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1、 自動炒菜機的結構設計 ---自動翻炒結構設計 自動炒菜機的結構設計——自動翻炒結構設計 摘 要 文章主要對自動翻炒機的結構進行了系統(tǒng)的設計，包括攪拌器、曲柄連桿結構等多種部件的設計。同時為了增加其實用性和可行性，對主要涉及的如鍋蓋臂翻轉等所用到的步進電機進行了相關的計算并完成最后的選型，對受力較大的鍋蓋翻轉臂進行了有限元分析以保證其可以滿足正常的使用要求。最后為了進一步確保該系統(tǒng)結構功能的實現(xiàn)，對其進行了動態(tài)仿真。該結構的設計對于后續(xù)相關的生產企業(yè)具有一定借鑒和指導意義 關鍵詞：自動翻炒；部件設計；鍋蓋臂翻轉；步進電機；

2、 The structure design of the automatic stir fry machine Abstract In 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 practicabili

3、ty 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. F

4、inally, 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 enterprises Keywords: Keywords automatic frying; compon

5、ent design; pot cover arm turning; stepper motor; 目錄 1緒論 1 1.1自動炒菜機的背景及意義 1 1.2國內外現(xiàn)狀及存在問題 1 1.3應解決的主要問題及解決對策 2 2 原理方案設計 3 2.1自動炒菜機的工作原理 3 2.2結構原理方案選擇及其對比 4 2.2.1食材攪拌器的方案選擇 5 2.2.2鍋蓋移動的方案選擇 6 2.2.3鍋底晃動的方案選擇 7 2.3必要的設計和計算 7 2.3.1電機的選用及計算 7 2.3.2鍋蓋連接桿之間螺栓強度校核 8 2.4氣動振動器的選用 9 2.5機構運動簡

6、圖 10 3 自動翻炒的結構設計 11 3.1結構設計簡介 11 3.2結構設計的主要部分組成 12 3.2.1 箱體 12 3.2.2 鍋體 12 3.2.3 攪拌器 13 3.2.4 鍋蓋 13 4 重要零件的有限元分析 15 5 前景及展望 17 文獻 18 附錄 19 20 1緒論 1.1自動炒菜機的背景及意義 隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。由于生活節(jié)奏的加快，人們的日常生活準則，都已經潛移默化的發(fā)展為快速、便捷、高效等。比如購物，當前人們已經不滿足與傳統(tǒng)的購物方式，即去商場街道或者實體店去現(xiàn)場選購，而現(xiàn)在更多時候只需

7、要一臺電腦或者一部手機就可以滿足自己對購物的需求；比如吃飯、傳統(tǒng)的模式為人們必須到一定的場所去，如酒店，飯館抑或是街邊的小攤，但是現(xiàn)在同樣是一部手機或者是一臺電腦，完全就可以滿足你對食物的需求，因為可以網上下單，快遞上門。諸如此類的變化不勝枚舉，不得不說科技的發(fā)展在改變了人們生活方式的同時，也讓人們的生活變得更加方便快捷。 無形中，科技的影響已經滲透到了人們生活的方方面面，我們任何一個人多多少少都被科技所影響著，至少正在使用或者擁有一兩件科技發(fā)展的產物。同樣，餐飲業(yè)也是如此，餐飲業(yè)也由于科技的進步產生了根本性的變革，從經營方面上而言，現(xiàn)在已經轉為線上線下兩個方面同時進行；對于炒菜模式，已經由

