炒菜机关键机构研究与设计

摘要

目前，食品工业逐渐发展成为国民经济的重要支柱产业。本文以提高烹饪自动化水平为目标设计一种全自动炒菜机，能够实现自动炒菜和远程控制炒菜，模拟名厨制作出美味可口的菜肴。论文对炒菜机的实现方案和设计过程做了深入的分析，重点研究了炒菜机工具及锅具两关键机构的结构设计实现与控制等问题。

在研究当前国内外炒菜设备发展状况的基础上，提出自动炒菜机的技术要求。结合炒菜工艺将人工炒菜动作进行分解并研究实现这些动作的机构，对每一种机构进行分析比较，确定合理的实现方案。针对选定的设计方案建立数学模型并进行优化设计。开发机构运动学特性可视化仿真程序，通过改变机构相关特征参数，分析其运动学特性，根据分析结果优选设计方案。运用Solidworks软件，对方案进行建模、仿真，得到其位移、速度、加速度等动力学特征参数，进一步优化筛选，为试验样机结构的优化设计提供依据。采用模块化的编程思想，设计炒菜机控制程序。将每一种炒菜动作封装为单个模块，便于PC机和PLC联合控制。重点研究了基于模块化思想的炒菜机控制程序的开发问题。

1 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题来源

应深圳繁兴科技有限公司委托，研制能够自动烹调部分中式菜肴，达到中式烹调技法要求的自动炒菜机。

1.1.2 研发背景

烹饪，就是将被烹调物以炒、爆、煎、炸、烧、蒸、溜等各种主要烹调技法加热至预期火候状态，辅以调味品，达到预期的甜、酸、苦、辣等口味和香、脆、酥、嫩等风味效果。烹饪的开始也就是人类文明的开始。劳动人民在长期的生活实践过程中，细心观察、不断总结，积累了丰富的经验，使中国烹饪在原料的选择、烹饪方法以及菜肴的色、香、味、形等方面都带有鲜明的中国特色。烹饪的目的是为满足各类人群的饮食和健康需要，为人们提供营养、卫生、富有风味特色和品种多样的食品。实现这—过程的一个重要条件是烹饪器具及相关设备。智能烹饪机能够将厨房这个“大容器”中的厨事操作活动全部浓缩在其中进行，从而将人们从烦杂的烹饪任务中解脱出来，轻松便捷地获得有着专业厨艺水平的健康美食[2]。

1.1.3 课题的目的

随着经济的发展、社会的进步，物质生活越来越成为人们关注的对象。吃是人们赖以生存的条件，关系到人的生命的延续，是物质生活的第一需求。吃的水平高低，标志着一个国家，一个民族的生活水平、社会物质生产、科学文化进步的程度。中国烹饪历经几千年，前辈厨师的生产实践，积累了很多宝贵的经验本课题的主要目的在于研制一种自动烹饪机，它能够自动控制烹调火候，在烹调技法所要求的火候时机以烹调技法所要求的方式进行物料投放、翻动和盛出等烹调基本操作，自动完成烹调全过程并能自动实现多种基本烹调技法主要是中式基本烹调技法。

1.1.4 课题意义

人们要很好的生活、工作、劳动，就必须有健康的身体。一个人的体质好坏与饮食有着密切的关系。人类进入高度文明的今天，人们不但要吃得饱而且要吃得好。否则，很可能会出现“后天失调”的现象。要吃得好，饭菜的品种必须多样化，富有营养，清洁卫生，而且在色、香、味、形上给人以美的感受。因此就需要懂得点烹调知识以掌握科学的制作技术。中国菜肴烹饪的历史源远流长，制作十分讲究，风味也誉满天下。但对绝大多数人来说，居家做饭尤其是炒菜却是件很麻烦的事，而且要做好就更为不易。在现代社会生活中，一方面，随着经济的发展、生活的提高以及工作的需要，几乎不再允许人们把过多的时间和精力用在做饭上，加上社会专业分工越来越细，大部分人发现除了自己所从事的工作外，对烹调的技巧越来越陌生，也不可能有充足的时间和持久的热情进行繁琐的烹调工作；另一方面，人们对吃的要求越来越高，希望在家里也能吃到通常在酒店里才能吃到的美味佳肴。

因此传统且繁琐的菜肴烹饪方式无疑已在相当程度上限制了人们追求快节奏、高品质生活的愿望。近年来，受“洋快餐”的启迪，为减轻人们做饭的负担市场上虽也相继推出一些经过配制的半成品菜肴出售，但由于食用者将其买回家后还需要再行炒作加工，既没能使人们的做饭负担问题得到以根本缓解，也难以使配制的半成品菜肴最终形成标准化和工业化的商品。

从某种意义上讲，设计一种全自动控制烹饪机来制作美味可口的菜肴，既减少劳动强度，又节约时间，提高效率，将人们从炒菜的过程中解脱出来。因此，此课题的研究具有非常重要的现实意义。

