毕业设计（论文）自动烹饪系统机械装置的设计.doc

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1、 1绪论1.1自动烹调机的目的及意义工业革命是一个从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的一场生产与科技革命。而第三次工业科技革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类生活方式和思维方式，使人类社会生活和人的现代化向更高境界发展。人类在长期的生产实践中，为了减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率，创造了和发展了机械，如汽车，机床等。随着电子，电气技术的发展，大多数现代机械已不再是传统意义上的单纯的机械，而是综合有机电液气的

2、广义上的机械，特别是机电的结合越来越紧密，机械产品也逐步发展为性能功能更强的机电产品，越来越深入地进入到我们的生产生活中。众所周知，工业化的基础是机械化、自动化。机械化、自动化带给人类的是快节奏的工作。而快节奏的工作带给人们的又是快节奏的生活。随着现代化时代的快速发展，人们对饮食的要求越来越高，不只是追求一个“饱”，还要追求“好”，追求 “快”，追求营养、追求“科学”。这就引出了快餐的概念（即能方便快速食用的食品或饭菜）。如洋快餐的汉堡包、炸鸡腿、炸薯条等。快餐有三层含义：a、它是方便快捷的食品；b、具备快速进餐的特点；c、能适应餐饮规模化发展的一种经营模式。根据这种定义，现在有很多人都认为，

3、快餐就是一些简单方便的食品或饭菜，只要能快速吃到就是快餐，洋快餐就是现代快餐，因为，它具备现代化的经营模式等等。这些看法和认识都很肤浅，并有片面性。实际上，现代快餐是有很多现代科学条件要求的。可以说，目前，上市的中式快餐，只能叫传统快餐或过渡性快餐，它们不具备现代快餐的特征，包括“洋快餐”，也只能算作现代快餐支流中的小小快餐，大宴中的一个小菜，根本谈不上主流快餐。也就是说，因时代的发展，现代人需要现代快餐。那么，现代快餐必须具备现代化特征、并能及时满足现代人因生活需要在“食”方面的各种要求，而不只是一些简单方便的食品。那么，什么是现代快餐呢？现代快餐的主要特点是“快”和“现代”。也就是说，现代

4、人需要现代餐，是因为随着时代的迅猛发展，人们生活水平不断提高和生活节奏的加快，加上旅游、外出工作等等，需要方便快速、随时随地的解决饮食问题、需要新鲜美味、需要科学膳食、需要解放烦琐的厨房工作、需要保健治疗的膳食等等，这是时代的要求和历史的发展趋势。因此，需要外食、需要符合人们正常生活和高质量要求的快餐越来越多。所以，现代快餐应该是现代餐中的主流餐，达到日常用餐的程度。因此，现代快餐必须具备现代化特征、并能及时满足现代人因生活需要在“食”方面的各种要求：既突出快，还必须及时，随人动而动，随人意而有，并不受天时地理的影响；既简单方便、能快速进食，还必须突出色、香、味、形、意、器、养、健、疗的标准；

5、既能小规模生产、又能现代的集团化生产经营，达到以上的标准，才称得起真正的现代快餐。而传统餐饮和传统快餐，已经满足不了这些要求了。因为它是一个非常复杂、涉及多方面、综合的时代新要求。为什么这样说呢？如果只是满足人的吃饱问题，不管冷热、味道、营养、时间、地点等多方面的需求，则非常容易。如果，还要达到上述的要求，最终的产品还必须达到快捷方便、简单快速进食，其产品的科技含量是非常高的。否则，就不能实现。传统餐饮就是如此，复杂而不能快速，快速而不能精细，精细而不能简单，简单而不能全面，全面而不能现代，现代而不能随意，随意而不能如愿。所以，传统餐饮和传统快餐的传统经营，只符合过去时代人们的生活需要或符合区

6、域性和定位式就餐的需要，不符合现代人的要求，也不符合时代的要求。综上所述，现代人需要现代餐，特别是现代快餐。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。民以食为天，自从人类有了火，便知道了如何享用食物。在漫长的人类文明史中，锅的发明不应被看作一件无足轻重的事情，他让人类知道如何加工食物才对人类自身的健康有益。进而推进了人类的文明。从瓦特发明了第一台蒸汽机开始，人们

7、便意识到了机器的重要性-它能大大地解放劳动力，人类掌握了科技，紧跟而来的是火车，飞机，电，计算机，人造卫星，乃至机器人，我们的食品越来越丰富，但是我们并不满足。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。1.2烹调研究的历史中国是饮食大国，中国的饮食历史悠久，中国的烹饪与法国烹饪、土耳其烹饪齐名，并称为世界烹饪的三大风味体系。在深厚广博的中国传统文化教育中的阴阳五行哲学思想、儒家伦理

8、道德观念、中医营养摄生学说，还有文化艺术成就、饮食审美风尚、民族性格特征诸多因素的影响下，创造出了彪炳史册的中国烹饪技艺。那么什么是烹调？与烹饪又有何关系？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-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

