劉海慶，曾小安，鄧濱宏，彭益武，王曉星，黃記焊，張群英

（1.羅定職業(yè)技術學院，廣東 云浮 527200；2.羅定市恒兆蒸籠有限公司，廣東 云浮 527200）

0 引言

我國是世界上竹材資源最豐富的國家，竹子因其生長速速快、更新周期短、固碳能力強、材料性能好，越來越受到人們的重視[1-2]。廣東省氣候濕熱，山地眾多，水土肥沃，特別合適竹子的生長，2021年全省竹林面積710 萬畝（1 畝=0.067 hm2），年產值135 億元[3-4]。2022 年，廣東省林業(yè)局等10 部門聯合印發(fā)了《關于加快推進廣東竹產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實施意見》，明確提出把小竹子做成大產業(yè)，預計到2035 年，綜合產值超過1 200 億元。

1 泗綸蒸籠產業(yè)現狀

泗綸蒸籠以本地特產的羅竹為原材料，因制作精良，產品暢銷海內外[5]。泗綸蒸籠歷史悠久，相傳最早出產于清嘉慶年間，新中國成立后，泗綸蒸籠產業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，改革開放后，隨著民營企業(yè)的興起，產業(yè)更為迅猛。2022 年，羅定市羅竹種植面積7 萬畝，總產量5 萬t，從業(yè)者達1.2 萬人，產值超3 億元。

農戶生產蒸籠仍以傳統(tǒng)的手工編制技藝為主，加工工具以手電鉆、鋸刀為主，規(guī)模較大的企業(yè)也只有一些簡單的機械設備，如破竹機、鋸竹機等。受手工生產效率低的制約，泗綸蒸籠產業(yè)發(fā)展緩慢，機械化、自動化是解決產業(yè)痛點的有效途徑。

2 蒸籠外圍片加工農藝品要求與整機設計

2.1 蒸籠外圍片加工農藝品要求

外圍片主要用來編制蒸籠的籠身、籠蓋，由一片羅竹片成型，3 個以上外圍片為一組構成蒸籠側壁，傳統(tǒng)工藝是由工人利用手電鉆在蒸籠側壁上打孔并安裝竹釘，固定外圍片使其緊密相連，整個工作過程為工人手工操作，加工質量靠經驗，生產效率低，孔洞分布不均勻，美觀度差（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)外圍片手工打孔工藝及效果圖

為滿足實際生產對蒸籠農藝品美觀（定位孔均勻對稱）、機械化和高效率等要求，本文設計一款蒸籠外圍片打孔裝置，采用機械定位，適合不同尺寸蒸籠（100～300 mm），保證蒸籠固定在安裝面上；每個蒸籠打孔8 個，上下兩孔間縱向距離為50 mm；周長兩孔間橫向角度90°。

2.2 整機結構與工作原理

2.2.1 整機機構

泗綸蒸籠外圍片打孔機設計理念是利用機械設備，提升生產效率，解決勞動強度大、生產效率低的產業(yè)痛點問題[6-7]。蒸籠外圍片打孔裝置如圖2 所示，主要由機架、旋轉定位機構、執(zhí)行機構、傳動機構和控制系統(tǒng)組成。其中，旋轉定位機構由旋轉運動組件、壓緊組件和定位組件組成，其中電機帶動旋轉單元使蒸籠實現旋轉90°定位，以減少打孔分布不均現象；執(zhí)行機構由電機和鉆頭組成，對蒸籠進行鉆孔；傳動機構由傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ組成，通過控制傳動軸運動，實現快速定位、進鉆和退鉆過程。

