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        一種自動(dòng)點(diǎn)香爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)研發(fā)*

        2018-06-03 23:46:40羅曼婷鄭嘉燦吳祖勇范劍紅姚立綱
        機(jī)電工程技術(shù) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        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。

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