羅曼婷，鄭嘉燦，吳祖勇，范劍紅，姚立綱

（1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州 350108；2.莆田學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建莆田 351100；3.福建金奕澎網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，福建莆田 351100）

0 前言

祈福，求緣，祈求平安，無一不是信眾們的目的，上香許愿是信眾表達(dá)虔誠的重要方式。近幾年來，到寺廟謁祖進(jìn)香也成了人們假日出游的一個(gè)重要選擇，就連海外信眾們也紛紛回國祈福。隨著香眾的增多，各地的寺廟在節(jié)假日之時(shí)也漸漸不堪重負(fù)，人山人海的場(chǎng)面時(shí)有報(bào)道[1]。此外，相比幾億信眾，還有眾多虔誠人們，由于經(jīng)濟(jì)、時(shí)間、距離、身體、工作等等原因，未能及時(shí)抽空上香祈福。

根據(jù)此種情況，悄然興起了一種新興的燒香拜佛方式--線上燒香拜佛[2]。線上燒香拜佛，也叫在線燒香、網(wǎng)絡(luò)拜佛。就是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在線拜佛。分為以下兩種：

（1）虛擬佛像，以虛擬佛像和虛擬貢品的形式，停留在線上，虛擬空間里。

（2）代客燒香，這種模式提供居士代燒香，請(qǐng)?jiān)竼伟从脩粢筇顚懞笥删邮康綄m殿代為燒香并拍照作為證明。

本文設(shè)計(jì)一種自動(dòng)點(diǎn)香爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)信眾在網(wǎng)上輕點(diǎn)鼠標(biāo)時(shí)，通過遠(yuǎn)程控制模塊[3]，所選擇上香的宮殿前自動(dòng)上香爐將根據(jù)信眾的愿望在對(duì)應(yīng)的殿前同步自動(dòng)點(diǎn)燃真實(shí)的實(shí)體香。

這種香爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)香桶，送香機(jī)構(gòu)，及點(diǎn)香機(jī)構(gòu)三大部分組成[4]。在這種機(jī)構(gòu)中，使用特制的香，生產(chǎn)時(shí)，三束香在一個(gè)底座上，底座是一種圓柱形結(jié)構(gòu)，可降低重心，提高平穩(wěn)度。送香機(jī)構(gòu)由兩個(gè)線性移動(dòng)平臺(tái)和一個(gè)z軸推桿電機(jī)組成，完成將香桶中的香送到指定位置，并從下至上送出香爐，點(diǎn)燃香支；點(diǎn)香機(jī)構(gòu)同樣由兩個(gè)線性移動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，通過特殊的夾緊機(jī)構(gòu)將香送到指定位置后，與對(duì)應(yīng)的香盤底座結(jié)構(gòu)匹配，傳遞香支，最終使香支夾緊在香座中燒盡，完成整個(gè)過程。這種設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程及自動(dòng)控制，整個(gè)過程無需人工干預(yù)，在儲(chǔ)香完畢后，可以自動(dòng)完成多次的點(diǎn)香過程直至儲(chǔ)香用盡，特制的香支不采用木質(zhì)底座，而全部用香灰制成，燃盡后可全部回收。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊、功能穩(wěn)定，操作及維修維護(hù)方便的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了人工的節(jié)省及點(diǎn)香的自動(dòng)化。

1 上香爐功能集成

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)上香爐，結(jié)構(gòu)整體呈一個(gè)常見的香爐形，包含五個(gè)基本功能：儲(chǔ)香、送香、點(diǎn)香、上香及回收。首先可見一個(gè)直徑為400 mm的底座，高200 mm，底座中包含（EPS與wifi通訊）模塊[5]，用來實(shí)現(xiàn)與用戶遠(yuǎn)程通訊（控制模塊在本文中不作細(xì)述）。香爐中部是圓柱形的香桶結(jié)構(gòu)，高度是800 mm，直徑是260 mm，用以儲(chǔ)香和送香。儲(chǔ)香桶一次性可以儲(chǔ)存200柱以上的香支，通過人工補(bǔ)充。送香機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將香桶中的香水平送到指定香桶角點(diǎn)后，豎直上升到點(diǎn)香裝置，點(diǎn)燃香支。而后上香機(jī)構(gòu)，安裝在上部的一個(gè)倒置的梯形圓柱結(jié)構(gòu)中，內(nèi)含設(shè)計(jì)的特殊的夾緊機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)將香支送到最終位置并固定。（采用下上香形式），整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 載荷計(jì)算及電機(jī)選擇

