毕业设计（论文)-自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构设计.

毕业设计（论文)-自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构设计.

毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：自动烹调机的锅定位及锅盖翻转机构设计II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：自动烹调机是菜肴的加工中心，与机械加工中心的原理相类似，因此，可按照数控系统的原理方法来进行研究，只是应用方向不同。本课题的具体要求主要包括：1.自动烹调机的锅定位及锅盖翻转机构总体结构及尺寸满足菜肴制作的要求。2.锅定位及旋转机构能够实现均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热的目的。3.锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。III、毕业设计(论文)工作内容及完成时间：1.熟悉自动烹调机的工作原理，撰写开题报告；（2周）3月26日～4月08日2.构思锅定位机构的总体结构，确定其总体尺寸；（0.5周）4月9日～4月11日3.绘制锅定位与锅盖翻转机构的总体结构图；（1.5周）4月12日～4月22日4.锅盖机构与锅定位机构的设计计算；（3.5周）4月23日～5月16日5.外文科技文献阅读与翻译（4000以上实词）；（2.5周）5月17日～6月02日6.撰写毕业论文；　（2周）6月3日～6月14日7.毕业答辩准备；（1周）6月16日～6月22日Ⅳ、主要参考资料：\n[1]璞良贵.纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，2001[2]徐灏主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，1995.12[3]黄文波.烹调自动烹饪系统的研究与开发[D]，华南理工大学，2005.06[4]万小联.中式菜肴烹调自动化系统的开发研究.制造业自动化[J]，26(3)：50-53[5]聂秋根、张洪兴等.开放型CNC系统模块化的设计[J].中国制造业信息化，33（5）[6]H.H.Mabie,F.W.Ocvirk:“MechanismsandDynamicsofmachinery ”,Blackburg,Virginia,1978[7]BallandRollerScrews.EngineeringMaterialandDesign.19(12),1975学院专业类班学生（签名）：日期：自2007年3月26日至2007年6月22日指导教师（签名）：助理指导教师(并指出所负责的部分)：机械制造工程系（室）主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页毕业设计（论文）开题报告\n题目自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构设计专业名称机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师填表日期2007年3月29日\n说明开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致\n一、选题的依据及意义：中国的烹饪属于“艺术创造”。这种传授靠师傅带徒弟，一些优秀的文化遗产往往由于某些原因造成失传或流传走样。烹饪自动化的前提是标准化，也就是没有标准化就没有自动化，标准化有利于将烹饪传统技艺纵向传给后人，横向与世界各国交流；有利于加速烹饪学科建设，有利于获得知识产权，避免重复劳动。另一方面，烹饪自动化不是简单的用机械仿手工技艺，而是应在传统烹饪原理基础上应现代科学技术进行革命性的改造。烹饪自动化不是否定传统的烹饪技艺，而是对传统的继承和发扬。烹饪大师仍然是烹饪技艺的直接创造者，不仅在高档餐馆、酒楼中发挥作用，而且又是烹饪工程技术部门的设计师而大有用武之地。总之，烹饪自动化将对传统烹饪技艺的继承和发展产生积极的作用。从纵向看，任何一种产品生产的原始状态均是手工操作，随着生产力懂得发展，一部分才转向半机械化和机械化，从横向看，发达国家的产品的机械化、自动化较高，表现在食品加工上，一方面形成了现代工业化意义上的快餐行业，另一方面由于厨房机械自动化程度提高而向人们提供加工品、半加工品的比重较大。我国的中式快餐已经出现良好的发展势头，但仍处于起步阶段，加上中式烹饪操作的复杂性，致使中式烹饪自动化发展的进程较慢。也正是由于中国烹饪操作的复杂性，并不是所有菜肴均能工业化、自动化。中式烹调的工程化改造决不否认手工烹饪。传统的烹饪技艺将在酒楼、餐馆仍有进一步发挥之地，构成现代社会餐饮市场的重要组成部分。中国烹饪与国外烹饪相比，工艺复杂，技法繁多，百菜百味的特点，这的确给直接自动化生产带来很多困难，但是，一些烹饪方法如炸、熏、烤、熘和一些水传热的烹饪方法均可实现自动化，当然，这有赖于通过烹饪的科学研究，优选出适合烹饪自动化的品种。目前的一些实践证明，对于某些品种的菜肴，自动化生产已经成为可能。另一方面，从历史看，无论社会文明发展到何种程度，手工操作的烹饪技法创造仍有很大饿需求，不可能也不必要全部自动化，可以肯定地说，自动化的产品永远不可达到手工操作的水平，手工技艺终将有很大的市场需求。同时，自动化的品种和手工操作的品种在品质上总有差别的。\n二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：中国是一个有上下五千年历史的文明古国，同样也有着悠久的饮食文化，从原始人的茹毛饮血到今天发展成为鲁、粤、川、淮扬四大菜系，人们为了做出这些各式各样的饭菜，也发明了各种烹调工具和方法。时至今日，中国的烹饪不仅成为了中国的一些国粹，西方也有越来越多的人接受了它。随着社会的发展，人们的生活节奏加快，中式烹饪也逐渐显现出了它的缺点，即：选料考究、制作工艺复杂和制作环境不佳，使得烹饪费时费力且影响烹饪着的健康，从而制约了烹饪的发展。在今天的中国，作为西餐代表，“麦当劳”和“肯德基”在快餐领域占领了非常大的市场，由于它们已经使饮食快餐化，而且制作过程简单、清洁，最重要的是实现了快餐的工业化，因而满足了现代社会生活的要求。那么中国的烹饪能否实现快餐化，进而实现工业化就成为了一个自然而然的问题，并且答案也是肯定的，中式烹饪不但要实现快餐化更要实现工业化，中式烹饪的快餐工业化是当今社会发展的必然趋势和要求。众所周知，工业化的基础是机械化、自动化，并随着社会科技的发展，信息化也逐渐成为了工业化不可缺少的组成部分，因此，中式烹饪的快餐工业化的前提就是中式烹饪的机械化、自动化和信息化，这便引出了本设计所要研究对象的其中一部分——自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构。三、研究内容及实验方案：本文的研究将引入自动烹饪机的概念，阐述烹饪及烹饪技法原理，研究内容是根据烹饪大师对菜肴的研究，以次分析锅定位及设计旋转机构能够实现均匀翻炒，使锅内所有被烹饪物均匀受热，另外，锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。这两个问题是本课题要解决的问题。对于锅定位及旋转机构和锅盖翻转机构，利用虚拟设计技术进行设计、开发和装配，充分利用SolidWorks在设计装配中的优势。控制系统部分采用先进的电子设计自动化软件EDA技术进行电路设计，控制装置采用PC加运动控制卡的结构来构件，以保证研究开发的速度和成功率，减少开发强度。\n四、目标、主要特色及工作进度在烹饪自动化带来了方便和快捷的同时，随着人们的生活水平的提高，饮食环境和饮食健康越来越被重视，然而绝大多数人只注重了中餐的色、香、味等表面属性，对于真正重要的饮食安全和营养却知直甚少，因而，自动化烹饪系统为此提供了一个极好的解决办法。它不需要食用者去具体了解食品的营养成分与安全度，一切已经为营养专家代劳了，自动化的烹饪系统会很好的执行下去，这有利于改变中国人不和情理的饮食结构。本课题研究的就是在无需人工干预的烹饪中烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构的设计。工作进度：(1)熟悉自动烹调机的工作原理，撰写开题报告；（2周）3月26日～4月08日(2)构思锅定位机构的总体结构，确定其总体尺寸；（0.5周）4月09日～4月11日(3)绘制锅定位与锅盖翻转机构的总体结构图；（1.5周）4月12日～4月22日(4)锅盖机构与锅定位机构的设计计算；（3.5周）4月23日～5月16日(5)外文科技文献阅读与翻译（4000以上实词）；（2.5周）5月17日～6月02日(6)撰写毕业论文；　（2周）6月03日～6月14日(7)毕业答辩准备；（1周）6月16日～6月22日五、参考文献[1]．璞良贵.纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，2001[2]．徐灏主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，1995.12[3]．黄文波.烹调自动烹饪系统的研究与开发[D]，华南理工大学，2005.06[4]．万小联.中式菜肴烹调自动化系统的开发研究.制造业自动化[J][5]．聂秋根、张洪兴等.开放型CNC系统模块化的设计[J].\n学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空工业学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。作者签名：日期：导师签名：日期：\n目录目录1．绪论11．1国内外研究概况及发展趋势11．2自动烹调机的目的及意义11．3本论文的主要研究内容42．烹调自动化系统总体结构的设计52．1引言52．2自动烹调机的工作原理52．3设计方案72．3．1机架82．3．2锅铲机械手92．3．3锅旋转机构102．3．4锅盖翻转机构112．4小结123．锅定位及锅盖翻转机构的设计及计算133．1引言133．2基于SolidWorks的虚拟设计133．2．1SolidWorks的简介143．2．2SolidWorks的装配方法153．3锅定位的工作原理163．4锅旋转机构的设计173．4．1电动机的选择173．4．2齿轮的设计及其计算183．4．3润滑243．5锅盖翻转机构的设计243．5．1工作原理243．5．2其它零部件设计与选择253．6小结254．结论与展望274．1本论文的主要工作及结论274．2本论文的特色与创新274．3展望28参考文献29致谢30附录31I\n摘要自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构设计学生姓名：班级：指导老师：摘要：本论文课题是研究一种由计算机控制的自动烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构。该设计可完全取代人工操作，快速、连续地进行不同菜肴的全自动烹调，从而既减轻烹调者的劳动强度，同时能更好地改变中国人不合理的饮食结构，提高烹调菜肴的营养成分与安全度。根据国内外研究概况及发展趋势，提出了自动烹调机的目的和意义，明确了本论文的主要研究内容。首先，阐述说明自动烹调机的总体结构包括锅铲机械手、锅旋转机构、锅盖翻转机构及送投料机构等的基本工作原理，并对各机构分别进行分析，画出机构原理图、计算机构的自由度。其次，在第三章中完成了锅定位方案的确定，实现了锅旋转和锅盖翻转运动，并且以虚拟设计软件SolidWorks作为开发平台，绘制出模型图。最后，总结本论文设计的主要内容，得出结论，提出本设计的主要特色。本课题研究的锅定位及锅盖翻转机构设计能通过各个机构的协调工作而很好的实现人工炒菜时烹调物均匀受热、均匀翻炒。同时满足锅盖翻转与锅盖机构和投料装置不发生干涉，为实现产品的商业化、实用化做好准备。关键字：中式菜肴烹饪；烹调自动化系统；翻转机构；定位指导老师签名：II\nAbstractTheautomaticcookingpotpositioningandoverturnedpotcoverdesignStudentname:LiwenYuClass:Supervisor:WenguangLiuAbstract:Inthispaperacomputer-controlledautomaticmachinecookingpotpositioningandpotcoveroverturnedagenciesareintroduced.Itcancompletelyreplacethemanualandhavemanyadvantagessuchasfast,continuousdifferentdishesfortheautomaticcooking,soastoreducethelaborintensity,andbetterabletochangetheChinesepeople'sunreasonabledietstructure,cookingdishestoenhancethenutritionalcontentandsafety.Automaticmachineisprocessingcenterforcookingfood,andissimilartotherationale.Therefore,itcanbestudiedaccordingtoComputerNumericalControlbutappliedthedifferentdirection.Thewholestructureoftheautomaticcookingmachinewasresearchedintheproject,includingpancaketurnermachinehand,orientationofpan,pancoveroverturnandsoon.Additionally,controlthesizeofmachinetosatisfytherequestofcooking.Orientationofpanandrevolvingsystemcanrealizetheproperlyfrywhichmakethefoodsharethesimilarheat.Makethepancoveroverturn,thepancovermachineandthrowcondimentsequipmentnotinterrupt.UseSolidWorkstodesignsimulationsystemandcreatethepictureofproject,whichmakethedesignefficient.Orientationofpanandrevolvingsystemcansuccessfullyworkwitheverymachine,andcanrealizethefoodtosharethesimilarheatandfryfrequencywhencook.Makethepancoveroverturn,thepancovermachineandthrowcondimentsequipmentnotinterrupt,whichistheneedformakingtheproductcommercialandpractical.Keyword:Chinesedishcooking;Cookingautomationsystem;Overturn;PositioningSignatureofSupervisor：III\n1绪论1．