【文章內(nèi)容簡介】 －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。工具安裝在最下端的工具板上，并與兩長桿用彈簧連接，擺動電機(jī)安裝在擺動小齒輪的背面，帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，其控制錢通過連接軸的中心孔引到機(jī)架，從而避免了在工具轉(zhuǎn)動過程中控制線和零件發(fā)生干涉。對建模后的整個(gè)裝配產(chǎn)品，運(yùn)用Solidworks分析檢查是否會發(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)問題，減少開發(fā)周期，節(jié)省開發(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)。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(jì)算得到，只有通過實(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)來大致計(jì)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)。對于轉(zhuǎn)動過程中所需力矩估算如下：M mgr FR = + μ 。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。代入計(jì)算得M= . Nm。大小齒輪的傳動比為4：1， . Nm。如果再考慮到機(jī)械運(yùn)動過程中的摩擦以及由于加工精度帶來的機(jī)械問題等因素，轉(zhuǎn)動電機(jī)的力矩應(yīng)大于1 . Nm。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。大小齒輪的傳動比為4：1， . Nm。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。表22是選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)。為了便于采購，將兩個(gè)電機(jī)選用同一型號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，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)整好小連桿的對齊位置后，通過緊擰鎖緊螺釘來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)到限制二者相動轉(zhuǎn)動的作用。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。，用來安裝與長桿GF相連的銷釘。安放不同位置可以改變AG桿的桿長。3) 連接軸連接軸是連接整個(gè)擺動機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸，它在轉(zhuǎn)動電機(jī)的帶動下實(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。此外，軸的中間開一通孔，用來布置擺動電機(jī)的控制線。4) 齒輪在轉(zhuǎn)動和擺動過程中都要使用齒輪來減速以避免電機(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。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)，其外觀如圖224所示。工具的轉(zhuǎn)動部分封裝在箱體內(nèi)部，其擺動部分圍繞連接軸轉(zhuǎn)動，鏟子采用雙面鏟，其優(yōu)點(diǎn)是正擺和反擺過程中均能對物料進(jìn)行推動。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)。現(xiàn)場的加料、出料和火控等由廚師完成，工具動作由實(shí)驗(yàn)人員完成，他們在廚師的指點(diǎn)下，向PLc發(fā)送控制命令，進(jìn)而控制設(shè)備動作。菜肴的炒制時(shí)間由廚師憑借經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場炒制情況來確定。圖225和圖226分別是用本論文所設(shè)計(jì)的工具炒制出來的青椒肉絲和豆腐，經(jīng)過廚師的鑒定，效果很好。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(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。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。通過炒菜實(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)。在炒制菜肴的過程中，除了輔助單元要實(shí)現(xiàn)的動作由廚師手動完成外，其它動作均由炒菜機(jī)工具動作獨(dú)立完成。對于某些復(fù)雜菜肴的炒制，可以在整個(gè)炒菜機(jī)設(shè)計(jì)完之后，加入鍋具配合來實(shí)現(xiàn)。所以，從炒菜效果和炒菜種類方面考慮該設(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)還存在著不少問題，比如機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有一定的振動和噪聲，擺動頻率和轉(zhuǎn)動頻率越大，機(jī)器振動的幅度和噪聲就越大，機(jī)械運(yùn)動不夠靈活對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(jì)出令人滿意的炒菜機(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。在烹飪過程中，鍋具的運(yùn)動比較復(fù)雜，下面是針對本課題所要設(shè)計(jì)的鍋具應(yīng)實(shí)現(xiàn)的具體運(yùn)動要求：1) 晃鍋運(yùn)動 晃鍋運(yùn)動為直線(弧線)擺動，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：晃鍋運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作。(2) 旋鍋運(yùn)動 旋鍋運(yùn)動為鍋在鍋口平面內(nèi)作圓周平動，目的是使鍋內(nèi)物料與鍋壁之間產(chǎn)生滑動，防止粘鍋和使物料受熱均勻。要求：旋鍋運(yùn)動頻率和運(yùn)動幅度參考廚師炒菜動作。(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。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。