全自动炒菜机结构设计与试验.pdf
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1、目的:针对现有炒菜机存在体积大、加热均匀性低等问题,设计一种采用电磁加热的全自动滚筒式炒菜机,减小设备体积并改善炒菜效果。方法:采用面向功能结构的模块化设计方法,对炒菜机各模块机构进行设计;基于毕奥萨伐尔定律,得到线圈在空间产生磁场与所通电流和距离的关系,并通过 联合仿真,得到种线圈排布方式下锅具表面磁场强度和温度分布曲线;采用 软件,对滑轨机构进行模态分析,得到机构发生不当变形频率段;研制样机并与种烹饪方式对比,验证样机炒菜效果。结果:与现有炒菜机相比加热均匀性有很大提升,结构设计和实际炒菜效果满足使用要求。结论:研究设计的全自动炒菜机具有较高的可行性与实用性。关键词:炒菜机;滚筒式;电磁加
2、热;模态分析犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:犗 犫 犼 犲 犮 狋 犻 狏 犲:,犕 犲 狋 犺 狅 犱 狊:,犚 犲 狊 狌 犾 狋 狊:,犆 狅 狀 犮 犾 狌 狊 犻 狅 狀:犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊:;预计,年中国餐饮市场规模可达万亿元。连锁店成为餐饮品牌扩大经营的重要手段。传统基于厨师的炒菜过程很难标准化,导致各类特色中餐很难形成非常好的连锁经营,炒菜机可以很好地解决这个问题。等提出了一种基于 三自由度机构的炒菜机设计方法,将 并联机器人与一自由度直线进给机构结合,可以实现颠锅、晃锅和倾倒等动作;祝俊等在颠锅机构研究的基础上,增加了食材和调料添加机构,实现了炒菜机的全自动化;彭
3、放参照滚筒洗衣机结构,研制出一种采用热辐射加热的滚筒炒菜机;郑小军将搅拌工具用偏心的方式固定在曲柄上,电机驱动搅拌工具在锅内旋转,完成了对菜肴的搅拌;雷鸣等为实现仿人翻炒烹饪轨迹,采用新型组合机构代替传统搅拌装置,并对模型进行运动学仿真,实现了多种烹饪轨迹联合运行;等改变传统炒菜机需要设置固定炒菜程序的弊端,通过机械臂操作不同的炊具,研发出一种可以将网络菜谱自动编码并转换为菜谱程序的炒菜机器人。第 卷第期 总第 期 年月结合上述研究发现,虽然大部分炒菜机在一定程度上减轻了劳动量,但仍存在以下问题:颠锅方式多采用明火加热,安全和卫生方面不符合市场要求,且颠锅方式体积大,受 热 不 均 匀,单 次
4、 炒 制 食 材 少,炒 制 效 率 低。传统搅拌式会对易碎食材造成破坏,影响菜肴外观,仿人搅拌方式机构复杂,翻炒效率低。通过机械臂操纵的自动编码炒菜机器人具备了人的灵巧性和灵活性,但价格昂贵,炒制效率低。研究拟以机构小型化和提升受热均匀性为目标,对全自动炒菜机结构进行设计,通过计算与仿真对关键机构和加热效果进行测定,验证结构设计合理性;通过研制样机炒制的效果与传统人工炒制效果对比,验证设计样机的实用性,旨在为全自动炒菜机的推广使用提供参考。结构设计总体结构设计为了使全自动炒菜机最大程度符合市场需求,采用模块化设计方法,以结构轻便、操作简单和体积小为目标,对炒菜机各模块机构进行设计并合理布局,
5、总体结构见图。采用滚筒式机构对食材进行翻炒,通过对电磁感应磁场的研究,为炒菜机锅体设计一种新型包络式线圈缠绕方式。人工将不同调料放入对应调料存放区域,工作时,只需将菜肴所需各种食材分别放入菜盒不同区域,选择相应的菜谱命令,炒菜机便进入工作状态,按照相应菜谱命令,依次加入不同食材和调料,完成翻炒和倾倒步骤。设计时考虑到炒菜机要经常深度清洗,炒菜机的调料盒、锅和菜盒均可方便取下。翻炒结构设计翻炒作为中餐烹饪中至关重要的环节,直接影响菜肴加工的质量,翻炒机构要实现均匀翻炒食材、炒菜结束自动倾倒食材的功能,通过移动滑轨和个电机的配合实现上述功能(见图)。滑轨与地面倾斜 固定,锅体具有三自由度,锅体移动