1国内外研究概况及发展趋势中国是一个有上下五千年历史的文明古国，同样也有着悠久的饮食文化，从原始人的茹毛饮血到今天发展成为鲁、粤、川、淮扬四大菜系，人们为了做出这些各式各样的饭菜，也发明了各种烹调工具和方法。时至今日，中国的烹饪不仅成为了中国的一些国粹，西方也有越来越多的人接受了它。随着社会的发展，人们的生活节奏加快，中式烹饪也逐渐显现出了它的缺点，即：选料考究、制作工艺复杂和制作环境不佳，使得烹饪费时费力且影响烹饪着的健康，从而制约了烹饪的发展。在今天的中国，作为西餐代表，“麦当劳”和“肯德基”在快餐领域占领了非常大的市场，由于它们已经使饮食快餐化，而且制作过程简单、清洁，最重要的是实现了快餐的工业化，因而满足了现代社会生活的要求。那么中国的烹饪能否实现快餐化，进而实现工业化就成为了一个自然而然的问题，并且答案也是肯定的，中式烹饪不但要实现快餐化更要实现工业化，中式烹饪的快餐工业化是当今社会发展的必然趋势和要求。众所周知，工业化的基础是机械化、自动化，并随着社会科技的发展，信息化也逐渐成为了工业化不可缺少的组成部分，因此，中式烹饪的快餐工业化的前提就是中式烹饪的机械化、自动化和信息化。1．2自动烹调机的目的及意义今天人们对饮食的要求越来越高，各种菜式层出不穷，使用的工具也随着时代的发展不断的推陈出新。无论是烧菜用的锅、锅铲、还是煎、炒、煮、炸这些做菜的方法都是中华民族几千年来不断积累和创新的结晶。与东方人的饮食方式不同，西方人饮食方式简单，制作的工艺流程也很简单，可以说，他们的大量劳动已经被各种机器设备所代替。中国的烹饪却不同，一口锅、一把铲，承传了几千年，始终在烟熏火燎的环境中劳作，不停地挥舞着胳膊直到所有的菜都炒熟。烹调的自动化研究就是将人们在这种劳作环境之中解脱出来。那么什么是烹调？与烹饪又有何关系？怎样实现烹调的自动化？回答这些问题首先需要对烹调的概念有个清楚的认识。许多情况下，人们通常将烹饪与烹调当作同一概念使用，然而他们并非同一概念，二者存在差异。按照烹饪发展的历史逻辑，先有烹饪，后有烹调。烹调是烹饪发展到一定阶段---51\n调味品出现之后才有的。最初的烹饪的目的是食物熟而可食，而烹调的目的则更进一步，使食物而可口，因此，烹调是烹饪发展相对高级阶段的产物。烹调的出现，使人们的饮食具有了超出果腹而满足享受的意义。由于烹调一词产生的时代，也是人类早已进入烹调与烹饪不分的时代，所以两个词在历史上不但有混用现象，而且有烹调一词代替烹饪一词的现象。近几十年来，烹饪与烹调二词分野也十分明确：烹饪涵盖烹调，烹调是烹饪的一个组成部分，二者是大概和小概念的关系。烹饪泛指食品（包括饮料）的制作生产；现代的烹调芝食品制作中的调和，即在材料的选取、配比、清洗、和切制等准备阶段已经完成的基础上，仅对材料进行加热、调和处理。这就是说烹饪包括准备阶段和烹调阶段。鉴于本论文特定的研究对象，将主要针对烹调的概念来进行相关系统的研究与开发。目前，将食品生产工艺过程划分为机器加工过程与深入被加工过程。如果工艺过程加工过程用机器完成，则称为机器加工过程，在设备中实现的加工过程称为设备加工过程。原料加成品的形态对于工艺机器的结构具有一定的影响。两着可能都是分散的，即单件的；也可能都是成团的，即非单件的。将非单件原料加工成非单件成品的过程最宜用机器实现。烹调工艺流程就符合这种特点。烹调在中国烹饪工艺流程中是最关键性的环节，也是烹饪过程中最决定意义的一步。中式烹调自动化实质就是将传统的中国烹饪手工操作变成机器的加工过程，生产出标准化的、感官形状符合人们审美习惯的菜肴。烹调自动化可以说是食品加工的艺术创造、烹饪科学与食品科学的结合点，它即要保证发挥传统烹饪艺术创造性，又要发挥科学创造的威力实现标准化规模化生产。随着现代应用技术的发展，中式餐饮业的自动化有了一定的发展，也有不少自动化的烹饪机器，包括全自动电饭锅、微波炉、面包炉等。这些设备都或多或少涉及到烹调的自动化，而它们的功能单一，自动化程度底，没有实现集成化和智能化的功能，只是现有烹调设备的一个补充和辅助，严格上说仍不能算是自动烹调机器，与食品业自动化相比，明显存在着自动化程度布告的缺点。其主要原因是人们对菜肴（主要指热盘）的要求是现点现做以保证其绝对新鲜可口，而且不同的人常常要求不同口味的菜肴，不同口味的菜肴所使用的主料、配料、作料及火候、工艺等又不相同，所以，菜肴的烹调不同于糕点，罐头及速食等食品的制造，不可能实行单一品种批量生产的自动化流水线（在烹饪的准备阶段应该采用的方式）。即使在人工昂贵的欧美国家，尽管中菜广受人们喜爱，餐馆即使是快餐馆的工作，也是由厨师，配菜等人员来完成。要实现菜肴烹调自动化，要满足各类人群提出的不同口味菜肴的要求而进行不同物料选取及连续烹调，保证现点现做及烹调水平稳定，应用计算机控制的全自动烹调系统是可以实现的。51\n在准备阶段选料和配料是具有核心知识产权的部分，通常为烹饪大师所保留，而且很容易实现工业化，因此，准备阶段不在本课题的研究范围内，本论文视其为已完成。对于烹调阶段，则由于工艺的复杂性与灵活性，也同样具有知识产权特征，工艺的差别性也带来了菜肴口味的差别，因此烹调系统必须能适应工艺的多样性。在烹饪自动化带来了方便和快捷的同时，随着人们的生活水平的提高，饮食环境和饮食健康越来越被重视，然而绝大多数人只注重了中餐的色、香、味等表面属性，对于真正重要的饮食安全和营养却知直甚少，因而，自动化烹饪系统为此提供了一个极好的解决办法。它不需要食用者去具体了解食品的营养成分与安全度，一切已经为营养专家代劳了，自动化的烹饪系统会很好的执行下去，这有利于改变中国人不和情理的饮食结构。本课题研究的就是在无需人工干预的烹饪中烹饪机的锅定位及锅盖翻转机构的设计。从纵向看，任何一种产品生产的原始状态均是手工操作，随着生产力懂得发展，一部分才转向半机械化和机械化，从横向看，发达国家的产品的机械化、自动化较高，表现在食品加工上，一方面形成了现代工业化意义上的快餐行业，另一方面由于厨房机械自动化程度提高而向人们提供加工品、半加工品的比重较大。我国的中式快餐已经出现良好的发展势头，但仍处于起步阶段，加上中式烹饪操作的复杂性，致使中式烹饪自动化发展的进程较慢。也正是由于中国烹饪操作的复杂性，并不是所有菜肴均能工业化、自动化。中式烹调的工程化改造决不否认手工烹饪。传统的烹饪技艺将在酒楼、餐馆仍有进一步发挥之地，构成现代社会餐饮市场的重要组成部分。中国烹饪与国外烹饪相比，工艺复杂，技法繁多，百菜百味的特点，这的确给直接自动化生产带来很多困难，但是，一些烹饪方法如炸、熏、烤、熘和一些水传热的烹饪方法均可实现自动化，当然，这有赖于通过烹饪的科学研究，优选出适合烹饪自动化的品种。目前的一些实践证明，对于某些品种的菜肴，自动化生产已经成为可能。另一方面，从历史看，无论社会文明发展到何种程度，手工操作的烹饪技法创造仍有很大饿需求，不可能也不必要全部自动化，可以肯定地说，自动化的产品永远不可达到手工操作的水平，手工技艺终将有很大的市场需求。同时，自动化的品种和手工操作的品种在品质上总有差别的。51\n1．3本论文的主要研究内容本文的研究将引入自动烹饪机的概念，阐述烹饪及烹饪技法原理，自动烹调机是由计算机控制的全自动化系统，它可以完全取代人工操作，快速、连续地进行不同菜肴的自动烹调，从而减轻劳动强度，保证菜肴品质的稳定。自动烹调机的锅定位及锅盖翻转机构设计的关键是通过机构设计实现均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热的目的，同时保证锅盖翻转十锅盖机构和投料装置不发生干涉。因此本论文主要研究的内容是根据烹饪大师对菜肴的研究，以此分析锅定位及设计旋转机构能够实现均匀翻炒，使锅内所有被烹饪物均匀受热，另外，锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。这两个问题是本课题要解决的问题。自动烹调机就是菜肴的加工中心，与机械加工中心的原理类似，因此，可以按照数控系统的原理方法来进行研究，只是应用方向不同。对于锅定位及旋转机构和锅盖翻转机构，利用虚拟设计技术进行设计、开发和装配，充分利用SolidWorks在设计装配中的优势。控制装置采用PC加运动控制卡的结构来构件，以保证研究开发的速度和成功率，减少开发强度。本论文的主要工作如下：1）熟悉自动烹调机的工作原理及三维软件的使用；2）构思自动烹调机的总体结构，确定机器的总体尺寸；3）进行锅盖机构与定位机构的设计，并绘制相应的结构图；51\n2烹调自动化系统总体结构的设计2．1引言很多个人和研究机构都提出了“自动烹调”的概念，并在这个领域进行了一些研究，也出现了“微电脑控制炒锅”、“菜肴自动加工机”、“自动饭菜机”等一系列的相关产品。但是，这些产品无论是在机构上还是控制上，离“自动烹饪”都尚有很大的距离。自动烹调的基本意义和目的就在于将被烹调物按照各种主要烹调技法加热至预期火候状态，达到预期口味和风味效果。上述的各种装置，基本上都无法控制或不能很好的控制烹调火候，更不能在烹调技法要求的火候条件下按照烹调技法要求的方式进行物料自动投放、翻动和盛出等烹调基本操作，所以不仅与自动烹调机能自动实现各种主要烹调技法和达到其风味特色的要求相差甚远，甚至在自动烹调机的最基本要求，即控制好生熟的程度的实现上都有难度。而且它们基本上都只能烹调一种或有限的几种菜式，扩展性很差，这与其设计概念和机构有关，因此实用意义相当有限，严格来说并不能被称为自动烹调装置。在国内华南理工大学黄文波设计制作了一种由电脑控制的全自动中式菜肴烹调机系统[10]。该系统可完全取代人工根据顾客的随机点叫，快速、连续地进行不同菜肴的物料选取和全自动烹调，从而为餐饮业的烹调自动化提供了一种全新的选择方案。描绘了一个实用化及自动化的理想系统如何实现菜肴和其它烹调食品的自动烹调，但是也仅限于概念研究，并没有去具体实现，不过对本文的研究具有很好的参考价值。2．2自动烹调机的工作原理自动烹调机的基本组成将包括：控制计算机部分、伺服驱动部分、检测部分以及机械运动部分。自动烹调机的运动部分主要是翻炒运动、锅旋转运动、锅盖翻转运动和送投料运动。其组成框图见图2-1。51\n检测反馈装置PC机运动控制卡步进电动机直流电动机直流电动机直流电动机锅铲机械手机构锅旋转机构锅盖翻转机构送投料机构图2-1自动烹调机的基本组成Fig.2-1Theconsistsofautomaticcookingmachine控制计算机是存储烹调加工所需要的全部动作和锅铲相对于锅的内表面位置信息的媒介物，它记载着烹调加工的程序。在以前的数控设备中，常用的控制介质有穿孔带、穿孔卡片、磁带和磁盘等，但随着信息技术的发展，穿孔带和穿孔卡片也将趋于淘汰，自动烹调机的控制介质将更多使用磁带和磁盘或直接利用网络进行信息传输。自动烹调机系统采用PC加运动控制卡的结构，运动控制卡是自动烹调机控制系统的核心之一，是整个系统得以运行的关键所在，自动烹调机整个控制系统要求并不需要很精确，锅铲只要能有效铲起锅中懂得物料即可，因此选择开环式控制是最合适的，也有利于控制系统的简化，提高系统运行的可靠性，应该尽量选择经济实用型运动控制卡，同时要求能够在控制软件开发方面快速且方便。伺服系统是接收计算机的指令，驱动烹调机执行机构运动的驱动部件。包括进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、进给电机、锅盖翻转驱动和锅旋转驱动单元等。这里的伺服驱动系统要求有好的快速响应性能，以及能灵敏而准确地跟踪指令功能。在本设计中主要采用步进电机和直流电机。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，其作用是检测速度、位移和温度等。51\n烹调机本体包括基础框架、运动机构等机械部件。烹调机本体结构得到了下面几个特点：（1）由于采用了进给伺服系统装置，烹调机的机械传动得到了简化，传动链较短。（2）烹调机的机械结构具有较高的动态特征、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。适应连续地自动烹调。（3）采用高效传动件。为了保证自动烹饪机的功能得到充分发挥，还有一些配套部件（如防水、隔热润滑、清洁、报警等一系列装置）。自动烹调机应能够通过各个机构的协调工作而很好的模仿人手炒菜时锅铲的动作，并自动控制烹调火候，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、翻炒和盛出等烹调基本操作。在中式烹调中，主要包括了42中烹调方法：炙、烤、烙、煎、炸、炒、熘、煮、蒸、勾芡等等。这42中烹调方法各不相同，而且每一种方法又有很多细分，中式烹调技法千变万化，因而很难将所有的烹调技法一一列出，可以通过分类归纳，将这些烹调方法中相似或相近的方法集合成一种动作，在程序里将其编成一个功能子程序，通过调用的方式来实现烹调方法的自动化。那么对烹调自动化系统的功能要求归结起来包括：（1）实现人手烹调时的翻炒、拨散、搅拌、盛出等动作；（2）能够自动投放原料和调味料；（3）能适应烹调方法的要求；（4）能控制火候，达到预期风味；（5）有良好的扩展性，即能适应新菜式的烹调要求。