（机械制造及其自动化专业论文）烹调自动化系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 本论文课题是研究设计一种由计算机控制的全自动中式菜肴烹调机系统。该 系统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，保证菜肴品质的稳定，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。 本文的研究在对比分析中西烹调工艺差别的基础上提出自动烹调机的概念， 将其按数控系统的体系结构来进行研究，最终确定采用p c 2 n 控制卡的结构方案来 构造该自动烹调机的控制平台。本设计把运动控制卡插入p c 机的标准p c i 插槽， 再配上步进伺服电机、电机驱动器、传感器等构成一个模块化的数控系统。 自动烹调机的设计按照伺服机构、硬件控制系统和软件系统设计三个部分进 行。伺服机构的设计按功能模块划分为锅铲机械手、锅定位及旋转机构、锅盖翻 转机构和送投料机构，利用s 0 1 i d w o r k s 虚拟设计并生成工程图，提高了设计效 率。传动系统采用同步带传动和滑轮传动，满足了运动速度要求，且避免了过度 干涉。硬件控制系统采用低成本的d m c l 0 0 0 四轴运动控制卡、两相混合式步进电 机及其相应的驱动器，实现了锅铲机械手的三轴联动。温度采集以及火力控制通 过r s 一2 3 2 接口由p c 实现智能化控制。选择了w i n d o w s 2 0 0 0 作为系统开发的操作 平台，并利用功能强大的3 2 位开发语言v is u a lc + + 6 0 作为开发工具。最后通 过整机的调试和试验证明了本课题研究方法的正确性，实现了当初的设想，并取 得了满意的实验效果。 关键词中式菜肴烹饪；烹调自动化系统；数控系统；运动控制卡 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e saf u l la u t o m a t i cc o o k i n gm a c h i n e ( a c m ) s y s t e m c o n t r o l l e db yc o m p u t e rf o rc o o k i n gc h i n e s ed i s h e s t h ed e s c r i b e ds y s t e mi sc a p a b l e t or e p l a c et h et r a d i t i o n a lm a n u a lc o o k i n ga n dc o o kt h ed i s ha u t o m a t i c a l l ya n d q u i c k l y ，w h i c hw i l ln o to n l yl i g h t e nk i t c h e n e r 7 sl a b o u ri n t e n s i t ya n di n s u r eq u a l i t y o ft h ed i s h e s ，b u ta l s oi m p r o v ec h i n e s ed i e t t h ec o n c e p t i o n ，a c m ，i sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nc o n t r a s t i n gw e s tc o o k i n g t e c h n i c sa n dc h i n e s eo n ei nt h i st h e s i s t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ea c ma s a n u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) s y s t e m ，a n da d o p t s “m o t i o nc o n t r o lc a r di n s e tp c ”m o d et o e s t a b l i s hi t sc o n t r o ls y s t e mw o r k i n gt a b l e am o d u l a r i z a t i o nn cs y s t e mh a sb e e n c o n s t r u c t e dw h i c hc o n s i s t so fm o t i o nc o n t r o lc a r di n s e r t e di nt h es t a n d a r d s o c k e t p c io fp c ，s t e p p i n gm o t o r s ，s t e p p i n gm o t o rd r