電動(dòng)機(jī)的容量（功率）選擇是否合適，對(duì)電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。[6]容量小于工作要求，則不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動(dòng)機(jī)因長期超載而過早損壞；容量選得過大，則電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，傳動(dòng)能力又不能充分利用，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在輕載下運(yùn)轉(zhuǎn)，其效率和功率因數(shù)較低從而造成能源的浪費(fèi)，故需要進(jìn)行載荷計(jì)算[7]。本設(shè)計(jì)中，共有不同種類的電動(dòng)機(jī)5個(gè)，其選取方法基本一致，現(xiàn)將方法簡要介紹如下。

儲(chǔ)香送香機(jī)構(gòu)工作所需功率為Pw，由機(jī)構(gòu)的工作阻力F（輸送阻力）和運(yùn)動(dòng)參數(shù)如工作機(jī)線速度（輸送速度） v計(jì)算求得，計(jì)算如下[8]：

式（1）中：F為工作機(jī)的工作阻力（N），在這里是香與儲(chǔ)香槽的總重量，每支香約為6 g，200柱香的總重量為1.2 kg，故香與香槽總質(zhì)量為(1 . 2 kg+1.5 kg)=2.7 kg。工作載荷F=(香 +槽)?10N kg，v是工作機(jī)的的線速度，這里為出香的速度13 mm/s。工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)的功率為：

Pw為上述所求的工作機(jī)的需要功率，指輸入滾珠絲桿軸的功率（kW），η指由電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的總效率。對(duì)于載荷比較穩(wěn)定、長期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械（例如運(yùn)輸機(jī)），通常按照電動(dòng)機(jī)的額定功率選擇，而不必校核電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的額定功率Ped等于或稍大于工作機(jī)所需的電動(dòng)機(jī)功率 Pd，即Ped≥Pd。

2.2 儲(chǔ)香桶設(shè)計(jì)

儲(chǔ)香桶的整體包含了底座、香桶及香盤。整個(gè)香桶在外形上與普通的香爐無異，內(nèi)部空間可以存放通訊模塊、送香機(jī)構(gòu)、香盤等，起到美觀和實(shí)用的雙重效果。詳細(xì)結(jié)構(gòu)可參見圖1中的結(jié)構(gòu)1、3以及5，具體尺寸在第一部分香爐功能集成中已有敘述。

2.3 送香機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送香機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將香桶中的香輸送到指定位置，并通過推桿電機(jī)將香上推到上層的香盤結(jié)構(gòu)中。本項(xiàng)目所用香支需特制，為三柱一體的形式（即三支香合在一起，共用一個(gè)底座，每組香的直徑為8 mm，特制的香支取消木質(zhì)底座，全部用香料制成，底座制成矮圓柱形，降低重心保證穩(wěn)定）。如圖2的送香結(jié)構(gòu)詳圖所示，將香按行列整齊地排列在長條形的“凹”字形香槽中，由于香桶直徑為260 mm，正方形香槽架的直徑為180 mm，除掉推桿電機(jī)首端電機(jī)的位置外，一行大約可排15柱香以上，整個(gè)香桶大概可并行裝下15行香槽，故預(yù)計(jì)可儲(chǔ)香15×15為225支。送香機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)線性電機(jī)，如圖1（b）中的7和8的電機(jī)Ⅱ、Ⅲ所示，分別在x，y方向進(jìn)行移動(dòng)。首先將一個(gè)長條形香槽中的香（假設(shè)為x方向），按時(shí)序依次推出到角點(diǎn)，等待點(diǎn)燃插香；待整排香推送完畢后，將下一個(gè)香槽按y方向推進(jìn)一格，繼續(xù)重復(fù)上述過程。當(dāng)每一束香到達(dá)當(dāng)前視圖下香桶右上角的上升點(diǎn)后，通過豎直安裝的推桿電機(jī)Ⅰ，將香向上推出到上層倒梯形的點(diǎn)香盤中，點(diǎn)燃香支后，繼續(xù)上升，等待插入點(diǎn)香盤。

