有時(shí)根本得不到正確的解。因此迭代法不能用于調(diào)整、實(shí)時(shí)性和控制要求很高的工程中。 鍋具運(yùn)動(dòng)方案二將鍋具所要求的三個(gè)運(yùn)動(dòng)分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，然后再組合[38]。圖3－6是一平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，利用其連桿上點(diǎn)的活躍性，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)平面晃鍋動(dòng)作；圖3－7是一空間凸輪機(jī)構(gòu)，兩板之間靠萬(wàn)向聯(lián)軸器聯(lián)接，鍋具放在上支撐板上，當(dāng)凸輪座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鍋具在空間范圍內(nèi)晃動(dòng)；圖3－8是一顛鍋機(jī)構(gòu)，鍋具的把柄和搖塊焊接在一起，當(dāng)右邊曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)鍋具上下顛簸。采用這三種機(jī)構(gòu)可以分別實(shí)現(xiàn)鍋具的三個(gè)動(dòng)作。炒菜過(guò)程中，鍋具既有平面晃動(dòng)，又有上下顛動(dòng)，如果將三種機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，就能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。把凸輪機(jī)構(gòu)中的凸輪座連接在四桿機(jī)構(gòu)的連桿上，顛鍋機(jī)構(gòu)的底座固定在凸輪機(jī)構(gòu)的上支撐板上，這樣組合的機(jī)構(gòu)通過(guò)程序控制可以很好地實(shí)現(xiàn)鍋的平面、空間晃動(dòng)和上下顛動(dòng)。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。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。圖39是用Solidworks模擬平面四桿機(jī)構(gòu)所得其連桿上某點(diǎn)的加速度特性，圖310是模擬顛鍋機(jī)構(gòu)所得其把柄頂端的加速度特性，各桿的尺寸單位為mm，設(shè)定曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均為1Hz，從圖中可以看出，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，其最大加速度超過(guò)g。該方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)鍋具的三種動(dòng)作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，控制簡(jiǎn)單。但是復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)雜，精度低，剛度低、傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，特別是凸輪機(jī)構(gòu)和顛鍋機(jī)構(gòu)，其動(dòng)力原件及輔助原件都要隨著鍋具一起運(yùn)動(dòng)，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。 鍋具運(yùn)動(dòng)方案三受上述方案二的啟發(fā)，平面四桿機(jī)構(gòu)可以提供滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的加速度特性，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)了晃鍋運(yùn)動(dòng)和顛鍋運(yùn)動(dòng)，因此，我們?cè)O(shè)想一種機(jī)構(gòu)把兩種情況綜合起來(lái)。圖311所示的機(jī)構(gòu)，鍋具實(shí)現(xiàn)水平方向的晃動(dòng)，其軌跡在水平面內(nèi)是一個(gè)橢圓；鍋具實(shí)現(xiàn)豎直方向的顛動(dòng)，其軌跡在垂直面內(nèi)是一個(gè)橢圓。在整個(gè)炒菜過(guò)程中，鍋具的運(yùn)動(dòng)是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，既有晃鍋，又有顛鍋。把上述兩種機(jī)構(gòu)組合起來(lái)就可以滿(mǎn)足要求。設(shè)計(jì)一種連接部件如圖313所示。套固定在鍋柄上，銷(xiāo)嵌在套中，曲柄連接在銷(xiāo)上。當(dāng)曲柄在豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲柄帶動(dòng)銷(xiāo)、套、鍋柄運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顛鍋運(yùn)動(dòng)；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)連接曲柄的支撐板，使銷(xiāo)沿著套轉(zhuǎn)到右圖所示的曲柄水平位置。這時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，便帶動(dòng)鍋具作水平面內(nèi)的晃動(dòng)。當(dāng)曲柄處于豎直平面內(nèi)的最點(diǎn)端時(shí)，曲柄和鍋柄卡在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)連接曲柄的支撐板帶著銷(xiāo)和鍋柄轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)倒鍋的功能。該方案使用一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顛鍋、晃鍋、倒鍋等絕大部分鍋具動(dòng)作，且控制簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄的轉(zhuǎn)速和長(zhǎng)度改變鍋具晃動(dòng)的幅度，實(shí)現(xiàn)小翻、大翻等動(dòng)作。但是由于鍋具運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊較大，而該結(jié)構(gòu)所采用單邊支撐的方式，整個(gè)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性會(huì)受到很大影響。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。 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?、剛度及?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。鑒于上述三種方案的比較結(jié)果，可以看出方案三明顯優(yōu)于方案一和方案二，因此，本論文選用方案三作為研究方向。 方案優(yōu)化前面提到，在鍋具的設(shè)計(jì)中，加速度的確定是最重要的，太大的加速度會(huì)使物料晃出鍋外，從環(huán)境和安全方面考慮是絕對(duì)不允許的；太小的加速度又無(wú)法使物料在鍋內(nèi)晃動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生一定的加速度，其大小隨著曲柄尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的變化而變化[39]。對(duì)于平面晃鍋，為了能讓物料在鍋內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則2 mωr181。mg ○1即物料與鍋具的摩擦力無(wú)法提供物料的向心加速度。，r為物料的旋轉(zhuǎn)半徑，由于鍋具晃動(dòng)的軌跡是一近似橢圓，所以r 不是固定值，這里按鍋具中心點(diǎn)計(jì)算，代表一般情況。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。圖314反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長(zhǎng)度之間的關(guān)系。取L1=170，L2=450，則由圖中可以得到：221 1 1 rLr r rLLL≈= =? 長(zhǎng) （11 rL ）； ○21rr=短； ○3wrwLr?1短11＝ ； 1wrwr≈長(zhǎng) ○4初選r1=30mm，在橢圓長(zhǎng)軸處代入公式○1得：12rg wrL μ=；在橢圓短軸處代入公式○1得：11121Lr gwrLr?+μ=；上述分析可以看出，只要w＞。而且角速度越大，其晃動(dòng)越劇烈，對(duì)于翻動(dòng)物料越有利，但是，過(guò)大的加速度又會(huì)使物料飛出鍋外，因此必須限定曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角速度。對(duì)物料受力分析如圖315所示。水平方向上： 2sin cos mw r N f θ θ +豎直方向上： cos sin Nfmg θ θ = +f N =μ由上述三個(gè)公式可以推出：2 sin coscos sinwr gθ θθ θ+?μμ取θ＝30176。，μ=。在橢圓長(zhǎng)軸處，將公式○2 、○3 、○4 代入得：w＜，將公式○2 、○3 、○4 代入得：w＜，則應(yīng)取w的