1.2 国内外相关技术的发展现状和趋势

随着现代工业的不断发展，食品工业逐渐发展成为一个很大的产业，为人们提供先进的自动化食品机械。目前世界上还没有一种实用的能完成中式菜肴制作

的自动烹调设备问世，无论在家庭和饭店，中式菜肴的烹制都主要靠人工来完成，用自动烹调设备烹制中式菜肴还基本上是空白。市场上炒菜机大多功能少、自动化程度不够高。出现这类现象的主要原因是设计者缺乏对烹饪技术和烹饪工艺全面而深刻的掌握以及现有的技术还不足以克服自动烹饪的关键问题或难点。

目前，以西餐为主的国家已经有很多食品自动生产机械，如皮萨饼、奶酪、汉堡、薯条、沙拉、鸡块、肉排等自动生产线。在国内，电磁炉，微波炉，光波炉，电饭煲，电烤箱等烹饪辅助器件在人们日常生活中都很常见[4-7]。但这些工具，均不具备智能炒菜功能，在现有技术中，厨房里使用的各种机器仅能代替人的部分工作，大量的烹饪工作仍需要人们手工完成。查阅了国内大量的专利，下面是市面上现有的一些炒菜机，大致分为三类。

1)简单搅拌型

该类产品采取工具搅拌的方式加工菜肴，锅具不动或很少运动。通过改进普通工具的形状或运动方式，采用机器人技术，控制调节机器手各关节的运动，使其能完成类似于人工炒菜的动作，例如聚拢，挤压等。这类设备的锅具基本上都做成桶状，能够进行简单地旋转晃动从而使菜在锅里旋转翻滚。虽然它们在工具运动上做了改进，能够炒制某类菜肴，但是锅具动作过于简单，采用旋转搅拌只能炒制块状小颗粒且不易破碎的菜肴。图1-1所示单头偏心搅拌炒锅，电机带动工具在锅内旋转，工具采用偏心固定在曲柄上，曲柄转动时实现对锅内物料的搅伴。图1-2中工具的轴向与其旋转方向成一定角度，从而在转动的过程中达到偏心的效果，利用工具在公转的同时自转，以产生对锅内物料的搅拌。图1-3所示多头偏心搅拌炒锅采用蒸汽加热，具有四只搅拌头对物料进行更充分、更均匀的搅拌，无需人工炒制，锅体可以倾斜，方便出入料，还可以根据客户需要配制温度传感器对加热温度和加热状态进行全过程监控。图1-4是多头燃气搅拌炒锅，该产品采用天然气、液化气或管道煤气等燃气加热，利用四只搅拌头在锅内自由伸缩，对物料进行充分、均匀的搅拌，无需人工参与，锅体可倾，出入物料方便。根据需求还可配制智能的温度传感器进行全过程跟踪监控，及时调整，全程均具有自动报警安全提示程序。图1-5是搅拌导热油炒锅，该产品采用双层加热，利用燃气燃烧加热夹层中的油料，通过热油间接加热锅内加工的物料，通过智能控制加热温度，使加热物料均匀受热。该机带有自动搅拌装置，增强炒制效果，锅体可作95°倾斜倒锅以减少人工劳动，提高工作效率。图1-6是一种对食品、药物等实现加热、翻炒、拌和、铲动、和铲出等多功能操作的机械装置，可以用于自动炒菜机中对菜肴进行多种加工操作。它使用部分球面状的锅和从球心辐射出的两个铲臂，只需在电机带动下通过控制单根主轴的正反向旋转和通过控制刹闸片拉杆拉出和压下的位置，即可实现两个铲臂转换翻炒加工工具和完成各加工动

作，可较容易地实现加工食品时进行从进料翻炒到出料洗刷锅底所需的多功能操作。

2)锅具晃动型

该类产品采取锅具动作来达到翻动菜肴。通过改进普通锅具并在其上加运动机构，使其能完成类似于人工炒菜的动作，如颠锅，晃锅等。它与前面不同的是加入了自动控制系统，晃锅、加料、火控和出菜等动作都由控制系统实现，

大大减少了人工操作。虽然这些产品加入了智能控制，但是在锅具动作上比较简单，而且少了炒菜中最灵活的部件—工具的参与。图1-7所示自动晃锅机，其工作台内的轴承座支架通过轴承和倾斜的主轴与锅体连接，锅体下部夹层内装有加热电阻丝，且锅体的底部由波浪片构成，锅体的底部有出菜口，锅体上部有相对固定的自动配料板，自动配料板的下部有主料容器和辅料容器。由于主、辅原料的添加和锅体的转动由程序控制，锅体倾斜安装，锅中主、辅原料及加工菜肴被锅底波浪片翻动，使菜肴混合均匀受热[24]。图1-8所示炒菜机由转锅及驱动系统，电磁单元及冷却系统，电脑控制系统和支架组成，功能是：控制面板上显示炒菜机的状态，有操作菜单供选择，菜单能提示操作员适时加入原料、调料、辅料，在菜单控制下，电磁单元按预定的功率、温度、时间给特定的原料加热，转锅以旋转方向、速度及倾斜角度使特定原料充分搅拌入味。图1-9所示全自动炒菜机，通过多个定时电路，控制开关火力、炒菜、加佐料及加菜的每个电机，定时加料、开关火，更换不同的电路插板即可炒不同的菜。具有自动点火、自

