廖義德，祝 俊，鄒軍軍，危 則，余龍兵

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

烹飪是中國(guó)現(xiàn)代家庭中不可缺少的一項(xiàng)勞動(dòng)，隨著生活節(jié)奏的加快，工作壓力越來越大，人們沒有更多的時(shí)間去準(zhǔn)備中、晚餐，因此要求烹飪自動(dòng)化代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式的呼聲越來越高[1-2].目前出現(xiàn)的炒菜機(jī)還沒有達(dá)到完全智能炒菜效果，一臺(tái)真正意義上的智能炒菜機(jī)應(yīng)該具備以下功能：送料、加調(diào)味料、調(diào)節(jié)大小火、菜肴烹飪過程、蓋鍋蓋、倒菜、洗鍋；有些菜肴還需要過油，即把菜倒出來濾掉油然后再加入菜肴的動(dòng)作[3-4].智能炒菜機(jī)在炒菜過程中，能否炒出可口的菜肴很大程度取決于鍋具動(dòng)作機(jī)構(gòu).當(dāng)前大多數(shù)炒菜機(jī)的鍋具動(dòng)作機(jī)構(gòu)采用炒菜鍋和攪拌葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度的方式，來達(dá)到均勻加熱和翻炒菜的效果[5].但這種方式不能夠炒魚片和豆腐等易碎的食物，均勻加熱和翻炒的效果也不是最好.為此提出一種顛鍋機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠翻炒各種類型的食物，由于把菜肴顛翻起來，菜肴能夠充分和空氣接觸，保證了菜肴的均勻受熱和鮮亮的菜色，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

圖1 巔鍋機(jī)構(gòu)示意圖

1 炒菜機(jī)巔鍋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 巔鍋機(jī)構(gòu)的軌跡設(shè)計(jì)

巔鍋機(jī)構(gòu)是智能炒菜機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，應(yīng)該具備以下兩個(gè)功能：首先，讓菜肴在鍋里均勻受熱；其次，能夠把菜肴翻轉(zhuǎn)過來.要讓炒菜機(jī)炒出菜肴的味道不亞于人工炒的，鍋具的運(yùn)動(dòng)軌跡必須和廚師巔鍋的軌跡相似[6].在該炒菜機(jī)中，鍋具的巔鍋動(dòng)作由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來完成.

在巔鍋機(jī)構(gòu)中（如圖1所示），包括曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、鍋具等.為了保證機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，四桿AB、BC、CD、DA的長(zhǎng)度應(yīng)該滿足一定的條件，即：最短桿長(zhǎng)度加上最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和.其中鍋具是固定在連桿BC上的E點(diǎn)，電機(jī)與曲柄AB連接提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，搖桿CD支撐著鍋具等結(jié)構(gòu).

曲柄作360°等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和鍋具都有著自己的運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖2所示）.在各個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡中，鍋底中心處的運(yùn)動(dòng)軌跡決定著巔鍋過程中是否能夠把菜肴顛翻起來.通過二維繪圖軟件繪制出曲柄每轉(zhuǎn)動(dòng)45°時(shí)，各桿和鍋具所處的位置.在軌跡圖中標(biāo)出鍋具底部中心處在8種狀態(tài)所處的位置，并依次編號(hào)1、2、……、8，連接該8點(diǎn)所得的軌跡就是鍋具在顛動(dòng)過程的軌跡.

圖2 巔鍋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡圖

1.2 巔鍋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

在該巔鍋機(jī)構(gòu)中，對(duì)鍋具的運(yùn)動(dòng)性能分析，需計(jì)算其速度、加速度、角速度和角加速度[7].鍋具由桿EF固定在桿BC上.鍋具運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，取鍋具上F點(diǎn)來分析；鍋具運(yùn)動(dòng)的角速度和角加速度，則需要對(duì)桿BC或桿BF進(jìn)行分析（如圖3所示）.

圖3 巔鍋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析圖

巔鍋機(jī)構(gòu)中，曲柄AB由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，已知其角速度為w1，曲柄AB的長(zhǎng)度為lAB，B點(diǎn)速度 vB的方向與AB垂直，其大小為：

B點(diǎn)的加速度aB只有法向加速度anB，其大小為：

鍋具上的F點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)的相對(duì)法向加速度anFB大小為：

和鍋具連接的F點(diǎn)的速度vF和加速度aF的矢量方程分別為：

將式（1）、（2）、（3）分別代入式（4）、（5），經(jīng)過整理得到鍋具上F點(diǎn)的速度 vF和加速度 aF的矢量方程：

式中，F(xiàn)點(diǎn)相對(duì)B點(diǎn)的速度vFB大小可以作速度多邊形求解，而F點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)的相對(duì)切向向加速度atFB大小作加速度多邊形可以求解.

