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1、 国内图书分类号： TN925.5 工学硕士学位论文 新型家用和面机产品开发 硕 士 研 究 生 : 导师: 申请学位级别 : 学科 、专业 : 所 在 单 位 : 答辩日期 : 丁科 刘献礼教授 工学硕士 机械制造及其自动化 机械动力工程学院 2011年 3月 授予学位单位 : 哈尔滨理工大学 Classified Index： TN925.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering New Type of Domestic Flour Mixers Development Candidate： DingKe Supervisor：
2、 LiuXianli Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Mechanical Manufacture and Automation Date of Oral Examination： March, 2011 University： Harbin University of Science and Technology 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型家用和面机产品开发， 是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所 取得的成果。据本
3、人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的 研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注 明。本声明的法律结果将完全由本人承担 U 作者签名 : 円期 : 時月 & 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 新型家用和面机产品开发系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在 导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论 文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保 存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许 论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段
4、保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文 M于 保密，口 在 5年解密后适用授权书。 不保密 GZI。 (请在以上相应方框内打 V ) 作者签名 : R期：年少月 円 导 师 签 名 期 ： ，丨年 月 and more and more young people will not do the housework, therefore, it is necessary to develop new type of home mixer, and it is a convenient and efficient solution for the family to make dou
5、gh annoyance， easier to make dough, easier to do pasta， and saving a lot of time. The machine to make dough is actually a blender, its function is for the modulation of dough, that is shalling all the variety of raw materials, auxiliary materials and water, modulating these materials into dough whic
6、h meetes quality requirements， and is suitable for forming the dough machining. The traditional flour mixer is usually a couple of the oar installed in the spindle, according to the spindle type, the flour mixer can be divided into vertical form and horizontal form, the vertical flour mixer adaptes