加水、自动配油、自动配盐、自动配酱油、自动配味精、自动配蚝油、自动配生粉、自动下主菜、自动下配菜、自动关火、自动盛出、自动洗锅、自动关机等功能。

3)复杂工具搅拌型

该类产品主要是采用特殊形状的工具来搅拌菜肴，锅具不动或运动很少。根据不同的炒菜要求设计不同的工具形状，使其能搅匀锅内物料。此外，还加入了复杂的控制系统，在工具动作、加料及时间控制上都实现了程序化。这些产品虽然能够实现部分菜肴的炒制，但是缺少了锅具的配合，其翻动菜肴的效果不好，而且工具的动作也很单调，无法实现大众化的炒菜。图1-10是卧式真空蒸汽搅拌炒锅，本产品是在真空状态下对物料进行加工处理，能最大限度保持食品的原色原味加热，以防止细菌进入发生老化，调味料易于入味，使食物富含有风味和保持良好外观。设备带有温度计和传感器易于检测锅内食品加工状态，食物在真空低温条件下，可以消除产品的过热情况，确保食品品质。锅体可倾斜，搅拌混合均匀，采用无级电磁调速，操作简便、安全。图1-11所示炒菜机包含箱体，在箱体的一侧设计有门，在箱体内腔的下部安装有发热装置，在该发热装置上安装有锅，搅拌器的轴伸入锅内，搅拌器的轴通过减速机构与电动机连接。图1-12是一种机械化炒菜机。该机由一套加料机构，移动翻转炒锅、翻炒机、刷锅机、火力控制机构组成。其中，移动翻转炒锅支撑在轮架上，可以翻转并在机架移动，锅在机架中部炒熟菜肴后，移动到机架前部翻转倒出菜肴，再移动到机架后部刷

锅，然后翻转回直立位置并移动回机架中部，重新加料炒下一道菜。翻炒机通过锥齿轮传动机构带动翻炒勺做球面螺旋运动，对锅中的菜料进行翻炒。刷锅机由动力驱动，刷子架及其上的刷毛的轮廓与炒锅内表面的轴截面母线形状相同，实现自动刷锅。火力控制机构由燃气灶进气管路上并联的通径大小不同的两个电磁控制阀组成，打开不同的电磁控制阀，燃气流量不同以改变火力大小。

以上列举了国内现有的一些烹饪设备，从每类产品的简介中不难看出国内现有的烹饪设备或多或少具有一定的自动炒菜功能，可以完成某些简单的功能，加工简单的菜肴。第一类产品纯粹采用工具搅拌的方式，会对物料的外形产生破坏，而且将锅具罩起来防止物料飞溅的设计对被加工菜肴的种类也有很大限制；第二类产品在普通的锅具上加运动机构，使锅具能完成简单的运动，但这些动作对于实现中式菜肴复杂的操作手法和完成自动烹饪的功能还是远远不够的。第三类是在第一类基础上所做的改进，采用特殊形状的工具搅拌。就其特点和功能可以归纳如表1-1所示。

从上述比较可以看出，这三类烹饪设备所能完成的炒菜种类都很少，制作效果不好，只能面向食堂里面的大锅炒制，食物烹调起来太过粗糙，不能达到较高的品味，与本课题所要求的目标有很大出入。本课题所要研究的自动完成烹调中式菜肴功能的自动炒菜设备必须有以下几个特点：

设备小型化，服务于家庭，实现从送料到出菜的全自动化，炒菜过程中尽量减少人为动作；炒菜机设备结构简单化，动作拟人化，能基本完成厨师烹制时的动作，在色、香、味等方面达到大师的风格；充分采用现有的先进技术实现复杂的炒菜动作；操作简单、安全，具有人性化。

1.3 研究内容

本文主要从以下几个方面的研究：

1) 结合炒菜工艺和基本要求对炒菜动作进行了分解，构思实现这些动作的机构并组合为复合机构，分析每一种机构的优缺点并选择一种理想的方案；

2) 对方案进行优化，完成其结构设计并加工出试验样机；

3) 采用模块化的编程方式，对样机进行编程实现自动控制。将每一种炒菜动作封装为单个模块,便于上层应用程序的调用。

2 炒菜机工具设计

2.1 工具设计的要求和技术指标

本论文中所提到的工具均指炒菜机铲子及其相关机构的总称。工具是炒菜机的重要部件之一，它的形状和动作对于烹饪的效果有重要影响。并且对应不同的菜肴，可能选用不同的工具形状和工具运动轨迹。工具设计的核心是能够实现菜肴的搅匀和翻面。烹饪中，工具的运动比较复杂，下面是针对本课题所提出的工具应实现的具体运动和要求：