圖2 送香結(jié)構(gòu)詳圖

2.4 點(diǎn)香機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

香從角點(diǎn)點(diǎn)燃后，送香豎直推桿電機(jī)Ⅰ繼續(xù)將香上移。如圖3（a），點(diǎn)香機(jī)構(gòu)由X方向點(diǎn)香電動(dòng)機(jī)Ⅴ和Y方向點(diǎn)香電動(dòng)機(jī)Ⅳ構(gòu)成。Y方向點(diǎn)香電動(dòng)機(jī)Ⅳ安裝在X方向點(diǎn)香電動(dòng)機(jī)Ⅴ的絲桿移動(dòng)平臺(tái)上，若電動(dòng)機(jī)Ⅴ旋轉(zhuǎn)，則帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)Ⅳ和整個(gè)香座夾緊機(jī)構(gòu)往x軸移動(dòng)。電動(dòng)機(jī)Ⅳ負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)的y方向移動(dòng)，香座夾緊機(jī)構(gòu)安裝在電動(dòng)機(jī)Ⅳ的絲桿平臺(tái)上，在兩個(gè)電機(jī)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)X和Y平面內(nèi)的任意位置的移動(dòng)。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的夾緊機(jī)構(gòu)，配合香的矮圓柱形底座，可實(shí)現(xiàn)香從送香機(jī)構(gòu)到點(diǎn)香機(jī)構(gòu)的傳遞，而無需使用機(jī)械手的夾緊與松開動(dòng)作。夾緊機(jī)構(gòu)如圖3（b）。香支的底座從夾緊機(jī)構(gòu)的中間的大孔穿過，然后點(diǎn)香機(jī)構(gòu)的平臺(tái)移動(dòng)，讓香在平臺(tái)中相對(duì)前后移動(dòng)，此時(shí)v形孔徑變小，夾緊香的底座，香支便固定在了夾緊機(jī)構(gòu)上，此時(shí)推桿電機(jī)收回，從而香實(shí)現(xiàn)了從送香機(jī)構(gòu)到點(diǎn)香機(jī)構(gòu)的傳遞。

圖3 點(diǎn)香機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)點(diǎn)香移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)特定位置后，再次利用特殊的夾緊機(jī)構(gòu)讓香支從點(diǎn)香機(jī)構(gòu)插入點(diǎn)香盤。點(diǎn)香盤設(shè)計(jì)成如下圖4（b）的結(jié)構(gòu)，插香位置是凹形槽，用以夾緊香座。夾緊機(jī)構(gòu)先帶著香支夾入點(diǎn)香盤，完成此過程后，夾緊機(jī)構(gòu)往反方向推出香座底部，此時(shí)v形結(jié)構(gòu)從直徑小的位置到直徑大的位置，實(shí)現(xiàn)了松開過程，最后，從夾緊機(jī)構(gòu)邊緣上的缺口，確保香座完全離開夾緊機(jī)構(gòu)。此后，香夾緊在香座中燒盡，完成整個(gè)過程。

2.5 香灰回收槽機(jī)構(gòu)

對(duì)燃盡后的香灰進(jìn)行環(huán)保回收，可保證香灰不影響電機(jī)絲桿的運(yùn)行。在點(diǎn)香盤中每個(gè)香槽的下方焊接對(duì)應(yīng)的回收槽，如圖4（b）所示?；厥詹奂庸こ蓤D4（a）所示的矮圓柱形，以吊接的方式焊接在香盤下，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以減少回收轉(zhuǎn)置對(duì)點(diǎn)香移動(dòng)平臺(tái)的影響，保證不會(huì)互相干涉。