7、to make tenacious dough for the stronger force to dough; and horizontal flour mixer is exactly the opposite to make dough more pastry. The flour mixer designed in the paper is simple, low cost, and convenient to cleaning and unloading, so that it will be widely used in the food processing, such as b
8、read, cookies, cakes and some pasta in a diet. For the development of new type of domestic flour mixer, we do the following researches: First, three-dimensional modeling agencies and dynamic simulation of the institutions has been finished, by setting constraints，The blades movement and the forces w
9、hen making dough has been simulated out, it is not only to verify the accuracy of the organization to make dough, but also to validate the legitimacy of agency design, and also has a certain significance for the control of timing and control system parameters; Secondly,doing finite element analysis
10、for the blades that has been designed out.By setting a specific piece of material on the blades for making statics analysis and modal analysis, the modal characteristics such as maximum stress, maximum vibration amplitude, have been got According to the conclusion, the blades has been optimized desi
11、gned to lay the foundation for the development of the follow-up blades; Furthermore, on the basis of the above research, revivification of control system of the key part of the design is established, and eventually developed a panel. Through the actual inspection of the control system, the system ha
12、s high stability and maneuverability; Finally, through the using of industrial design, 3D design of the machine appearance appearance is studied, the exterior modelling is finished, and developed prototype is worked out finally, by a large amount of experimental verification to make dough, the proto