圖2 泗綸蒸籠外圍片打孔機總裝圖

表1 主要技術參數

2.2.2 工作原理

所設計的蒸籠外圍片打孔裝置工作過程包括5個階段：定位階段、壓緊階段、鉆孔階段、變換角度階段和取料階段。

1）定位階段：將編制好的蒸籠側壁放置在旋轉定位機構底部的定位組件上，調整4 個移動滑塊使其固定。

2）壓緊階段：為防止蒸籠外圍片打孔過程中上下竄動，在徑向定位后，旋轉機構中壓緊組件進行壓緊。

3）鉆孔階段：轉動到待加工位置后，電機驅動傳動機構的豎直絲杠運動，確定孔到外圍片的安全距離，為保證強度防止開裂，安全距離一般要大于10 mm；傳動機構的水平絲杠帶動鉆孔裝置水平進給固定距離，實現在外圍片鉆孔，鉆孔結束后沿鉆孔裝置原路返回；傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ重復上述鉆孔，沿軸線方向進行第2 次鉆孔，即在外圍片上的同一軸線不同高度處鉆孔2 次。

4）變換角度階段：控制電機的作用下，旋轉定位機構帶動蒸籠轉動90°或所需角度，再次重復鉆孔階段操作，直至完成在蒸籠側壁上的鉆孔任務。

5）取料階段：設定位置均完成鉆孔后，傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ帶動執(zhí)行機構回到原點位置，執(zhí)行機構電機停止工作，松開壓緊單元和定位塊，取下蒸籠外圍片。

3 關鍵部件設計

3.1 傳動機構

傳動機構主要由傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、滑座3部分組成，如圖3 所示?？紤]到不同尺寸蒸籠打孔的要求以及執(zhí)行機構的動作特點，為保證打孔效果，傳動軸Ⅰ選用行程300 mm，傳動軸Ⅱ選用行程400 mm。傳動軸行程過小易發(fā)生干涉，適當的行程有利于提高打孔效率。

圖3 泗綸蒸籠外圍片打孔機傳動機構

傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ通過滑座進行連接，傳動軸Ⅱ上安裝執(zhí)行機構，在控制系統(tǒng)的作用下，電機帶動傳動軸Ⅰ和傳動軸Ⅱ實現空間定位運動。傳動機構主要的功能是在控制系統(tǒng)的作用下，對執(zhí)行機構定位，實現打孔機的傳動和實現鉆頭的運動。

3.2 旋轉定位機構

為實現蒸籠四周均勻打孔效果，所設計的旋轉定位機構主要由壓緊組件、定位組件、旋轉運動組件等部分組成，如圖4 所示。其中定位組件通過4個定位塊將蒸籠固定在旋轉運動組件固定架的中心處；旋轉運動組件包含電機、減速器和固定架，電機連接減速器安裝于機架上，通過控制系統(tǒng)控制電機旋轉固定架，而蒸籠放置在固定架上，從而實現精準旋轉定位。為了確保每個蒸籠打孔的一致性，旋轉運動組件選用伺服電機驅動；壓緊組件的作用是通過彈簧及壓桿提供預緊力，將蒸籠壓緊，防止打孔時蒸籠竄動，保證孔位準確。由于壓緊組件需要確保與蒸籠一起旋轉，因此采用型號為6003 的深溝球軸承。

圖4 泗綸蒸籠外圍片打孔機旋轉定位機構

3.3 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構主要由電動馬達、臺鉆套裝、連接組件等組成。通過連接組件將臺鉆套裝固定在豎直絲杠上，水平絲杠帶動臺鉆套裝水平運動，電動馬達驅動臺鉆的轉頭旋轉，實現在泗綸蒸籠上鉆孔的功能，如圖5 所示。

圖5 泗綸蒸籠外圍片打孔機執(zhí)行機構

3.4 控制系統(tǒng)

為了實現精準蒸籠自動打孔，該控制系統(tǒng)選用三菱PLC 配合觸摸屏控制三軸聯動。三菱PLC 為泗綸蒸籠外圍片打孔機的“大腦”，它與觸摸屏相連接，觸摸屏上既可以對泗綸蒸籠的規(guī)格、水平絲杠的進給距離、旋轉定位機構的轉動角度、臺鉆套裝鉆頭轉動速度等參數進行設置和調整，還可以調用已設置好的主要電氣元件及型號參數，如表2 所示。打孔機采用觸摸屏顯示，如圖6 所示，可視化的界面對產業(yè)工人十分友好。