6、电机控制锅体沿犡轴的移动,倾倒电机控制锅体沿犢轴的转动,旋转电机控制锅体沿犣轴 的转动。添加食材时,锅体沿犢方向移动至顶端;食锅盖中门控制柜底门食材添加模块翻炒模块食材添加模块图全自动炒菜机总体结构 滑轨电机拨片旋转电机线圈隔板轴承倾覆电机滑轨不粘锅连接机构 锅外壳图食材翻炒机构 材添加后,锅体返回中间位置,沿犢轴逆时针旋转一定角度,与位置固定的锅盖契合后,锅体开始沿锅中心轴旋转,对食材进行翻炒,锅体依靠底部个拨片在旋转过程中将食材打散;翻炒结束后,锅体沿犡轴移动至底端,沿犢轴转动完成倾倒动作。食材添加结构设计食材添加模块(图)根据不同的食谱设定,依次将菜盒中的多种食材倒入锅中,菜盒在转轴驱动
7、下可 旋转,食材在重力作用下经漏斗掉入锅中。菜盒挡板本身可以在重力作用下自动旋转,炒菜开始时,电磁阀块处于伸出状态,菜盒挡板处于无法打开状态,通过控制某电磁阀块的收缩,便可控制菜盒挡板的开合,旋转过程中菜盒挡板便可在重力作用下打开,对应的一种或多种食材便可掉入锅中。菜盒单次最多可加入种食材,满足绝大部分中餐品类的要求。区别于市面上常见的食材添加机构,试验设计结构小型化,控制简单。电磁阀盖板漏斗电磁阀菜盒挡板菜盒菜盒固定板转轴图食材添加机构 调料添加结构设计调料添加机构需完成常见固体和液体调料的自动添加,常见如失重秤之类的粉末状物体定量添加机构,价格昂贵且体积大,不符合结构轻便和体积小的目标。试
8、验将固体调料按照一定比例制成液体,通过调料添加机构和锅盖上的管接口完成调料添加功能,调料添加机构和锅盖结构如图所示。一根深入调料盒底部的固定管通过管接口和水泵上的管接口相连,水泵上的管接口 ,张帆等:全自动炒菜机结构设计与试验管接口进料口佐料盒油烟口密封圈佐料入口管接口水泵图调料添加机构 通过软管和锅盖上的管接口相连,水泵抽取的液状调料通过锅盖上的进料管进入锅中。整个食材添加机构长 ,宽 ,高 ,且可单次存放 种不同调料,满足绝大部分中餐对调味料的需求。基于 的电磁加热模块设计与仿真线圈缠绕方案设计中餐烹饪对火候的控制极为严格,火候直接影响菜肴最终口感,综合考虑几种常见工业加热方式,电磁加热由
9、于其寿命长、高效节能、控温精准和安全可靠的优点被选用 。依据锅体形状设计种线圈 加 热 方案,如图所示。方案线圈采用饼状式缠绕,是常见电磁炉线圈缠绕方式,方案采用筒状式缠绕,是常见炒菜机的线圈缠绕方式,方案线圈根据锅的形状 采 用 包络 式缠绕。根据毕奥萨伐尔定律可知,线圈在锅体周围产生的磁感应强度为:犅 犐 犱 犾犲狉狉 犐 犱 犾狉狉,()式中:真空磁导率,;图线圈缠绕方案 犐 源电流,;犾 积分路径,;犱 犾 源电流的积分单元;狉 单位向量。对单匝线圈进行分析(图),其周围所产生的磁场满足毕奥萨伐尔定律,假设线圈半径为狉,通过线圈的电流为犐。图线圈空间磁场模型 单匝线圈上的电流为:犐 犱
10、 犾 犐 狉犱 犲狓 犲狔()。()电流源到空间任意点犙的距离为:狉狘狉狉狘狉狉狉狉 槡,()式中:狉 电流源犐 犱 犾到犙点的距离,;狉和狉的夹角,。因此,单个线圈在任意点处产生的磁场强度为:犅犐狉狉 槡,()式中:点犙与犣轴之间夹角,。对式()进行积分可得简化后的线圈产生的磁感应强度表达式:犅犐 犱,()式中:犱 锅中某加热点距离线圈导线的距离,。由式()可知,单匝线圈在空间产生的磁场强度与所通电流大小和距离成正比,饼状式线圈缠绕方式明显会在锅体上形成较大的磁场强度差异,从而在炒菜时形成较大的温度差异,包络式和筒状式线圈缠绕方式产生的磁场强度只因锅体不同高度处的半径不同而有所差异,有利于食
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