【文章內(nèi)容簡介】 傳輸。 自動烹調(diào)機系統(tǒng)采用PC加運動控制卡的結(jié)構(gòu)，運動控制卡是自動烹調(diào)機控制系統(tǒng)的核心之一，是整個系統(tǒng)得以運行的關(guān)鍵所在，自動烹調(diào)機整個控制系統(tǒng)要求并不需要很精確，鍋鏟只要能有效鏟起鍋中懂得物料即可，因此選擇開環(huán)式控制是最合適的，也有利于控制系統(tǒng)的簡化，提高系統(tǒng)運行的可靠性，應(yīng)該盡量選擇經(jīng)濟實用型運動控制卡，同時要求能夠在控制軟件開發(fā)方面快速且方便。 伺服系統(tǒng)是接收計算機的指令，驅(qū)動烹調(diào)機執(zhí)行機構(gòu)運動的驅(qū)動部件。包括進給驅(qū)動單元（主要有速度控制和位置控制）、進給電機、鍋蓋翻轉(zhuǎn)驅(qū)動和鍋旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元等。這里的伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求有好的快速響應(yīng)性能，以及能靈敏而準確地跟蹤指令功能。在本設(shè)計中主要采用步進電機和直流電機。 檢測反饋裝置由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測速度、位移和溫度等。 烹調(diào)機本體包括基礎(chǔ)框架、運動機構(gòu)等機械部件。烹調(diào)機本體結(jié)構(gòu)得到了下面幾個特點：（1）由于采用了進給伺服系統(tǒng)裝置，烹調(diào)機的機械傳動得到了簡化，傳動鏈較短。（2）烹調(diào)機的機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)特征、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。適應(yīng)連續(xù)地自動烹調(diào)。（3）采用高效傳動件。為了保證自動烹飪機的功能得到充分發(fā)揮，還有一些配套部件（如防水、隔熱潤滑、清潔、報警等一系列裝置）。自動烹調(diào)機應(yīng)能夠通過各個機構(gòu)的協(xié)調(diào)工作而很好的模仿人手炒菜時鍋鏟的動作，并自動控制烹調(diào)火候，在烹調(diào)技法所要求的火候時機以烹調(diào)技法所要求的方式進行物料投放、翻炒和盛出等烹調(diào)基本操作。在中式烹調(diào)中，主要包括了42中烹調(diào)方法：炙、烤、烙、煎、炸、炒、熘、煮、蒸、勾芡等等。這42中烹調(diào)方法各不相同，而且每一種方法又有很多細分，中式烹調(diào)技法千變?nèi)f化，因而很難將所有的烹調(diào)技法一一列出，可以通過分類歸納，將這些烹調(diào)方法中相似或相近的方法集合成一種動作，在程序里將其編成一個功能子程序，通過調(diào)用的方式來實現(xiàn)烹調(diào)方法的自動化。那么對烹調(diào)自動化系統(tǒng)的功能要求歸結(jié)起來包括：（1） 實現(xiàn)人手烹調(diào)時的翻炒、撥散、攪拌、盛出等動作；（2） 能夠自動投放原料和調(diào)味料；（3） 能適應(yīng)烹調(diào)方法的要求；（4） 能控制火候，達到預(yù)期風(fēng)味；（5） 有良好的擴展性，即能適應(yīng)新菜式的烹調(diào)要求。 本課題要研究的就是其中一部分，即鍋的定位及鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計，要求能夠?qū)崿F(xiàn)均勻翻炒，達到使鍋內(nèi)所有被烹調(diào)物均勻受熱的目的；另外同時滿足鍋蓋翻轉(zhuǎn)與鍋蓋機構(gòu)和投料裝置不發(fā)生干涉。2．3 設(shè)計方案根據(jù)上述的烹調(diào)機的總體結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要包括：鍋鏟機械手、鍋定位及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和送投料機構(gòu)。同時需要一個機架作為支撐載體將這些結(jié)構(gòu)結(jié)合為一個整體。2．3．1 機架機架是整個機構(gòu)的載體，用來支撐整個機構(gòu)。由于目前為設(shè)計的初級階段，主要是鍋定位及鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的實現(xiàn)，因此，機架的設(shè)計并未一步到未，只是按整機的功能構(gòu)建一個不銹鋼基礎(chǔ)框架。至于外觀設(shè)計，將在以后功能得到完善后，按照工業(yè)設(shè)計的標準和審美的需要進行改造。圖22 機 架Fig. 22 The machine frame如圖22，現(xiàn)階段機架的設(shè)計，主要是根據(jù)自動烹調(diào)機水平和縱向的烹調(diào)動作行程與相關(guān)機構(gòu)的協(xié)調(diào)、使用者的空間需要等方面來進行。由于機架長期處于較高溫度的環(huán)境中，并且經(jīng)常經(jīng)受油煙等污染，所以機架材料選擇不銹鋼，它不易生銹，而且容易清洗打理。2．3．2 鍋鏟機械手1) 組成及工作原理鍋鏟機械手的機構(gòu)原理圖如圖23所示。圖23鍋鏟機械手機構(gòu)原理圖Fig. 23 Machine hand organization principle pursues a slice 鍋鏟機械手機構(gòu)主要由： 1—大帶輪 2—V帶 3—小帶輪 4—推拉桿 5—鍋鏟等五部分組成。其工作原理是電動機主軸安裝在大帶輪1上，電動機主軸轉(zhuǎn)動帶動大帶輪旋轉(zhuǎn)，從而通過V帶2也帶動小帶輪3運動起來，大、小帶輪均安裝在電機安裝板上。推拉桿4旋繞在小帶輪上，通過大、小帶輪的旋轉(zhuǎn)而改變桿的長度，電動機主軸正轉(zhuǎn)時推拉桿伸長，反之，反轉(zhuǎn)時推拉桿縮短，最終使鍋鏟5得以實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。而鍋鏟的左右及前后運動則是通過運動小車在導(dǎo)軌的運動實現(xiàn)的。 2) 機構(gòu)自由度的計算 由圖23不難看出，此機構(gòu)共有5個活動構(gòu)件（即大帶輪V帶小帶輪推拉桿4與鍋鏟5），7個低副，沒有高副，故機構(gòu)的自由度為： 由此可以看出該機構(gòu)具有確定的運動，即只要電動機旋轉(zhuǎn)，便可帶動鍋鏟機械手運動。2．3．3鍋旋轉(zhuǎn)機構(gòu)1) 組成及工作原理鍋旋轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖如圖24所示。