i v e r sa n ds e n s o r s ，e t c a c ms y s t e mc o n s i s t so fs e r v om e c h a n i s m ，h a r d w a r ec o n t r o l s y s t e m a n d s o f t w a r es y s t e m a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s t h es e r v om e c h a n i s mi s d i v i d e di n t op a n c a k et u r n e rm a n i p u l a t o rm e c h a n i s m ，o r i e n t a t i o na n dr o t a t i o n m e c h a n i s mf o rp a n ，c o v e ro v e r t u r nm e c h a n i s ma n df e e d i n gm e c h a n i s m t h ea u t h o r d e s i g n st h e s em e c h a n i s m sb ys o l i d w o r k s ，ak i n do fs o f t w a r ef o rv i r t u a ld e s i g n ( v d ) w h i c hi m p r o v e dt h ea u t h o r + se f f i c i e n c yo fd e s i g n s y n c h r o n o u sb e l tt r a n s m i s s i o n a n dp u l l e yt r a n s m i s s i o na d o p t e di nt h es y s t e mc a nm e e ts p e e dr e q u i r e m e n ta n da v o i d e x c e s s i v em o t i o ni n t e r v e n e a c mh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t i n go f4 - a x i s m o t i o nc o n t r o lc a r d ，2 - p h a s es t e p p i n gm o t o r sa n ds t e pm o t o rd r i v e r s ，t h r o u g hc o n t r o l o fp c ，m a k e sa c mm o v eu n d e r3 - a x i su n i t e dm o t i o nm o d e i nt h ea c ms y s t e m ， t e m p e r a t u r ea n df i r e p o w e ra r ec o n t r o l l e db yp ct h r o u g hr s 2 3 2 w i n d o w s 2 0 0 0 o p e r a t i o ns y s t e ma n dv i s u a lc + + 6 0h a v e b e e ns e l e c t e d a sd e v e l o p m e n tt a b l e f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a t i o n ，r e s u l to fw h i c hi ss a r i s f y i n g ，p r o v e dt h ed e s i g n p r i n c i p l er i g h ta n dt h er e s e a r c hm e t h o dv i a b l e k e y w o r d s ：c h i n e s ed i s h e sc o o k i n g ；c o o k i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ；n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ；m o t i o nc o n t r o lc a r d i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：数袁炙 日期：腓4 n 曰 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。本人授权华南理工大学可以将本学位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。 