炒菜机关键机构研究与设计

摘要

目前，食品工业逐渐发展成为国民经济的重要支柱产业。本文以提高烹饪自动化水平为目标设计一种全自动炒菜机，能够实现自动炒菜和远程控制炒菜，模拟名厨制作出美味可口的菜肴。论文对炒菜机的实现方案和设计过程做了深入的分析，重点研究了炒菜机工具及锅具两关键机构的结构设计实现与控制等问题。

在研究当前国内外炒菜设备发展状况的基础上，提出自动炒菜机的技术要求。结合炒菜工艺将人工炒菜动作进行分解并研究实现这些动作的机构，对每一种机构进行分析比较，确定合理的实现方案。针对选定的设计方案建立数学模型并进行优化设计。开发机构运动学特性可视化仿真程序，通过改变机构相关特征参数，分析其运动学特性，根据分析结果优选设计方案。运用Solidworks软件，对方案进行建模、仿真，得到其位移、速度、加速度等动力学特征参数，进一步优化筛选，为试验样机结构的优化设计提供依据。采用模块化的编程思想，设计炒菜机控制程序。将每一种炒菜动作封装为单个模块，便于PC机和PLC联合控制。重点研究了基于模块化思想的炒菜机控制程序的开发问题。

1 绪论

1.1 课题概述

1.1.1 课题来源

应深圳繁兴科技有限公司委托，研制能够自动烹调部分中式菜肴，达到中式烹调技法要求的自动炒菜机。

1.1.2 研发背景

烹饪，就是将被烹调物以炒、爆、煎、炸、烧、蒸、溜等各种主要烹调技法加热至预期火候状态，辅以调味品，达到预期的甜、酸、苦、辣等口味和香、脆、酥、嫩等风味效果。烹饪的开始也就是人类文明的开始。劳动人民在长期的生活实践过程中，细心观察、不断总结，积累了丰富的经验，使中国烹饪在原料的选择、烹饪方法以及菜肴的色、香、味、形等方面都带有鲜明的中国特色。烹饪的目的是为满足各类人群的饮食和健康需要，为人们提供营养、卫生、富有风味特色和品种多样的食品。实现这—过程的一个重要条件是烹饪器具及相关设备。智能烹饪机能够将厨房这个“大容器”中的厨事操作活动全部浓缩在其中进行，从而将人们从烦杂的烹饪任务中解脱出来，轻松便捷地获得有着专业厨艺水平的健康美食[2]。

1.1.3 课题的目的

随着经济的发展、社会的进步，物质生活越来越成为人们关注的对象。吃是人们赖以生存的条件，关系到人的生命的延续，是物质生活的第一需求。吃的水平高低，标志着一个国家，一个民族的生活水平、社会物质生产、科学文化进步的程度。中国烹饪历经几千年，前辈厨师的生产实践，积累了很多宝贵的经验本课题的主要目的在于研制一种自动烹饪机，它能够自动控制烹调火候，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、翻动和盛出等烹调基本操作，自动完成烹调全过程并能自动实现多种基本烹调技法主要是中式基本烹调技法。

1.1.4 课题意义

人们要很好的生活、工作、劳动，就必须有健康的身体。一个人的体质好坏与饮食有着密切的关系。人类进入高度文明的今天，人们不但要吃得饱而且要吃得好。否则，很可能会出现“后天失调”的现象。要吃得好，饭菜的品种必须多样化，富有营养，清洁卫生，而且在色、香、味、形上给人以美的感受。因此就需要懂得点烹调知识以掌握科学的制作技术。中国菜肴烹饪的历史源远流长，制作十分讲究，风味也誉满天下。但对绝大多数人来说，居家做饭尤其是炒菜却是件很麻烦的事，而且要做好就更为不易。在现代社会生活中，一方面，随着经济的发展、生活的提高以及工作的需要，几乎不再允许人们把过多的时间和精力用在做饭上，加上社会专业分工越来越细，大部分人发现除了自己所从事的工作外，对烹调的技巧越来越陌生，也不可能有充足的时间和持久的热情进行繁琐的烹调工作；另一方面，人们对吃的要求越来越高，希望在家里也能吃到通常在酒店里才能吃到的美味佳肴。

