自動(dòng)烹飪機(jī)器人投料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)烹飪機(jī)器人投料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0自動(dòng)焊接機(jī)器人自動(dòng)烹飪機(jī)器人的開發(fā)滿足了中國烹飪工業(yè)的需求。投料系統(tǒng)是自動(dòng)烹飪機(jī)器人的重要組成部分。現(xiàn)代自動(dòng)烹飪機(jī)器人的產(chǎn)生通?；趥鹘y(tǒng)的簡單烹飪設(shè)備，并考慮與自動(dòng)料設(shè)備相結(jié)合的自動(dòng)準(zhǔn)備系統(tǒng)，從而逐步改進(jìn)。因此，帶有自動(dòng)投料系統(tǒng)的烹飪機(jī)器人是對傳統(tǒng)飲食行業(yè)的又一創(chuàng)新和進(jìn)步。1投料系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求投料系統(tǒng)要完成菜肴原料的分次計(jì)量投放,根據(jù)烹飪工藝,原料可以分為姜蒜、主料、輔料和調(diào)料,其中調(diào)料為特制的混合調(diào)料,油和水有專門的設(shè)備提供,不在投料系統(tǒng)的考慮范圍.投料系統(tǒng)的料盒必須根據(jù)菜肴原料的分類,在滿足投料動(dòng)作的前提下,設(shè)計(jì)相應(yīng)容量.同時(shí),為了最大化地滿足烹飪工藝對投料的要求,投料系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上應(yīng)力求具有最大的靈活性,即能夠滿足各種菜肴的烹飪,可以配置于不同類型的烹飪機(jī)器人上.投料系統(tǒng)相關(guān)的動(dòng)作要求有2類,一是手工動(dòng)作,即烹飪前人力輔助將裝有菜肴原料的料盒放到投料機(jī)構(gòu)上去,以及烹飪后手工取下空的料盒;二是電器控制的自動(dòng)投料動(dòng)作,要求實(shí)現(xiàn)將料盒內(nèi)的菜肴原料按照烹飪工藝投放到鍋具內(nèi),這是投料系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮的對象.此外,投料系統(tǒng)還得充分考慮手工操作的方便.2水平直線移動(dòng)動(dòng)作投料系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,自動(dòng)投料的功能主要靠料盒組件的水平移動(dòng)和單個(gè)料盒的翻轉(zhuǎn)投料動(dòng)作來實(shí)現(xiàn).水平移動(dòng)電機(jī)3主導(dǎo)投料系統(tǒng)的水平移動(dòng)動(dòng)作,使料盒組件在投料架上實(shí)現(xiàn)圖1中a所示的水平直線移動(dòng).當(dāng)其中一料盒移至投料位置時(shí)翻轉(zhuǎn)投料電機(jī)主導(dǎo)投料系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)投料動(dòng)作,使單個(gè)料盒完成圖1中b所示的一定角度范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)投料功能.投料位置位于整個(gè)投料機(jī)構(gòu)的中間位置是最合理的,如此可以在保證足夠水平行程的同時(shí),有最小的長度尺寸.2.1.料盒的取放投料系統(tǒng)采用盒式料盒,圖1中,從右至左,依次為姜蒜料盒、主料盒、2個(gè)輔料盒和調(diào)料盒,此安排也符合一般的烹飪投料次序,因輔料的量比較大,所以用了2個(gè).料盒的取放采用推拉的方式,料盒底部有一個(gè)梯形狀插槽,投料機(jī)構(gòu)上固定有插板,插槽和插板的形狀正好吻合,此結(jié)構(gòu)不僅利于料盒在投料架上的固定,而且還非常便于料盒的取放.料盒前后都安有手柄,便于手持料盒進(jìn)行料盒的取放動(dòng)作.2.2翻轉(zhuǎn)投料組件在烹飪過程中,翻轉(zhuǎn)投料組件要實(shí)現(xiàn)料盒的翻轉(zhuǎn)投料動(dòng)作,完成投放菜肴原料的功能.投料系統(tǒng)中跟翻轉(zhuǎn)投料相關(guān)的組件如圖2所示,以主料盒組件為例,并且略去跟翻轉(zhuǎn)投料動(dòng)作關(guān)系不大的組件.翻轉(zhuǎn)投料中最主要的動(dòng)作是翻轉(zhuǎn)電機(jī)組件帶動(dòng)導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過軸兩端的連接桿帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng).翻轉(zhuǎn)桿上固接有一塊翻轉(zhuǎn)板,它插在料盒組件一端的兩塊夾板之間,并留有一定的間隙,便于料盒組件的水平移動(dòng).翻轉(zhuǎn)板隨翻轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而撥動(dòng)料盒組件上的夾板,使整個(gè)料盒組件隨旋轉(zhuǎn)座饒導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)座內(nèi)的零件為線性滾珠襯套2.3組件水平移動(dòng).水平移動(dòng)組件主要實(shí)現(xiàn)各料盒組件的水平移動(dòng),在烹飪時(shí),將任意料盒組件移動(dòng)至投料位置,位于投料機(jī)構(gòu)的中間部位.在運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上,要完成的動(dòng)作就是能夠帶動(dòng)五個(gè)獨(dú)立的料盒組件沿導(dǎo)向軸和導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸水平往返移動(dòng).