保密口，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 7 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：童立身受 导师签名：批 日期：以r 年g 月，日 日期：2 州年莎月暖日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 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i 、淮扬四大菜系，人们为了做出这 些各式各样的饭莱，也发明了各种烹调工具和方法。时至今日，中国的烹饪不仅 成为了中国的一种国粹，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者的健康，从而制约了烹 饪的发展。在今天的中国，作为西餐的代表，“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 提就是实现中式烹饪的机械化、自动化和信息化，而其中最困难的是如何实现烹 调的机械化、自动化和信息化，这便引出了本文所要研究的对象烹调自动化。 1 。2 烹调与自动化 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 代的发展不断地推陈出新。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，西方人的饮食方式简单，制作的工艺流程也很简洁，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。 那么到底什么是烹调? 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，然而它们并非同一概念，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一调味品出 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， 华南理工大学硕士学位论文 使食物食而可口，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，烹饪和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，二者是大概念和小概念的关系 “1 。烹饪泛指食品( 包括饮料) 的制作生产；现代的烹调指食品制作中的调和”“”， 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，即在烹饪过程中，烹调工艺流程是关键性的环节，材料的色、香、味、 形在这一环节最终确定。 目前，将食品生产工艺过程划分为机器加工过程与设备加工过程。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。原料及成品的形态对于工艺机器的结构具有一定的影响。两者可 能都是分散的，即单件的：也可能都是成团的，即非单件的。“m ”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与科学创造、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”1 。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，包括全自动的电饭锅、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，自动化程度低，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不高的缺点。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叛鲜可口，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、佐料及火候、 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，餐馆即便是快餐馆 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的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。 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 2 第一章绪论 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 视其为己完成。