1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、，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，
15、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
16、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
17、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
18、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 21 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 22 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
19、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 23 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
20、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
21、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
22、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
23、见表 21。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
