一種自動炒菜機的研制

余仕毅YU Shi-yi；汪涵WANG Han；饒楚楚RAO Chu-chu；蘭葉深LAN Ye-shen

（衢州職業技術學院，衢州 324203）

0 引言

烹飪是中國現代家庭中不可缺少的一項勞動，隨著生活節奏的加快，工作壓力越來越大，人們沒有更多的時間去準備早、中、晚餐，因此要求烹飪自動化代替傳統模式的呼聲越來越高。本作品為一日三廚全自動智能炒菜機，主要由原料輸送投放機構、鍋蓋控制及攪拌機構、顛鍋機構以及觸摸屏等組成。只需簡單熟悉作品使用流程后即可實現自動燜炒、顛鍋、翻炒及盛菜功能。本設計可以根據菜譜程序預設的順序精準投放主料、輔料以及配料；并利用電磁閥控制氣缸動作從而實現烹飪過程中鍋蓋的控制功能，保證鍋具的加熱效果，實現了中式菜肴烹飪工藝中的燜炒功能；為實現仿人翻炒烹飪軌跡，設計了一種顛鍋機構，該機構能夠翻炒各種類型的食物，由于把菜肴顛翻起來，菜肴能夠充分和空氣接觸，保證了菜肴的均勻受熱和鮮亮的菜色，并實現了將烹飪加工好的菜肴自動盛出的功能，使鍋具將炒制好的菜肴準確倒入菜盤中；最后以PLC 為控制核心，觸摸屏為操作界面，實現了對炒菜機各個機構的自動智能控制。

全自動智能炒菜機設備設計合理，成本低，智能化程度高，操作簡單，即使不懂任何烹飪知識的人通過操作炒菜機能夠炒出大師級別的菜肴，能為人們追求高效、舒適、安全、便利的生活方式貢獻一份力量。

1 功能與結構

1.1 主要功能和性能指標

1.1.1 主要功能 ①實現了中式菜肴烹飪工藝中的燜炒功能，利用電磁閥控制氣缸動作從而實現烹飪過程中鍋蓋的控制功能，保證鍋具的加熱效果，實現燜炒操作。②實現了精準投放中式菜肴烹飪工藝中的原料（主料、輔料以及配料）的功能，可以根據菜譜程序預設的順序精準投放主料、輔料以及配料。③實現了中式菜肴烹飪工藝中的顛鍋和翻炒功能，通過鍋具的近似橢圓（顛鍋）運動和攪拌葉片的勻速旋轉運動來達到對多種菜肴均能實現攪拌良好的功能。④實現了將烹飪加工好的菜肴自動盛出的功能，使鍋具將炒制好的菜肴準確倒入菜盤中。⑤實現了自動注油/水功能，可以根據菜譜程序預設的烹飪時序和用量通過潛水泵來泵送油/水至炒菜鍋內。⑥實現對炒鍋的自動清洗功能，通過往鍋具中加注清水及清洗液，同時配合洗鍋刷及鍋體旋轉來自動清洗鍋具，鍋具內壁涂有不粘層，保證清洗的效果最佳。⑦能依據該菜譜程序實現烹飪過程中的各種動作以及原料的按時按序按量投放，通過文字、圖形、音頻、視頻等多媒體方式與使用者互動，顯示機器的狀態、動作過程、操作提示等，接收操作控制指令，從而實現全自動炒菜的功能。

1.1.2 性能指標 經過實際應用驗證，智能炒菜機針對中式菜肴的烹飪特點，設計了相關的功能機構，包括顛鍋機構、翻炒機構、送料機構、盛菜機構等。其性能指標符合T/CAS 332-2019《家用炒菜機智能水平評價技術規范》，具體參數見表1。

表1 炒菜機性能指標

1.2 主要結構

1.2.1 原料輸送投放機構 如圖1 所示的原料輸送投放機構，主要完成菜肴的主料、配料以及輔料自動加入鍋具的功能。

圖1 原料輸送投放機構

其詳細結構布局如下：原料輸送板塊上設計3 個投放盒，分別裝置主菜、配菜以及輔料，輸送板塊通過螺母螺桿來帶動移動，其中電機基座和螺桿基座固定在機架上，螺母與輸送板塊連接。當需要添加主料時，PLC 發出指令控制電機正轉，螺母則帶動移動板塊向前移動，當投放盒移動至倒菜位置時，接近開關將信號反饋給PLC 發出指令控制電機停止轉動，并發出倒料電磁閥的得電的指令，控制氣缸向上推動投放盒進行倒主料，等投放盒中的主料全部倒入鍋中后，氣缸縮回，利用拉簧的作用力將投放盒拉至水平位置，然后重復動作進行配料、輔料的投放。在機架上安裝了接近開關，為配料投放盒翻轉時提供定位，整個倒菜過程中，PLC 都是接收到接近開關的反饋信號后控制下一個動作開始進行，任何一個步驟出錯將會導致出菜動作失敗，圖2 為原料輸送投放動作效果示意。