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 产权的特征，工艺的差别性也带来了菜肴口味的差别，因此烹调自动化系统必须 能适应工艺的多样性。烹调过程由各种烹调动作贯穿始终，对菜肴的调和动作既 有快速翻搅动作，也有慢速平稳的均化动作，同时对温度控制，加热时间控制都 有要求。所以，作为烹调自动化系统，要能够模仿人的调和动作，自动按规定顺 序执行工艺路线，自动调节温度和火力。 1 3 本课题研究的目的及意义 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。烹调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，烹调自动化不是简单的用机械模仿手工技艺，而是应在传统烹调原理 基础上用现代科学技术进行革命性的改造。烹调自动化不是否定传统的烹调技 艺，而是对传统的继承和发扬。烹饪大师仍然是烹调技艺的直接创造者，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，烹调自动化将对传统烹调技艺的继承和发展产生积极的作用”1 。 在烹调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之甚少，因而，自动化的烹调系统 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，自动化的烹调系统会很好的执行下去，这 有利于改变中国人不合理的饮食结构。迄今为止，市场上尚未出现真正意义上的 自动化烹调机器，尤其是中式自动烹调机。因此本课题研究的目的就是在无须人 工干预的烹调全过程中，自动实现各种主要烹调技法，出品达到烹调技法要求， 且菜肴品质稳定的全自动烹调装置。 从纵向看，任何一种产品生产的原始状态均是手工操作，随着生产力的发展， 部分才转向半机械化和机械化。从横向看，发达国家的产品生产的机械化、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化、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了良好的发展势头，但仍处于起步阶段，加上中 国烹调操作的复杂性，致使中式烹调自动化发展的进程较慢。也正是由于中国烹 调操作的复杂性，并不是所有菜品均能工业化、自动化。中式烹调的工程化改造 3 华南理工大学硕士学位论文 决不否认手工烹调。传统的烹调技艺将在酒楼、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 水传热的烹调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 出适合烹调自动化的品种。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，不论社会文明发展到何种程度，手工操 作的烹调技法创造仍有很大的需求，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能达到手工操作的水平，手工技艺终将有很大的市场需求 ”1 。同时，自动化的品种和手工操作的品种在品质上( 感官性状上) 总有差别的。 中式烹调自动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、营养及饮食企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。 1 4 本课题研究的内容和方法 本课题的研究属于开发性的研究，因而开发的定位对本课题研究的内容具有 很大的影响。根据本课题研究的委托方的要求，将产品开发的定位定在个人、家 庭或办公写字楼的需求之上，这样就为本课题的研究明确了内容和方法。本文的 研究将引入自动烹调机的概念，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，将每一道菜肴的制作工艺流程进行分解、分析、归纳和综合 后，编制成一道标准化的工艺流程，再制作成电脑软件程序，辅以标准的配料， 从而实现烹调的自动化。以此设计出相关执行机构、传动进给系统，设计开发出 控制系统的电路、检测传感系统和底层控制软件，制作出原型实验样机。根据烹 调方法的不同，研究自动烹调机运动控制算法，进行烹调程序的软件编制调试， 重点围绕火候控制和烹调动作合理化两个问题进行机构和控制方面的设计，就是 本课题要解决的问题。最后通过一个具体的真实的烹调过程来验证本机。 自动化的烹调机就是菜肴的加工中心，与机械加工中心的原理相类似，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。对相关执行机构 和传动进给系统，利用虚拟设计技术进行设计、开发和装配，充分利用s o l id w o r k s 在设计装配中的优势。