投料系統(tǒng)中跟水平移動(dòng)相關(guān)的組件如圖3所示.5個(gè)料盒組件分布于隔離套筒和組合隔離套筒間,即圖中a、b、c、d和e所示的位置,通過組件中旋轉(zhuǎn)座內(nèi)的線性滾珠襯套跟導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸配合,同時(shí)支撐板也擱置在導(dǎo)向軸上的套筒上.套筒套在導(dǎo)向軸上,其兩端分別內(nèi)置有直線軸承,可以沿導(dǎo)向軸平移,又因?yàn)榫€性滾珠襯套也能很好地沿導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸平移,所以各料盒組件完全能夠?qū)崿F(xiàn)水平移動(dòng).套筒、各類連接板和隔離套筒組合成一個(gè)框架,在動(dòng)力系統(tǒng)的帶動(dòng)下,推動(dòng)框架內(nèi)各料盒組件的水平移動(dòng).2.4軸的最大彎曲變形控制從成本角度考慮,采用直線軸承和導(dǎo)向圓軸配合的直線導(dǎo)套副結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上此投料系統(tǒng)配備于繁興科技煸炒烹飪機(jī)器人上,要求每鍋出菜量達(dá)10kg,主體總重量達(dá)38kg,兩軸跨距達(dá)1610mm,其中除菜肴原料和軸承件的重量確定外,其余重量的計(jì)算依靠Pro/Engineer參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中對一般軸的允許撓度計(jì)算公式l為跨距,則即兩軸的最大彎曲變形應(yīng)控制在0.805mm以內(nèi),軸的剛度越好,彎曲變形越小自然是最好的.軸的彎曲變形量主要取決于負(fù)載和負(fù)載分布的位置,首先確定可能導(dǎo)致兩軸產(chǎn)生較大彎曲變形的工作位置,然后針對每種作業(yè)狀態(tài)建立有限元模型,通過ANSYS軟件分析彎曲變形程度,得出合理的兩軸直徑和彎曲變形量.根據(jù)分析結(jié)果,兩軸的最大彎曲變形發(fā)生在主料盒平移至投料位置,并且未投料時(shí);導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的彎曲變形要略大于導(dǎo)向軸.當(dāng)軸直徑取25mm和30mm時(shí),導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸的彎曲變形情況如圖4所示,最大值分別為0.743mm和0.358mm.可見,25mm直徑的軸基本滿足要求,若采用30mm直徑的軸將更加穩(wěn)定可靠.除了選用較大直徑的軸外,還可以采用分擔(dān)兩軸的承重的辦法.其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖5所示,在5個(gè)料盒組件的支撐板上都安裝一套支撐組件,主要構(gòu)件為一滾動(dòng)軸承,可繞連接在支撐架上的軸旋轉(zhuǎn).在不翻轉(zhuǎn)投料時(shí),滾動(dòng)軸承跟安裝架上一根支撐梁接觸,并通過聚氨酯緩沖墊避免產(chǎn)生噪音.在受載荷時(shí),料盒組件和菜肴原料的重量大部分都通過這一結(jié)構(gòu)傳遞到安裝架的梁上,從而極大減輕了導(dǎo)向軸和導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)軸的受力,避免了發(fā)生較大的彎曲變形.3控制板上的模式投料系統(tǒng)底層DSP選用TI公司的TMS320LF2407A,需要控制的資源主要有平移和翻轉(zhuǎn)的2臺直流電機(jī),均需要調(diào)速控制;反饋位置信號的接近開關(guān)和編碼器;電機(jī)保護(hù)的2路模擬量輸入.上層觸摸屏提供友好的人機(jī)交互界面,控制投料系統(tǒng),并通過CAN總線與底層DSP完成命令和數(shù)據(jù)的通訊.其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示.3.1器件單元比較TMS320LF2407A有2個(gè)事件管理器模塊,每個(gè)比較單元和通用定時(shí)器,死區(qū)單元及輸出邏輯可在2個(gè)特定的器件引腳上產(chǎn)生一對具有可編程死區(qū)以及輸出極性的PWM輸出3.2信息幀格式TMS320LF2407A有CAN控制器模塊,通過CAN總線和上位機(jī)通訊.有效的CAN信息幀包括幀起始,仲裁域,控制域,數(shù)據(jù)域,校驗(yàn)域和幀結(jié)束,支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式a.信息幀包含8字節(jié)數(shù)據(jù)域,分為數(shù)據(jù)幀和命令幀,前者指設(shè)備的具體動(dòng)作,如電機(jī)動(dòng)作;后者指上位機(jī)給DSP的指令信息,如系統(tǒng)復(fù)位等.b.每次連續(xù)通訊前,DSP和上位機(jī)要握手一次,然后上位機(jī)才發(fā)送具體的動(dòng)作命令和參數(shù).在投料動(dòng)作執(zhí)行過程中,DSP會把當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)給上位機(jī),以便上位機(jī)的狀態(tài)顯示和診斷.3.3系統(tǒng)狀態(tài)檢疫DSP是投料系統(tǒng)控制的核心,其軟件流程如圖7所示.其中系統(tǒng)狀態(tài)自檢主要檢查各機(jī)構(gòu)部件是否在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?直流電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)等,一旦出現(xiàn)異常,設(shè)備停止運(yùn)行,上位機(jī)顯示可能的故障原因.4種類多,可使用多種餐飲投料最終加工裝配后的投料機(jī)構(gòu)配備于繁興科技公司的大