自动炒菜机的结构设计

自动炒菜机的结构设计-自动翻炒结构设计自动炒菜机的结构设计自动翻炒结构设计摘 要文章主要对自动翻炒机的结构进行了系统的设计，包括搅拌器、曲柄连杆结构等多种部件的设计。同时为了增加其实用性和可行性，对主要涉及的如锅盖臂翻转等所用到的步进电机进行了相关的计算并完成最后的选型，对受力较大的锅盖翻转臂进行了有限元分析以保证其可以满足正常的使用要求。最后为了进一步确保该系统结构功能的实现，对其进行了动态仿真。该结构的设计对于后续相关的生产企业具有一定借鉴和指导意义关键词：自动翻炒；部件设计；锅盖臂翻转；步进电机；The structure design of the automatic stir fry machineAbstractIn this paper, the structure of the automatic frying machine is designed systematically, including the design of agitator, connecting rod structure and other components. At the same time, in order to increase its practicability and feasibility, the stepper motor which is mainly involved in the turnover of the pot cover arm is calculated and the final model selection is completed, and the pot cover turnover arm with large force is analyzed by finite element method to ensure that it can meet the normal use requirements. Finally, in order to further ensure the realization of the system structure and function, the dynamic simulation is carried out. The design of this structure has certain reference and guidance significance for the subsequent relevant production enterprisesKeywords: Keywords automatic frying; component design; pot cover arm turning; stepper motor;目录1绪论11.1自动炒菜机的背景及意义11.2国内外现状及存在问题11.3应解决的主要问题及解决对策22 原理方案设计32.1自动炒菜机的工作原理32.2结构原理方案选择及其对比42.2.1食材搅拌器的方案选择52.2.2锅盖移动的方案选择62.2.3锅底晃动的方案选择72.3必要的设计和计算72.3.1电机的选用及计算72.3.2锅盖连接杆之间螺栓强度校核82.4气动振动器的选用92.5机构运动简图103 自动翻炒的结构设计113.1结构设计简介113.2结构设计的主要部分组成123.2.1 箱体123.2.2 锅体123.2.3 搅拌器133.2.4 锅盖134 重要零件的有限元分析155 前景及展望17文献18附录19201绪论1.1自动炒菜机的背景及意义随着社会的发展和科技的进步，人们的生活发生了翻天覆地的变化。由于生活节奏的加快，人们的日常生活准则，都已经潜移默化的发展为快速、便捷、高效等。比如购物，当前人们已经不满足与传统的购物方式，即去商场街道或者实体店去现场选购，而现在更多时候只需要一台电脑或者一部手机就可以满足自己对购物的需求；比如吃饭、传统的模式为人们必须到一定的场所去，如酒店，饭馆抑或是街边的小摊，但是现在同样是一部手机或者是一台电脑，完全就可以满足你对食物的需求，因为可以网上下单，快递上门。诸如此类的变化不胜枚举，不得不说科技的发展在改变了人们生活方式的同时，也让人们的生活变得更加方便快捷。