(1) 工具倾轧运动(如图2－1所示)

在炒制团状物料时，需要工具对团状的物料作倾轧运动，目的是使物料受到挤压而分散。

要求：工具倾轧运动频率和运动幅度参考厨师炒菜动作。

(2) 工具划散动作(如图2－2所示)

在炒菜的过程中，物料可能聚集在锅的底部，为了让其均匀受热，需要工具作从锅中心向周边的往复划开运动，目的是对物料进行分散。

要求：工具划散运动频率和运动幅度参考厨师炒菜动作。

(3) 工具聚拢动作(如图2－3所示)

在炒菜的过程中，物料可能分散在离锅底很远的部位，为了让其充分加热，需要工具作向锅中心的拨动运动，目的是使物料向锅中心聚拢。

要求：工具聚拢运动频率和运动幅度参考厨师炒菜

动作。

2.2 工具运动实现方案

2.2.1 工具运动方案一

根据对厨师操纵工具的观察和工具动作的目的分

析，将工具的动作分为三个运动：翻转、旋转和升降。

如图2-4所示。由电机驱动锥齿轮实现工具铲臂的

摆动，最下端的两个铲臂可以伸开或缩拢，达到翻转物

料的目的；翻转机构固定在一根旋转轴上，由电机驱动

实现其周向旋转；整个机构通过一对齿轮齿条实现升降

运动。三个动作相互配合按照一定的要求运动，可以在

空间范围内实现很复杂的轨迹。同时还能让工具具有很

好的运动学特性。为了使工具动作时不与锅具内壁发生

较大碰撞，要求三个电机有位移反馈环节，通过三者的协调控制实现对铲头部运动轨迹的控制该方案能够很好地满足设计要求，结构简单，每个动作所选用的机构都是常用机构，单个运动实现比较容易。但是总体机构精度低、刚度低、传动链长，负载能力差。特别是旋转运动和翻转运动，其动力元件及辅助元件都要随着工具一起运动，增加了机构的负载，加大了后续结构设计的困难。此外，简单的结构对应着复杂的运动学,特别是正向运动学求解尤其复杂,导致控制的难度加大且会降低控制的实时性。

2.2.2 工具运动方案二

将工具的运动分解为平面运动和圆周运动。连杆机构是一种应用十分广泛的机构。从各相关文献可以看到，平面四杆机构中连杆上点的轨迹非常活跃，在机构尺寸不变而连杆上点的位置变化时，轨迹多种多样，若再增加杆件或是改变杆件尺寸，会使最后输出点的轨迹非常丰富。图2-5是一平面七杆机构，AHD 杆作为机架，F点的轨迹千变万化。图2-6是某一尺寸下绘出的F点轨迹。

在炒菜机工具设计时结合炒菜要求，选择合理的轨迹，能实现工具在锅内翻动菜肴的目的。圆周运动采用棘轮机构，将七杆机构的机架AHD固定在棘轮机构的旋转轴上，由电机带动使固定在F点的工具沿锅具圆周方向作间歇式旋转从不同方向“推、拢、搅”动物料。在锅内转动一周，达到对所有物料的翻动。该方案有如下优点：机构实现方便，在平面四杆机构的基础上增加新的杆件进而得到新的机构，其动力源只需要两个；F点的轨迹千变万化，每根杆件尺寸的改变

都会得到不同的轨迹，通过优化设计可以得到合理的结果；控制简单，很容易实现炒菜动作。该方案有一个缺点，为了能让工具更多地接触锅底，锅具不能使用普通锅，必须专门制造，增加了制造成本。

2.2.3工具运动方案

选择上述两种方案都能得到复杂的工具轨迹，且轨迹都具有很好的运性，到炒菜机的设计要求，但它们在精度、刚度及实现难易度等方面有着很大的别，具体比较见表2－1。

鉴于上述两种方案的比较，可以看出方案二明显优于方案一，因此，本论文选择方案二作为研究方向。

2.3 方案优化

2.3.1 运动轨迹优化

对上述方案二的平面运动机构利用Solidworks建模如图2-7所示。AHD杆为机架，与圆周运动的转动轴固结在一起，AB杆作为主动件。铲具连接在F点并可以绕F点转动，具有一定的刚性和柔性。这里主要考虑到铲具在运动过程中可能与锅具发生碰撞。由于工具运动中，锅具是不动的，所以将工具做成具有柔性就可以避免与锅发生刚性碰撞。此外，工具要翻动物料和打散物料，又必须有一定的刚性。为了能兼顾两方面的问题，将铲具用一定弹性的弹簧连接在杆件EF和GF上，较好地解决了工具在运动过程中遇到的问题。图2-8上半部分是铲具顶点的运动轨迹，不同与图2-6的是加入锅具作为对照，可以更明显地看到工具在锅内的运动情况。该轨迹的下半边紧贴锅底，能较好地翻动和倾