本课题要研究的就是其中一部分，即锅的定位及锅盖翻转机构设计，要求能够实现均匀翻炒，达到使锅内所有被烹调物均匀受热的目的；另外同时满足锅盖翻转与锅盖机构和投料装置不发生干涉。2．3设计方案根据上述的烹调机的总体结构，其系统机械结构主要包括：锅铲机械手、锅定位及旋转机构、锅盖翻转机构和送投料机构。同时需要一个机架作为支撑载体将这些结构结合为一个整体。51\n2．3．1机架机架是整个机构的载体，用来支撑整个机构。由于目前为设计的初级阶段，主要是锅定位及锅盖翻转机构的实现，因此，机架的设计并未一步到未，只是按整机的功能构建一个不锈钢基础框架。至于外观设计，将在以后功能得到完善后，按照工业设计的标准和审美的需要进行改造。图2-2机架Fig.2-2Themachineframe如图2-2，现阶段机架的设计，主要是根据自动烹调机水平和纵向的烹调动作行程与相关机构的协调、使用者的空间需要等方面来进行。由于机架长期处于较高温度的环境中，并且经常经受油烟等污染，所以机架材料选择不锈钢，它不易生锈，而且容易清洗打理。51\n2．3．2锅铲机械手1)组成及工作原理锅铲机械手的机构原理图如图2-3所示。图2-3锅铲机械手机构原理图Fig.2-3Machinehandorganizationprinciplepursuesaslice锅铲机械手机构主要由：1—大带轮2—V带3—小带轮4—推拉杆5—锅铲等五部分组成。其工作原理是电动机主轴安装在大带轮1上，电动机主轴转动带动大带轮旋转，从而通过V带2也带动小带轮3运动起来，大、小带轮均安装在电机安装板上。推拉杆4旋绕在小带轮上，通过大、小带轮的旋转而改变杆的长度，电动机主轴正转时推拉杆伸长，反之，反转时推拉杆缩短，最终使锅铲5得以实现翻转。而锅铲的左右及前后运动则是通过运动小车在导轨的运动实现的。2)机构自由度的计算由图2-3不难看出，此机构共有5个活动构件（即大带轮1、V带2、小带轮3、推拉杆4与锅铲5），7个低副，没有高副，故机构的自由度为：51\n由此可以看出该机构具有确定的运动，即只要电动机旋转，便可带动锅铲机械手运动。2．3．3锅旋转机构1)组成及工作原理锅旋转机构原理图如图2-4所示。图2-4锅旋转机构原理图Fig.2-4Boilerrevolutionorganizationprinciplepicture锅旋转机构主要由：1—电动机2—主动轮（小齿轮）3—从动轮（大齿轮）等组成。其工作原理是电动机1主轴旋转带动小齿轮2转动，小齿轮和大齿轮通过外啮合带动大齿轮转动，锅放在大齿轮内圆面的焊接锅支架上，整个机构便可运动起来。关于锅的定位等问题将在第三章的锅定位及旋转机构的设计中具体分析与设计。2)机构自由度的计算：由图2-4不难看出，此机构共有3个活动构件（即电动机1、小齿轮2、大齿轮3）4个低副，故机构的自由度为51\n由此可以看出该机构具有确定的运动，即只要电动机主轴旋转，便可带动锅旋转。2．3．4锅盖翻转机构1)组成及工作原理锅盖翻转机构原理图如图2-5所示。图2-5锅盖翻转机构原理图Fig.2-5Potcoveroverturnsorganizationprinciplepicture锅盖翻转机构主要由1—杠杆、安装板、电动机、锅盖、联轴器、滚动轴承等组成。其工作原理是电动机旋转带动杠杆运动，锅盖和杠杆之间通过螺钉连接为一体，当电动机主轴转动方向控制着锅盖的开合，当电动机主轴正转时，锅盖闭合；当电动机主轴反转时，锅盖打开。电动机主轴通过联轴器与另一根轴联接安装在安装板上。2)机构自由度的计算：由图2-5不难看出，此机构共有1个活动件，1个低副，故机构的自由度为由此可以看出该机构具有确定的运动，即只要电动机转动，便可带动整个机构运动起来。51\n2．4小结本章主要介绍了自动烹调机总体结构组成及其工作原理：1）自动烹调机主要由控制计算机部分、伺服驱动部分、检测部分以及机械运动部分组成。自动烹调机的运动部分主要是翻炒运动、锅旋转运动、锅盖翻转运动和送投料运动。2）详细阐述说明自动烹调机的基本工作原理，并且对烹调机本体的各部分机构（包括锅铲机械手、锅旋转机构、锅盖翻转机构等）分别进行分析。3）画出各机构的机构原理图以及机构自由度的计算，最终验证各机构是否有确定的运动，为后面的研究作好铺垫工作。51\n3锅定位及锅盖翻转机构的设计及计算3．1引言根据第二章所述的烹调机的总体结构，自动烹调机的机械结构主要包括：锅铲机械手、锅定位及旋转机构、锅盖翻转机构和送料机构。本章将对锅定位及锅盖翻转机构进行具体分析设计及计算，自动烹调机的锅定位及锅盖翻转机构设计的关键是通过机构实现均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热的目的，同时保证锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。3．2基于SolidWorks的虚拟设计虚拟设计（VirtualDesign，VD）开发是数字化产品开发的最新进展，通过各种虚拟现实装置，例如头盔、虚拟墙、立体眼镜、数据手套、音频设备以及软件可以营造一个三维的虚拟环境，设计者能够多方位、多形态地与设计对象交互，提高设计者和所设计的实体之间的互动性。在将来，从消费者对产品设计和制造的约定到对产品的生命周期支持和最终的回收处置，建模和仿真都将是所有制造企业的基本工具。设计者和消费者将在一个丰富的仿真环境中交互，这个环境映射了真实的世界并且能够使开发快速而准确，同时找到消费者需要的潜在解决方案。这种交互的输出将是一个完全被定义了的数字化需要，它既确定了产品的外型，性能、生命周期、成本，也确定了产品交接的时间和数量。虚拟设计主要是开发设计新产品，建立产品的数字模型，用于整个企业的各个部门。通过对产品的实时性功能仿真，工程师、设计人员或用户可以在产品生命周期内寻求其最优化设计，在计算机中对产品进行实时分析，如有限元分析、人机工程分析、干涉分析、加工过程分析等，然后迅速地修改产品的外观形状、装配、加工工艺、材质等。这种功能为制造商提供了前所未有的技术，使他们更快、更全面地了解想象中的产品，这将提高他们的竞争力。虚拟设计（VD）主要涉及到以下几方面内容：1．虚拟建模。虚拟建模不仅仅是运用现有的三维CAD/CAE系统在计算机中建立产品各零部件的实体模型。虚拟产品设计过程中还应充分得体现产品设计方法论如并行工程等思想，充分利用网络通讯技术和PDM所构造的并行设计与管理环境，采用数字化产品模型，并能用不完备产品模型和迷糊产品来仿真产品全生命周期。2．虚拟分析。根据需要，对产品进行人机工程分析51\n、干涉分析、有限元分析等。有限元分析是用来检验产品可靠性和性能的，它可以预测复杂零部件的应力、变形、温度等。在设计阶段，使用有限元分析能够帮助做出设计选择，可以避免重复设计制造造成的时间和成本的浪费。3．仿真。对虚拟产品设计过程的仿真包括：①虚拟产品模型的演变过程的仿真；②虚拟产品性能仿真，包括运动学、动力学、精度特性、热物性及其它特殊性能的仿真；③虚拟装配仿真，用计算机仿真产品的实际装配过程，确定装配的好坏。要求首先进行装配建模、装配序列与路径规划、实况装配零部件及在装配路径各节点进行动态干涉检查。3．2．1SolidWorks的简介SolidWorks是在总结和继承了大型机械CAD软件优点的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械CAD软件，是面向产品级的机械设计工具。它全面采用非全约束的特征建模技术，为设计者提供了极强的设计灵活性。其设计过程的全相关性，即零件设计、装配设计和工程图之间的完全动态连接，使得设计者可以在设计过程的任何阶段修改设计，同时牵动相关部分的改变。SolidWorks与其它三维软件相比，具有以下显著的特点：（1）生动的人性化用户交互界面。由于SolidWorks是在Windows环境下开发的，它能够充分利用Windows的优秀界面，为设计者提供简易方便的工作界面。其首创的特征管理员，能够将设计过程的每一步都记录下来，并形成特征管理树，放在屏幕的左侧，设计者可以随时点取任意一个特征进行一改变零件的形状。在特征树的基础上，SolidWorks创新地提出配置管理器的功能，能使一个零件在每个文档内生成多个不同的派生样式，它能够在不同部分、不同属性或其它方式下开发和管理零件组和实体组。（2）快速而灵活的装配设计。SolidWorks不是一个简单的实体建模工具，而是一个面向产品级的机械设计系统。它既提供自底而上的装配方法，同时还提供自顶而下的装配方法。自顶而下的装配方法使设计者在装配环境中参考装配体和其它零部件的位置及尺寸设计新零件，更加符合工程习惯。并提供了孔选择和插入标准螺栓，增加螺母垫片的“智能零件”和“智能装配”功能。同时SolidWorks还提供了动态仿真的功能，并在仿真过程中提供了干涉检查、间隙控制等功能，给设计带来了极大的便利。（3）迅速生成完整详细的工程图。SolidWorks提供了从3D模型自动生成2D工程图和任意剖面视图的功能。对工程图或3D51\n模型的任何一个改动都能关联到整个设计，有效地保证了图纸的准确性和实时更新。通过拖动、解剖、投影等方式生成各种工程图，自动标注、自动生成剖面线，自动生成材料清单。（4）完善而强大的插件。SolidWorks还根据设计者的不同需要，提供了各种插件。Photoworks插件提供了方便易用的、最佳品质的渲染功能，可有效地展示概念设计，减少样机的制作费用。而动画插件Animator则可以方便地实现演示产品的外观和性能，缩短产品设计的周期，减少新产品投放市场的时间，能迅速地制作动画文件并通过电子邮件发送或在网站展示。本研究选取SolidWorks作为虚拟设计开发平台，也正是基于以上几个方面：他提供的特征管理树可以使设计者对零部件的结构特征有全面的了解。这样设计者在设计各零部件时可有的放矢，零部件的再设计也更为简单更具针对性；再者，SolidWorks可实现从底而上和从顶而下两种装配设计，为我们基于全局约束的装配设计提供了极大的便利；运动仿真、干涉检验、渲染等功能以及零部件、装配体和工程图之间的联动，对参数化虚拟设计系统来说，更是强有利的补充，使之更趋完备。3．2．2SolidWorks的装配方法装配是产品生命周期的一个重要环节，是产品功能实现的主要过程。据统计，在工业发达国家中，产品的生产过程中大约1/3左右的人力在从事产品装配有关活动，40%以上的生产费用用于产品的装配和调试，产品装配所需工时占产品生产制造总工时的40%-60%。另据有关研究表明，在产品设计中良好的装配设计，可减少20%-40%的制造费。同时提高100%-200%的生产率。因此，良好的装配设计和装配性能，对保证产品质量和可靠性，降低产品成本和提高市场竞争力具有十分重要的意义。在产品开发过程中，对装配问题考虑越早，所获取的质量、成本和时间效应就越明显。随着CAD技术的发展，特别是实体造型功能和特征造型技术的发展，设计者可以方便地设计出各种形状的零件。输入零件之间的几何约束关系，将设计好的零件装配成产品，这是目前CAD系统可以支持的一种自底而上（Bottom-up）的设计过程；另一种是自顶而下（Top-down）的方法，即在零件设计的初期就考虑零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的整体设计之后，再实现单个零件的详细设计，SolidWorks的装配遵循这两种方法。自底而上（Bottom-up）是传统CAD软件通常使用的一种设计过程。他的主要思路是先设计好各个零件，然后将这些零件拿到一起进行装配，如果在装配过程中发现某些零件不符和要求，诸如：零件与零件之间产生干涉，某一零件根本无法进行安装等，就要对零件进行重新设计，重新装配；再发现问题，再进行修改。这样做的优点很明显，思路简单，容易理解。51\n自顶而下（Top-down）则是从产品的功能出发，选用一系列的零件去实现产品的功能：先设计出初步方案及其结构草图，建立约束驱动的产品模型，通过设计计算，确定每个参数设计，然后进行零件的详细设计，通过几何关系求解将零件装配成产品。这种设计过程充分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力，最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作。本课题在机构设计过程中，利用SolidWorks的以上优点，并同时应用自底而上（Bottom-up）和自顶而下（Top-down）的两种装配设计方法，极大地提高了机构设计的效率和可靠性。3．3锅定位的工作原理由于锅铲机构的运动限制在一个平面内，显然不能达到均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热的目的。为此，通过合理地使锅旋转，采用一种主动的方式，让锅内的被烹调物未受热部分接受锅铲动作，均匀受热，就可以解决问题。图3-1锅定位及旋转机构模型Fig.3-1Theorientationandrotationmechanismforpan51\n锅旋转机构模型参见图3-1所示。支撑圆盘的一端面均布滚珠安装孔，内加润滑剂后将滚珠放入其中，从而可以支撑到齿轮转盘的弧面导轨凹槽；齿轮转盘的上部为齿轮环，齿轮环上端面有螺孔，用以安装支架，中部为圆环，圆环外直径小于齿轮环的齿根圆直径，避免齿轮啮合时的干涉；圆环下面有突起台阶，台阶外圆直径大于中部圆环外径；下部圆环端面是弧面导轨槽，弧面半径与滚珠相同；齿轮转盘内圆面焊接锅的支架；通过电机驱动动齿轮从而带动齿轮转盘在滚珠上旋转，电机安装在动齿轮的下方，用一个套筒固定，可以有利于锅的安置，且有效避免高温的影响；齿轮环上面可以安装固定定位卡槽，而定位卡槽是由具有弹性的金属板材作成，为“U”形的卡槽，两边微向内弯曲，当用力压下适当宽度的锅把手时，定位卡槽端面限制锅在齿轮转盘直径方向的自由度，两边弹性片限制锅在齿轮转盘切线方向的自由度，所以当齿轮转盘旋转时，将带动锅旋转，而又不会发生晃动。在支撑圆盘外圆面均布了3个限位轮架，滚轮直接套在限位轮架的销轴上；限位轮架斜压住齿轮转盘下部的突起台阶，保证齿轮转盘旋转时不会偏出弧面导轨槽，也限制其向上运动，从而将整个旋转机构连成一个整体。3．4锅旋转机构的设计3．4．1电动机的选择根据实际生活经验，锅及锅内烹调物总重量约为2.5Kg，即F=25N。