13、type has a high efficiency to make dough, can meet the average family needed to make dough, and achieve actual execution. Keywords machine to make dough, structural design, virtual prototype, finite element analysis， electrical control HI 目录 m w . i Abstract . II 第 i章绪论 . i l.i课题研究的目的和意义 . 1 1.2国内外小
14、家电业现状及分析 . 2 1.2.1国内小家电产品的现状及其发展特点 . 2 1.2.2国外小家电产品的现状及其发展特点 . 2 1.2.3国内和面机产业发展现状 . 3 1.3国内外和面机发展现状 . 4 1.4有限元技术在和面机开发中的应用 . 5 1.5虚拟样机技术在和面机开发中的应用 . 5 1.6本文的主要研究内容 . 6 第 2章新型家用和面机机构设计与仿真 . 7 2. 1和面机和面原理研究 . 7 2.1.1手工和面原理 . 7 2.1.2自动化和面原理 . 8 2. 2和面机机械结构设计 . 9 2.2.1和面机机械传动设计 . 9 2.2.2和面机容器及其桨叶设计 . 10
15、 2.2.3和面机密封设计 . 12 2. 3和面机动力学仿真分析 . 14 2.4和面机机构动力学仿真流程设计 . 14 2.5和面机机构动力学仿真分析 . 15 2.5.1传递模型到 ADAMS . 15 2.5.2和面机运动参数理论值计算 . 16 2.5.3和面机机构运动仿真参数设置 . 16 2.5.4仿真结果后处理分析 . 18 2.6本章小结 . 20 第 3章和面机桨叶应力与模态分析 . 22 3.1有限元原理与 ANSYS简介 . 22 IV 3.1.1有限元原理 . 22 3.1.2ANSYS 软件简介 . 23 3.2桨叶有限元分析的前后处理 . 23 3.2.1桨叶实体
16、模型的建立 . 23 3.2.2桨叶有限元模型的建立 . 24 3. 3桨叶荷载的施加与求解 . 24 3.3.1荷载的施加方式与求解方法的选择 . 24 3. 4桨叶应力分析 . 25 3.4.1桨叶模型 . 25 3.4.2桨叶载荷添加 . 25 3.4.3计算结果 . 26 3.4.4结果分析 . 27 3. 5桨叶模态分析 . 27 3.5.1模态分析结果 . 27 3.6桨叶结构优化 . 28 3. 7本章小结 . 29 第 4章和面机机电控制系统设计 . 30 4.1控制系统概述 . 30 4.1.1控制系统整体方案 . 30 4.1.2控制系统总体程序设计 . 31 4.2元器件
17、的选择 . 32 4.2.1单片机的选择 . 32 4.2.2电机的选择 . 33 4.3单片机控制电路板的设计 . 34 4.3.1电源电路的设计 . 34 4.3.2通讯电路设计 . 35 4.3.3交流电机控制电路设计 . 36 4.3.4时钟电路与复位电路的设计 . 37 4.4和面机控制电路板实体 . 38 4.5本章小结 . 39 第 5章和面机产品外型设计与样机制作 . 40 5.1确定外观方案设计 . 40 5.1.1造型设计分析 . 40 V 5.1.2色彩设计分析 . 41 5. 2材料与工艺 . 42 5. 3效果图制作 . 42 5. 4样机介绍及操作 . 43 5.
18、5和面机的实验验证 . 44 5. 6本章小结 . 45 街仑 . 46 . 47 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 51 猶 . 52 VI 第 1章绪论 1.1课题研究的目的和意义 随着社会的发展，人们生活节奏越来越快，越来越多的年轻人不会做家 务、下厨房，所以有必要研发一种新型家用和面机，这样可以方便快捷的为 家庭解决和面带来的烦恼，使和面变得更容易，做面食更加简单，做饭更加 节省时间，进而改善年轻人的生活品质，图 1-1所示为手工和面过程。 图 a)手工和面示意图 图 b)手擀面片 图 1-1手工和面过程 Fig. 1-1 The process of hand to make do
19、ugh 和面机实际上是一种搅拌机，主要功能是进行面粉和水的揉和，即将各 种各样的原料、辅料加水并进行搅拌，做成既质量达标，又满足下一环节机 械加工的半成品。以往的和面机是将几片浆叶安装在一根轴上，其中以主轴 安装形式的不同，分为卧式和立式，立式和面机的优点在于它有较强的拉伸 能力，擅长于韧性面团的调制；然而卧式和面机的拉伸作用相对较弱，则适 用于酥性面团的调制 1。我们设计的这款新型家用和面机它的特点是，结构 简单，制造成本低，卸料清洗方便，所以在食品加工中，如面包、饼干、糕 点及一些面食中一定能得到广泛的应用。 如今，在国内的和面机产品中，其工作方式大都为间歇式的，这种和面 机工作时要人工投
