【文章內容簡介】 傳輸。 自動烹調機系統(tǒng)采用PC加運動控制卡的結構，運動控制卡是自動烹調機控制系統(tǒng)的核心之一，是整個系統(tǒng)得以運行的關鍵所在，自動烹調機整個控制系統(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，應該盡量選擇經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，驅動烹調機執(zhí)行機構運動的驅動部件。包括進給驅動單元（主要有速度控制和位置控制）、進給電機、鍋蓋翻轉驅動和鍋旋轉驅動單元等。這里的伺服驅動系統(tǒng)要求有好的快速響應性能，以及能靈敏而準確地跟蹤指令功能。在本設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的電路組成，其作用是檢測速度、位移和溫度等。 烹調機本體包括基礎框架、運動機構等機械部件。烹調機本體結構得到了下面幾個特點：（1）由于采用了進給伺服系統(tǒng)裝置，烹調機的機械傳動得到了簡化，傳動鏈較短。（2）烹調機的機械結構具有較高的動態(tài)特征、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。適應連續(xù)地自動烹調。（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）。自動烹調機應能夠通過各個機構的協(xié)調工作而很好的模仿人手炒菜時鍋鏟的動作，并自動控制烹調火候，在烹調技法所要求的火候時機以烹調技法所要求的方式進行物料投放、翻炒和盛出等烹調基本操作。在中式烹調中，主要包括了42中烹調方法：炙、烤、烙、煎、炸、炒、熘、煮、蒸、勾芡等等。這42中烹調方法各不相同，而且每一種方法又有很多細分，中式烹調技法千變萬化，因而很難將所有的烹調技法一一列出，可以通過分類歸納，將這些烹調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，通過調用的方式來實現(xiàn)烹調方法的自動化。那么對烹調自動化系統(tǒng)的功能要求歸結起來包括：（1） 實現(xiàn)人手烹調時的翻炒、撥散、攪拌、盛出等動作；（2） 能夠自動投放原料和調味料；（3） 能適應烹調方法的要求；（4） 能控制火候，達到預期風味；（5） 有良好的擴展性，即能適應新菜式的烹調要求。 本課題要研究的就是其中一部分，即鍋的定位及鍋蓋翻轉機構設計，要求能夠實現(xiàn)均勻翻炒，達到使鍋內所有被烹調物均勻受熱的目的；另外同時滿足鍋蓋翻轉與鍋蓋機構和投料裝置不發(fā)生干涉。2．3 設計方案根據上述的烹調機的總體結構，其系統(tǒng)機械結構主要包括：鍋鏟機械手、鍋定位及旋轉機構、鍋蓋翻轉機構和送投料機構。同時需要一個機架作為支撐載體將這些結構結合為一個整體。2．3．1 機架機架是整個機構的載體，用來支撐整個機構。由于目前為設計的初級階段，主要是鍋定位及鍋蓋翻轉機構的實現(xiàn)，因此，機架的設計并未一步到未，只是按整機的功能構建一個不銹鋼基礎框架。至于外觀設計，將在以后功能得到完善后，按照工業(yè)設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)階段機架的設計，主要是根據自動烹調機水平和縱向的烹調動作行程與相關機構的協(xié)調、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，并且經常經受油煙等污染，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原理圖如圖23所示。圖23鍋鏟機械手機構原理圖Fig. 23 Machine hand organization principle pursues a slice 鍋鏟機械手機構主要由： 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，電動機主軸轉動帶動大帶輪旋轉，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、小帶輪的旋轉而改變桿的長度，電動機主軸正轉時推拉桿伸長，反之，反轉時推拉桿縮短，最終使鍋鏟5得以實現(xiàn)翻轉。而鍋鏟的左右及前后運動則是通過運動小車在導軌的運動實現(xiàn)的。 2) 機構自由度的計算 由圖23不難看出，此機構共有5個活動構件（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，故機構的自由度為： 由此可以看出該機構具有確定的運動，即只要電動機旋轉，便可帶動鍋鏟機械手運動。2．3．3鍋旋轉機構1) 組成及工作原理鍋旋轉機構原理圖如圖24所示。圖24 鍋旋轉機構原理圖 Boiler revolution organization principle picture 鍋旋轉機構主要由： 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主軸旋轉帶動小齒輪2轉動，小齒輪和大齒輪通過外嚙合帶動大齒輪轉動，鍋放在大齒輪內圓面的焊接鍋支架上，整個機構便可運動起來。關于鍋的定位等問題將在第三章的鍋定位及旋轉機構的設計中具體分析與設計。 2) 機構自由度的計算：由圖24不難看出，此機構共有3個活動構件（即電動機小齒輪大齒輪3）4個低副，故機構的自由度為 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。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 Pot cover overturns organization principle picture 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 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。3 鍋定位及鍋蓋翻轉機構的設計及計算3．1 引言 根據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、數據手套、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量。虛擬設計主要是開發(fā)設計新產品，建立產品的數字模型，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。 根據需要，對產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