轧物料。图2-8下半部分是用Solidworks中的COSMOSmotion插件计算出的该轨迹对应的水平方向的速度，设定条件是AB杆匀速圆周转动，运动频率是1Hz，向右方向为正方向。从该图上可以看出工具向右运动的时间（速度为正的时间段）

仅占整个运动时间的40%左右，很大

一部分时间浪费在回程，即工具的有

效工作时间段太短。此外，该轨迹还

有一个缺点，当锅具翻转倾倒物料或

是具平移的时候，工具为了避让，必

须增加一个升降运动机构，加大了方

案设计的复杂程度。为此，要对轨迹

进行优化，找到一种合适的方案，能

让轨迹的最高点超过锅边并具有急

回特性。轨迹优化设计的目的是提高

机构合理性，满足设计要求，降低生

产成本。

传统的轨迹优化问题都是通过

图解法，其特点是求解简单、直观，

但是精确度不高。随着计算机的出现

及其性能的提高，利用计算机进行机

构的仿真与设已成为一种重要手段。

三维仿真软件Solidworks在这方面

做的很成熟，可以进行机构的轨迹、

速度、加速度分析。但是在轨迹优化时，每次改变参数之后，都要重新建模分析，然后才输出结果，这样加大了工作量，增大了设计周期。为此，提出一种设计方法，其思想是针对某种特定机构，专门建立数学模型，编制仿真程序，通过调节机构的某些参数，快速地显示改变后的结果，然后根据要求合理地优化参数，节省设计时间[26]。

平面连杆机构作为重要的基本机构,可以实现特定的输入输出函数关系,形成某一段特定曲线或通过某一系列设定的点等。因此,在工业生产设计中连杆构得到了广泛的应用。对工具轨迹的优化，本论文采用现有的成熟方法—迭代设计,它是一个信息处理及反馈过程。如果运动规律能很好地满足设计任务,那么设计过程自动结束;否则,要更改某些设计变量(如尺寸),以便设计结果更好地接近设计任务。优化处理过程一般要重复进行,这种设计很大程度上依赖于设计人员的设计经验,尤其在机构的初始状态的选择上[27]。

图2-9是F点轨迹优化设计过程图。在图2-7所示机构中，ABCD是一个以AHD为机架、BC为连杆的平面曲柄摇杆机构，E是连杆上的点，G是曲柄上的

点，F点可以看作是曲柄和连杆的一个交点，整个机构看成是平面四杆机构的一

个拓展。分析完该机构之后为其所有可调参数（包括杆件长度和相关夹角）绑定变量并赋以初值。然后由己知条件将B、G点坐标时间参数化，写出其运动一周内任一点的坐标公式，参考平面四杆机构计算公式求解E点坐标。当E、G坐标已知时，由EF和GF杆长可以得到F点的坐标。最后利用MFC编制程序输出F 点轨迹图，设计人员凭借设计经验和设计要求来确定该轨迹图是否满意，如果不满意，则到参数可调区去重新设定各参数值，再一次计算F点坐标并输出轨迹，依此循环，直到轨迹达到设计要求

。

图2-10是用MFC编制的F点轨迹优化程序界面。在参数可调区内，为每一个变量关联一个控件，凭借经验选择E点处于连杆的中垂线上，F点处于E点和G点的中垂线上，曲柄AB和AG通过角度来限定两者的位置关系。在图形输出区内，粗线表示F点轨迹，细线表示普通锅具的截面图，加入了锅具对照可以清楚地看出两者之间的位置关系，给设计者一个非常直观的对比，方便用户判断该情况下的轨迹是否合适。程序中的每一个变量都可以通过调节控制条位置来改变其数值，当接收到新数值时，程序首先判断该组数据是否满足平面曲柄摇杆机构尺寸关系以及其它尺寸约束关系，如果不行则提示用户重新选择，否则就将对应的轨迹图快速地显示在图形输出区内。设计者参照设计要求不断地改变参数以得

到满意的轨迹。如图所示的一组参数得到的F点轨迹其下半部分紧贴锅底，从锅具的中间位置下铲，运动到最前端，能很好地翻动或打散菜肴，由于下铲位置比轨迹最前端的位置要高，所以菜肴不会分散于锅内四周，在工具转动一周后，菜肴主要集中在锅底附近，如果再加上锅具平面晃动，就能很好地保证菜肴集中在锅底，反过来运动也可以划散分开菜肴。分析该机构，它还具有急回特性，工具可以快速地回到初始位置，大大地增加了工具的有效工作时间，提高工作效率。此外，轨迹最高点高出锅边，让工具停留在最高点时，锅具翻倒或晃动，就不会出现运动干涉的情况，从而省去了工具的一个升降运动装置。对上述优化所得到的结果在三维软件Solidworks里进行建模仿真。利用其插件COSMOSmotion作运动分析，把AHD设为不动件，其它均为运动件，运动定义界面里设定AB杆绕Z轴转动，运动模式设为位移，作用栏内定义杆件在一秒内匀速转动一周，模拟得F点的轨迹。