20、料（主料、副料及加水），每个工作周期，要手动控制电 动机的启动和停止，电动机频繁启动，并且它们都是大型和面机 2。而我们 设计的家用型和面机，它的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单轴式 自动和面机，能实现连续自动和面作业，进而减少和面给我们带来的不便， 1 图 1-2所示为面条的制作过程。 图 1-2自动化做面条过程 Fig. 1-2 Automation process for the noodles 1.2国内外小家电业现状及分析 1.2.1国内小家电产品的现状及其发展特点 1. 小家电拥有及预期购买情况 据调查显示：目前城市居民家庭平均拥有 7种左右的小家电产品。在消 费者未来一年预
21、期购买方面，平均每个家庭预期购买 0.85种小家电产品， 如果消费者的预期购买全部实现，按照 9000万城市家庭推算，未来一年城 市家庭将购买 7000多万件的小家电产品，其市场需求相当大。 2. 消费者选购小家电的考虑因素 消费者在购买小家电时，首先考虑的是产品的质量，其次是功能、品 牌、价格、外观、售后服务；值得注意的是，消费者对小家电外观的重视程 度更高，而对价格的重视程度相对较低，这反映出消费者在小家电购买上 随 意性较大，价格敏感程度不高，对小家电外观的敏感程度较高。 1.2.2国外小家电产品的现状及其发展特点 国外小家电产品发展概况国际家电市场的发展过程历经四个阶段：从电 冰箱，洗
22、衣机为主导产品的五十年代为第一阶段；其后是六十年代以半导体， 收音机和电视机为主导产品的为第二阶段；第三阶段是七十年代，主导产品 是微波炉和录音机；第四阶段始于八十年代初，主导产品是体积小巧、结构 简单量大面广的电气五金器具，家庭清洁用具，个人整容保健器具家庭保安器 具及户外器具等小家电。八十年代以来，由于大中型家电市场已趋于饱和， 因而世界主要家电生产国纷纷把方向转向小家电开发上，均投入较大的力量 2 2002 2003 2004i; 2006 20072008 | 东北 华北 西北 华东 华南 西 图 1-3和面机产业与宏观经济周期相关性图 1-4和面机产业产品需求市场分布图 Fig. 1
23、-3 the industry to make dough Fig. 1-4 The market demand of and macroeconomic cycle relevance the industry to make dough 发展小家电，致使小家电发展势头很猛，如美国小家电产品的销售量已超过了 大件家电的销售量；在日本，家电产值约为大件家电的三分之二，而且仍有增 无减。据美国家电协会预测，到 1995年，美国小家电进口额达到 26亿美 元，占市场总需求的 35%。八十年代后期，大家电生产饱和，市场已被小家 电取而代之，小家电在国际家电市场上正日益占据重要地位，这是消费需求变 化
24、的必然结果 . 1.2.3国内和面机产业发展现状 中国和面机产业发展中出现了许多不容乐观的问题，如产业能源消耗比 较大、对环境污染比较严重、产出率较低、对自然资源破坏力较大；产业结 构很不合理、产业过于集中在劳动力密集型的产品；在技术密集型产品方面 远不如发达国家的产品；生产要素决定性作用较小；企业总体规模不大、技 术创新能力不够且管理水平非常落后等。 分析中国和面机产业发展现状与差距，开创性地提出了 “ 新型和面机产 业 ”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即 “ 以人为本 ” 、 “ 科技 创新 ” 、“ 环境友好 ” 和 “ 面向未来 ” 准确地界定了 “ 新型和面机产业 ” 及
25、替代产品的内涵。根据 “ 新型和面机产业 ” 及替代品的评价体系和量化指标 体系，从全新的角度对中国和面机产业发展进行了推演和精准预测，在此基 础上，对中国的行政区划和四大都市圈的和面机产业发展进行了全面的研 究。图 1-3为 2003-2009年和面机产业与宏观经济周期相关性；图 1-4为和 面机产业产品需求市场分布图。 3 1.3国内外和面机发展现状 国外已有具备和面功能的厨房加工机，但价格昂贵，机器体积过大，且 和面硬度不能很好的用于加工面食，不利于普及；国内外现在还没有专门用 于和面的小家电，只有大型和面机，以下是市场现有产品：图 1-5是欧美佳 食品机械公司的 OMJ-50大型和面机
26、，该机为大型和面机，具有容量大、速 度快且和面均勻的特点，但是体积过于庞大、笨重，不适合一般家庭使用； 图 1-6是英国凯伍德生产的全能厨师机，它具有和面功能 ；独有行星轨迹搅 拌法设计，巧妙利用行星公转自转原理，在搅拌头运转的同时，工具能沿着 容器边缘作自身运转，从而带来完美均勻的搅拌效果。搅拌欧式软面团、制 饼材料、冰块、面条粉团、马铃薯蓉，效果更佳；独有精密设计的 K字浆、 打蛋器、搓面器，令操作得心应手，不断经过改良的打蛋球，更耐用，也使 忌廉、奶油被搅拌更为均勻，令盛器内的每个位置都可以兼顾到；图 1-7是 南宁美年食品机械公司生产的大型和面机；图 1-8是欧美佳食品机械公司生 ，