设齿轮转盘带动锅转动的转速为60r/min，即n从=60r/min设齿轮转盘的直径D从=200mm，则由公式有：（3-1）齿轮转盘带动锅旋转所需要的功率Pw由公式：（3-2）取圆柱齿轮传动效率η=0.97故电动机输出功率（3-3）所以，锅旋转机构选择直流电动机，采用直流电压24V，参数说明见下表3-1：51\n表3-1直流电机的基本参数Table.3-1Characteristicofdirectcurrentmotivationparameter额定功率（kw）电动机转速（r/min）电动机质量（kg）额定电压（V）12500.524由电动机转速可知动齿轮的转速n主=250r/min，则：（3-4）由参考文献[20]查得圆柱齿轮传动比范围i=3～6可知以上计算的传动比属于该范围，所以，电动机选择合适。3．4．2齿轮的设计及其计算（一）齿轮材料选择设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮材料性能的基本要求为：齿面要硬，齿芯要韧。齿轮材料的选择原则：齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：①齿轮材料必须满足工作条件的要求。例如：用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择力学性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低，但要求传动平稳、低躁声或无躁声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。②应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢做毛坯。③金属制的软齿面齿轮，配对两齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质），且速度又高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20%51\n，应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。根据上述齿轮材料的选择原则，本课题锅旋转机构的选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度，小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。（二）齿轮的设计计算⒈选定齿轮精度等级、材料及齿数⑴按照图3-1，选用直齿圆柱齿轮传动。⑵锅旋转机构为一般工作，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。⑶材料选择。由表及齿轮材料选择原则，选择小齿轮小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。⑷开式齿轮传动，由于齿轮主要为磨损失效，为使齿轮不致过小，故小齿轮不宜选用过多的齿数，一般可取Z1=17～20。故选小齿轮齿数Z1=20，大齿轮齿数Z2=iZ1=6*20=120。⒉按齿面接触强度计算由设计公式进行试算，即（3-5）⑴确定公式内的各计算数值①试选载荷系数Kt=1.3②计算小齿轮传递的转矩（3-6）③取齿宽系数Φd=1④材料的弹性影响系数=189.8MPa1/2⑤按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=500MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限=450MPa；⑥接触疲劳寿命系数=0.90;=0.95⑦计算接触疲劳许用应力取失效概率1%，安全系数S=1，由式得51\n（3-7）（3-8）⑵计算①试算小齿轮分度圆直径d1t，代入[σH]中较小的值（3-9）②计算圆周速度v（3-10）⑶计算齿宽b（3-11）⑷计算齿宽与齿高之比b/h模数（3-12）齿高（3-13）b/h=53.314/5.998=8.889（3-14）⑸计算载荷系数根据v=0.698m/s，7级精度，得动载荷系数Kv=1.05；直齿轮，假设KAFt/b﹤100N/mm。得；取使用系数；7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，将数据代入后得（3-15）由b/h=8.889，得=1.35；故载荷系数（3-16）51\n⑹按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式得：（3-17）⑺计算模数m（3-18）3．按齿根弯曲强度设计由式得弯曲强度的设计公式为⑴确定公式内的各计算数值①小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限；②弯曲疲劳寿命系数；③计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式得（3-19）（3-20）④计算载荷系数K（3-21）⑤取齿形系数由表查得⑥取应力校正系数⑦计算大、小齿轮的并加以比较（3-22）（3-23）大齿轮的数值大。51\n⑵设计计算（3-24）对比计算结果，由齿轮接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.751并就近圆整为标准值m=2mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=59.31mm，算出小齿轮齿数：（3-25）取z1=30，则大齿轮齿数，取z2=126。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。4．几何尺寸计算⑴计算分度圆直径（3-26）（3-27）⑵计算中心距（3-28）⑶计算齿轮宽度（3-29）取B2=60mm，B1=65mm。5．验算（3-30），合适。（3-31）由于锅旋转机构的特殊结构，要求齿轮的结构设计也很特殊，它不同于普通齿轮的结构，如下图3-2所示大齿轮零件图，3-3所示小齿轮零件图：51\n图3-2大齿轮零件图Fig.3-2Thepartpursuesabiggearwheel51\n图3-3小齿轮零件图Fig.3-3Thepartpursuesasmallgearwheel3．4．3润滑在锅旋转机构设计中，支撑圆盘的一端面均布滚珠安装孔，因此内部需要加入润滑剂后将滚珠放入其中，从而可以支撑到齿轮转盘的弧面导轨凹槽。根据锅旋转机构的特殊结构，无法靠润滑装置来进行润滑，所以必须依靠人工将润滑剂涂抹到摩擦表面上。由于电动机带动齿轮转动的转速比较慢，以及自动烹调机正常工作时锅旋转机构长时间处于高温状态等原因，所以选择粘度较大、油性好以及氧化安定性强的润滑油和针入度较小的润滑脂。3．5锅盖翻转机构的设计3．5．1工作原理锅盖是烹调工艺十分常用的一项动作。本设计中，最主要的问题是如何避免锅盖翻转时与锅铲机械手和投料装置的干涉问题。这个问题主要是靠锅盖翻动的杠杆设计来解决。锅盖翻转机构相对比较简单，如图3-3所示。51\n图3-3锅盖翻转机构模型Fig.3-3Thecoveroverturnmechanism电动机的主轴通过联轴器与另外一根轴连接穿过杠杆固定在安装板上，轴的另一端套过滚动轴承也固定在安装板上。电动机主轴的转向决定着锅盖的开合，当电动机主轴正转时，锅盖闭合；当电动机反转时，锅盖打开。同时，锅盖本身还承担了烹调工艺中食物需要暂时盛出时所用容器的功能。3．5．2其它零部件设计与选择（一）联轴器的选择1．类型选择为了隔离振动与冲击，选用弹性套柱销联轴器。2．载荷计算公称转矩（3-32）51\n取，故由式得计算转矩为（3-33）3．型号选择从GB4323-84[19]中查得TL4型弹性套柱销联轴器的许用转矩为，许用最大转矩5700r/min，轴径为20～28mm之间，故合适。（二）滚动轴承的选择轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。由于锅盖重量较轻，且该翻转机构转速很慢，与轴承配合的电动机的直径为20mm，故选择角接触球轴承7204C，它可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。由于一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。3．6小结在前一章介绍基本理论、基本方法的基础上，本章实现了机构的参数化虚拟设计，完成了以下几个方面：1．完成了锅定位方案的确定，实现了锅旋转和锅盖翻转运动，并且以虚拟设计软件SolidWorks作为设计开发平台，设计符合人的思维习惯，三维模型形象直观。2．完成了每个机构的零部件设计，利用SolidWorks的装配方法，充分发挥了设计者的能动性，提高了机构装配设计的效率，并及时发现设计错误，满足了“多品种、小批量、无库存”的现代设计要求。51\n4结论与展望4．1本论文的主要工作及结论本文的研究将引入自动烹饪机的概念，阐述烹饪及烹饪技法原理，自动烹调机是由计算机控制的全自动化系统，它可以完全取代人工操作，快速、连续地进行不同菜肴的自动烹调，从而减轻劳动强度，保证菜肴品质的稳定。自动烹调机的锅定位及锅盖翻转机构设计的关键是通过机构设计实现均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热的目的，同时保证锅盖翻转时锅盖机构和投料装置不发生干涉。因此本论文主要研究的内容是根据烹饪大师对菜肴的研究，以此分析锅定位及设计旋转机构能够实现均匀翻炒，使锅内所有被烹饪物均匀受热，另外，锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。在经过了方案研究分析后得到以下结论：1．整体结构设计采用了参数化虚拟设计，完成了烹饪机机构的模块化设计，充分发挥了设计者的能动能够性，提高了机构装配设计的效率，满足了“多品种、小批量、无库存”的现代数字化设计要求。2．完成了锅定位方案及锅旋转机构的设计，能实现均匀翻炒，使锅内所有被烹调物均匀受热。3．保证了锅盖翻转时与锅盖机构和投料装置不发生干涉。4．本课题研究了烹调的自动化，在虚拟设计软件的应用下完成了各机构零部件的绘制并将各零部件进行装配。，实现另外课题预期设计的目标。当然，本课题研究虽然实现了烹饪自动化的基本要求，但还有许多不足之处：1．结构设计对振动的影响考虑不足，易引起共振等。这可以通过加重机架重量，并将其进行稳固后得到解决；2．锅盖翻转直流电动机转速偏大，导致撞击力偏大；4．2本论文的特色与创新本论文的特色与创新主要有以下两点：1）第一次提出了自动烹调机的概念，将自动化带入烹饪行业。2）本研究目前虽然只是停留在设计阶段，还无法达到商业的程度，只是在中式烹饪工业化发展方面做了一点尝试，但为实现商品的工业化、实用化作好准备。51\n4．3展望本课题研究目前只是停留在设计阶段，还无法达到商用的程度，只是在中式烹饪工业化发展方面做了一点有益的尝试，因此还有许多工作要继续下去。1．首先是控制方面的问题，系统控制该选用什么样的方案还需要深入研究；2．在结构上进行模块化一体设计，在外观设计时确保使用的方便性与安全性；3．系统的设计应用要满足可靠、平稳和安静的要求；4．功能上具有联网功能、自学习功能、可以自动清洁。中式烹饪工业化是涉及多学科的一项系统工程，是社会科技、文化、经济及人们的观念发展到一定水平而向科技工作者提出的客观要求，它的完成要求烹饪理论与实践、食品工程、营养及饮食业等多学科科技工作者的共同努力，是一项科技含量很高的综合性课题，要求以烹调整个工艺为主线，用机械代替手工，用自动控制代替人为控制，用定性、定量代替模糊性，用标准化生产代替手工操作的随意性，用科学代替经验。由此，自动烹调机的发展实际就是一种用于烹饪的机器人系统，他的未来发展是机器人与信息家电的结合物，为人类的生活增添别样的“酸甜苦辣”。51\n参考文献[1]陈光新编著.烹饪概念.北京：高等教育出版社，1998[2]熊四智、唐文主编.中国烹饪概念.北京：中国商业出版社，1998[3]国家旅游人事局劳动教育司编.中国烹饪概念.北京：中国旅游出版社，1998[4]B.H.苏瓦洛夫著，魏钟、徐尧润等译，食品工业自动机与生产线.北京：轻工业出版社，1986[5]胡继强主编.食品机械与设备.北京：中国轻工业出版社，1999[6]郭蕴辉、马葳.王晴就中式烹饪工业化的问题答记者问[J].中国食品.1997-06：34-35[7]万小联.中式菜肴烹调自动化系统的开发研究.制造业自动化[J]，第26卷第3期，2004-03：50-53[8]贾延林.模块化设计.北京：机械工业出版社，1993[9]李启炎、李光耀等主编.SolidWorks零件设计.北京：清华大学出版社，2002[10]刘生明、李建军、肖祥芷.基于图的参数化设计方法[J].计算机应用，1994第2期[11]璞良贵.纪名刚主编.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社，2001[12]徐灏主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，1995.12[13]聂秋根、张洪兴等.开放型CNC系统模块化的设计[J].中国制造业信息化，35（5）[14]黄文波.烹调自动烹饪系统的研究与开发[D]，华南理工大学，2005.06[15]成大先主编.机械设计手册（第三版）.北京：化学工业出版社，1993[16]柴邦蘅等主编.设计控制.北京：机械工业出版社，2001[17]孙桓、陈作模主编.机械原理（第六版）.高等教育出版社[18]陈铁鸣主编.新编机械设计课程设计图册.高等教育出版社，2003[19]王昆、何小柏、汪信远主编.机械设计/机械设计基础课程设计.高等教育出版社.1995[20]《机械设计手册》联合编写组编.机械设计手册（第二分册）.化学工业出版社.1987[21]http://www.cad21.com[22]http://www.gongkong.com[23]http://www.vchelp.net51\n致谢有付出总有回报，四个月的研究结果最终浓缩在这一篇论文之中。从接触本课题开始，一筹莫展，害怕犯错误到大胆提出设想，寻找资料时的汗流浃背、千辛万苦，至最后完成设计论文，这一步步走下来，给我的大学生活平添了许多的酸甜苦辣，它是一种宝贵的经历，让我有了藉以参考的标准，也是我一生都难以忘怀的。