控制系统的设计开发采用先进的电子设计自动化软件e d a ( e 1 e c t r o n icd e s i g na u t o m a t i o r l ) 技术进行电路设计，控制装置采用p c n 运 4 第一章绪论 动控制卡的结构来构建，以保证研究开发的速度和成功率，减少开发强度。软件 程序也利用面向对象的开发语言来进行开发，在人们熟悉的w i n d o w s 系统平台上 构建自动烹调机的人机控制界面。最后通过实验数据对比，找到人与机器在烹调 过程中的差异，为自动烹调机真正达到烹饪大师的烹调水平提供数据参考，并最 终完善自动烹调机的功能，为实现产品的商业化、实用化做好准备。 5 华南理工大学硕士学位论文 第二章烹调自动化系统总体设计 2 1 烹调自动化系统概述 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还是控制上，离“自动烹调”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地控制烹调火候。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。 在参考文献 7 中，介绍了一种由电脑控制的全自动中式菜肴烹调机系统。 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参考价 值，也是以一种数控加工中心的模式来开发自动烹调机。 本文所研究的自动烹调机作为一种数控设备，利用数字代码形式的信息( 即 程序指令) ，控制锅铲、锅盖和锅等机构按给定的工作、运动速度和轨迹进行全 自动化烹调；它应该具有广泛的适应性，菜肴改变时只需要改变程序的指令，可 以稳定地重复执行，生产口味品质稳定的菜肴，实现因人的经验的随意性而无法 完全重复的烹调过程；可以进行小批量生产，从而解放烹饪大师的双手，提高烹 调的效率，满足多数人对美昧佳肴需求。 自动烹调机的基本组成将包括：控制介质、数控装置、伺服系统、检测反馈 装置和烹调机本体。 控制介质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 6 第二章烹调自动化系统总体设计 络进行信息传输。 数控装置是自动烹调机的核心。它将采用计算机数控装置，即c n c ( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 装置。它包括计算机的电路、各种接口电路、 显示器、键盘、鼠标等硬件以及相应的软件。数控装置能完成信息的输入、存储、 变换、插补运算以及实现各种控制功能。它具备的主要功能如下： ( 1 ) 多坐标控制( 多轴联动) 。 ( 2 ) 实现多种函数的插补( 直线、圆弧等) 。 ( 3 ) 多种程序输入功能( 人机对话、手动数据输入、网络传输程序等) ，以及 编辑、存储和修改等功能。 ( 4 ) 多种烹调方式选择。可以实现各种烹调动作的循环重复。 ( 5 ) 具有显示功能。可以显示烹调进度、温度、火候等。 ( 6 ) 通信联网功能。实现烹调程序的下载、上传，远程控制等。 伺服系统是接收数控装置的指令，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。在本课题研究中将主要采用步进电机系统。 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。烹调机本体结构有下面几 个特点： ( 1 ) 由于采用了进给伺服驱动装置，烹调机的机械传动结构得到了简化，传 动链较短。 ( 2 ) 烹调机的机械结构具有较高的动态特性、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，如直线滚动导轨等。 为了保证自动烹调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) 。 2 2 烹调自动化系统的功能要求 根据设计任务书的功能要求，本课题研究的自动烹调机应能通过各个机构的 协调工作而很好地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4 2 种烹调方法：炙、烤、烙、煎、炸、 炒、熘、煮、蒸、勾芡等等陋“。这4 2 种烹调方法各不相同，而且每一种方法 7 华南理工大学硕十学位论文 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， 可咀通过分类归纳，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。 2 3 烹调自动化系统的结构方案设计 2 3 1 结构方案设计比较 根据上述归纳的功能要求，设计相应的机构和控制系统。功能机构主要包括： 翻炒执行机构、锅旋转机构、锅盖开合机构、送投料机构。控制系统主要包括： 动作伺服控制系统、输入输出控制系统、温度采集与加热调节系统。”