27、图 1-6凯伍德全能厨师机 Fig. 1-5 OMJ-50 Fig. 1-6 KENWOOD almighty Cook machine 图 1-8 0MJ-25 (大型和面机 ) Fig. 1-7 Nanning meishi Food mechanical Fig. 1-8 OMJ-25 综上所述，虽然市场上已经出现了一些大型的、高端的和面机，但是小 型家电式的和面机市场还是一片空白，为了让我们餐桌上的生活变得更美 好，并追求巨大的社会经济利益，所以我们有必要研发一种价格低廉、外形 产的 OMJ-25大型和面机。 图 1-5OMJ-50 (大型和面机 ) 4 娇小美观、能够加工不同面食的厨
28、房小家电。 1.4有限元技术在和面机开发中的应用 有限元法是 a前工程技术领域中应用最广且最有效的数值计算方法，首 先应用于结构分析中，而后又在其他工程技术领域中得到广泛应用，现在已 成为工程设计技术领域不可或缺的重要组成部分 3。 由于和面机桨叶本身几何形状的特殊性，再根据本课题研究需要，本文 将充分利用 ANSYS和 UG这两个软件在各自技术领域的优势，在 UG中建 立和面机桨叶的三维立体模型，通过两者之间的接口转换，将模型数据完整 的导入 ANSYS中进行结构分析，计算出桨叶在和面中（预应力）的前几阶 自振频率和振型，以便在和面机桨叶设计、运行过程中有效避免共振的产 生，为和面机的安全运
29、行提供参考。 1.5虚拟样机技术在和面机开发中的应用 虚拟样机技术是一项计算机辅助工程 （ CAE)技术，它是随计算机技术的 发展而发展起来的。利用这项技术可以缩短产品开发的周期，降低产品设计 成本，进而提高设计质量；利用其搭建的虚拟模型平台，产品设计人员可以 真实地模拟产品的运动、受力情况，能够快速、准确地对各种设计方案进行 分析，从而获得最优的方案 4,5。 虚拟样机 技术 （ CAE)是一种在产品设计开发过程中，将各个分散的零 部件设计与仿真分析技术结合在一起，在计算机上搭建出产品的整体设计模 型，并模拟该产品在投入使用时的工作情况，进行虚拟仿真分析，从而对产品 的整体性能进行预测，进而
30、优化产品设计、提高产品性能的新技术。机械工 程的动态仿真技术就是虚拟样机技术，通过运用虚拟样机技术加快了产品开 发，降低了设计成本。美国机械动力学公司开发的 ADAMS软件是应用最广 泛的机械动力学仿真分析软件，它为用户提供了强大的建模与仿真环境，使 得用户可以在计算机上进行模拟机械系统的各种 运动，于此同时，用户还可以 对产品模型进行静力学、运动学和动力学分析，并输出速度、角速度、位移 和反作用力等参数曲线，观察模型在不同参数条件下的运行状况，最终得到 一个最优解 69。 本文基于 UG软件实现和面机的整机设计，继而利用 ADAMS软件对和面 5 机机构进行运动学、动力学仿真分析。充分利用
31、3D软件的优点，构建和面机 虚拟样机的综合开发平台，该平台不仅可以实现和面机的整机建模，而且可以 完成运动机构的运动学、动力学分析仿真计算 1 。 1.6本文的主要研究内容 本课题来源于常州墅乐厨具股份有限公司合作项目 ;黑龙江省 2009年研 究生创新科研基金项目（项目编号： YJSCX2009025HLJ)。 本文以设计开发新型家用和面机的机构部分、控制部分、外型设计部分 及原理样机加工为目的进行了以下几方面的研究： 1. 对新型家用和面机进行三维建模及动力学仿真。通过研究和面原 理，提出一种可靠的和面机结构设计方案，通过 UG软件对整个机构进行三 维建模，在 ADAMS环境中对整个机构进
32、行动力仿真。 2. 和面机桨叶应力与模态分析。将和面机桨叶模型导入 ANSYS中， 进而对其进行仿真分析。对桨叶在和面受力过程中桨叶的应力、模态等情况 进行分析，并通过仿真结果对桨叶进行优化设计。 3. 研究设计和面机机电控制系统及其控制面板。根据产品开发要求， 规划建立控制系统时序模型，进行控制系统设计，以达到系统运行准确度和 和面效率，最终搭建能够用于实际应用的和面机控制系统。 4. 和面机产品外型设计 1) 运用和谐设计的理念，结合人机工程学知识，对新型家用和面机进 行外观和功能设计，达到人、机、环境的和谐统一。 2) 使新型家用和面机外型的设计突出其功能上的舒适性、多样性，并 显示出其