8、原來的廚師配菜看火加顛勺的模式，轉變?yōu)楝F(xiàn)在大多數(shù)的半自動化模式。天然氣的使用，微波爐的問世以及電磁加熱的發(fā)明，使得餐飲行業(yè)得以進一步的發(fā)展。 近年來，“自動化，智能化”等熱詞被頻頻提出，這是社會發(fā)展的必然趨勢和科技發(fā)展的必然結果。為了迎合當前社會發(fā)展的現(xiàn)狀，餐飲業(yè)也不得不做出相應的變革。因此，基于這一思想，本文主要針對傳統(tǒng)的炒菜模式進行了相關的研究，通過對炒菜模式的研究使其餐飲業(yè)更能迎合社會和消費者的需求，更能滿足社會發(fā)展的需要。 圖1.1炒菜機 1.2國內外現(xiàn)狀及存在問題 本文主要針對自動炒菜機的結構進行了一定的研究。通過查閱相關的資料和文獻發(fā)現(xiàn)，當前市面上的自動炒菜機相對較少，

9、相關的市場并不成熟。對于國外，由于飲食結構和飲食方式的不同，國外對于自動炒菜機這種類似的結構和研究特別少，其主要研究方向為如何利用微波爐，電磁爐對于食物的煎炸蒸烤等，更偏重于溫度、時長等的智能控制。而炒菜的方式主要存在亞洲國家，尤其以我國以及周邊的鄰國為主，我國有五千年的歷史，自古就有“民以食為天”、“食色性也”等種種對美食的重要性強調和贊譽，加上我國幅員遼闊，飲食文化豐富多彩，各種美食數(shù)不勝數(shù)，但主要的加工方式以煎炒蒸炸為主，而其中的炒占據(jù)著首當其沖的位置，從餐飲酒店到居家生活，最主要的都是以炒為主以蒸煮煎炸為輔。 通過調查和查閱資料發(fā)現(xiàn)，目前國內對自動炒菜機的研究已經取得了一定進展，但仍

10、然存在許多的不足。具體如下：①目前的自動炒菜機多以家庭為主，而炒菜的方式比較單一，大多數(shù)都是通過自動控制和電磁加熱，采用鍋體旋轉的方式，也有少量的在鍋體中加入一個攪拌器而實現(xiàn)炒菜的功能；②餐飲行業(yè)目前對自動炒菜機使用甚少，主要以半自動化為主，比如溫度監(jiān)控，加熱定時等，但仍然需要大量的人工參與。③目前市場上存在的自動翻炒機從嚴格意義上講只是從原理上實現(xiàn)了其功能，但并不能滿足多元化多種類的需求，主要應用于單一食物的加工，有自動炒雞鍋，自動翻炒花生米鍋等。針對以上所提出的問題，本文從實際出發(fā)，著重對自動炒菜鍋的結構設計，炒菜品類進行研究，目的是使得自動炒菜機在市場上取得更好的發(fā)展和應用。 1.3應

11、解決的主要問題及解決對策 本文主要針對自動翻炒鍋的結構進行分析研究，主要提供一種可實現(xiàn)自動炒菜的結構，該結構具有炒菜品類多樣，方便調節(jié)，可實現(xiàn)多用途的特點。針對目前市場上所存在炒菜單一的問題，提出了攪拌器可更換的結構；針對自動炒鍋調節(jié)不方便的問題，提出了超過可拆卸方便拆洗的結構；同時提供了多種炒菜的方式如鍋下方由四個可震動的氣動彈簧器支撐，該結構可實現(xiàn)不同頻率和方向的震動，尤其適合炒花生，栗子以及容易糊鍋粘鍋的食物，具體結構和功能見下文。 2 原理方案設計 2.1自動炒菜機的工作原理 自動炒菜機的設計流程圖具體如下，在工作之前首先需要把不同的食材放置與不同的食材盒之中，將不同調料分別

12、放置于不同的調料盒中。對不同食材所對應的食材盒與不同調料盒對應的調料進行標記編號，方便利用控制器對食材和調料的選用。在完成炒菜前的預備工作之后開始工作，鍋蓋翻轉器首先通過工作將鍋蓋進行打開，根據(jù)需要給鍋中加入水或者油，然后點燃天然氣對鍋進行加熱，當計時器達到某一時間點，會將信號發(fā)送給某一食材盒，該食材盒在收到信號后，將信號反饋給直線滑軌載物臺，載物臺通過步進電機的運動，將該食材盒運送至固定倒菜位置，待該食材盒運送至倒菜位置時，該位置會發(fā)送信號至可使得食材盒進行翻轉的食材盒翻轉器，通過食材盒翻轉器的工作，最終將食材盒中的食材倒入翻炒鍋中，在該過程中即可按照不同順序將食材加入鍋中也可先加入其中一種