圖24 鍋旋轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖 Boiler revolution organization principle picture 鍋旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由： 1—電動機 2—主動輪（小齒輪） 3—從動輪（大齒輪）等組成。其工作原理是電動機1主軸旋轉(zhuǎn)帶動小齒輪2轉(zhuǎn)動，小齒輪和大齒輪通過外嚙合帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，鍋放在大齒輪內(nèi)圓面的焊接鍋支架上，整個機構(gòu)便可運動起來。關(guān)于鍋的定位等問題將在第三章的鍋定位及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計中具體分析與設(shè)計。 2) 機構(gòu)自由度的計算：由圖24不難看出，此機構(gòu)共有3個活動構(gòu)件（即電動機小齒輪大齒輪3）4個低副，故機構(gòu)的自由度為 由此可以看出該機構(gòu)具有確定的運動，即只要電動機主軸旋轉(zhuǎn)，便可帶動鍋旋轉(zhuǎn)。2．3．4 鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)1) 組成及工作原理 鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖如圖25所示。圖25 鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖 Pot cover overturns organization principle picture 鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動方向控制著鍋蓋的開合，當電動機主軸正轉(zhuǎn)時，鍋蓋閉合；當電動機主軸反轉(zhuǎn)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(gòu)自由度的計算： 由圖25不難看出，此機構(gòu)共有1個活動件，1個低副，故機構(gòu)的自由度為 由此可以看出該機構(gòu)具有確定的運動，即只要電動機轉(zhuǎn)動，便可帶動整個機構(gòu)運動起來。2．4 小結(jié)本章主要介紹了自動烹調(diào)機總體結(jié)構(gòu)組成及其工作原理：1）自動烹調(diào)機主要由控制計算機部分、伺服驅(qū)動部分、檢測部分以及機械運動部分組成。自動烹調(diào)機的運動部分主要是翻炒運動、鍋旋轉(zhuǎn)運動、鍋蓋翻轉(zhuǎn)運動和送投料運動。2）詳細闡述說明自動烹調(diào)機的基本工作原理，并且對烹調(diào)機本體的各部分機構(gòu)（包括鍋鏟機械手、鍋旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)等）分別進行分析。3）畫出各機構(gòu)的機構(gòu)原理圖以及機構(gòu)自由度的計算，最終驗證各機構(gòu)是否有確定的運動，為后面的研究作好鋪墊工作。3 鍋定位及鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計及計算3．1 引言 根據(jù)第二章所述的烹調(diào)機的總體結(jié)構(gòu)，自動烹調(diào)機的機械結(jié)構(gòu)主要包括：鍋鏟機械手、鍋定位及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)和送料機構(gòu)。本章將對鍋定位及鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)進行具體分析設(shè)計及計算，自動烹調(diào)機的鍋定位及鍋蓋翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是通過機構(gòu)實現(xiàn)均勻翻炒，使鍋內(nèi)所有被烹調(diào)物均勻受熱的目的，同時保證鍋蓋翻轉(zhuǎn)時與鍋蓋機構(gòu)和投料裝置不發(fā)生干涉。3．2 基于SolidWorks的虛擬設(shè)計虛擬設(shè)計（Virtual Design，VD）開發(fā)是數(shù)字化產(chǎn)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(shè)備以及軟件可以營造一個三維的虛擬環(huán)境，設(shè)計者能夠多方位、多形態(tài)地與設(shè)計對象交互，提高設(shè)計者和所設(shè)計的實體之間的互動性。在將來，從消費者對產(chǎn)品設(shè)計和制造的約定到對產(chǎn)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(shè)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(chǎn)品的外型，性能、生命周期、成本，也確定了產(chǎn)品交接的時間和數(shù)量。虛擬設(shè)計主要是開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品，建立產(chǎn)品的數(shù)字模型，用于整個企業(yè)的各個部門。通過對產(chǎn)品的實時性功能仿真，工程師、設(shè)計人員或用戶可以在產(chǎn)品生命周期內(nèi)尋求其最優(yōu)化設(shè)計，在計算機中對產(chǎn)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(chǎn)品的外觀形狀、裝配、加工工藝、材質(zhì)等。這種功能為制造商提供了前所未有的技術(shù)，使他們更快、更全面地了解想象中的產(chǎn)品，這將提高他們的競爭力。虛擬設(shè)計（VD）主要涉及到以下幾方面內(nèi)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(chǎn)品各零部件的實體模型。虛擬產(chǎn)品設(shè)計過程中還應(yīng)充分得體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計方法論如并行工程等思想 ，充分利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和PDM所構(gòu)造的并行設(shè)計與管理環(huán)境，采用數(shù)字化產(chǎn)品模型，并能用不完備產(chǎn)品模型和迷糊產(chǎn)品來仿真產(chǎn)品全生命周期。2．虛擬分析。 