因此传统且繁琐的菜肴烹饪方式无疑已在相当程度上限制了人们追求快节奏、高品质生活的愿望。近年来，受“洋快餐”的启迪，为减轻人们做饭的负担市场上虽也相继推出一些经过配制的半成品菜肴出售，但由于食用者将其买回家后还需要再行炒作加工，既没能使人们的做饭负担问题得到以根本缓解，也难以使配制的半成品菜肴最终形成标准化和工业化的商品。

从某种意义上讲，设计一种全自动控制烹饪机来制作美味可口的菜肴，既减少劳动强度，又节约时间，提高效率，将人们从炒菜的过程中解脱出来。因此，此课题的研究具有非常重要的现实意义。

1.2 国内外相关技术的发展现状和趋势

随着现代工业的不断发展，食品工业逐渐发展成为一个很大的产业，为人们提供先进的自动化食品机械。目前世界上还没有一种实用的能完成中式菜肴制作

的自动烹调设备问世，无论在家庭和饭店，中式菜肴的烹制都主要靠人工来完成，用自动烹调设备烹制中式菜肴还基本上是空白。市场上炒菜机大多功能少、自动化程度不够高。出现这类现象的主要原因是设计者缺乏对烹饪技术和烹饪工艺全面而深刻的掌握以及现有的技术还不足以克服自动烹饪的关键问题或难点。

目前，以西餐为主的国家已经有很多食品自动生产机械，如皮萨饼、奶酪、汉堡、薯条、沙拉、鸡块、肉排等自动生产线。在国内，电磁炉，微波炉，光波炉，电饭煲，电烤箱等烹饪辅助器件在人们日常生活中都很常见[4-7]。但这些工具，均不具备智能炒菜功能，在现有技术中，厨房里使用的各种机器仅能代替人的部分工作，大量的烹饪工作仍需要人们手工完成。查阅了国内大量的专利，下面是市面上现有的一些炒菜机，大致分为三类。

1)简单搅拌型

该类产品采取工具搅拌的方式加工菜肴，锅具不动或很少运动。通过改进普通工具的形状或运动方式，采用机器人技术，控制调节机器手各关节的运动，使其能完成类似于人工炒菜的动作，例如聚拢，挤压等。这类设备的锅具基本上都做成桶状，能够进行简单地旋转晃动从而使菜在锅里旋转翻滚。虽然它们在工具运动上做了改进，能够炒制某类菜肴，但是锅具动作过于简单，采用旋转搅拌只能炒制块状小颗粒且不易破碎的菜肴。图1-1所示单头偏心搅拌炒锅，电机带动工具在锅内旋转，工具采用偏心固定在曲柄上，曲柄转动时实现对锅内物料的搅伴。图1-2中工具的轴向与其旋转方向成一定角度，从而在转动的过程中达到偏心的效果，利用工具在公转的同时自转，以产生对锅内物料的搅拌。图1-3所示多头偏心搅拌炒锅采用蒸汽加热，具有四只搅拌头对物料进行更充分、更均匀的搅拌，无需人工炒制，锅体可以倾斜，方便出入料，还可以根据客户需要配制温度传感器对加热温度和加热状态进行全过程监控。图1-4是多头燃气搅拌炒锅，该产品采用天然气、液化气或管道煤气等燃气加热，利用四只搅拌头在锅内自由伸缩，对物料进行充分、均匀的搅拌，无需人工参与，锅体可倾，出入物料方便。根据需求还可配制智能的温度传感器进行全过程跟踪监控，及时调整，全程均具有自动报警安全提示程序。图1-5是搅拌导热油炒锅，该产品采用双层加热，利用燃气燃烧加热夹层中的油料，通过热油间接加热锅内加工的物料，通过智能控制加热温度，使加热物料均匀受热。该机带有自动搅拌装置，增强炒制效果，锅体可作95°倾斜倒锅以减少人工劳动，提高工作效率。图1-6是一种对食品、药物等实现加热、翻炒、拌和、铲动、和铲出等多功能操作的机械装置，可以用于自动炒菜机中对菜肴进行多种加工操作。它使用部分球面状的锅和从球心辐射出的两个铲臂，只需在电机带动下通过控制单根主轴的正反向旋转和通过控制刹闸片拉杆拉出和压下的位置，即可实现两个铲臂转换翻炒加工工具和完成各加工动