13、，經過一段時間后再將其他的加入其中，具體操作可根據(jù)使用者的需求進行。將食材倒入鍋中之后，控制器控制鍋蓋進行閉合，然后翻轉器在鍋中進行一定速度的旋轉，計時器經過一段時間后嗎，會首先將信號傳遞給鍋蓋翻轉器，促使其打開，然后給調料旋轉器發(fā)送信號，調料旋轉器在收到信號后，開始將制定的調料運送至鍋口，然后進行調料的放入，與食材盒倒入食材相類似，不僅可按照不同順序將其依次倒入鍋中，也可經過一端時間后再加入其他調料，調料倒入鍋中后，鍋蓋閉合，攪拌器進行攪拌，控制器計時。在此過程中，針對不同的食材如果有需要可同時啟動翻炒鍋下方的氣動振動器，振動器的振動方式和振動頻率等均可根據(jù)用戶進行選擇，比如其中一個進行振動

14、，或者若干個同時進行振動均可。通過計時器，當時間達到食物已經炒好完成時，計時器會同時傳出三個信號，分別為報警信號、鍋蓋翻轉器打開信號和攪拌器停止旋轉信號，報警器的目的主要是提醒用戶炒菜已經完成，鍋蓋打開是為了讓其將菜盛出，攪拌器停止旋轉是防止用戶在盛菜過程中受到傷害。 圖2.1結構設計流程圖 2.2結構原理方案選擇及其對比 本結構主要從三個方案的對比選擇對自動炒菜機進行調節(jié)以滿足設計要求。 2.2.1食材攪拌器的方案選擇 圖2.2鍋鏟 方案（1）平常人工炒菜時用的鍋鏟要自己控制炒菜動作和方向，人工強度大。 磁鐵片 圖2.3食材攪拌

15、器 方案（2）如圖2.3所示，圖中標記的部位為食材攪拌器，在炒菜的過程中提供對食材的翻炒功能。由于菜品多樣，任何一個攪拌器都具有其局限性，如圖中顯示的攪拌器形式，比較適用于食材較硬不易破損的菜品，如酸辣土豆絲，青椒炒肉等，但對于一些比較軟易碎的菜品，如豆腐，粉類的菜品。因此，本文中對該結構采取了可更換的方式，即配備多種食材攪拌器來滿足不同菜品的合理攪拌。該結構具有方便拆卸容易更換的優(yōu)勢，在食材攪拌器的頂端采用與旋轉軸相嵌套的結構，同時在嵌套部位，即攪拌器和旋轉軸的頂端加裝磁鐵片，使得在裝夾后不易脫落且容易更換，從而實現(xiàn)可調節(jié)的功能。 2.2.2鍋蓋移動的方案選擇 方案（1）通過過齒輪齒條

16、副控制攪拌器的上下移動，方便鍋具的拆洗，但該結構比較復雜 圖2.4齒輪齒條副示意圖 方案（2）通過曲柄連桿的機構使鍋蓋閉合和打開，該結構簡單快捷 圖2.5曲柄搖桿機構示意圖 2.2.3鍋底晃動的方案選擇 氣動振動器 圖2.6氣動振動器示意圖 如圖2.6所示，圖中標記部位氣動振動器，共有4個。在提供對鍋的支撐作用的同時，可提供不同的頻率震動和協(xié)調震動以及單方向震動，該結構主要針對在自動炒菜機炒菜時，發(fā)生粘鍋糊鍋的問題，通過提供一定頻率的震動加之鍋中自動攪拌器的攪拌，可雙重保證食物在翻炒過程中的品質，同時該結構還可以為一些諸如花生，栗子等堅果提供更好翻炒效果，使其受熱更加