9、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

10、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

11、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

12、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。1.3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二位数控平台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，同时保证锅铲翻转时锅盖机构和投料装置不发生干涉。自动烹调机就是菜肴的加工中心，与机械加工中心的原

13、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二维数控平台，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）进行二维数控平台与定位机构的设计，并绘制相应的结构图2 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

14、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

15、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。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。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。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

16、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就其本质而言是机械，因此对它的设计要从机械的组成研究起。我们知道，一部完整的机械主要有以下四个部分：（1）动力部分，是机械的动力来源，其作用是把其他形式的能转变为机械能以驱动机械运动并做功，如电动机，内燃机等。（2）执行部分:是直接完成机械预定功能的部分。（3）传动部分：是将动力部分的运动和动力传递给执行部分的中间环节，他可以改变运动速度，转换运动形式，以满足工作部分的各种要求，如减速

17、器。（4）控制部分，是用来控制机械的其他部分，使操作者能随时实现或停止各项功能。其组成框图见下图图2-1根据机械的基本组成，自动烹调机的基本组成将包括：控制部分（可编程控制器或PC）、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7。PC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(如果是PLC,就需要我们编程了)。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

18、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加伺服控制卡的结构，伺服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。图2-2自动烹调机的基本组成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，

19、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。 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

20、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)

21、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，即自动烹饪机送料装置及锅定位方案的设计与运动分析，要求能够使锅内所有被烹调物均匀受热；另外同时满足送料装置与锅定位及旋转机构不发生干涉。2.3 本章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

22、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。3.自动烹调机的实现方案3.1自动烹调机的组成如图3-1，自动烹调机的结构图图3-1自动烹调机结构图3.2机架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、锅盖翻转机构，。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。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

23、3-2 机 架如图3-1，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。3.3 二位数控平台的实现方案二位数控平台组成及工作原理图3-3 二位数控工作平台如图3-3所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图3-3为二维数控平台实物照片。二维数控平台可以实现X、Y两个方向的运动，通过两个方向运动的合成，可以实现任意平面轨迹。3.4 锅铲机械手组成及工作原理锅铲机械手的机构原理图如图3-4所示。图3-4锅铲机械手机构原理图 锅

24、铲机械手机构主要由： 1大带轮 2V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。 机构自由度的计算 由图3-4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： 由此可以看出该机构具有确定的运

25、动，即只要电动机旋转，便可带动锅铲机械手运动。3.5锅旋转机构1) 组成及工作原理锅旋转机构原理图下图所示。图3-5锅旋转机构原理图锅旋转机构主要由： 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3-5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 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

26、转，便可带动锅旋转。3.6 锅盖翻转机构1) 组成及工作原理 锅盖翻转机构原理图如下图所示。图3-6锅盖翻转机构原理图 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3-6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。3.7 小结本章

27、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（包括二位数控平台、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。4 传动机构的设计及计算4.1 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

28、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。4.2 基于SolidWorks的虚拟设计虚拟设计（Virtual Design，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

29、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

30、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、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

31、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：虚拟产品模型的演变过程的仿真；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；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。4.2.1 SolidWorks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

32、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

33、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。SolidW

34、orks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3D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

35、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。4.2.2 SolidWorks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

36、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

37、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。自顶而下（Top-down）则

38、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。4.3 二位数控平台的工作原理如下图，锅铲机械手主要是由一个二维数控工作平台组成，随着二维工作平台的

39、运动从而带动锅铲运动。图4-1二位数控工作平台的模型图 在二维工作平台上装一个锅铲，固定不动，在支架上放上锅，工作台在运动时，就可以让锅铲在锅里翻炒。从而达到自动烹饪的目的。4.4二维工作平台的设计设计主要参数：负载重量N最大快移速度m/min定位精度mm调节范围（X轴）mm调节范围（Y轴）mm台面尺寸mmCBH20010.135035015015015工作台滚珠丝杆步进电机联轴器满足移动要求反馈装置4.4.1传动方案的确定4.4.2机械系统设计的整体方案一）工作台总体结构的确定（1）步进电机2个（分别用于X、Y方向）；（2）滚珠丝杆2套，应分别对其进行分析设计，以满足两者不同的受力情况；（3

40、）滚动导轨：双导轨，四滑块；（4）带有“”槽的工作台面；（5）联轴器2个、导轨支撑板、轴承座、轴承挡圈以及丝杆螺母等等。1）丝杆螺母副的选用电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成 本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低(3040)。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、 制造成本高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高(9298)，精度高，系统刚度好， 运动具有可逆性，使用寿命长。因此更好的需要满足mm的定位精度，选择滚珠丝杠螺母机构。2) 导轨副的选用要设计二维数控精密工作台，需

