家庭自动炒菜机设计

3 自动炒菜机的设计
由于本设计属于机电一体化产品，且应用范围属于家用，所以对轻便性，灵活性都有较高的要 求，故内置电机选用小型步进电动机。具有控制精确、方便、成本低廉、轻巧等特点。控制时仅需 要驱动电路即可完成复杂的运动。电机共 5 处需要。分别是：加调料器需要、主轴旋转需要、搅拌 器升降需要、搅拌器旋转需要、菜盒翻转需要。 3.1 加调料器电机选择 加料器组成如图 3-1 所示：
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图 4-1 加料器 其中调料分三种：液体类（花生油、香油、水酱油、醋） 、粉末类（白砂糖、花椒粉、盐） 、块 状类（花椒、八角） 。但这三种调料都可以通过盲孔的交换位置达到加料的目的。因此统一采用同 样的加料器加放调料。每个调料的位置都是固定的，不可交换位置。 4.2 加菜部分 由于一种菜肴需要一种或多种食材，因此，自动炒菜机配备了一个主菜盒，和两个辅菜盒。如 图 4-2 所示：
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锅体：采用不锈钢可分离式。优点：方便清洗，便于汤类菜肴的盛放。 加料体：调料的种类很多，可分为液体类，如食用油，香油，麻油，水，酱油，醋等。粉末类， 如食盐，味精，勾芡粉，鸡精等。颗粒类，如花椒，八角等。但这三类都可以用同一装置来实现加 料。加料体原理类似于播种机的下种机构，利用带有盲孔的旋转体的不断旋转，控制加料的量。三 种状态的调料可以通过盲孔直径的大小来实现加料。通过回转的圈数来实现加料的多少。旋转采用 小型步进电动机控制。 加菜：一般的菜肴需要若干种食材做成。如西红柿炒鸡蛋，需要鸡蛋，西红柿，葱花三种。因 此本设计有三个加菜的菜盒。一个为主菜盒，另外两个为副菜盒。菜盒采用翻转方式放菜，结构简 单、可靠。旋转同样采用小型步进电动机。 翻炒：通过一个可旋转的搅拌体代替人工的翻炒。搅拌体可升降，也可做旋转运动。均由小型 步进电动机控制。其中上下升降采用齿轮齿条副来实现。 部件安排：把锅和加热体至于产品的中下方，类似于普通电炒锅。将加料装置，加菜盒整合在 一个结构上，通过控制改变各个部件与锅口的位置，实现放料。 炒菜过程控制：本设计采用单片机控制整个炒菜流程，将整个流程整合成一种标准的文件，该 文件可被个人 pc 识别阅读，修改。亦能被机器所带的单片机所识别，控制整个炒菜的流程。 控制代码的生成：采用宏录制的方式。在各个部件如加调料，加食材、加调料、翻炒等均设有 手动按钮。录制时，按下控制面板上的宏录制按钮。由炒菜丰富的厨师通过各个控制按钮，完成加 食用油、加热、加调料、加食材、翻炒等整个炒菜过程，类似于普通的炒菜。此时单片机会自动记 录下炒菜整个过程以及各个参数，并生成对应的代码文件，以供使用。此代码由于标准化，因此有 很强的互换性，可以发布到互联网上。论坛里分享，代替普通的文字食谱，因此菜谱来源广泛。 1.5 完成本课题所必须的工作条件及解决的办法 加调料条件：保证加料准确，不加错料。每个加料器必须有固定的位置，不能装错，并由标签 供人识别。然后需要加料量保证准确，需要使得加料机构工作状态良好，可靠性高。 人际交换条件：尽可能的使得操作简单化、方便化、傻瓜化。加入独创的宏录制方式，使得整 个过程十分简单易懂。
2 家庭自动炒菜总体结构
自动炒菜机主要组成部分：加菜部分、加调料料部分、锅体、搅拌装置等部分组成。 整体组成如图 2-1 所示：
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图 2-1 炒菜机结构图 2.1 加菜部分 由两个小菜盒负责装辅助菜，或者是量比较少的菜蔬，和一个大得菜盒负责放主菜蔬。 通过小型步进电动机，控制菜盒的反翻转，从而让菜蔬落入锅内，完成加食材的步骤。 2.2 加调料部分 由一个带有盲孔的转体把储料盒和下方加料口分开，当旋体旋转至储料口时，调料由于重力作 用落入盲孔，旋体继续旋转至出料口时，由于重力作用，调料从盲孔进入出料口，继而落入锅内， 完成加调料。 2.3 锅体 锅体采用不锈钢制成，属于冲压件。锅体镶嵌于炒菜机上壳，可拿下方便清洗。底下与加热盘 相接处，加热盘采用市场常见的电磁加热盘，利用涡流加热，效ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高。 2.4 搅拌装置 搅拌装置分上下两部分，上部分通过齿轮齿条副控制搅拌器的上下。下部分通过小型步进电动 机控制搅拌片的旋转。