根據(jù)需要，對產(chǎn)品進行人機工程分析、干涉分析、有限元分析等。有限元分析是用來檢驗產(chǎn)品可靠性和性能的，它可以預(yù)測復(fù)雜零部件的應(yīng)力、變形、溫度等。在設(shè)計階段，使用有限元分析能夠幫助做出設(shè)計選擇，可以避免重復(fù)設(shè)計制造造成的時間和成本的浪費。3．仿真。 對虛擬產(chǎn)品設(shè)計過程的仿真包括：①虛擬產(chǎn)品模型的演變過程的仿真；②虛擬產(chǎn)品性能仿真，包括運動學(xué)、動力學(xué)、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(chǎn)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(jié)和繼承了大型機械CAD軟件優(yōu)點的基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實現(xiàn)的第一個機械CAD軟件，是面向產(chǎn)品級的機械設(shè)計工具。它全面采用非全約束的特征建模技術(shù)，為設(shè)計者提供了極強的設(shè)計靈活性。其設(shè)計過程的全相關(guān)性，即零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的完全動態(tài)連接，使得設(shè)計者可以在設(shè)計過程的任何階段修改設(shè)計，同時牽動相關(guān)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(shè)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?qū)⒃O(shè)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(cè)，設(shè)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(chǔ)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(nèi)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(shè)計。SolidWorks不是一個簡單的實體建模工具，而是一個面向產(chǎn)品級的機械設(shè)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(shè)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(shè)計新零件，更加符合工程習(xí)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(shè)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(guān)聯(lián)到整個設(shè)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(shè)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(zhì)的渲染功能，可有效地展示概念設(shè)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(chǎn)品的外觀和性能，縮短產(chǎn)品設(shè)計的周期，減少新產(chǎn)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(wǎng)站展示。本研究選取SolidWorks作為虛擬設(shè)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(shè)計者對零部件的結(jié)構(gòu)特征有全面的了解。這樣設(shè)計者在設(shè)計各零部件時可有的放矢，零部件的再設(shè)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(shè)計，為我們基于全局約束的裝配設(shè)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(shè)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(chǎn)品生命周期的一個重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)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(chǎn)品的生產(chǎn)過程中大約1/3左右的人力在從事產(chǎn)品裝配有關(guān)活動，40%以上的生產(chǎn)費用用于產(chǎn)品的裝配和調(diào)試，產(chǎn)品裝配所需工時占產(chǎn)品生產(chǎn)制造總工時的40%60%。另據(jù)有關(guān)研究表明，在產(chǎn)品設(shè)計中良好的裝配設(shè)計，可減少20%40%的制造費。同時提高100%200%的生產(chǎn)率。因此，良好的裝配設(shè)計和裝配性能，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品成本和提高市場競爭力具有十分重要的意義。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，對裝配問題考慮越早，所獲取的 質(zhì)量、成本和時間效應(yīng)就越明顯。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，特別是實體造型功能和特征造型技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計者可以方便地設(shè)計出各種形狀的零件。輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，將設(shè)計好的零件裝配成產(chǎn)品，這是目前CAD系統(tǒng)可以支持的一種自底而上（Bottomup）的設(shè)計過程；另一種是自頂而下（Topdown）的方法，即在零件設(shè)計的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計之后，再實現(xiàn)單個零件的詳細設(shè)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(shè)計過程。他的主要思路是先設(shè)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