17、均勻進而防止起糊。該結構具有多種控制形式，由于每一個氣動震動器均為相互獨立，因此可對其進行任何形式的組合排列而實現(xiàn)需要的震動。 2.3必要的設計和計算 2.3.1電機的選用及計算 圖2.7鍋蓋旋轉臂的受力示意圖 對帶動鍋蓋旋轉電機的選用，如上圖所示紅色標記部位為步進電機驅動桿，由該結構可知，要計算馬達所需要的最小轉矩，首先需要根據(jù)平衡原理計算出要使得鍋蓋抬升所需要的力F2，現(xiàn)對固定點左側的重量命名為M1，右側綠色部位質量命名為M2,則根據(jù)： (1) 可計算出，F(xiàn)2為72.35,其中F1為34.3，L1為0.54，L2為0.25。 根據(jù)力學平衡原理可知連接桿通過旋轉為鍋蓋臂提供

18、拉力，該拉力在豎直方向的分量為F2，由設計結構計算得知連桿在旋轉過程中與豎直方向最大的角度為65度，因此電機所提供的轉矩最少應大于此時連桿所需要的轉矩。根據(jù)計算得知，當連桿與鍋蓋臂呈65度時，連桿所需要的力F為171，根據(jù)力的傳遞可知，與電動機相連的旋轉臂需要提供的扭矩為： (2) 其中，L=0.1m，故計算得知M=17.1。依據(jù)此扭矩需要對步進電機進行選型，通過查詢相關資料，最終選取的電動機機型為110BYG350D三相步進電機。 2.3.2鍋蓋連接桿之間螺栓強度校核 螺栓 螺栓 圖2.8鍋蓋旋轉臂 如上圖所示，在步進電機帶動連桿機構進行旋轉最終帶動鍋蓋的打開與關閉過程中，

19、在連接桿連接部位的螺栓會受到一定的剪切力和擠壓，因此需要對該部位進行剪切力和擠壓應力的計算與校核。在機構運動過程中，螺栓所受到的力為典型的剪切力，本機構中該處所用到的螺栓均為不銹鋼螺栓，采用M8型號螺栓。根據(jù)螺栓的在運動過程中受力圖（如下圖簡化模型所示）可知，剪切力F為上文所計算的值，為171,根據(jù)剪切力公式進行計算： 圖2.9簡化模型 （3） (4） （5） (6) 公式（3）-（6）分別為螺栓所受剪切力的計算公式；螺栓所受擠壓應力的計算公式；螺栓在受到變載荷時的許用應力；螺栓在受到變載荷的螺栓需用擠壓應力。其中i代表螺栓所受剪切面的個數(shù)，本結構中i=1

20、；d0為螺栓受剪面直徑；Lmin為螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度值為5；[τ]為螺栓的許用剪切力，系數(shù)取最大5；[δ]p為需用剪切壓力，系數(shù)取最大2；δs為屈服強度。由于所用螺栓為M8，精度等級取4.8，故d0=8，Lmin=12,不銹鋼的屈服強度δs為320，帶入數(shù)據(jù)可得：τ=3.4，[τ]=64；δp=4.275，[δ]p=160,。由結果可知，選用的螺栓型號在自動翻炒鍋工作過程中，許用剪切應力和許用壓力均遠遠大于實際產生的剪切力和壓力，因此該螺栓的強度符合工作要求。 2.4氣動振動器的選用 翻炒鍋下方由四個氣動振動器提供支撐作用，根據(jù)鍋的重量加上炒菜時食物的重量并結合市面上所現(xiàn)有的氣動

21、振動氣規(guī)格，最終選用活塞直徑為32mm的振動器，該振動器的原理為打開二位三通電磁閥，高壓氣體通過通道進入活塞的下腔，推動活塞上行，活塞上腔氣體被擠壓通過排氣孔排出，當活塞上升到終點時，氣體通過槽和氣道自動換向使氣體進入活塞上腔，高壓氣體壓動活塞向下運行，最終完成一個循環(huán)，如此往復循環(huán)使振動器產生平動和晃動，從而產生振動力。同時，氣動振動器的振動頻率和振動力可通過流量與壓力進行調節(jié)。最終，選擇上海市某一企業(yè)的產品，其型號為QJQ3-32-SUS,該型號可提供的工作壓力為0.2-0.5Mpa，振動頻率為10-60HZ,激振力幅最高達到800N,完全滿足自動翻炒鍋的使用要求。 2.