无形中，科技的影响已经渗透到了人们生活的方方面面，我们任何一个人多多少少都被科技所影响着，至少正在使用或者拥有一两件科技发展的产物。同样，餐饮业也是如此，餐饮业也由于科技的进步产生了根本性的变革，从经营方面上而言，现在已经转为线上线下两个方面同时进行；对于炒菜模式，已经由原来的厨师配菜看火加颠勺的模式，转变为现在大多数的半自动化模式。天然气的使用，微波炉的问世以及电磁加热的发明，使得餐饮行业得以进一步的发展。近年来，“自动化，智能化”等热词被频频提出，这是社会发展的必然趋势和科技发展的必然结果。为了迎合当前社会发展的现状，餐饮业也不得不做出相应的变革。因此，基于这一思想，本文主要针对传统的炒菜模式进行了相关的研究，通过对炒菜模式的研究使其餐饮业更能迎合社会和消费者的需求，更能满足社会发展的需要。图1.1炒菜机1.2国内外现状及存在问题本文主要针对自动炒菜机的结构进行了一定的研究。通过查阅相关的资料和文献发现，当前市面上的自动炒菜机相对较少，相关的市场并不成熟。对于国外，由于饮食结构和饮食方式的不同，国外对于自动炒菜机这种类似的结构和研究特别少，其主要研究方向为如何利用微波炉，电磁炉对于食物的煎炸蒸烤等，更偏重于温度、时长等的智能控制。而炒菜的方式主要存在亚洲国家，尤其以我国以及周边的邻国为主，我国有五千年的历史，自古就有“民以食为天”、“食色性也”等种种对美食的重要性强调和赞誉，加上我国幅员辽阔，饮食文化丰富多彩，各种美食数不胜数，但主要的加工方式以煎炒蒸炸为主，而其中的炒占据着首当其冲的位置，从餐饮酒店到居家生活，最主要的都是以炒为主以蒸煮煎炸为辅。通过调查和查阅资料发现，目前国内对自动炒菜机的研究已经取得了一定进展，但仍然存在许多的不足。具体如下：目前的自动炒菜机多以家庭为主，而炒菜的方式比较单一，大多数都是通过自动控制和电磁加热，采用锅体旋转的方式，也有少量的在锅体中加入一个搅拌器而实现炒菜的功能；餐饮行业目前对自动炒菜机使用甚少，主要以半自动化为主，比如温度监控，加热定时等，但仍然需要大量的人工参与。目前市场上存在的自动翻炒机从严格意义上讲只是从原理上实现了其功能，但并不能满足多元化多种类的需求，主要应用于单一食物的加工，有自动炒鸡锅，自动翻炒花生米锅等。针对以上所提出的问题，本文从实际出发，着重对自动炒菜锅的结构设计，炒菜品类进行研究，目的是使得自动炒菜机在市场上取得更好的发展和应用。1.3应解决的主要问题及解决对策本文主要针对自动翻炒锅的结构进行分析研究，主要提供一种可实现自动炒菜的结构，该结构具有炒菜品类多样，方便调节，可实现多用途的特点。针对目前市场上所存在炒菜单一的问题，提出了搅拌器可更换的结构；针对自动炒锅调节不方便的问题，提出了超过可拆卸方便拆洗的结构；同时提供了多种炒菜的方式如锅下方由四个可震动的气动弹簧器支撑，该结构可实现不同频率和方向的震动，尤其适合炒花生，栗子以及容易糊锅粘锅的食物，具体结构和功能见下文。2 原理方案设计2.1自动炒菜机的工作原理自动炒菜机的设计流程图具体如下，在工作之前首先需要把不同的食材放置与不同的食材盒之中，将不同调料分别放置于不同的调料盒中。对不同食材所对应的食材盒与不同调料盒对应的调料进行标记编号，方便利用控制器对食材和调料的选用。在完成炒菜前的预备工作之后开始工作，锅盖翻转器首先通过工作将锅盖进行打开，根据需要给锅中加入水或者油，然后点燃天然气对锅进行加热，当计时器达到某一时间点，会将信号发送给某一食材盒，该食材盒在收到信号后，将信号反馈给直线滑轨载物台，载物台通过步进电机的运动，将该食材盒运送至固定倒菜位置，待该食材盒运送至倒菜位置时，该位置会发送信号至可使得食材盒进行翻转的食材盒翻转器，通过食材盒翻转器的工作，最终将食材盒中的食材倒入翻炒锅中，在该过程中即可按照不同顺序将食材加入锅中也可先加入其中一种，经过一段时间后再将其他的加入其中，具体操作可根据使用者的需求进行。将食材倒入锅中之后，控制器控制锅盖进行闭合，然后翻转器在锅中进行一定速度的旋转，计时器经过一段时间后吗，会首先将信号传递给锅盖翻转器，促使其打开，然后给调料旋转器发送信号，调料旋转器在收到信号后，开始将制定的调料运送至锅口，然后进行调料的放入，与食材盒倒入食材相类似，不仅可按照不同顺序将其依次倒入锅中，也可经过一端时间后再加入其他调料，调料倒入锅中后，锅盖闭合，搅拌器进行搅拌，控制器计时。