圖4 香灰回收槽機(jī)構(gòu)

3 模型運(yùn)動(dòng)仿真與樣機(jī)結(jié)構(gòu)試制

圖5 運(yùn)動(dòng)仿真分析

在Pro/E軟件中，對(duì)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)點(diǎn)香爐進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析[9]，各給X、Y兩個(gè)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速20°/s，得到絲桿螺母移動(dòng)平臺(tái)上的某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[10]。通過驗(yàn)證，點(diǎn)香機(jī)構(gòu)移動(dòng)平臺(tái)上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況一致，取其中任意一點(diǎn)進(jìn)行分析[11]。

從圖5中可得，平臺(tái)的移動(dòng)距離呈線性，速度在較小范圍內(nèi)波動(dòng)（縱軸的變化量極小），基本穩(wěn)定在0.833 mm/s，其加速度為0，平臺(tái)做勻速運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)平穩(wěn)，工作可靠。

將所研制的自動(dòng)點(diǎn)香爐進(jìn)行試制裝配，經(jīng)公司生產(chǎn)的實(shí)物圖如6所示，（a）為點(diǎn)香盤的俯視圖；（b）為包含兩個(gè)X、Y方向電機(jī)絲桿的點(diǎn)香機(jī)構(gòu)；（c）為制造完成的點(diǎn)香爐的整體外形結(jié)構(gòu)。裝配后的結(jié)構(gòu)在電機(jī)的帶動(dòng)下，運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期所要求的功能，該結(jié)構(gòu)切實(shí)可行。

圖6 實(shí)物圖

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)自動(dòng)點(diǎn)香爐結(jié)構(gòu)簡潔，可通過控制模塊控制相應(yīng)邏輯，簡便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成本低易于投產(chǎn)。自動(dòng)點(diǎn)香爐可容納200支以上的香支，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)上香，滿足信眾的需求。實(shí)際生產(chǎn)中，仍然存在的問題主要有以下兩點(diǎn)：（1）如何進(jìn)一步縮短點(diǎn)香流程和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速點(diǎn)香；（2）香支儲(chǔ)存數(shù)量有限，增加其儲(chǔ)存數(shù)量也是進(jìn)一步的研究方向。綜上，本方案切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的創(chuàng)新性結(jié)合，有良好的推廣意義。

［1］吳祖勇.一種通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)上香的方法.CN105476424A［P］.2016.

［2］石融冰.低碳敬香系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［3］李靜，高步文.電子香爐、敬香方法及基于電子香爐的敬香系統(tǒng)：CN 102293576 A［P］.2011.

［4］閆慶軍，閆書恒，吳繼華.一種自動(dòng)點(diǎn)香機(jī)用上香機(jī)構(gòu).CN204797516U［P］.2015.

［5］徐玨琇.基于ATmega8單片機(jī)的熏香爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.大連：大連交通大學(xué)，2013.

［6］陳慶堂，鄭嘉燦，肖光鐙，等.鋼筋切斷-雙頭彎曲一體機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2016（6）：158-160.

［7］成大先，王德夫，姬奎生，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：減（變）速器·電機(jī)與電器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［8］王軍鋒，唐宏.伺服電機(jī)選型的原則和注意事項(xiàng)［J］.裝備制造技術(shù)，2009（11）：129-131.

［9］邢亮，沈豫鄂.PROE運(yùn)動(dòng)仿真中單向勻速電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的方式及分析［J］.艦船電子工程，2009，29（9）：193-197.

［10］朱潔瑾，張金蓮.基于Pro/E的滾珠絲桿系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］.精密制造與自動(dòng)化，2007（4）：41-43.

［11］黨琪，葉建華，胡中望，等.基于Pro/E的船舶運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真與控制分析［J］.船海工程，2016，45（1）：19-22.