圖2 原料輸送投放效果示意

1.2.2 鍋蓋控制及攪拌機構 鍋蓋控制機構方案如圖3 所示，氣缸一端與炒菜機機架固定，另一端與鍋蓋連接軸固定，在氣缸伸出時，鍋蓋連接軸固定的旋轉軸發生轉動，將鍋蓋位置放置水平位置，當氣缸活塞桿縮回時，可以將鍋蓋上翻至接近與地面垂直的位置。而攪拌機構則主要是通過控制電機正反轉，從而控制攪拌軸進行順/逆時針運動，攪拌原料在相互接近時產生沖擊互混，加強對原料的攪動，實現原料的充分混合。

圖3 鍋蓋控制機構方案

鍋蓋控制及攪拌機構的工作原理：在菜肴原料投放前，電磁閥未得電，氣缸未伸出，當原料投放機構完成主料投放后，在PLC 控制指令下，電磁閥得電，控制氣缸伸出，從而將鍋蓋下翻，與此同時，控制攪拌電機正反轉，實現菜肴的攪拌，當攪拌完成時，電機停止旋轉，電磁鐵失電，氣缸縮回，控制鍋蓋上翻，圖4 為鍋蓋翻轉和攪拌效果示意圖。

圖4 鍋蓋控制及攪拌效果示意

1.2.3 顛鍋機構 在日常烹飪過程中，攪拌能將上下兩層的食材混合后均勻受熱。因此，翻轉軌跡只能改善旋轉軌跡均勻加熱貼近鍋面食物，而不能夠將食材上下層均勻加熱的缺點。而采用顛鍋的方式來翻炒菜肴，不會出現攪亂菜肴的問題，烹飪時能夠保證菜肴在鍋里受熱均勻；烹飪時的顛鍋運動能夠翻炒各類型的食物，由于菜肴能夠顛翻起來，使菜肴和空氣得到了充分的接觸，烹飪出的菜肴顏色鮮亮、味道可口，從而能夠保證菜肴的品質。顛鍋機構如圖5 所示，其工作原理如下：氣缸I 為鍋具提供旋轉動力，鍋桿連接軸的連續轉動轉化鍋桿的往復擺動運動，鍋具和鍋支撐架固定在氣缸II 的連接軸上，而鍋支撐架隨著氣缸II 的伸縮運動而作直線往返的動作。為了方便優化顛鍋機構的運動軌跡，設計時就在連桿上開一排定位孔，通過調節可以使鍋具伸長縮短，搖桿末端與顛鍋機架連接處也留有幾個定位孔，通過調節能夠改變鍋具和水平面的夾角，圖6 為顛鍋機構效果示意圖。

圖5 顛鍋機構

圖6 顛鍋機構效果示意

該組件中主要零件的選型如下：

顛鍋機構中，作擺動運動的可調小型氣動薄型氣缸，缸徑為25mm，行程為5mm，作直線運動的可調小型氣動薄型氣缸，缸徑為25mm，行程為15mm。

1.3 控制系統的設計

全自動智能炒菜是灶具組件、原料輸送組件、翻鍋及攪拌組件、顛鍋組件等運動部件相互協調的結果。烹飪過程中控制系統指揮著各組件完成相應的烹飪動作，且要求彼此不能發生干涉，相當于智能炒菜機的神經中樞。控制系統設計的優劣直接體現出炒菜機的智能化水平的高低。電氣控制箱的布局設計圖如圖7 所示。

圖7 PLC 硬件接線圖

炒菜機包括倒原料電磁閥、顛鍋電磁閥、翻鍋電磁閥、輸送電機、攪拌電機、齒輪泵等外圍執行設備，為了保證每個外圍執行設備能夠準確完成相應的烹飪動作，運用了光電接近開關為電機轉動定位，齒輪泵通電時間長短來控制注入液態料量的多少的控制手段。因此，烹飪過程中動作繁多決定了其控制程序的復雜，為了能夠正確、高效地編制出設備的控制程序，編程之前應該對PLC 的I/O 點進行分配，如表2 所示。

表2 PLC 的I/O 點分配

2 總結

智能炒菜機設計合理，成本低，智能化程度高，操作簡單，即使不懂任何烹飪知識的人通過操作炒菜機能夠炒出大師級別的菜肴；餐飲公司可以少請甚至不請大廚，大大地節約公司的用人成本，也能為人們追求高效、舒適、安全、便利、的生活方式貢獻一份力量。

本文設計的智能炒菜機將中式菜肴烹飪工藝數碼化、菜譜程序標準化。智能炒菜機通過運行PLC 通用菜譜指令制作菜肴，這將促使中式菜肴烹飪工藝由傳統的經驗式向標準化、數碼化發展，可以實現中式菜肴烹飪工藝中對火候的精確控制、對原料（主料、配料、輔料等）投放的精確控制功能，對翻炒動作的精確控制等功能。可見，全自動智能炒菜機的市場前景十分巨大，將不斷地改變人們的生活方式。