在此过程中，针对不同的食材如果有需要可同时启动翻炒锅下方的气动振动器，振动器的振动方式和振动频率等均可根据用户进行选择，比如其中一个进行振动，或者若干个同时进行振动均可。通过计时器，当时间达到食物已经炒好完成时，计时器会同时传出三个信号，分别为报警信号、锅盖翻转器打开信号和搅拌器停止旋转信号，报警器的目的主要是提醒用户炒菜已经完成，锅盖打开是为了让其将菜盛出，搅拌器停止旋转是防止用户在盛菜过程中受到伤害。图2.1结构设计流程图2.2结构原理方案选择及其对比本结构主要从三个方案的对比选择对自动炒菜机进行调节以满足设计要求。2.2.1食材搅拌器的方案选择图2.2锅铲方案（1）平常人工炒菜时用的锅铲要自己控制炒菜动作和方向，人工强度大。磁铁片图2.3食材搅拌器方案（2）如图2.3所示，图中标记的部位为食材搅拌器，在炒菜的过程中提供对食材的翻炒功能。由于菜品多样，任何一个搅拌器都具有其局限性，如图中显示的搅拌器形式，比较适用于食材较硬不易破损的菜品，如酸辣土豆丝，青椒炒肉等，但对于一些比较软易碎的菜品，如豆腐，粉类的菜品。因此，本文中对该结构采取了可更换的方式，即配备多种食材搅拌器来满足不同菜品的合理搅拌。该结构具有方便拆卸容易更换的优势，在食材搅拌器的顶端采用与旋转轴相嵌套的结构，同时在嵌套部位，即搅拌器和旋转轴的顶端加装磁铁片，使得在装夹后不易脱落且容易更换，从而实现可调节的功能。2.2.2锅盖移动的方案选择方案（1）通过过齿轮齿条副控制搅拌器的上下移动，方便锅具的拆洗，但该结构比较复杂图2.4齿轮齿条副示意图方案（2）通过曲柄连杆的机构使锅盖闭合和打开，该结构简单快捷图2.5曲柄摇杆机构示意图2.2.3锅底晃动的方案选择气动振动器图2.6气动振动器示意图如图2.6所示，图中标记部位气动振动器，共有4个。在提供对锅的支撑作用的同时，可提供不同的频率震动和协调震动以及单方向震动，该结构主要针对在自动炒菜机炒菜时，发生粘锅糊锅的问题，通过提供一定频率的震动加之锅中自动搅拌器的搅拌，可双重保证食物在翻炒过程中的品质，同时该结构还可以为一些诸如花生，栗子等坚果提供更好翻炒效果，使其受热更加均匀进而防止起糊。该结构具有多种控制形式，由于每一个气动震动器均为相互独立，因此可对其进行任何形式的组合排列而实现需要的震动。2.3必要的设计和计算2.3.1电机的选用及计算图2.7锅盖旋转臂的受力示意图对带动锅盖旋转电机的选用，如上图所示红色标记部位为步进电机驱动杆，由该结构可知，要计算马达所需要的最小转矩，首先需要根据平衡原理计算出要使得锅盖抬升所需要的力F2，现对固定点左侧的重量命名为M1，右侧绿色部位质量命名为M2,则根据： (1)可计算出，F2为72.35,其中F1为34.3，L1为0.54，L2为0.25。根据力学平衡原理可知连接杆通过旋转为锅盖臂提供拉力，该拉力在竖直方向的分量为F2，由设计结构计算得知连杆在旋转过程中与竖直方向最大的角度为65度，因此电机所提供的转矩最少应大于此时连杆所需要的转矩。根据计算得知，当连杆与锅盖臂呈65度时，连杆所需要的力F为171，根据力的传递可知，与电动机相连的旋转臂需要提供的扭矩为： (2)其中，L=0.1m，故计算得知M=17.1。依据此扭矩需要对步进电机进行选型，通过查询相关资料，最终选取的电动机机型为110BYG350D三相步进电机。2.3.2锅盖连接杆之间螺栓强度校核螺栓螺栓图2.8锅盖旋转臂如上图所示，在步进电机带动连杆机构进行旋转最终带动锅盖的打开与关闭过程中，在连接杆连接部位的螺栓会受到一定的剪切力和挤压，因此需要对该部位进行剪切力和挤压应力的计算与校核。在机构运动过程中，螺栓所受到的力为典型的剪切力，本机构中该处所用到的螺栓均为不锈钢螺栓，采用M8型号螺栓。根据螺栓的在运动过程中受力图（如下图简化模型所示）可知，剪切力F为上文所计算的值，为171,根据剪切力公式进行计算：图2.9简化模型 （3） (4） （5） (6)公式（3）-（6）分别为螺栓所受剪切力的计算公式；螺栓所受挤压应力的计算公式；螺栓在受到变载荷时的许用应力；螺栓在受到变载荷的螺栓需用挤压应力。