优化所得的轨迹与用成熟三维软件Solidworks分析所得结果一致，说明该优化程序的模型建立是正确的，达到其预期目的。在工具的设计中，其轨迹的合理性最重要，而对速度和加速度也有一定的要求，当利用优化程序得到合适的轨迹之后，再利用三维软件模拟仿真，输出其速度和加速度特征参数。进一步凭借经验和设计要求去判断该参数是否满意。如果不行，则返回到轨迹优化程序中去调节参数，依此循环，直到在轨迹、速度和加速度均满足要求为止。

2.3.2 运动学参数分析

利用COSMOSmotion作运动分析，得到其在XY平面内的轨迹。为了更准确地描述工具的运动，可以用图表的形式把轨迹在某个方向上的投影展示出来图2-12是工具轨迹相对于其初始位置的X方向上位移，最大位移为111mm，最小位移为-141mm，其在X 方向上的总位移为252mm，略大于常用锅具的半200mm，满足设计要求。图2-13是工具轨迹相对于其初始位置的Y方向上的位移，最大位移为11mm,最小位移为-106mm，其在Y方向上的总位移为117mm，略大于常用锅具的深度110mm，工具在运动过程中的某些位置高于锅边，达到了省略工具升降机构的目的。另外，从X方向的位移图上可以看出，工具到最右端回最左端的时刻是从0.3s到0.5s，总用时约0.2s，说明机构具有急回特性，大大增加了其有效工作时间，提高工作效率。速度也是工具运动中一个非常重要的参数。它的大小直接决定炒菜的质量，过小的速度会使翻动菜肴很慢，增加工具翻炒时间，使得菜肴在锅内的加热时间过长，出现过火现象，影响菜肴的味道；过大的速度会在翻动菜肴的过程中将菜肴、油水或菜汁抛出，对环境和人生安全都有严重的影响，这是在炒菜过程中决对不允许出现的。因此，选定合适的炒菜速度是优化过程中的另一个重要内容。图2-14、2-15、2-16分别画出了工具在X方向

工作时间内运动相对平稳，而在回程内有较快的速度，充分验证了机构的急回特性。如果速度不满足设计要求，可以通过适量地增加或减少运动频率来达到设计要求，本例中选择f=1Hz。加速度是工具运动中另一个重要的参数，它直接决定工具运动速度的变化，加速度过大会增加机构的振动，加速度过小则增加了搅伴和打散物料的时间。

图

2-17、

2-18、

2-19分

别画出

了工具

在X方

工具工作期间内加速度相对稳定，而在回程中加速度很大。选择合适的运动频率同样可以控制加速度的大小，使之满足设计要求。本例中f=1Hz。工具运动包括平面摆动和周向转动，利用上述方法优化完工具摆动机构之后，接下来考虑转动机构。在前面所提的方案中采用棘轮机构来实现其分度，考虑到采用程序控制步进电机也能很好地达到设计要求，控制相对简单，而且还能保证转动精度，对机构的设计是一个很大的简化，唯一的缺点是用步进电机取代普通电机，增加了设计成本。综合两种方案的优缺点，本设计选用步进电机实现。

2.4 工具结构设计

2.4.1 工具结构布局

结构设计是把产品从构想转化为现实过程中重要的一步，它除了要保证产品的功能之外，还要考虑到节约材料、减少成本、整体美观、结构可靠[28]。图2-20是工具机构简图。整个机构固定在板件2上，步进电机3通过大小齿轮1和14带动工具做圆周转动，实现分度功能。摆动机构固定在转动轴12上，步进电机9由小齿轮8带动大齿轮（相当于件AB）来传递动力。图2-20 优化后工具机构简图(隐藏杆AG、GF) 1－转动小齿轮；2－工具固定板；3－转动电机；4－摆动大齿轮；5－摆动大齿轮转动轴；6－三角板BCE；7－杆件EF；8－摆动小齿轮；9－摆动电机；10－杆件CD；11－摆动机架；12－转动机构轴；13－滚动轴承；14－转动大齿轮