(4) 鍋具傾倒運(yùn)動) 滿足空油、出料所需的傾倒運(yùn)動，目的是傾倒出鍋內(nèi)的物料。 鍋具運(yùn)動實(shí)現(xiàn)方案 鍋具運(yùn)動方案一采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)[3037]。過控制三個(gè)滑塊的往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)晃鍋、顛鍋、翻鍋和傾倒等動作。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、傳動鏈短、精度高、成本低和負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是簡單的結(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。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有時(shí)無法求出封閉解,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)無法預(yù)知,計(jì)算所需的時(shí)間也無法預(yù)知,計(jì)算量過于龐大。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)動方案二將鍋具所要求的三個(gè)運(yùn)動分開實(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，可以用來實(shí)現(xiàn)平面晃鍋動作；圖3－7是一空間凸輪機(jī)構(gòu)，兩板之間靠萬向聯(lián)軸器聯(lián)接，鍋具放在上支撐板上，當(dāng)凸輪座轉(zhuǎn)動時(shí)，鍋具在空間范圍內(nèi)晃動；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)動時(shí)，帶動鍋具上下顛簸。采用這三種機(jī)構(gòu)可以分別實(shí)現(xiàn)鍋具的三個(gè)動作。炒菜過程中，鍋具既有平面晃動，又有上下顛動，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)通過程序控制可以很好地實(shí)現(xiàn)鍋的平面、空間晃動和上下顛動。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。所以對于鍋具的設(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)動頻率均為1Hz，從圖中可以看出，曲柄轉(zhuǎn)動的過程中，其最大加速度超過g。該方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)鍋具的三種動作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，控制簡單。但是復(fù)合機(jī)構(gòu)復(fù)雜，精度低，剛度低、傳動鏈長，特別是凸輪機(jī)構(gòu)和顛鍋機(jī)構(gòu)，其動力原件及輔助原件都要隨著鍋具一起運(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。 鍋具運(yùn)動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)動和顛鍋運(yùn)動，因此，我們設(shè)想一種機(jī)構(gòu)把兩種情況綜合起來。圖311所示的機(jī)構(gòu)，鍋具實(shí)現(xiàn)水平方向的晃動，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，其軌跡在垂直面內(nèi)是一個(gè)橢圓。在整個(gè)炒菜過程中，鍋具的運(yùn)動是復(fù)合運(yùn)動，既有晃鍋，又有顛鍋。把上述兩種機(jī)構(gòu)組合起來就可以滿足要求。設(shè)計(jì)一種連接部件如圖313所示。套固定在鍋柄上，銷嵌在套中，曲柄連接在銷上。當(dāng)曲柄在豎直平面轉(zhuǎn)動時(shí)，曲柄帶動銷、套、鍋柄運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)顛鍋運(yùn)動；當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)到水平位置時(shí)，轉(zhuǎn)動連接曲柄的支撐板，使銷沿著套轉(zhuǎn)到右圖所示的曲柄水平位置。這時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動，便帶動鍋具作水平面內(nèi)的晃動。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)動連接曲柄的支撐板帶著銷和鍋柄轉(zhuǎn)動，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作，且控制簡單，通過調(diào)節(jié)曲柄的轉(zhuǎn)速和長度改變鍋具晃動的幅度，實(shí)現(xiàn)小翻、大翻等動作。但是由于鍋具運(yùn)動所產(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)性會受到很大影響。此外，鍋具運(yùn)動的沖擊給套簡設(shè)計(jì)帶來一定的困難。 鍋具運(yùn)動方案選擇上述三個(gè)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(jì)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。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，太大的加速度會使物料晃出鍋外，從環(huán)境和安全方面考慮是絕對不允許的；太小的加速度又無法使物料在鍋內(nèi)晃動。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)動頻率的變化而變化[39]。對于平面晃鍋，為了能讓物料在鍋內(nèi)運(yùn)動，則2 mωr181。mg ○1即物料與鍋具的摩擦力無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。圖314反映了鍋具軌跡橢圓與曲柄長度之間的關(guān)系。取L1=170，L2=450，則由圖中可以得到：221 1 1 rLr r rLLL≈= =? 長 （11 rL ）； ○21rr=短； ○3wrwLr?1短11＝ ； 1wrwr≈長 ○4初選r1=30mm，在橢圓長軸處代入公式○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，其晃動越劇烈，對于翻動物料越有利，但是，過大的加速度又會使物料飛出鍋外，因此必須限定曲柄轉(zhuǎn)動的最大角速度。對物料受力分析如圖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