3 2 3 1 1 结构设计方案一 方案一的整体结构示意图如图2 1 所示。 电机1 安装在一个由水平导轨支撑的滑动支架上，通过支架上的滑轮机构带 动整个机械手铲臂支架在竖直方向上上下运动，电动机2 则通过支架上的传动部 分控制整个滑动支架的在滑动导轨上左右移动。电动机3 安装在机械铲臂支架上 ( 反面) ，通过旋转带动整个机械手铲臂机构转动。电机4 位于锅铲杆处，带动 一个齿轮转动，此齿轮与齿条啮合，通过控制电机的旋转可实现该杆的长度改变， 从而促使锅铲杆旋转以实现锅铲角度的改变。送料机构的盛料盒置于一个伸缩杆 前端，盛料盒为一隔仓式的盒子，菜料盛于各个隔仓中，料盒底部有一抽屉式的 抽扳。电机6 转动使一传动轮旋转，该轮带动抽板后的一个拉钩动作，使各个隔 仓依次打开让菜料落入锅中。伸缩杆的伸缩动作可通过电机6 实现，在投料结束 后要将盛料盒拉回去，从而不会影响锅盖的开合与锅铲的翻炒运动。电机7 通过 摩擦轮驱使锅旋转，锅盖的运动由一连接于烹调机器框架上端的伸缩杆，通过电 动机8 驱动。 8 第二章烹调自动化系统总体设计 图2 1 方案一的整体结构示意图 f ig 2 1t h ef r a m es k e t c hm a po fs c h e m el 图2 - 2 锅铲臂结构 f i g 2 - 2t h ea r ms t r u c t u r eo fp a n c a k et u r n e r 9 华南理工大学硕士学位论文 图2 2 锅铲臂结构中，电机3 轴上固接锅铲臂，其转动将带动整个锅铲臂旋 转。电动机4 的轴上固接一齿轮，与锅铲臂的齿条啮合带动整个锅铲杆运动，压 紧轮保证啮合不会过松或过紧，从而实现锅铲的绕铰链翻转( 见图2 - 3 ) 。电机5 位于锅铲杆上，带动一个链条链轮结构运动，可实现控制锅铲绕锅把轴旋转( 见 图2 - 3 ) 。 图2 3 所示是锅铲的结构简图，锅铲分为两部分，锅铲的前端为真正的工作 部，后段为一旋转轴，穿过套筒固接一链轮，它可以实现两个方向的旋转运动， 可以很好的模拟人手上下和左右翻抛动作。 图2 - 3 锅铲结构 f i g 2 - 3t h ep a n c a k et u r n e rs t r u c t u r e 该方案机构中，锅铲能够在两个方向进行翻转，从而使得锅铲的动作灵活度 大大增加，并且可实现锅铲的翻转自由度更多。送料机构和锅盖机构采用了伸缩 机构可以使空间的利用率更高，同时采用盛料盒抽板机构，使得投料动作更加简 便和易于控制。 但上述特点也带来了一系列设计上的困难与缺陷：铲臂机构的传动杆采用了 齿轮逸条机构改变杆长度，一方面这样的改变对锅铲的转角影响有限，另一方面 这里的齿轮齿条结构不易实现稳定啮合。此外，由于锅铲与锅铲杆结构复杂，并 且位置比较特殊，较易于造成菜料缠绕，并且这里的链轮机构的尺寸难于设计得 足够小，加上铲臂传动杆电机的重量，将使电机3 的负荷大大增加。锅盖在减小 占用空间的同时也带来了新的问题，由于锅盖在升起后将置于机器支架的上端， 在其升起的过程和升起后都易于造成水滴的散落，并且行程过长，效率低下。此 外，该方案过多的采用了伸缩杆机构，一方面结构简单的伸缩杆的行程不易满足 要求，另一方面，这里的伸缩杆的制动与启动较难以控制，所以，综合来看，此 方案不够理想。 1 0 第二章烹调自动化系统总体设计 2 3 1 2 结构设计方案二 这个方案主要是修改了方案一中出现的锅盖滴水及形成过长的问题和锅 铲的结构，同时对送料机构也进行了修改。见图2 - 4 ，这个方案的送料机构运 动较之方案一都做了较大的改动，在这里送料盒采用的是送料架机构，该机构 由一个水平导轨和一个送料架以及料架和导轨问的传动机构组成。 图2 4 方案二结构示意图 t h ef r a m es k e t c hm a po fs c h e m e2 料盒置于送料架上，送料架可以在如图所示的送料架水平导轨自由运动， 其水平运动由图示的电机8 驱动，由于在这里送料盒是置于料架上的，所以料 架的水平运动即是料盒的水平运动。考虑到料盒运动和锅盖翻盖运动以及机械 手运动的干涉性问题，这里的送料架水平运动导轨安置在并固定在烹调机的后 壁。这里的炒菜机械手铲臂分为上臂和下臂两个部分，上臂只能在竖直方向上 通过滑轮作往复运动，而下臂则可绕上臂与下臂间的连接点进行旋转，传动是 华南理丁大学硕士学位论文 依靠蜗轮蜗杆来实现，锅铲可绕铲臂下臂的锅铲与下臂问的连接点进行旋转。 整个机械手采用四个电机( 电机1 、2 、3 、4 ) 进行驱动。电机1 安装在机械手 铲臂最上端的滑动支架内，通过支架上的传动部分与支架水平导轨配合，控制 整个机械手铲臂机构在水平导轨上进行左右移动。电机2 也安装在滑动支架内， 通过支架上的滑轮机构带动整个机械手铲臂机构的上下臂在竖直方向上上下 运动，电动机3 安装在上下臂的连接处( 见图2 5 ) ，通过旋转带动整个机械手 铲臂f 臂转动。电机4 安装在机械手铲臂下臂上，通过锥齿轮的传动方式将转 矩传递到锅铲上，从而使锅铲自由翻转。