在四年的大学生活学习当中，家人对我的支持与关怀让我有了一种向前的力量，所以，在此我首先要感激我的家人，感谢他们对我的栽培和鼓励。本论文是在刘文光老师的悉心指导下完成的。在论文课题的研究过程中，刘老师渊博的知识、严谨的治学态度、一丝不苟的科研作风和对工作兢兢业业的精神使我不仅在学业上，还在思想上均受益非浅，这些都是我获得的宝贵财富。因此我要向刘文光老师表达我衷心的感谢！与此同时，还有很多的朋友和同学的关心、帮助让我的学习生活得意顺利进行，在此一并表示诚挚的谢意！51\n附录DesignofFrictionMeasurementSystem3.1IntroductionThedesignoffrictionmeasurementforweldingwiresfollowsthesamerationaleasanysystematicexperimentaldesign[8].Generally,thefrictiontestingdeviceshaveseveralfeaturesincommon:(a)theyprovideameanstofixorsupportthetwobodiesforwhichfrictiondataaredesired,(b)theyprovideameanstomovethebodiesrelativetooneanotherinacontrolledfashion,(c)theyprovideameanstoapplyanormalforce,and(d)theyprovideameanstomeasureorinferthemagnitudefrictionforce,whichopposesrelativemotion[2].Withinthosebroadrequirements,frictionmeasurementneedscarefulconsiderationofthewayhowfrictiondataareacquired.Czichoshasprovidedadetaileddiscussionofdesigningfrictionexperimentinparticular[8].TherearesomefactorsinvolvedinfrictionmeasurementdesignsummarizedinTable3.1Table3.1Importantfactorsinvolvedindesigningfrictionmeasurement[2]FactorConsiderationsPurposeoffrictiontestingSimulation;basicresearch;preliminaryscreeningTypeofmotionCanaffectthevalueoffrictionmeasuredMacrocontactgeometryConformal;nonconformal;affectsthethermalConditionsLoad,speed,durationoftestingRunning-inphenomena;transitionalprocesses;ChangeofdominantfrictionalprocessesSpecimenpreparationandcleaningSimulationofanapplication;ambientfilmsandContaminantsNumberoftestsperconditionUnlubricatedtestsoftenbehavemorevariablyConfidenceincreaseswithnumberoftestsAccuracyrequiredAffectschoiceofsensorsystem;methodofdatarecording;statistics51\n3.2RationaleofDesignAsdiscussedinChapter2,thisspecialfrictionmeasurementsdesignforweldingwireswillbebaseontheearlierWarwickfrictiontest-rig,showninFigure2.15.Itusesahorizontalglassdiscagainstwhichspecimensaredead-weightloadedandanaluminummonolithicflexuremechanism,whichsupportsthespecimenandalsomeasuresthefrictionforcethroughitsslightdisplacement[19].However,itcanonlybeusedtomeasurethefrictionforceoftheflatsampleslikethinfilms.Inordertomeasurethesmallandcurvedsurfaceslikeweldingwires,somemodificationsandimprovementhavetobemade.TheinnovativeideaofthisnewdesignistochangetheflatrotatingdiscdrivenbyDCmotorfromhorizontaltoverticaldirection.Thatistomountthemotoranditsgearboxtothehorizontalpositioninsteadoftheoriginalverticalposition.Thus,thefrictioncanbemeasuredlaterallybetweentheweldingwirespecimendiagramofthemodifiedapparatuscanbeseeninFigure3.1.Fromthefigure,itcanbeseenthatitcomprisesfollowingparts:arotatingwheelmadeofmildsteel,aDCmotorandagearboxtodrivethewheel,analuminumspringflexuremechanism,aloadcellmountedonthetopofthespringflexure,africtionprobemadeofcapacitivesensormountedinsidethespringflexure,aball-bearingsupportlever,andaslidingcounterweightonthelever.Theprincipleofitsoperationistogluethespecimenofweldingwireonthetopoftheloadcell.Thespecimenisloadedagainstthesteelwheelthroughtheleversystembymovingandlockingtheslidingweightontheshaft.Thenthenormalloadingforcecanbemeasuredbytheloadcell.Ontheotherside,theverticalwheelisdrivenbythegearboxandDCmotorconnectedtoacurrentdriver.Whenitstartstorotate,thefrictionalforcebetweenitandthespecimeniscreated,whichcausesslightdeflectionofthespringflexure.Thisdeflectionismeasuredbythefrictionprobeofacapacitivesensormountedonthesidewallofthemovingplatformofthespringflexure.Thenthecapacitancefromthesensorcanbemeasuredbyacapacitancegauge.Asthedeflectionofspringflexureislinear,thefrictionisactuallymeasuredbythecapacitivecensor.Thus,theloadingforceandfrictionalforcearebothmeasuredandfictioncoefficientofthespecimencanbe51\nderivedfromthem.3.3EstablishmentofMeasuringSystem3.3.1LoadCellTheloadcellisselectedtomeasurethenormalloadingforceinthisproject.Itismountedonthetopofthecentreofthespringflexure,thesizeofwhichisshownin3.2.Itsmechanismisbasedontheresistancestraingaugetechnique.Whenthecomponentisloaded,thestraindevelopsandchangestheresistanceofthestraingaugesinproportiontotheloadingforce[20],whichcanbeexpressedas（3.1）wheretheGistheoverallgaugefactorandεisthestraininducedbyload.Theloadcellconsistsofdoublebendingbeamswithfourstraingauges,formingaWheatstonebridge.ThecircuitofitcanbeseeninFigure3.(3.2)Inthisproject,theloadcellELFS-T3M-10NmanufacturedbyEntranischosen.Itsexcitationvoltageis15Vdcanditsmeasuringrangeis10N,whichissuitableandenoughfortheuseofthisproject.Thesensitivityofitis146.68mV/FS.Theoutputistoosmalltoobserveormeasuresoanamplifierisdesignedtocateritafterwards.Itcanworkinthetemperatureof-40°Cto120°Candhasthenon-linearitylessthan±1℅FSO.Therefore,itsperformancecanwellsatisfytherequirementofthisproject.Inaddition,abalancepotentiometerof500KΩisaddedtothecircuitinordertoadjustthe0-outputto0V,themodifiedcircuitofwhichisillustratedinFigure3.3(0.1)3.3.2AmplificationofLoadCellSincethevoltagesignalproducedbytheloadcellistoosmall,itisnecessarytoamplifyoutputin10Vmagnitude.Thus,theamplificationgainof100isneeded.TheICamplifieristhemostwidelyutilizedamplifier[23].SoheretheAD524BDsuppliedbyFarnellisusedandshowninFigure3.4.TheAD524BDisaprecisionmonolithicinstrumentationamplifierwhichhashighaccuracyof0.03℅andlownon-linearityof0.03℅.AD524needstheinputvoltageof±1551\nV.Itslowoffsetvoltagedrift(50μ)andlownoisemakeitsuitablefortheuseofdataacquisitioninthisproject.Asitisprogrammableingains,theoperatingconnectionsforG=100areshowninFigure3.5.Inordertoimprovetheperformanceoftheamplifier,itisnecessarytogetridofthenoiseasmuchaspossible[25].Intheconfigurationofthisamplifier,thecapacitanceisusedtoimprovethesignaltonoiseratio.FromFigure3.6itcanbeseenthat2capacitancesof100nFareconnectedattheinputand1capacitanceof100nFisconnectedattheoutputofAD524BDtoeliminatethenoise.3.3.3SpringFlexureMechanismThespringflexureplaysanimportantroleinthistestapparatus.Oneofitspurposesistoholdthecellandthespecimenonit.Theverticalprobeloadcellismountedbeneaththesampletomonitortheloadingforce.Theflexureisconnectedtoashaftwithaball-bearingsupportpivottoformaleversystem.Withaslidingweightmovingontheshaft,differentloadcanbesetbetweenthespecimenandtherotatingwheel.Whenthecounterweightislockedbyscrewing,thespecimencanbeappliedbyaconstantload.Theothermainpurposeofthespringflexureistomeasurethefrictionalforcebyconvertingtheforcetoslightdisplacementsothatthesmalldeflectioncanbemeasuredbythecapactivesensormountedinsideofit.Thus,itisnecessarytohavealinearspringsystemforthisproject.Herethealuminiummonolithicflexuremechanismisemployed,whichcreatedalinearrelationshipofF∝d.Itisbasicallyafour-notchtypeofspringmachanism,whichiscloselylinearinitsforce/displacementcharacteristics.Thedeflectionrangeofthespringflexureisgovernedbyitsstiffness[27].Inthisspringflexure,ithasfournotchesandeachnotchactsasanelasticrotarybearing.Applyingthedriveforceat,theplatformcausesexactlythesamebehaviourpatternasleafspring[27].TheschematicofitsdimensionisillustrstedinFigure3.10.FromFigure3.10itcanbeseenthatforeachnotch,thehingerotation,θz,asafunctionofappliedbendingmoment,M,canbederivedfromParosandWeisbord1965by(3.3)wherethet=0.7mmisthethicknessofthesmallgap,b=25mmisthebreadthofthe51\nflexure,EistheElasticmodule,foraluminum,E=70Gpa,R=5mmistheradiusofthenotch,L=50mmisthelength,Kisthecorrelationfactorfornotchcurvaturemodelledby(3.4)IfadriveforceFisappliedinthelineofthemid-pointofthelegs,thebendingmomentateachhingeissimplyFL/4[27].Asthestiffness,λ,isdefinedby(3.5)Sothestiffnessofthisspringflexurecanbecalculatedas(3.6)Thisisthemaintatioofforcetodistancebetweenthenotches,whichshowthatthisnotch-typespringflexureispossibletoachievequiteaccuratetranslationsoververysmalldisplacements.Sothestiffnessofthespringsystemisbigenoughtoimprovethesensitivityofthewholemeasurementsystem.3.3.4CapacitiveSensorThefrictionprobeformedbyacapacitivebyacapacitivesensorinthisprojectasitcanachieveahighsensitivity.Ithastwoparallelelectrodes,oneisaflatelectrodeandtheotherisasphericalelectrode.Theflatelectrodeismountedinsideofthemovingplatformofthespringflexure,andthesphericalisattachedonanaluminumrod,whichisinturnlockedtothebasepartoftheflexure[19].Alaterofthingoldfilmiscoatedontothesurfaceofthesphericalelectrode.TheschematicisshowninFigure3.11.Whenthespringflexureisappliedthefrictionalforce,theflatelectrodeofthiscapacitivesensorwillmovealongwiththeflexurewhiletheothersphericalelectrodekeepsstillwiththebasepart.Sothegapbetweenthetwoelectrodeschangesinaccordancetothefrictionforce.Asthecapacitanceisgivenby(3.7)Sothecapacitancechangeswhenthegapdistancebetweenthetwoelectrodeschanges,Thenthecapacitanceofthesensorismeasuredbythecapacitancegaugesothatchangeofcapacitancecanbeconvertedtoavoltag.Thus,thedeflectionofthespringflexureis51\nmeasured.Asthespringflexurehasconvertedfrictionfrcetodisplacement,thefrictionalforcecanbethereforemeasuredbytheoutputofcapacitancegaugeasbelow[28]Vout∝V∝d∝Ff(3.8)Oneelectrodeofthecapacitivesensorisofshapebecauseitcanreducethetiltsensitivityandthusallowtheelectrodeberepositionedwithouttheneedofrecalibration[19].Inpracticaloperations,itcanavoidthedifficultyofadjustingtheparallelismoftwoplateelectrodes.3.3.5MotorandCurrentDriverInordertodrivethesteelwheel,aDCmotorisneededforthisproject.Astheslidingspeedneededforthefrictionmeasurementisnotveryhigh,theoutputspeedshouldbenomorethan50rpm.Hence,theDCmotor28L28-219manufacturedbyESCAP,togetherwiththegearboxR32-138,ischosenandshowninFigure3.12.Itsno-loadspeedis5300rpm[29]andthetransmissionrateofthegearboxis138:1[30].Thus,theoutputrollingspeedwillbelessthan35rpm,whichsuitstheneedofthisexperiment.Asthemotoriscurrentdriven,itisdesirabletohaveaconstantcurrentdriver.Here,ahome-builtpowerdrivecircuitryisused,asshowninFifure3.13.ItcanprovidetheconstantoutputforthemotoranditsoutputiscontrolledbytheinputvoltagefromacomputerD/Achannelsothatthespeedofthemotorandwheelcanbecontrolledandmodulated.3.3.6DataAcquisitionDuringmeasurements,therearelotsofdataneededtoberecordedandanalyzedbythecomputer.Inordertoimprovetheaccuracyandintegrityoftheexperiment,itisnecessarytoadoptthereal-timedataacquisitionandinstrumentcontrolsysteminthistest.Generally,therearetwoanaloguevoltagesignals,frictionalforceandnormalloadingforce,neededtobemeasuredandacquiredbythecomputerforfutureanalysis.Throughprogramming,theacquisitionfrequencyandnumberofacquisitionpointscanbecontrolledbythecomputer.Meanwhile,ananaloguesignalofvoltageshouldbesentfromthecomputertocontroltherotatingspeedofthewheel.Soitisdesirabletohavetwoanalogue-to-digital(A/D)channelsandonedigital-to-analogue(D/A)channelinthedataacquisitionequipment51\n(DAQ).TheNationalInstruments(NI)I/OequipmentisthemostwidelyusedDAQinstrument[31].Inthisproject,theNI’sPCI-6024Eisusedasthesystem’sdataacquisitioncardinstalledinthecomputer.Itisa12-bitmultifunctionDAQdevicethatusedEseriestechnologytodeliverhighperformanceandreliabledataacquisitioncapabilities[32].Ithas16single-endedanalogueinputsand2analogueoutputs,Inaddition,itcanachieve12-bitresolution,upto200k/ssamplingratewitharangeof±10V.Wheninpracticaluse,theinputsignalisfirsttransferredtotheaccessoryinterfaceboardCB-68LPwithcableR6868,whichcanbeseeninFigure3.14.Itisa16AIchannelconfigurationisillustratedinTable3.2.Table3.2ConfigurationofDAQchannelsonCB-68LPinterfaceboardInputA/DChannel‘0’6867Channel’1’3332OutputD/AChannel’0’22553.3.7SystemAssemblyBasedoncompletingtheabovedevices,allthecomponentsareassembledintoonetest-rig,showninFigure3.15.Thereal-timeoutputsignalsoffrictionalforceandloadingforcearemeasuredbythecomputerandalsomonitoredontwovoltmetersandanoscilloscope.TheconfigurationofthewholefrictionmeasuringsystemisillustratedinFigure3.16.CHAPTERFOURCalibrationsBeforecarryingoutthetestitisnecessarytocalibratealltheinstrumentsusedinthemeasurement,inordertofindouttheiractualcharacteristicsinthepracticalenvironment,Inthisexperiment,allthiscalibrateddataarederivedinroomtemperatureof20°Candnormalatmosphere.51\n4.1CalibrationofLoadCellBeforecalibratingtheloadcell,itisimportanttotestthepowersupplytomakesurethattheloadcellisabletogetcorrectinputvoltage.Aftertestingtheelectronicbox,theoutputvoltageis14.98Vdc,whichissuitablefortheoperationofloadcell.AsthesensitivityofloadcellELFS-T3M-10Nis146.68mV/FSandtheamplificationgainis100,thefullscaleoutputwillbe14.67V,whichisbeyondthelimitofthedataacquisitioninputvoltage.Becauseinthisexperimenttheloadingforcewillbenomorethan5N,sothecalibrationofloadcellisdonefrom0-5Nwiththemaximumoutputof7,4<10V.Atestholderisdesignedtoholdtheloadcell,whichisshowninFigure4.1.Intheexperiment,acapusedtoholdthespecimenisalwaysmountedonthetopoftheloadcell.Theeffectofitsownweightonthecalibrationresultcanbeeliminatedbecauseitisalwaysmountedontheloadcellthroughouttheexperiment.Table4.1CalibrationofloadcellLoad(gm)Load(N)Voltage(V)1000.092100.0980.233200.1960.364500.490.7951000.981.5361501.472.2772001.963.0682502.453.8093002.944.45103503.435.23114003.925,97124504.416.73135004.907.43TheloadcellisconnectedtotheICamplifierAD524BD(G=100)andtheresultcanbereadfromthevoltmeter.First,adjustthepotentiometerintheelectronicboxtotheinitial0-loadoutputvoltagetonearly0V.Thenusethestandardweightstoapplyforcegradually51\nfrom0to500gmontothetopoftheloadcell.TheresultsareshowninTable4.1.TheoutputvoltageagainstloadisplottedinFigure4.2.Thelinearfittingofthissetofdatacanbeobtainedasy=1.5044x+0.0735(4.1)anditsstandarddeviationisσ=0.02,whichmeansthatthisfittingcandescribetheloadcellquiteaccurately.Hence,theconstantcharacteristicvalueofthisloadcellisk=1.5044,whichmeansthatitsactualsensitivityis1/1.5044=0.6647N/V.AstheinitialV0variesfromtimetotime,itcanbeadjustedbeforethemeasurement.SothattherelationbetweentheoutputvoltageandloadingforceisgivenbyVout=1.5044N+Vo(4.2)Therefore,theloadingforcecanbecalculatedfromtheoutputvoltageas(4.3)Differentloadingforcesareappliedbyslidingthecounterweightalongtheleverbarandthepositionarecalibratedandmarkedat1N,2N,3N,and4N.Finally,thenormalloadingforceislockedat2N.4.2CalibrationofCapaciticiveSensorThecalibrationofthecapacitivesensoristofindoutthecharacteristicofthefrictionprobe,F∝Vout.Thecriticalproblemincalibratingthecapacitivesensoristofindanappropriategapbetweenthetwoelectrodesofthesensor.TheactualcurveofthecapacitivesensorisshowninFigure4.3.Itcanbeseenfromthefigurethatifthedistanceofthegapistoosmall,itwillbecomeconsiderablynon-linearandthetwoelectrodesistoobig,thesensitivitywillbenothighenoughSothenon-linearityassociatedwiththecapacitivesensorisbalancedagainstiyssensitivity[19].Thesmallerthecapacitor’snominalgapthehigherthesensitivitybutthegreaterthenon-linearity[19].Therefore,themiddlepartofthecurveshouldbetusedandthenormalgapbetweenthecapacitivesensorneedstobesetintherangeof150-300µm,whichisverydifficulttoachieveinpracticeasitissosensitive.Aftertimesofpracticing,thestepsbelowarefollowedtosetthepropergapbetweenthecapacitance.Mountthespringflexureonthebasevertically,asshowninFigure4.4.Putthebottom51\nelectrodeattachedtothealuminumrodatthelowestposition;makesurethatitisnottouchingtheotherelectrode.1.Insetapieceoflens-cleaningpaper(asitisverythin)intothemiddleofthetwoelectrode.Apply200gmweight(becausetheloadingforcewillbesetto2Nandµmax<1,so200gmisenough)ontothetopofthespringflexuretoensurethatithasachievethemaximumpossibledeflectionintheexperiment.2.Liftthelowerelectrodetojusttouchthepapertomakethegapassmallaspossible,andthenlockitspositionbyscrewingtherod.3.Dismounttheweightoffthespringflexuretoletitreturntothenormalstatewithoutdeviation.Thencarefullyremovethepaperfromthegapandthecalibrationcanbecarriedout.4.ThecapacitorisconnectedtotheQueensgateCapacitanceGaugewiththevoltageoutput.Thestandardweightsaregraduallyappliedontothetopofthespringflexurefrom0to200gm.Inordertoimprovetheaccuracyofthecalibration,theweightsusedarealsocalibrated,aslistedinTable4.2.Byapplyingdifferentweights,thegapdistancechangesandthereadingsoftheoutputvoltagearelistedinTable4.3.Thesamecalibrationisrepeatedfor3timestoconfirmthattheresultsobtainedarerepeatableandcorrect.Fromthetableitcanbeseenthat,theoutputvariationbetweeneachtwoadjacentweightsismoresimilarintherangeofvoltage5.95Vto3.45V,whichmeansthatthecharacteristiccurveismorelinearbetweenthatrangesofoutput.Therefore,theoutputvoltagebetween5.95Vto3.45V,showninTable4.4,ischosenasthepreferredrange.ThecharacteristicofthecapacitivesensorinthisrangeisplottedinFigure4.5.Thelinearfittingofthisresponseisgivenbyy=-2.5578+6.2296(4.4)andthestandarddeviationisσ=0.02,whichmeansitisagoodfittingontheotherhand,iftheoutputvoltageisnotintherangeof5.95Vand3.45V,itisnotcorrecttoassumethatallthepointsarelinear.Hence,fortherestoftheoutput,the2-orderpolynomialfittingisusedtofitthedata,asshowninFigure4.6.Therefore,thecharacteristicofthiscapacitivesensorcanbeconcludedasTable4.5.51\nTable4.5Characteristicofcapacitive3.45V≤Vout≤5.95Vy=-2.5578x+6.22296Vout≤3.45Vy=-0.4402x²-2.0395x+6.1283Generally,theloadingforceissetto2Nandthefrictioncoefficientμisnormallylessthan0.5,whichmeansthattheactualappliedfrictionwillbenomore1N.Sotheoutputvoltagewillbasicallyfallintotherangeof5.95V-3.45V,whichmeansthaty=-2.5578x+6.2296isusuallyusedinthisexperiment.Thus,therelationbetweentheoutputvoltageandfrictionalforceisgivenbyVout=-2.5578F+Vo(4.5)andthefrictionalforcecanbecalculatedas(4.6)Sothesensitivityofthisfrictionprobeis1/2.5578=0.3910N/V.Afterthecalibration,thespringflexurewiththesensorismountedbacktothetest-rig.Ithastoberecalibratedwithadjustingthegap,tomakesurethatthe0-loadoutputvoltagefallsintotherangeof5.95Vto3.45Vsothatcharacteristiccanbeusedtocalculatethefrictionalforcecorrectly.4.3CalibrationofSpringStiffnessThestiffnessofthespringflexurewascalibratedbyplacingthestandardweightsverticallyuponthespring,asshowninFigure4.7.Then,thesmalldeflectionsweremeasuredbyHeidenhainSensorandtheresultareillustratedinTable4.6Table4.6CalibrationofspringstiffnessWeight(gm)Force(N)Deflection(µm)1100.09822200.19643500.491041000.982051501.473051\nTheactualstiffnessofthisspringflexurecanbecalculatedas.Theytheoreticalstiffnessofthespring,calculatedinChapter3,isλ=3.3x10³N/m.Theyareaboutthesamemagnitudebutslightlydifferent.Itisbecausethetheoreticalvalueiscalculatedbasedontheperfectgeometricaldimensionswithoutconsideringthemachiningtolerances.Themeasuredstiffnessisquitelosetothetheoreticalone.51\n摩擦力测量系统的设计3．1序言测量熔接电线的摩擦力的设计与任何系统的实验设计一样都遵循着相同的理论[8]。通常说来，摩擦力测试装置有许多共同的特点：(a)提供了一种支持或固定两种物体的方法，使用这两个物体可以产生所需要的摩擦力；(b)提供在受控条件下如何使这两个物体产生相对运动的方法；(c)提供一种施加标准压力的方法；(d)并且提供一种测量与推断切向摩擦力的方法，该摩擦力方向与装置的运动方向相反[2]。在范围那么广的要求中，摩擦力测量需要仔细的思考那些摩擦力数据是怎么获得的。Czichos特别提出了一份详细的有关设计摩擦力实验的讨论[8]。在表3.1中，包含了摩擦力测量设计总结出的一些因素。