2.4.2 工具总体结构

将设计好的零部件和标准件利用

Solidworks建模、装配，得到其总体结

构见图2-21。工具安装在最下端的工

具板上，并与两长杆用弹簧连接，摆动

电机安装在摆动小齿轮的背面，带动小

齿轮转动，其控制钱通过连接轴的中心

孔引到机架，从而避免了在工具转动过

程中控制线和零件发生干涉。对建模后

的整个装配产品，运用Solidworks分

析检查是否会发生零件干涉的情况，如

果有，则返回到零件设计阶段去改进，

然后再重新建模分析，直到达到设计要

求。利用这种方法可以提前发现问题，减少开发周期，节省开发费用，该方法在整个设计阶段具有重要的现实意义。

2.4.3 主要零部件设计

1) 电机的选择

电机的选择要充分满足机构运动的最大扭矩，对于步进电机，还要考虑步距角、步距精度和相数等参数。工具的运动包括摆动和转动，它们各自所需要的力在炒菜的不同阶段均不一样，其大小用一般的仿真软件或公式不可能精确计算得到，只有通过实验才能确定其分布范围。在产品设计阶段，设计者只能凭借经验和估计来大致计算工具运动所需要的最大力矩，并以此为根据选择能够满足要求的步进电机。对于转动过程中所需力矩估算如下：M mgr FR = + μ。其中：μ是滚动轴承的摩擦系数，一般很小，取0.005；m为摆动机构的总质量，所用材料均为不锈钢，估计30 kg；r为滚动轴承的转动半径，取40mm；F是工具翻动菜肴时的阻力，取最大估计值10N；R为转动时工具顶端到旋转轴的水平距离，取100mm。代入计算得M=1.6 . Nm。大小齿轮的传动比为4：1，所以需要转动电机的力矩为0.4 . Nm。如果再考虑到机械运动过程中的摩擦以及由于加工精度带来的机械问题等因素，转动电机的力矩应大于1 . Nm。在摆动过程中，工具要翻动或打散物料，取其阻力最大值为10N，在不考虑重力和摩擦的情况下，利用机械原理求

得主动件

AB杆所需

的力矩为6 .

Nm。大小齿

轮的传动比

为4：1，所以需要摆动电机的力矩为1.5 . Nm。如果考虑到重力及杆件间摩擦等因素，摆动电机所需要的力距应大于3 . Nm。表2-2是选用的步进电机参数。为了便于采购，将两个电机选用同一型号86HS45，其保持转矩为4.5 . Nm。

2) 小连杆(AG)

图2-22是小连杆的结构图。AG与AB绕同一根轴转动，二者之间的夹角为一固定值。小连杆与旋转轴靠螺纹连接，在其侧面开了一个深度略大于半径的薄槽，当调整好小连杆的对齐位置后，通过紧拧锁紧螺钉来挤压小连杆的两半压片并使之变形，从而使轴的螺纹与小连杆的螺纹紧紧地挤压在一起，达到限制二者相动转动的作用。在左边主视图中，下面的两个圆孔与竖直线的夹角均为36.°，用来安装与长杆GF相连的销钉。安放不同位置可以改变AG杆的杆长。

3) 连接轴

连接轴是连接整个摆动机构的旋转轴，它在转动电机的带动下实现分度功能。图2-23是连接轴的结构图，该轴的左端部分联接转动大齿轮，二者过盈配合，靠键来带动其周向转动；右端的螺纹轴用来连接整个摆动机构，靠锁紧螺母加定位销来限定其周向转动。此外，轴的中间开一通孔，用来布置摆动电机的控制线。

4) 齿轮

在转动和摆动过程中都要使用齿轮来减速以避免电机工作在底速状态下。其主要参数如下：模数： 2 m= ；齿数：125 z = ；2100 z = ；压力角：a=20°精度等级8级

5) 其它零件

以上介绍了几个主要零部件的结构设计，对于整个工具的运动还需要其他辅助零件的支持。轴承、键和螺钉等标准件可以根据各自所要承受的最大载荷及设计要求查机械设计手册得到，其它非标准件的结构设计可以根据其各自的安装尺寸和配合关系来确定，此外，还要考虑到本产品只是处于实验设计阶段，一些零部件的尺寸最好具有互换性和可调性[29]。

2.5 工具炒菜实验

把加工好的零部件组装为试验样机，其外观如图2-24所示。工具的转动部

分封装在箱体内部，其摆动部分围绕连接轴转动，铲子采用双面铲，其优点是正摆和反摆过程中均能对物料

进行推动。本样机主要是对工

具进行炒菜实验，所以

锅具采用固定式，在工具动作

的时候，锅具没有产生与之相

配合的动作，此外，该实验也

没有火控单元、加料单元等辅

助机构的参与，其相应动作由

厨师人工完成。

2004年12月下旬在扬州

大学烹饪学院进行炒菜实验。

现场的加料、出料和火控等由

厨师完成，工具动作由实验人

员完成，他们在厨师的指点下，向PLc发送控制命令，进而控制设备动作。菜肴的炒制时间由厨师凭借经验和现场炒制情况来确定。

图2-25和图2-26分别是用本论文所设计的工具炒制出来的青椒肉丝和豆腐，经过厨师的鉴定，效果很好。在炒制青椒肉丝的过程中，通过工具的划散将成团的肉丝分散为单个的肉丝，验证了工具具有划散的功能；加入了辣椒丝和勾芡之后，通过工作的动作将物料充分拌匀而不会粘在一起，验证了工具具有聚拢和搅匀的功能。在炒制豆腐的过程中，工具可以将成团的豆腐打散但又不至于将成块的豆腐块搅烂，充分验证了该试验样机具有良好的炒菜特性。通过炒菜实验看出该试验样机具有炒制基本菜肴的功能，实现了本论文对工具设计所提出的要求和技术指标。在炒制菜肴的过程中，除了辅助单元要实现的动作由厨师手动完成外，其它动作均由炒菜机工具动作独立完成。对于某些复杂菜肴的炒制，可以在整个炒菜机设计完之后，加入锅具配合来实现。所以，从炒菜效果和炒菜种类方面考虑该设计是成功的。此外，工具试验样机的实验结果对后续锅具的设计具有重要的参考价值。但是，该试验样机还存在着不少问题，比如机器运转时有一定的振动和噪声，摆动频率和转动频率越大，机器振动的幅度和噪声就越大，机械运动不够灵活对炒菜肴效果有一定的影响。在后续试验样机改进中，通过改变某些零件的材料或提高某些零部件的加工精度等方法会逐步解决这些问题，设计出令人满意的炒菜机。