锅盖的翻转采用转动副连接方式，由 固定在烹调机下部位的电机5 驱动锅盖的转轴旋转，这样做的好处是可以避免 蒸汽聚集在锅盖处形成水滴，从而避免了炒菜过程中水滴落入锅中，而且可以 缩短行程，增加了可靠性。 该方案翻盖式的锅盖运动机构使锅盖滴水问题得到了解决，并且避免了方案 一中伸缩杆机构运动范围较大、控制复杂、占用空间等问题。送料盒采用了送料 架的新结构，使得送料盒的送出和投料动作都易于控制，同时由于其运动轨道布 置在机器的后壁，所以空间的利用率更加合理。机械手铲臂的机构较之前面的方 案在下臂的结构上进行了全面的改动，该改动不仅使电机的控制和下臂以及锅铲 的运动变得灵活可靠，同时零件数目也减少了，结构更加紧凑。该方案缺点虽然 较之前面的方案有所改善，但仍有部分值得改进之处。如铲臂的下臂的锅铲动力 传递部件由锥齿轮来承担，由于电机处于频繁正反转的交替状态，锥齿轮结构部 件的磨损和润滑较为不便，并且要经常在液体环境下工作，很多杂质会进入啮合 处影响正常传动。并且锥齿轮的结构不能做的很大，否则将影响锅铲的拟合效果。 锅盖采用了翻盖的结构使得空间的利用较为合理，但是由于该方案中锅盖所处的 的位置会限制机械手臂的运动范围。 机械手( 锅铲) 部分，使用滑轮组套索带动整个机械手臂部分的上下运动虽 然可增加系统柔性，但也带来可靠性问题。锅铲臂的下面部分是与蜗轮固连的， 其机械手结构如图2 - 5 示。结构上较方案l 更为简洁可靠，但正是由于采用蜗轮 蜗杆传动，使锅铲的翻砖速度与电机功率之间产生了矛盾，很难两者兼顾。 投料箱位置由于需要与锅铲机械手和锅盖的位置协调，尽管可以相互运动来 避位，但增加电机，也就相应地增加了控制的复杂性，降低了可靠性，众多的电 机在运动协调上，对控制系统的设计是个难题。另外，如何更合理分配空间，在 有限的空间内处理好锅铲、锅盖和投料装置的位置关系，对整个机构的设计所必 须解决的问题。 综合以上的设计方案可见，方案二也存在很多的缺陷，仍然需要找到更好的 结构方案来满足炒菜模拟动作的基本要求。 1 2 第二章烹调自动化系统总体设计 2 3 1 3 结构设计方案三 参考前述的二个方案，并借鉴其有益思路，充分考虑到机构的可行性和合理 化要求，提出了如图2 - 6 所示的机构总体方案三。 此方案中，锅铲机构的运动主要依靠y 方向、z 方向联动和锅铲绕x 轴的转 动来实现。理论上，通过y 、z 轴的插补运动，完全可以走出锅的内弧曲线，但 由于本设计中采用步进电机，其机械特性较硬，加之机构本身刚度较大，不利于 运动曲线的模拟和运动的平稳性( 这一点，在后来实际样机的试验中也得到了证 明) ，而且烹调工艺动作的很多复杂动作，仅靠y 、z 平面动作也很难实现。因此， 配合锅铲绕x 轴的转动，实现三个自由度的联动，可以很好的解决锅铲的动作问 题。机构2 是送投料装置，应用一个电机和一个位置传感器可以实现多种投料的 需求。机构3 是一个锅铲机械手结构，可以在水平y 方向移动，其本身包括一个 绕x 轴的旋转运动，三个轴的联动即可实现锅铲的翻菜、拨菜以及盛菜动作要求。 机构4 是锅的旋转结构，通过旋转就可以使锅铲运动时覆盖到锅的所有内表面， 从而在烹饪时达到翻炒物料均匀的目的。机构5 是锅盖翻转结构。 f 沁h耻 n眦d渔h手叫械“机l ；撕酊图 ：u吼虬en5p g n 华南理工大学硕士学位论文 图2 - 6 方案三结构示意图 f i g 2 - 6t h ef r a m es k e t c hm a po fs c h e m e3 构 2 3 2 方案确定及结构模块划分 从上一节三个方案提出与分析可知，每一个新方案都是在前一个方案的基础 上针对其缺点进行改进而提出的，因而方案三的可行性和可靠性都优于前两个， 所以，本课题研究将以方案三为基础设计并制作出一台原型机，并用于实际的对 比研究。在各种结构设计中，模块化的设计适应了现代设计的要求。3 。 既然以方案三为设计和研究的基础，那么此烹饪机的基本功能也基本可以确 定。根据上一节所述烹调机所要求的功能，方案三所能包含的主要结构模块有： ( 1 ) 锅铲机械手( 即实现翻炒功能，模拟人手的各种炒菜动作) ； ( 2 ) 锅定位及旋转机构( 与功能1 配合实现翻炒均匀的目的) ； ( 3 ) 锅盖翻转机构； ( 4 ) 送投料机构。 1 4 第二章烹调自动化系统总体设计 2 4 控制系统方案设计 在本课题研究中，烹饪系统的控制系统方案有两个选择，其一是嵌入式系统 方案，另一个是应用p c 加控制卡的结构系统。不论哪一种方案，烹调机的控制 系统都可分为硬件和软件两大部分。对于前一方案，无论对于烹调机的研究前景 还是未来的市场方向都是比较合适的，也符合技术发展的特点，但是由于本课题 的研究并没有可供参考的样本和相关技术，嵌入式系统开发的时间周期长、难度 大，加之课题本身的研究时间有限，因此暂时不选用这一方案。