由于鍋具中桿EF和桿BC可作為一個(gè)整體來看待，因此鍋具的角速度w2和角加速度a2即為桿BC或桿BF的角速度和角加速度，可以取鍋具上的F點(diǎn)來求得，其大小為：

2 炒菜機(jī)巔鍋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

完成巔鍋動(dòng)作的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其中曲柄、連桿、搖桿任何一個(gè)長(zhǎng)度的改變，就會(huì)影響巔鍋的軌跡.如果每改變一個(gè)長(zhǎng)度來確定巔鍋的軌跡，則會(huì)帶來很大的工作量，并且還不能保證巔鍋的效果最好.通過Visual Basic軟件，我們能夠清晰地仿真出不同參數(shù)時(shí)巔鍋運(yùn)動(dòng)的軌跡，減少了工作量并節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)的成本.

在Visual Basic軟件的界面上，設(shè)計(jì)出曲柄連桿、搖桿、曲柄角速度的文本標(biāo)簽和命令按鈕，分別定義各個(gè)標(biāo)簽和按鈕的屬性.在程序里，根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度和曲柄角速度的變化，編寫成相應(yīng)的執(zhí)行語句，即可實(shí)現(xiàn)巔鍋運(yùn)動(dòng)的仿真.在仿真界面上，我們可以清楚地看到運(yùn)動(dòng)時(shí)鍋具和桿的運(yùn)動(dòng)軌跡（見圖4）.

通過對(duì)鍋具運(yùn)動(dòng)軌跡的比較，選擇出和廚師巔鍋軌跡近似的那組參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)做成巔鍋機(jī)構(gòu)的實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

圖4 巔鍋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸O(shè)備

為了驗(yàn)證該方法的正確性，專門設(shè)計(jì)了巔鍋機(jī)構(gòu)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).巔鍋機(jī)構(gòu)（如圖5所示）主要由電機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、鍋具、機(jī)架等部分組成.

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過改變變頻器的頻率，使得電機(jī)提供給曲柄不同的轉(zhuǎn)速.本實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為三相異步電機(jī)，工作電壓為380 V，轉(zhuǎn)速為1440 r/min.根據(jù)巔鍋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的數(shù)據(jù)，該巔鍋機(jī)構(gòu)實(shí)物（如圖6所示）的曲柄長(zhǎng)度lAB=50 mm，連桿長(zhǎng)度lBC=240 mm，搖桿長(zhǎng)度 lCD=150 mm，桿BF長(zhǎng)度 lBF=400 mm.根據(jù)式（6）～（9）計(jì)算出巔鍋運(yùn)動(dòng)時(shí)vF、aF、w2、a2的值，變頻器選取5個(gè)不同的頻率來做巔鍋對(duì)比實(shí)驗(yàn)，記錄巔鍋時(shí)翻菜的效果.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

3.3 結(jié)果分析

由表1可知，巔鍋機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)度一定的前提下，隨著變頻器頻率的變大，巔鍋動(dòng)作的速度越來越快，幅度也越來越大.變頻器頻率為55 Hz時(shí)，菜肴正好被翻起；頻率為45 Hz時(shí)，菜肴正好不被翻起；頻率為65 Hz時(shí)，菜肴基本上被慢慢顛翻到鍋具外面.變頻器頻率為50 Hz、60 Hz時(shí)，則是翻菜效果的過渡點(diǎn).造成這一現(xiàn)象的主要原因是：巔鍋軌跡不變的前提下，巔鍋速度越快，鍋具中菜肴受力越大.

圖5 巔鍋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

圖6 巔鍋機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

智能炒菜機(jī)巔鍋機(jī)構(gòu)成功解決了菜肴受熱不勻和菜肴攪爛的問題，并且能夠保證炒出菜肴的品質(zhì).

通過巔鍋運(yùn)動(dòng)仿真的方法，快速準(zhǔn)確地找到巔鍋運(yùn)動(dòng)的軌跡，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，并降低了成本.實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的巔鍋機(jī)構(gòu)完全滿足使用要求.為此類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論方法.

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