3 炒菜机锅具设计

3.1 锅具设计的基本要求

锅具承担着装载食材、佐料等元素，并将热量均匀或者局部传入这些元素。它除了具有晃、颠、翻等基本动作之外，还要根据所用食谱和食材的不同完成某些特殊动作。炒菜时有些菜需要用冷油，有些需要用热油，有些用小火，有些用中火或者大火，有些需要局部高温，有些又必须使锅全热，因此，锅具的运动方向、速度、加速度等特性直接影响着菜肴制作的质量。在烹饪过程中，锅具的运动比较复杂，下面是针对本课题所要设计的锅具应实现的具体运动要求：

1) 晃锅运动

晃锅运动为直线(弧线)摆动，目的是使锅内物料与锅壁之间产生滑动，防止粘锅和使物料受热均匀。要求：晃锅运动频率和运动幅度参考厨师炒菜动作。

(2) 旋锅运动

旋锅运动为锅在锅口平面内作圆周平动，目的是使锅内物料与锅壁之间产生滑动，防止粘锅和使物料受热均匀。要求：旋锅运动频率和运动幅度参考厨师炒菜动作。

(3) 翻锅运动

翻锅运动为锅前后摆动与上抛的复合运动，目的是使锅内物料在锅内产生翻转运动。

要求：翻锅运动频率和运动幅度参考厨师炒菜动作，其加速度满足物料能在锅内翻动。

(4) 锅具倾倒运动)

满足空油、出料所需的倾倒运动，目的是倾倒出锅内的物料。

3.2 锅具运动实现方案

3.2.1 锅具运动方案一

采用并联机构[30-37]。过控制三个滑块的往复运动来实现晃锅、颠锅、翻锅和倾倒等动作。该方案具有结构简单、刚度高、传动链短、精度高、成本低和负

载能力强等优点。但是简单的结构对应着复杂的运动学,特别是正向运动学求解尤其复杂,导致控制的难度加大且会降低控制的实时性。并联机构有时无法求出封闭解,有时只得用迭代法求其数值解。迭代法有两个缺点:①迭代次数无法预知,计算所需的时间也无法预知,计算量过于庞大;②迭代法有时根本得不到正确的解。因此迭代法不能用于调整、实时性和控制要求很高的工程中。

3.2.2 锅具运动方案二

将锅具所要求的三个运动分开实现，然后再组合[38]。图3－6是一平面曲柄摇杆机构，利用其连杆上点的活跃性，可以用来实现平面晃锅动作；图3－7是一空间凸轮机构，两板之间靠万向联轴器联接，锅具放在上支撑板上，当凸轮座转动时，锅具在空间范围内晃动；图3－8是一颠锅机构，锅具的把柄和摇块焊接在一起，当右边曲柄转动时，带动锅具上下颠簸。采用这三种机构可以分别实现锅具的三个动作。炒菜过程中，锅具既有平面晃动，又有上下颠动，如果将三种机构进行组合，就能够达到设计要求。把凸轮机构中的凸轮座连接在四杆机构的连杆上，颠锅机构的底座固定在凸轮机构的上支撑板上，这样组合的机构通过程序控制可以很好地实现锅的平面、空间晃动和上下颠动。锅具在运动过程中为了能使物料翻动，必须有一定的加速度。所以对于锅具的设计，其机构的加速度特性显得尤为重要。图3-9是用Solidworks模拟平面四杆机构所得其连杆上某点的加速度特性，图3-10是模拟颠锅机构所得其把柄顶端的加速度特性，各杆的尺寸单位为mm，设定曲柄的转动频率均为1Hz，从图中可以看出，曲柄转动的过程中，其最大加速度超过g。该方案能够很好地实现锅具的三种动作，达到设计要求，控制简单。但是复合机构复杂，精度低，刚度低、传动链长，特别是凸轮机构和颠锅机构，其动力原件及辅助原件都要随着锅具一起运动，增加了机构的负载，加大了后续结构设计的困难。

3.2.3 锅具运动方案三

受上述方案二的启发，平面四杆机构可以提供满足设计要求的加速度特性，利用曲柄滑块机构很好地实现了晃锅运动和颠锅运动，因此，我们设想一种机构把两种情况综合起来。图3-11所示的机构，锅具实现水平方向的晃动，其轨迹