其中i代表螺栓所受剪切面的个数，本结构中i=1；d0为螺栓受剪面直径；Lmin为螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度值为5；为螺栓的许用剪切力，系数取最大5；p为需用剪切压力，系数取最大2；s为屈服强度。由于所用螺栓为M8，精度等级取4.8，故d0=8，Lmin=12,不锈钢的屈服强度s为320，带入数据可得：=3.4，=64；p=4.275，p=160,。由结果可知，选用的螺栓型号在自动翻炒锅工作过程中，许用剪切应力和许用压力均远远大于实际产生的剪切力和压力，因此该螺栓的强度符合工作要求。2.4气动振动器的选用翻炒锅下方由四个气动振动器提供支撑作用，根据锅的重量加上炒菜时食物的重量并结合市面上所现有的气动振动气规格，最终选用活塞直径为32mm的振动器，该振动器的原理为打开二位三通电磁阀，高压气体通过通道进入活塞的下腔，推动活塞上行，活塞上腔气体被挤压通过排气孔排出，当活塞上升到终点时，气体通过槽和气道自动换向使气体进入活塞上腔，高压气体压动活塞向下运行，最终完成一个循环，如此往复循环使振动器产生平动和晃动，从而产生振动力。同时，气动振动器的振动频率和振动力可通过流量与压力进行调节。最终，选择上海市某一企业的产品，其型号为QJQ3-32-SUS,该型号可提供的工作压力为0.2-0.5Mpa，振动频率为10-60HZ,激振力幅最高达到800N,完全满足自动翻炒锅的使用要求。 2.5机构运动简图图2.10机构运动简图3 自动翻炒的结构设计3.1结构设计简介自动炒菜机，顾名思义就是将炒菜自动化的机器。机器包含自动加料结构设计，自动翻炒结构设计，自动切菜结构设计。而本次设计的是其中的一部分自动翻炒结构设计，该结构设计巧妙简单，造价低廉，方便快捷。图3.1结构设计的三视图3.2结构设计的主要部分组成3.2.1 箱体本文中自动炒菜机结构所用材料主要为不锈钢和铝合金。根据餐饮行业现状以及厨房布局，我们采用不锈钢作为自动炒菜机的箱，整体外轮廓为长方体，整体尺寸符合人体工艺学，箱体的长度、宽度和高度分别为140cm、120cm和120cm正常炒菜的要求，同时为了达到所要求功能的同时并符合省空间的要求，我们讲其它功能部件均集成在箱体上。箱体在设计上同时为食材盒的、炒锅、调料盒以及带动锅盖的步进电机均预留了相应的安装位置。比如，在食材盒安装位置，预先留出了食材盒运动时直线导轨的位置，方便食材盒在导轨上的安装，同时降低食材盒的安装高度，可使得给食材盒中装入食材的过程更加高效方便；在箱体的中间部位开出了一个大的凹槽，主要用于安装炒锅和水管等装备，同时可为燃气提供相应的安装位置；在箱体的后侧，同样预留出了相应的位置，用于安装带动锅盖进行开合的马达和安装座等；在箱体后侧箱壁上，伸出一个一定高度的凸台，该凸台可为锅盖进行上下开合是提供旋转壁的支撑和固定作用。图3.2箱体3.2.2 锅体图3.3锅体如图所示，锅体由锅体和四个气动振动器组成，锅的直径为72,材质为常用的不锈钢，为了实现锅在垂直方向或者在一定方向的震动，在锅的下方均匀分布了四个立柱，该立柱与锅体为一体，立柱为中空结构。四个立柱下面一一对应一个气动振动器，气动振动器的作用如前文所述，不仅起到对锅体的支撑和固定作用，同时可利用其对锅体产生一定作用的振动，从而达到防止糊锅和粘锅的作用。锅的结构是可拆卸的。3.2.3 搅拌器如下图所示为两种不同的搅拌器，可满足对于不同食材的搅拌工作，搅拌器的头部选用质量较轻韧性强的不锈钢材质，对于左图中显示的为搅拌器与连接杆两部分，蓝色部位为搅拌器，粉红色部位为搅拌器连接杆，该搅拌器比较适合搅拌不易受损，韧性和硬度相对较大的食材，如肉类，豆类，土豆丝之类等。而右侧的搅拌器结构适合对豆腐、粉类的搅拌，从较大程度上降低对食材的损坏。为方便搅拌器的更换，搅拌器顶端采用的结构均为右图顶部红色标记的样式，采用类似销轴的方式更换搅拌器，只需要将其直接插入搅拌器旋转轴中与旋转轴进行装配，同时为了使得安装更为牢固，在搅拌器与搅拌器旋转杆两者的装配接触面均装有磁铁，如此可满足搅拌器快速更换的目的。 图3.4搅拌器1、23.2.4 锅盖锅盖的结构如图所示，由于搅拌器需要连接在锅盖上面，因此在锅盖内侧设计了如右图的结构，该结构可与搅拌器旋转杆进行装配连接，同时为搅拌器的旋转提供动力。