表2 主要電氣元件及型號

圖6 打孔機觸摸屏控制界面

控制系統(tǒng)接通電源后，點擊觸摸屏上的“復位”圖標，PLC 發(fā)出驅動方向信號，步進電機驅動器輸出脈沖相序，電機轉動驅動傳動軸I、傳動軸Ⅱ回到機床坐標系零點。接著點擊觸摸屏上的“自動運行”圖標，PLC 產生驅動方向信號，驅動傳動軸Ⅰ運動到系統(tǒng)設定位置即加工起始點，隨后臺鉆套裝上的鉆頭轉動，傳動軸Ⅱ帶著臺鉆套裝水平運動，進行打孔；重復上一步驟沿軸線打第2 個孔。然后，PLC產生脈沖信號，步進電機驅動器將脈沖信號轉化為步進電機的步距角，轉動90 度，重復打孔操作，直到完成整個蒸籠的打孔任務，回到加工起始點，如圖7 所示。

圖7 打孔機控制系統(tǒng)的流程圖

4 經濟效益分析

4.1 生產效率計算

人工打孔主要分為取蒸籠、轉動、鉆孔、擺放蒸籠等操作步驟；打孔機需要取蒸籠、固定、轉動、鉆孔、卸下、擺放蒸籠等操作步驟。

在蒸籠外圍片打孔這道工序上，人工打孔需要68 s，打孔機需要86 s，如表3 所示。使用打孔機時，當第一臺打孔機鉆孔時，工人可以在第二臺打孔機上進行取蒸籠、固定的操作，或者卸下、擺放蒸籠的操作，一名工人至少能夠操控兩臺機器。因此，使用打孔機制作每只蒸籠用時應為86 s 的一半，即為43 s，與人工打孔相比制作每只蒸籠節(jié)約25 s，不僅提高生產效率36.7%，而且能夠確保打孔位置的統(tǒng)一性，便于后續(xù)固定竹釘的加工，提高了蒸籠的外觀品質，如圖8 所示。

表3 蒸籠外圍片不同打孔方式用時比較 單位：s

圖8 泗綸蒸籠外圍片打孔機及打孔效果圖

4.2 收益計算

人工打孔需要熟練掌握打孔技術的專業(yè)工匠，而使用打孔機只需要普通工人即可，前者人工成本相對較高。近年來，專業(yè)工匠日益減少，其工資日益提升，在成本比重中位列第一，遠超原材料、設備等其他成本。未來，隨著老一輩工匠的逐漸老去，泗綸蒸籠產業(yè)發(fā)展受人工因素的影響會進一步凸顯，打孔機的成功研制與應用有效地解決了這一制約因素。

按照每月工作24 d，每只蒸籠打孔后收益增加0.4 元，人工打孔每天生產蒸籠500 只，打孔機每天生產蒸籠680 只計算。

人工打孔每月效益為24×0.4×500=4 800 元，打孔機每月效益為24×0.4×680=6 528 元。

人工打孔時使用的主要設備為手電鉆，每只600元，使用壽命為6 個月，每月設備成本為100 元。打孔機每臺成本為1.8 萬元，使用壽命為5 年，每月設備成本為300 元，2 臺打孔機的使用成本為600 元/月。

人工打孔每月收益為1 150 元，打孔機每月收益為2 528 元，比人工打孔增收1 378 元，如表4 所示。

表4 蒸籠外圍片不同打孔方式的收益計算

5 結語

隨著自動化、智能化等技術應用越來越廣泛，泗綸蒸籠產業(yè)也應加速進行產業(yè)升級。

泗綸蒸籠外圍片打孔機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工生產，具有更高的精度和可控性，受人為因素影響小，產品可靠性更強，質量更好，工作效率更高。因為鉆孔位置固定且均勻分布，后續(xù)還可以研制竹釘固定設備，實現竹釘的自動安裝，為進一步研制泗綸蒸籠自動化生產線奠定基礎。