41、要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。3）联轴器的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了使电动机的输出转矩，与滚珠丝杆相连，由于电动机载荷平稳、转速稳定、被联接的两轴中心线对中要求高，因此选用凸缘联轴器。4）电动机的选用根据任务书可知定位精度未达到微米级，因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，在这里选用反应式步进电机，它具有步进角小，频率高的特点。二）绘制总体方案图滚动丝杆步进电机联轴器步进电机联轴器Y方向传动机构X方向传动机构滚动丝杆工作台图4-2总体方案图这里设计的二维数控精密工作台暂时

42、不对控制部分进行设计，而仅仅对机械部分进行设计，故确定整体设计方案如上图所示：采用步进电机对工作台进行驱动，经联轴器后，带动滚珠丝杆传动，从而实现二维数控精密工作台的纵向（Y轴）、横向（X轴）进给运动。由于X、Y方向的参数要求相同所以这里只设计X轴方向的。三）工作台质量的计算X向拖板（上拖板）尺寸：15015015 mm其中，选取工作台材料为铸铁，密度：,重力加速度取重量：按重量=体积材料比重估算 =NY向拖板（下拖板）尺寸： 15015015 mm重量：约=26N。上导轨座（连电机）重量：=夹具及工件重量：约G=220N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约400N。四）滚珠丝杆的选择已知条件

43、：负载重量N调节范围mm最大快移速度mm/mim定位精度mm20035010000.1丝杠螺母导程计算: 根据工作台最高移动速度Vmax , 电机最高转速nmax, 传动比等确定Ph。按下式计算，取较大圆整值。预设电机与滚珠丝杠副直联，i=1。1）滚珠丝杆工作长度计算L=行程安全行程两个余程螺母长度横向（X轴）丝杆工作长度：纵向（Y轴）丝杆工作长度：2）滚珠丝杠副载荷及转速计算滚珠丝杠的当量载荷与当量转速。丝杆材料：钢；滚道硬度: 5459HR。当量载荷其中，选取d=1.1， , 滚动丝杠；即选取精度等级为一级。当量转速：所以得。预期工作时间：由表查得3）确定预期额定动载荷横向额定动载荷：纵向

44、额定动载荷：滚珠的循环方式：内循环。图4-3内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触，如图所示。在螺母1的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器3，利用反向器引导滚珠2越过丝杠4的螺旋顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短，流畅性好，效率高，螺母的径向尺寸也较小。根据初定的导程和计算所得的额定动载荷,并依据选取丝杆过程中选取导程应等于，变载时等于或大于的原则，查表取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。4）滚珠丝杠螺母副几何参数计算名 称符

45、号计算公式和结果螺纹滚道公称直径10螺距接触角钢球直径螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺母螺纹外径螺母内径（外循环）5）传动形式和支承方式的选择传动形式根据丝杠和螺母相对运动的组合情况选用丝杠转动、螺母移动形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。图4-4传动形式支承方式为了保证滚珠丝杠副传动的刚度和精度，应选择合适的支承方式，选用高刚度、小摩擦力矩、高运转精度的轴承，并保证支承座有足够的刚度。滚珠丝杠副的支承按其限制丝杠轴的轴向窜动情况，分为三种形式，如表所示。根据其各自特点，所以滚珠丝杠副安

46、装为一端固定、一端自由。图4-56）滚珠丝杆副稳定性校核（1）由于一端轴向固定的丝杆在工作时可能会失稳，所以再设计时应对其安全系数S进行校核，其值应大于丝杆副传动结构允许安全系数S。滚珠丝杆临界载荷：式中，E为滚珠丝杆材料的弹性模量，对于钢，；l为丝杆工作长度（m）；为丝杆危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数。又知，取，则有：横向滚珠丝杆临界载荷：纵向滚珠丝杆临界载荷：进而，有横向滚珠丝杆安全系数：纵向滚珠丝杆安全系数：经查手册知，SS,两丝杆均是安全的，不会失稳。（2）滚珠丝杆副还受值的限制，查手册可知通常情况下，要求所以该滚珠丝杆副工作稳定。7）滚珠丝杆副的刚度计算滚珠丝杆的刚度由丝杆的拉压刚度、螺母支承刚度和螺纹滚道接触刚度R组成。其关系如下：丝杆支承为一端固定、一端自由，则丝杆的拉压刚度：螺母的支承刚度：式A为螺母横截面，查手册可算出；为螺母支承面有效滚道间长度，单位为mm。螺纹滚道接触刚度R，查机械零件手册表18-33或表18-36可得到。经验算，可得两丝杆均满足刚度要求。五）直线滚动导轨选择计算1）导轨型式选择设定导轨工作参数为：X轴滑座上载荷Y轴滑座上载荷滑座个数单向行程长度每分钟往复次数300N490N4个350mm6次所以只要设计Y轴导轨。导轨型式：圆形截面滚珠导轨，如图图4-6滚珠导轨