表3.1设计摩擦力测量包含的重要因素[2]因素描述目的材料的模拟；基础研究；初步审查运转类型影响摩擦力的测量值几何图形等角的；非等角的；影响高温条件速度与时间流入现象；传统过程；主要摩擦过程改变准备和清洗运用的模拟；外界的薄膜和细菌数量实验通常多变；准确度随着实验数量的而提高精确度影响计测系统的选择；记录数据的方法和统计方法3.2基本工作原理正如第二章所讨论的，这个特别的为测量熔接电线的摩擦力测量设计将以早期Warwick的摩擦力测量装置（如图2.15）为基础。它运用一个载有承重样品的水平玻璃圆盘和一个支撑样品的纯铝弯曲装置，从而通过一些轻微的位移测量出摩擦力[19]。然而它这能用于测量像薄薄的电影胶片那样平的样品的摩擦力。为了测量出像熔接电线一样有微曲表面的摩擦力，不得不需要一些修正和改进。51\n这项新设计的创新思想是把由DC发动机带动的水平旋转的磁碟片由水平位置变成垂直位置。即，安装发动机及其齿轮箱到水平位置而不是垂直位置。这样一来，摩擦力就能通过由改装后的装置的熔接电线图表之中的一方测量出，如图3.1。从图中可知它包含了一下几部分：一个由次级钢制成的旋转盘，一个DC发动机，一个由轮子带动的齿轮装置，一个铝制的弹簧装置，一个安装在弹簧顶端的重物，一个安装在弹簧装置里面由电容计测器支撑的摩擦力探测器，一个支撑滚轴的杠杆以及一个在杠杆上滑动的砝码。这项设计的原理是把熔接电线的样品固定在重物的顶端。样品穿过杠杆系统被安装在钢轮上来移动和固定滚轴上滑动的砝码。这样一般的重力就能通过重物来算出。另一方面，垂直方向的轮子靠齿轮和有压力的DC发动机控制。当它开始旋转，在样品和它之间的摩擦力也就创造出来，这就引起了弹簧装置的一些微小的偏向。这个偏向是由安装在弹簧两边移动平台上的电容计测器的摩擦力探测器测量出来的。然后，来自计测器的电容就靠一个电容的公式计算。当弹簧的偏向是直线的时候，摩擦力就是被电容计测器算出来的。那么，重物压力以及摩擦力就都被计算出来了，样品的摩擦力系数可以通过他们推导出来。3.3测量系统的建立3.3.1质量块选择质量块是为了测量在此实验中产生的一般重力。它被安装在弹簧装置中心的顶部，3.2表示了它的大小。它的机械装置是以电阻变化标准技术为基础。当分力被加强时，产生变化而且按受重力的比例改变了电阻变化的标准，这能表示为：（3.1）这里，G是整体的标准，ε是由质量块引起的变化系数。质量块由双倍的带着4种变化标准的弯曲衡量组成，形成了一个Wheatstone桥。这个桥的输入电压Vο由是否把桥的顶端和底部看作个体电压来决定。所以，(3.2)这个项目所选择的质量块是Entran发明的ELFS-T3M-10N。它的激发电压是10Vdc，它的测量范围是10N，这些对于这个项目都非常的合适和足够。它的敏感度是146.68mV/FS。输出非常的小所以很难观察或测量。因此最后设计了一个放大器来满足需要。它能在-40°C到120°C的温度环境下工作，并且具有小于±1℅FSO的变形。所以它的各种特制都能很好的满足这个项目的要求。另外，还增加了一个500KΩ的电位器来调整0－输出到0V。51\n3.3.2负载的增幅因为仅由负重物产生的电压非常小，所以非常有必要把输出提高到10V。这样需要增加100。IC增幅器是使用最为广泛的[23]。所以这里使用了由Farnell提供的AD524BD，如图3.4。AD524BD是一个测量精确，单片的增幅测量仪表，它具有0.03℅的高精确度和0.03℅的低变形度。AD524需要±15V的输入电压。它的低偏移电压(50μ)和低噪音使得它也适合应用在这个项目中的数据获得。因为它的增加是可编程的，所以G＝100的操作联系如图3.5。为了提高增幅器的测量精度，要尽可能的避免噪音[25]。在增幅器的配置里，电容是用来改进噪音。从图3.6中能看出两个100nF的电容与输入口连接起来，一个100nF的电容和AD524BD的输出口连接来减少噪音。3.3.3弹簧的机械装置弹簧在这个测量装置中占有十分重要的地位。一是为了把负重物和样品固定在它身上。垂直方向上的负重物安装在样品的下面来控制负重压力。弹簧和带有滚轴支持的枢轴连接起来形成一个杠杆系统。当轴上有一个重物滑动时，不同的负重物可以放在样品和旋转轮中间。当砝码被固定的时候，一个恒重物就相当于样品了。弹簧的另外一个主要的目的是测量把压力转移到微小偏向装置上时的摩擦力，这样微小的变形就能由装在它里面的电容性计测器测量出来。那么这个项目需要一个直线形的弹簧装置就十分的必要了。这里还使用了纯铝的弯曲装置来创造F∝d之间的线性关系。基本上来说它是一个有着四个等级的弹簧装置，在有压力或变形的情况下几乎是直线。弹簧的变形范围是由它的韧性控制的[27]。在这个弹簧里，有四个等级，每一个等级都相当于一个有弹性的轮转机。由于应用于驱动压力之中，平台的确引起了和金属片相同的变化模式[27]。它的变化图示如图3.10。从图3.10中可以看出在每一个等级，枢轴的旋转θz具有应用于弯曲的功能，M，可以由Paros和Weisbord1956年提出的公式推导出：(3.3)这里，t=0.7mm是小间隙的厚度，b=25mm是弹簧弯曲的宽度，E是弹性的单位，对于铝来说，E=70Gpa，R=5mm是半径，L=50mm是长度，K是等级弯曲的交互因(3.4)如果驱动压力F在轴线的中间位置，每个枢轴的弯曲力矩就是FL/4[27]。作为韧性系数：51\n(3.5)因此这个弹簧的韧性可以计算出：(3.6)这就是等级之间的主要的数据，这也显示出这样的弹簧装置可以有非常精确的直线运动虽然只是很微小的变形。因此这个弹簧的韧性足够大可以改变整个测量系统的敏感度。3.3.4电容传感器由电容传感器中的电容形成的摩擦力探测器可以达到很高的敏感度。它有两个平行的电极，一个是平的电极，另一个是圆形的电极。平的电极装在弹簧移动平台的内部，圆形的装在铝杆上，这些被轮流固定在弹簧的基本部件上[19]。之后一层薄薄的金膜覆盖在圆形电极的表面，如图3.11。当弹簧上有了摩擦力时，电容性传感器中的平形电极会随着弹簧移动，与此同时，另一个圆形的电极仍然在那个基本部件上。因此两个电极之间的间隙随着摩擦力的大小而改变。电容由以下公式得出：(3.7)因此电容会随着两个电极之间的间距的变化而变化。传感器的电容是由电容公式算出，因此电容的变化可以转化成电压。那么，弹簧的变形度就算出来了，当弹簧把摩擦力转换成变形，摩擦力就能由电容的输出计算出，如下[28]Vout∝V∝d∝Ff(3.8)电容性传感器的一个电极之所以能够形成是因为它减少了倾斜的敏感度，这样就允许电极在不需要重新校准的情况下恢复原位[19]。在实际的操作中，它能避免调节两个电极平行度的困难。3.3.5电动机和驱动器为了能驱动钢轮，需要一个DC电动机。当摩擦力装置上需要的一个滑动速度不是很快时，输出速度能不能多于50rpm。因此，选择了由ESCAP发明的DC电动机28L28-219，和齿轮箱R32-138，如图3.12。它的无负重时的速度是5300rpm[29]，齿轮箱的传递比率是138:1[30]。这样输出的转动速度就小于3551\nrpm，符合实验的要求。因为电动机是通用的驱动，它就要求由一个恒常的驱动器。这里，使用了一个家庭用的电动驱动，如图3.13。它为电动机提供了一个恒常的输出，而且输出是由一个计算机D/A通道的输入电压控制的，这样电动机和钢轮的速度就能被控制了。3.3.6数据采集在计算过程中，有很多数据需要靠计算机记录和分析。为了提高实验的精确度和完整性，很有必要采纳现场的数据和装置控制系统。一般来说，有两个，模拟的电压信号：摩擦力和一般重力都需要测量并由计算理来做分析。通过编程，获得的频率和数量能被计算机控制。同时，一个模拟电压的信号应该从计算机中送出来控制钢轮的转动速度。所以在数据收集装置(DAQ)中它需要两个模拟器——数字显示器(A/D)的通道，一个数字显示器——模拟器的通道(D/A)。一个国家装置(NI)I/O仪器在DAQ装之中应用最为广泛[31]。在这个项目中，NI的PCI-6024E安装在电脑中用于系统数据的获得。它是一个具有12-bit的多功能DAQ装置，使用了E系列的技术来产生较好的效果和可靠的数据获得能力[32]。它由16个单一的模拟输入口和2个模拟输出口。另外，它能达到12-bit分解，在10V的范围内有200k/s抽样率。在实际的使用中，输入信号是第一个被传送到带有R6868电缆的CB-68LP连接板的配件上的，如图3.14。它有16个通道配置，如表3.2表3.2CB-68LP连接板上的DAQ通道的配置进去A/DChannel‘0’6867Channel’1’3332出来D/AChannel’0’22553.3.7系统装配在完成了以上装配的基础上，所有的附件都要组装到一个测试装之中。摩擦力和负重压力的即时输出信号由电脑计算出，并控制两个电压表和一个示波器。51\n第四章标定在实施这个实验之前，为了找出在实际环境中他们的精确度，校准要用到的所有装置和一起十分的必要。在这个实验种，所有这些调整数据都需要在室温为20°C和一个标准大气压的环境下获得。4.1加载单元的标定在校准质量块之前，测试所提供的压力来确保质量块能得到正确的输入电压是十分重要的。在测试完带电体之后，输出电压是14.98Vdc，适合对质量块的操作。当质量块ELFS-T3M-10N的敏感度为146.68mV/FS，增幅度为100时，整个的输出量是4.67V，超过了输入电压数据收集的范围。因为这个实验种的负重压力不能要与5N，因此质量块的校准就应在0到5N之间进行，最大的输出电压在7,4<10V。人们设计了一个实验支撑物来支撑质量块，如图4.1。实验中，用来支撑样品的盖子被安装在质量块的顶部。他自身的重力对调整结果的影响可以忽略因为它在整个实验过程中都是在质量块上。表4.1质量块的标定重量重力电压1000.092100.0980.233200.1960.364500,490.7951000.981.5361501.472.2772001.963.0682502.453.8093002.944.45103503.435.23114003.925.97124504.416.73135004.907.4351\n质量块和IC增幅器D524BD(G=100)连接在一起，结果可从电压表中读取。首先，调节电位计，从最初的0质量块输出电压到接近0V。然后利用标准重力来使压力逐渐从0到500gm放到质量块的顶部。结果如表4.1。输出电压如图4.2。这个直线装置的数据能由一下公式得到y=1.5044x+0.0735(4.1)而且它的标准偏差是σ=0.02，这意味着这个装置能非常精确地表示质量块。因此，这个质量块的恒值是k=1.5044，这说明它的精确敏感度是1/1.5044=0.6647N/V。当最初的V0不断地变化，它也能在测量之前随之调整。这样输出电压和负重压力之间的关系可以表示为Vout=1.5044N+Vo(4.2)因此，负重压力是由输出电压计算出来的(4.3)滑动杠杆上的砝码可以得到不同的负重压力，移动不同的位置，标记为1N,2N,3N,和4N.。最后，一般的负重压力固定在2N。4.2电容传感器的标定标定电容传感器是为了找出摩擦力探测器的特征，F∝Vout。标定电容传感器的关键问题是找到两个电极之间的合适的间距。从图中可知，如果间距太小，它就会变得相当的弯曲；如果间距国大，敏感度则不够高。因此和电容接测器不可分离的非线性特征靠敏感度来保持平衡[19]。电容的间距越小，敏感度越高，非线性的特征也越明显[19]。因此，弯曲的中间部分应该tused，电容传感器之间的间距应设为150-300µm的范围之间，这样当由足够敏感度时在实际中很难达到。经过了数次的实验，根据下面的步骤设置电容之间合适的间距。1.把弹簧安装在垂直位置。2.把底部的电极装在铝杆的最低位置，确保它不会碰到另一个电极。3.插入一片擦镜片的纸（因外它非常薄）到两个电极中间。4.把200gm的重量（因为负重压力设在2N而且µmax<1，因此200gm足够）放到弹簧的顶部，来保证它达到了实验中最大可能的变形。5.把低一些的电极抬高到快要碰到擦镜片的纸的位置，来把间距弄到尽可能的小，然后旋转铝杆来固定它的位置。51\n1.把重量从弹簧上拿下来，让它回到最初的状态。然后小心的移动纸片来调整刻度。电容器与带有输出电压的Queensgate电容装置连接在一起。标准的重量从0到200gm逐渐的被放在弹簧的顶端。为了提高调整刻度时的精确度，重量也会不断调整，如表4.2。通过提供不同的重量，间距产生变化，输出电压的读取如表4.3。一样的调整刻度重复三次来保证所得结果的可信和正确。.从表中可知，每两个调整重量之间的输出电压在5.95Vto3.45V之间变化，这说明输出范围之间的弯曲度呈线性特征。因此，在5.95V到3.45V之间的输出电压如表4.4，被选为最佳范围。电容计测器在这一范围内的特征如图4.5。这一结果的线性由下面的公式推导y=-2.5578+6.2296(4.4)标准偏差是σ=0.02，这说明这是一个很好的装置。另一方面，如果输出电压不在5.95V到3.45V的范围内，假设所有的点是线性的是不正确的。因此，对于剩下的输出电压，人们运用了2－次序多元装置来适合如图4.6所展示的数据。因此，这个电容计测器的特征如表4.5的总结表4.5电容的基本参数3.45V≤Vout≤5.95Vy=-2.5578x+6.22296Vout≤3.45Vy=-0.4402x²-2.0395x+6.1283一般来说，负重压力设为2N，摩擦力的系数μ通常要小于0.5，这意味着摩擦力将小于1N。因此从根本上来说输出压力在5.95V-3.45V范围内，这说明y=-2.5578x+6.2296通常用于这个实验。这样输出电压和摩擦力之间的关系可以表示为Vout=-2.5578F+Vo(4.5)摩擦力可以这样算出(4.6)因此，这个摩擦力探测器的敏感度是1/2.5578=0.3910N/V。在调整了不同的刻度之后，弹簧安装的测试装置的后面。它靠调整间距来调整刻度，以此来确保0负重的输出电压在5.95V～3.45V之间，这样可以正确地计算出摩擦力。4.3弹簧刚度的标定弹簧的韧性由垂直方向上标准重量至于弹簧的不同来调整，那么，微小的变形由Heidenhain计测器测量出，结果如表4.6。51\n表4.6弹簧韧性的调整重量(N)压力弯曲度(µm)1100.09822200.01643500.491041000.982051501.4730弹簧的精确韧度可以由算出弹簧的理论韧度在第三章中计算出，是λ=3.3x10³N/m.。他们基本一致只有一些微小的不同。因为理论指是在不考虑加工公差的情况下在完美几何图形的基础上计算出的。测量出的韧度和理论值很接近。51