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图 3-1 加料器结构图 根据资料得主轴的转速在 120 转/分，扭矩由摩擦力构成，由于加料器旋体较小，因此扭矩需 要 6~8N·cm。综上，符合条件的步进电动机有三个如表 3­1： 表 3-1
方案 电动机型号 额定 功率 P/mW 1 2 3 28BYJ48 39BYGH361 39BYGH362 50 300 80 80 150 120 150 260 500 84 82 79 45 180 150 0.85 0.86 0.79
如图 3-3 搅拌器上下调节结构 通过计算得出搅拌器下方总重约为 0.4kg。通过查阅《机械设计课程手册》表 10-4 得在一般 非经密机械的齿轮传动时，齿数应大于等于 10。限于尺寸原因，我们暂定齿数为 12、模数为 1。 则齿轮半径为 r=6mm。则所需扭矩为 T=0.6cm·4=2.4N·cm。综上，我们选择 28BYJ48 型步进电动 机。运动速度要求 10s 内完成 15cm 的往复路程。当步进电动机最高速转动时，v=2ωrx=2.2cm/s， 故满足条件。 3.2 搅拌器旋转电机选择 搅拌器旋转装置组成如图 2-4 所示：
电动机的型号和技术参数及传动比
堵转扭矩 N·cm 最高转速 r/min 效率（%） 电动机重 量（g） 功率因数
综上，28BYJ48 在功率因数和堵转转矩等方面符合我们的要求。 3.1 主轴旋转需要电机选择 主轴旋转部分如图 2-2 所示：
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图 3-2 主轴旋转部分 主轴上方物料最重为 3kg、即 30N。查《机械课程设计手册》表 1-7 得滚珠球轴承效率为 0.99。 故摩擦损耗为 0.01，故摩擦力 F=0.01x10N=0.3N。由于平均半径为 25cm。 故要求电机转矩为 T=25cmx0.1N=2.5N·cm。由于要求旋转要有足够的加速度。把上方需要转 动的抽象成圆柱体，故由公式 G·D·D=j·ω·ω得出 T`=13.8N·cm。为了防止转速过快导致菜盒 中食材洒出，故转速转速约为 70r/min 即可。 综合电动机的质量，效率选用 39BYGH361 步进电机电机即可。 3.2 搅拌器升降电机选择 搅拌器升降装置组成如图 2-3 所示：
图 4-2 菜盒
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菜盒通过步进电动机的旋转， 带动饭盒的翻转， 将食材翻下至锅里。 菜盒采用不锈钢冲压成型， 通过 U 型口直接和步进电动机相连。特点就是简单可靠、稳定性好、易于控制。 4.3 翻炒部分 加入菜之后需要不断翻炒使得食材受热均匀并防止粘锅。 翻炒采用与锅体贴合的不锈钢片不断 的旋转。翻炒的旋转部件和步进电动机直接通过定位螺钉相连，使得结构简便。同时步进电动机的 易控制性使得在翻炒时可以采用多种方案。如图 4-3 所示：
图 4-4 加热源 由于采用电能加热，因此温度可控性好、且升温较快、效率较高。
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4.5 各功能串联结点 通过一个可旋转的支架，把加料器、饭盒、搅拌器连接在一起。如图 4-5 所示：
图 4-5 支架 通过步进电动机控制，使得每个部件能够在适当的时候到达相应的位置。
5 控制部分
5.1 步进电动机驱动 自动炒菜机使用两种小型步进电动机 28BYJ48 和 39BYGH362。这两种需要的驱动芯片为： ULN2003 电机驱动模块：如图 5­1 所示：
家庭自动炒菜机设计
随着科技的发展，人类的劳动力不断被解放，取而代之的是一些自动化、智能化的机器。如洗 衣机，让人们不在手工洗涤衣物，减轻了人力负担。因此，我们可以预知：未来将会有更多的智能 机械走进我们的生活，提高我们的生活质量。因此，我研发了一台自动炒菜机，减轻人们在厨房的 劳动。
1 本课题来源及研究的目的和意义
毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸 CAD/PROE、中英文文献及翻译 等） ， 此文档也稍微删除了一部分内容 （目录及某些关键内容） 如需要其他资料的朋友， 请加叩扣:贰二壹伍八玖壹壹五一锅体直径约为 40cm，深 10cm 容量约为 5 升左右。
炒菜的自动化程度：全过程采用单片机控制，开始需把食材放到指定的菜盒，保证所需的调料 盒里有充足的调料，输入指定的代码，插上电源便可开始自动翻炒，全过程无人值守。 炒出菜的味道：由于炒菜机经过标准化，而且电源电压，调料，食材等均能保持一致，所以自 动炒菜的工程能完全模拟代码录制时的场景，条件，因此理论上会炒出很完美可口的菜肴。但是由 于各个条件有些细微的差别，如食材的老嫩，调料的细微差别，会有一些不足之处。由于代码可以 根据个人口味修正，甚至在炒菜的过程中人工控制一些参数。所以，可以在很大程度上得到修正。 1.4 本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路 加热：采用市场成熟化的电磁加热，只需内置电磁加热盘即可。优点：结构简便，调温幅度大 且调节简单，只需改变电压便能调节温度。
1.1 本课题的意义 在 CAM 中，我们只要将编程代码输入数控机床、加工中心，装载上毛坯，便可自动的完成零 件的加工。所以：将食谱编成相应的代码，输入自动炒菜机，加上相应的菜，便可自动炒出可口的 佳肴。自动炒菜，无人值守，省时省力。可以很方便的做一些自己不会做的菜肴，更适合不会做饭 的人群。可连接计算机、手机、短信等，实现远程控制，缩短就餐准备时间提高人们的生活效率。 代码采用宏录制，方便储存、交流。 1.2 本课题所涉及的问题在国内（外）研究现状及分析 经过在网上搜集关于自动炒菜机信息，发现最多的就是一款已经商品化的自动炒菜锅。其信 息如下：全自动炒菜机，是现在科技产品，由农业科学研究院多位教授和国外多名专家历时五年时 间， 经过数千次实验， 成功研制出新一代微电脑操控智能烹饪设备， 设备主要是方便， 简单的操作， 无油烟。 全自动炒菜机是一台采用专业烹饪程序模拟技术，无需人工看管，将准好的主料、配料、佐料 全部一次性投入，设定程序后，自动热油、自动翻炒，自动控制火候，无需经验即可自动烹饪的一 台智能化设备 此类自动炒菜机的原理差不多，都是先将食材调料一次性放入封闭的锅体内，然后加热直至炒 熟。与我们平常人工炒菜的过程有很大的差异。 此次研究设计的炒菜机是烹炒的中国菜系。由于饮食习惯的原因，其他国家很少做中国菜，所 以自动炒菜机在其他国家的研究很少。因此基于全程模仿人工炒菜的自动炒菜机，属于科研的处女 地，一次研究意义极大。 1.3 对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 首先要完成产品的功能设计，产品能够炒什么样的菜：预计可炒普通家常菜，如酸辣土豆丝， 蘑菇炒肉，木须肉，鱼香肉丝，等等 能炒多少菜：本设计应用于家庭，因此设计大小为五口之家的菜量。由于这里不能上传完整的
图 3-5 菜盒翻转装置 当菜盒装满液体时，质量最大，约为 0.8kg。由于翻转时始终处于平衡状态，故所需力矩并不 很大，因此选择 28BYJ48 型步进电动机。
4 各部分功能的实现和分析
4.1 加调料部分 通过小型步进电动机控制带有盲孔的转体，通过盲孔在储料箱和出料口的不断交换，达到加料 的目的。加料数等于旋转圈数和盲孔体积的乘积。通过控制步进电动机的旋转圈数，可以控制调料 的量。如图 4-1 所示：
图 4-3 搅拌器 由于翻炒时翻炒器是在锅体内，当需要加调料时、或者是需要把锅拿出清洗时，翻炒器需要离 开锅体。因此，采用齿轮齿条副来实现翻炒器的上升和下降。 4.4 锅体加热部分 由于不同的菜肴需要的火候不同，因此热源采用电磁加热。通过电磁原理在不锈钢锅体内产生 涡流，从而使得锅发热.如图 4-4 所示：
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图 3-4 搅拌器旋转装置 由于所翻炒的食材用量、品种不同。所以我们选用最难翻炒的块状食品做为所需力矩最大的情 况，预计约 T=D·F=60cmX2N=120N·cm。转速为 50r/min 即可。 综合上述原因，故选用 39BYGH361 型步进电动机。 3.2 菜盒翻转电机选择 菜盒翻转装置组成如图 2-5 所示：