从下图可以看出，锅盖顶部与一个旋转臂相连接，该旋转臂在接近中间部位和末端部位分别有一个安装螺栓的孔，靠近中间部位的螺栓孔在锅盖翻转过程中起到固定旋转和支撑的作用，靠近末端部位的螺栓孔与另一个旋转杆相连接，通过两个连接杆最终与步进电机进行连接，该螺栓孔在锅盖的翻转过程中主要起到传递动力的作用，通过步进电机的正转和翻转将动力传递到锅盖，最终完成锅盖的开合。图3.5锅盖旋转臂4 重要零件的有限元分析在本结构设计中，由于自动炒锅的锅盖外部需要与驱动壁连接进而驱动锅盖的开合，锅盖下方需要和搅拌器相连接，因此该结构特性受力最为严重，所以需要对齐进行有限元分析，以确定材料的选用，尺寸的设计是否满足使用要求。本文利用Catia软件中的有限元分析模块对锅盖结构进行分析，由于该结构相对较为复杂，故根据其结构将其简化为简支梁模型，即锅盖壁两端进行受力，中间为支撑点起到支撑作用。首先利用仿真模块，对其支撑部位进行固定，如下图锅盖连接部位所示，固定之后对其锅盖处进行力的添加，由结构可知该处所受最大力与其重力相同，为7.2N。受力方向如锅盖下方黄色箭头所示。在结构固定和力施加完毕后，对齐进行网格的划分，由有限元分析知识可知，网格划分越密集其分析结果越准确，因此该网格的大小最终取5mm。网格划分完毕后，对齐进行力学的求解，最终得到其仿真结果。 图4.1锅盖旋转臂的网格划分图4.2锅盖旋转臂的有限元分析网格划分完毕后对该零件进行应力分析，得到的应力图如上图所示，从仿真分析原理可知，从蓝色到红色所代表的所受应力约来越大，根据图中可以看出受力最大的部位为靠近中间螺栓固定的位置，最大应力为0.647Mpa,通过查阅资料可知，该应力远远低于铝合金的屈服强度140Mpa，因此该结构设计合理完全满足使用要求。5 前景及展望本文通过对自动炒菜机的自动翻转结构的主要零部件和工作原理进行了详细的描述，也从实用性，可行性方面进行了一定的研究和验证，对自动炒菜机在实际生产生活中的应用具有一定的借鉴和使用意义。但该结构也具有其局限性，主要表现在虽然可实现自动炒菜的功能，相比于目前市场和已存在的产品所能实现的功能更多，更全面，但也还远远未达到可满足任何菜品的翻炒需求，比如需要翻炒的鱼类产品、需要呈某种规则放置的菜品等。因此在后续的研究中，可进一步从智能化和翻炒结构方面进行更深的研究。通过本次设计，让我明白单单只学习课本上的知识是不够的，设计还要靠大量的实操和验算来考虑可行性，相信这对我以后的工作会有很大的影响。在设计过程中也非常感谢我的指导老师曾亮华导师和同一课题的组员，他们在我设计中提高了很多指导和帮助，感谢你们。文献【1】纪金灿. 智能炒菜机火控与炒菜装置的机电一体化设计D. 广东工业大学, 2015.【2】黄东明, 徐锦大, 吴宝华, et al. 小型扁形茶炒制机工作装置%Apparatus of mini-model machine for fiat tea roastingJ. 机电工程, 026(1):92-94.【3】方清志. 炒旺生意的电磁炒货机J. 大众投资指南, 2012(2):26-26.【4】胡海英. 叽电一体化产品的技术构成及未来发展趋势J. 中国高新技术企业(4):116-117.【5】朱琰洁. 论农产品市场一体化问题之研究方法J. 河南教育学院学报(自然科学版)(2):57-60.【6】孙立民. 浅谈产品工艺一体化对工程机械的发展J. 装备制造技术, 2014(6):206-207.【7】罗国明, 张纪文. 工程产品设计的一体化方法C/ 2001.【8】范超毅, 范巍. 步进电机的选型与计算J. 机床与液压, 2008, 36(5).【9】刘亚东, 李从心, 王小新. 步进电机速度的精确控制J. 上海交通大学学报(10):89-92.【10】王玉琳, 王强. 步进电机的速度调节方法J. 电机与控制应用(1):54-57+65.【11】赵立新, 郑立允, 刘志民, et al. 气动振动器气吸播种机的种子振动性能研究J. 农业工程学报, 2005, 21(7):65-68.【12】熊滨生. 现代连杆机构设计M. 2006.【13】华大年, 华志宏. 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