22、5機構運動簡圖 圖2.10機構運動簡圖 3 自動翻炒的結構設計 3.1結構設計簡介 自動炒菜機，顧名思義就是將炒菜自動化的機器。機器包含自動加料結構設計，自動翻炒結構設計，自動切菜結構設計。而本次設計的是其中的一部分——自動翻炒結構設計，該結構設計巧妙簡單，造價低廉，方便快捷。 圖3.1結構設計的三視圖 3.2結構設計的主要部分組成 3.2.1 箱體 本文中自動炒菜機結構所用材料主要為不銹鋼和鋁合金。根據(jù)餐飲行業(yè)現(xiàn)狀以及廚房布局，我們采用不銹鋼作為自動炒菜機的箱，整體外輪廓為長方體，整體尺寸符合人體工藝學，箱體的長度、寬度和高度分別為140cm、120cm

23、和120cm正常炒菜的要求，同時為了達到所要求功能的同時并符合省空間的要求，我們講其它功能部件均集成在箱體上。箱體在設計上同時為食材盒的、炒鍋、調料盒以及帶動鍋蓋的步進電機均預留了相應的安裝位置。比如，在食材盒安裝位置，預先留出了食材盒運動時直線導軌的位置，方便食材盒在導軌上的安裝，同時降低食材盒的安裝高度，可使得給食材盒中裝入食材的過程更加高效方便；在箱體的中間部位開出了一個大的凹槽，主要用于安裝炒鍋和水管等裝備，同時可為燃氣提供相應的安裝位置；在箱體的后側，同樣預留出了相應的位置，用于安裝帶動鍋蓋進行開合的馬達和安裝座等；在箱體后側箱壁上，伸出一個一定高度的凸臺，該凸臺可為鍋蓋進行上下開合

24、是提供旋轉壁的支撐和固定作用。 圖3.2箱體 3.2.2 鍋體 圖3.3鍋體 如圖所示，鍋體由鍋體和四個氣動振動器組成，鍋的直徑為72,材質為常用的不銹鋼，為了實現(xiàn)鍋在垂直方向或者在一定方向的震動，在鍋的下方均勻分布了四個立柱，該立柱與鍋體為一體，立柱為中空結構。四個立柱下面一一對應一個氣動振動器，氣動振動器的作用如前文所述，不僅起到對鍋體的支撐和固定作用，同時可利用其對鍋體產生一定作用的振動，從而達到防止糊鍋和粘鍋的作用。鍋的結構是可拆卸的。 3.2.3 攪拌器 如下圖所示為兩種不同的攪拌器，可滿足對于不同食材的攪拌工作，攪拌器的頭部選用質量較輕韌性強的不銹鋼材質，對于左

25、圖中顯示的為攪拌器與連接桿兩部分，藍色部位為攪拌器，粉紅色部位為攪拌器連接桿，該攪拌器比較適合攪拌不易受損，韌性和硬度相對較大的食材，如肉類，豆類，土豆絲之類等。而右側的攪拌器結構適合對豆腐、粉類的攪拌，從較大程度上降低對食材的損壞。為方便攪拌器的更換，攪拌器頂端采用的結構均為右圖頂部紅色標記的樣式，采用類似銷軸的方式更換攪拌器，只需要將其直接插入攪拌器旋轉軸中與旋轉軸進行裝配，同時為了使得安裝更為牢固，在攪拌器與攪拌器旋轉桿兩者的裝配接觸面均裝有磁鐵，如此可滿足攪拌器快速更換的目的。 圖3.4攪拌器1、2 3.2.4 鍋蓋 鍋蓋的結構如圖所示，由于攪拌器需要連接在鍋蓋上面