33、对使用者人性化的关怀 ，更注重于产品精神功能的设计，使产品在 中庸的设计中更显个人特性。 3) 了解现代人的消费的趋势、性格特征、生活习惯、适用产品的设计 趋势、居住的环境。 4) 深入研究体验的乐趣，通过研究体验的乐趣设计出能够满足用户审 美和舒适度的新型家用和面机。 6 第 2章新型家用和面机机构设计与仿真 本章针对和面机的机械结构做了详细的分析，根据结构的定位要求、传 动要求、与电控部分的协调性要求以及与外型部分的配合要求，提出了机构 设计的方案。 2. 1和面机和面原理研究 2.1.1手工和面原理 对于喜欢吃面食的朋友来说，和面是做面食的第一道工序。和出来的面 的质量直接影响着面食劲道
34、、口感。和面的技巧非常多，哪怕是初步混合原 料的步骤就有好几种不同的手法。家庭制作者一般都是在案板上用手来揉， 这个过程就被称为揉面。图 2-1所示为手工和面过程。 传统面食做工非常讲究，需要手工和面，反复不停的揉面，直到把面揉 得很劲道，然后才开始进行食品的制作。现在以太郎 Q饼制作为例，太郎 Q饼的成品在烘烤出来之后色泽金黄，因为有了手工和面的劲道，整个饼嚼 起来松软。 图 2-1手工和面不意图 Fig. 2-1 The diagram of hand to make dough 做手擀面时，水和面的比例大约为 1:3。当面粉与水混合后，先用筷子 搅拌，然后用手搓揉，等面粉中的蛋白质和淀粉
35、充分吸收水分之后，蛋白质 7 遇水就变成了面筋，淀粉则会越来越粘，最后充分混合形成面团，随着手工 搓揉时间变得越长，面团就会产生更多的面筋网格并且粘性加强，这就为有 劲道、有口感的手工擀面提供了必要条件。 2.1.2自动化和面原理 现在做面食可以实现自动化和面，这样就减少了工作强度。厨师通常使 用搅面机来搅拌面团，这个过程则被称为搅拌。然而，实际上搅面机的搅拌 杆也是在揉面而不是通常意义上的 “ 搅拌 ” 。由于搅面机的使用，职业厨师 一般不再用手去揉面，除非是制作小批量的酵头面团或者特种面食 11。图 2-2所示为机械和面装置。 机械和面装置和面时，用水量较手工和面少，面粉与水之比约为 4:
36、1。 当面粉与水混合之后，和面机桨叶开始转动，在桨叶的挤压作用下面粉与水 得到充分融合。由于面团在这种挤压作用下，面粉与水不能自然而然地结 合，只是靠外力强行混合，所以和面效果较手工搓揉差。在面粉中的蛋白质 与水结合生成面筋时，由于水量的相对不足，这使得所产生的面筋网格强度 较差；与此同时，面粉中的淀粉也不能吸收充分的水量，导致面粉颗粒膨胀 不足，粘度下降；所以机械和面质量不如手工和面结果。 图 2-2自动化搅拌机 Fig. 2-2 Automation blender 尽管这样那样的不足，但是搅拌机广泛的应用，大大减轻了面点师的工 作量，从而提高了面食制作的工作效率，为美味可口的面点食品的推
37、广起到 了积极作用。 8 2. 2和面机机械结构设计 目前市场上销售的和面机都是类似搅拌机的设计。通过电机带动传动装 置，进而把动力输出给搅拌杆，搅拌杆带动桨叶，桨叶搅拌面粉和水，最终 完成了和面过程。根据委托方企业要求将新型家用和面机的结构原理设计为 如图 2-3所示，主要包括桨叶、电机、容器、传动系统等部分。 桨叶 电机 图 2-3新型家用和面机结构原理图 Fig. 2-3 Structure of a schematic diagram 2.2.1和面机机械传动设计 1.机械传动类型的选择 机械传动的类型多种多样，而各种传动形式均有其优缺点，根据运动形 式与运动特点选择几个不同的方案进行
38、比较，最后选择较为合理的传动类 型。经过对比各种传动的优缺点，家用和面机最终采用带传动。带传动的优 点：1)结构简单，适用于两轴中心距较大的传动场合； 2)传动平稳无噪声， 能缓冲、吸振； 3)过载时带将会在带轮上打滑，可防止薄弱零部件损坏，起 到安全保护作用。图 2-4为带传动设计原理图。 图 2-4带传动 Fig. 2-4 Have driven 9 2.传动顺序的布置 在多级传动中，各类传动机构的布置顺序，不仅影响传动的平稳性和传 动效率，而且对整个传动系统的结构尺寸影响很大。因此应根据各类传动机 构的特点，合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。和面机的传动 系统采用串联式，即机构采用皮带传动，电机通电以后产生驱动力，电机传 动轴通过带传动把动力传给大带轮传动轴 （ 下端轴），再通过联轴器把扭矩 传给上端搅拌轴，进而带动桨叶转动，完成动力传递。 a)联轴器传动 b)动力传动 图 2-5选择带传动 Fig. 2-5 Selecting belt drive 3. 总传动比的分配。 合理地将总传动比分配到传动系统的各级传动中，是传动系统设计中的 另一个重要问题。它直接影响到传动装置的外廓尺寸、总重量、润滑状态及 工作能力。为了模拟人手和面的过程，所以桨叶旋转不应过快，由于电机转 速较快，