为了在尽可能短 的时间里完成本课题的研究，并制作出一台原型样机，最好的方案就是选用p c 加控制卡的结构系统，由于控制卡现在也比较成熟，许多底层控制函数和软件已 经做好，只须合理的调用，在p c 机上进行高级语言控制程序的开发，可以很快 的实现想要的各种功能，而且修改扩展都非常方便。 2 4 1 硬件控制系统组成 本烹调自动化系统的硬件控制系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、检 测部分以及机械运动部分组成，采用开环控制方式。自动烹调机的运动控制，主 要是2 3 2 节中所述的翻炒运动、锅旋转运动、盖开合运动和送投料运动，即如 何将硬件控制系统四个组成部分合理有效的组合在一起。硬件控制系统组成框图 见图2 7 所示。 p c 机 1r p c 总线 t m a x 即可，选择s a n y o 混合式步进电机 1 0 3 h 7 l2 3 一0 1 4 0 ，其扭矩达到0 8 3 n m ，机座为5 7 系列。 ( 2 ) 垂直运动：设定悬臂盒及机械手等运动机构的质量( 包括余量和物料的 重量在内) 为：m = 6 k g 。 加速度所需的最大动力： f = m ( g + a ) = 6 ( 1 0 + 2 ) = 7 2 n ： 卷筒直径选d = 1 5 m m ，所以所需的最大扭矩为： t m a x = f d 2 = 7 2 0 0 15 2 = 0 5 4 n m ： 电机选取：只要扭矩t t m a x 即可，选择意大利m a e 公司的混合式步进电机 h n 2 0 03 4 2 6 ，其扭矩达到2 8 n m ，机座为8 6 系列。 ( 3 ) 翻转运动：设定锅铲及最多盛装量的质量( 包括余量在内) 为：m = 2 k g ： 铲尖到支点距离为d l = 8 0 m m ，铲尖到推拉杆作用点的距离为d 2 = 5 5 m m ，旋转臂长 度为：d 3 = 3 0 m m ，见示意图3 - 6 。 铲尖加速度所需的最大动力： f = m ( g + a ) = 2 ( 2 + 2 ) = 8 n ： 根据杠杆原理，推拉杆应该施加的最大力为： f = f x8 0 5 5 = 8 x 8 0 5 5 = 1 1 6 n ： 所需的最大扭矩为： t m a x = f d 3 = 1 1 6 0 0 3 = 0 3 5 n m 。 电机选取：只要扭矩t t m a x 即可，同样选择s a n y o 混合式步进电机 1 0 3 h 7 1 2 3 0 1 4 0 。 3 步进电机h n 2 0 03 4 2 6 和1 0 3 h 7 1 2 3 一0 1 4 0 技术规格 ( 1 ) 混合式步进电机h n 2 0 03 4 2 6 。h n 2 0 03 4 2 6 是意大利m a e 公司生产的两相 混合式步进电机，它具有产品质量优良，价格低廉，使用寿命长，适应范围广的 优点。它可以细分驱动，振动低、噪声小，高速性能好，具有较高的转矩惯量 比，其技术规格如下表4 2 所示。 ( 2 ) 混合式步进电机1 0 3 h 7 1 2 3 0 1 4 0 。1 0 3 h 7 1 2 3 0 1 4 0 日本s a n y o 的两相混合 式步进电机，其技术规格如下表4 2 所示。 3 7 华南理工大学硕士学位论文 表4 2 混合式步进电机技术规格 t a b l e4 - 2 t h e2 - p h a s es t e p p i n gm o t o rs p e c i f i c a t i o n s 指标项目 h n 2 0 03 4 2 61 0 3 h 7 1 2 3 一0 1 4 0 步距角 1 8 。1 8 0 相电流 4 31 o 相电阻( q ) o 5 56 7 相电感( m h )2 11 5 保持转距( n c m ) 2 8 08 3 静转距( n c m ) 8 53 o 转子惯量( g e m 2 ) 6 6 02 1 0 最大供电电压( v ) 9 07 0 从上表的电机参数可知，两相混合式步进电机h n 2 0 03 4 2 6 和1 0 3 h 7 1 2 3 0 1 4 0 都可以满足设计要求。 4 2 2 步进电机驱动器的选用 步进电机驱动器是自动烹调机控制系统中一个重要的组成部分。其主要是将 运动控制卡发来微弱的脉冲信号转换成可以驱动步进电机运动的电压、电流信 号。在上一节。选用了两个型号的步迸电机，现在要为这两个电机配备相应的驱 动器。其中为步进电机1 0 3 h 7 1 2 3 0 1 4 0 采用两相细分步步进电机驱动器，型号为： r d 一0 2 3 m s ；为步进电机h n 2 0 03 4 2 6 采用两相混合式步进电机细分驱动器，型号 为：s h 一2 1 0 0 6 。1 1 两相混合式步进电机细分驱动器r d 一0 2 3 m s ( 1 ) 特点：高细分、低振动：3 a 相高输出电流，商效率；专用i s i 电路细分可选；采用铝镁合金，散热性好、抗干扰能力强；采用自动电流降 功能( 电流值可调)