26、，因此在鍋蓋內側設計了如右圖的結構，該結構可與攪拌器旋轉桿進行裝配連接，同時為攪拌器的旋轉提供動力。從下圖可以看出，鍋蓋頂部與一個旋轉臂相連接，該旋轉臂在接近中間部位和末端部位分別有一個安裝螺栓的孔，靠近中間部位的螺栓孔在鍋蓋翻轉過程中起到固定旋轉和支撐的作用，靠近末端部位的螺栓孔與另一個旋轉桿相連接，通過兩個連接桿最終與步進電機進行連接，該螺栓孔在鍋蓋的翻轉過程中主要起到傳遞動力的作用，通過步進電機的正轉和翻轉將動力傳遞到鍋蓋，最終完成鍋蓋的開合。 圖3.5鍋蓋旋轉臂 4 重要零件的有限元分析 在本結構設計中，由于自動炒鍋的鍋蓋外部需要與驅動壁連接進而驅動鍋蓋的開合，鍋蓋下方

27、需要和攪拌器相連接，因此該結構特性受力最為嚴重，所以需要對齊進行有限元分析，以確定材料的選用，尺寸的設計是否滿足使用要求。本文利用Catia軟件中的有限元分析模塊對鍋蓋結構進行分析，由于該結構相對較為復雜，故根據(jù)其結構將其簡化為簡支梁模型，即鍋蓋壁兩端進行受力，中間為支撐點起到支撐作用。首先利用仿真模塊，對其支撐部位進行固定，如下圖鍋蓋連接部位所示，固定之后對其鍋蓋處進行力的添加，由結構可知該處所受最大力與其重力相同，為7.2N。受力方向如鍋蓋下方黃色箭頭所示。在結構固定和力施加完畢后，對齊進行網格的劃分，由有限元分析知識可知，網格劃分越密集其分析結果越準確，因此該網格的大小最終取5mm。網格

28、劃分完畢后，對齊進行力學的求解，最終得到其仿真結果。 圖4.1鍋蓋旋轉臂的網格劃分 圖4.2鍋蓋旋轉臂的有限元分析 網格劃分完畢后對該零件進行應力分析，得到的應力圖如上圖所示，從仿真分析原理可知，從藍色到紅色所代表的所受應力約來越大，根據(jù)圖中可以看出受力最大的部位為靠近中間螺栓固定的位置，最大應力為0.647Mpa,通過查閱資料可知，該應力遠遠低于鋁合金的屈服強度140Mpa，因此該結構設計合理完全滿足使用要求。  5 前景及展望 本文通過對自動炒菜機的自動翻轉結構的主要零部件和工作原理進行了詳細的描述，也從實用性，可行性方面進行了一定的研究和驗證，對自動炒菜機在實

29、際生產生活中的應用具有一定的借鑒和使用意義。但該結構也具有其局限性，主要表現(xiàn)在雖然可實現(xiàn)自動炒菜的功能，相比于目前市場和已存在的產品所能實現(xiàn)的功能更多，更全面，但也還遠遠未達到可滿足任何菜品的翻炒需求，比如需要翻炒的魚類產品、需要呈某種規(guī)則放置的菜品等。因此在后續(xù)的研究中，可進一步從智能化和翻炒結構方面進行更深的研究。 通過本次設計，讓我明白單單只學習課本上的知識是不夠的，設計還要靠大量的實操和驗算來考慮可行性，相信這對我以后的工作會有很大的影響。在設計過程中也非常感謝我的指導老師曾亮華導師和同一課題的組員，他們在我設計中提高了很多指導和幫助，感謝你們。 文獻 【1】紀金燦. 智能炒菜

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