一種自動點香爐的機械結構研發*

羅曼婷，鄭嘉燦，吳祖勇，范劍紅，姚立綱

（1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108；2.莆田學院機電工程學院，福建莆田 351100；3.福建金奕澎網絡科技有限公司，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虔誠的重要方式。近幾年來，到寺廟謁祖進香也成了人們假日出游的一個重要選擇，就連海外信眾們也紛紛回國祈福。隨著香眾的增多，各地的寺廟在節假日之時也漸漸不堪重負，人山人海的場面時有報道[1]。此外，相比幾億信眾，還有眾多虔誠人們，由于經濟、時間、距離、身體、工作等等原因，未能及時抽空上香祈福。

根據此種情況，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、網絡拜佛。就是通過互聯網絡在線拜佛。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，請愿單按用戶要求填寫后由居士到宮殿代為燒香并拍照作為證明。

本文設計一種自動點香爐的機械結構，當信眾在網上輕點鼠標時，通過遠程控制模塊[3]，所選擇上香的宮殿前自動上香爐將根據信眾的愿望在對應的殿前同步自動點燃真實的實體香。

這種香爐的機械結構由儲香桶，送香機構，及點香機構三大部分組成[4]。在這種機構中，使用特制的香，生產時，三束香在一個底座上，底座是一種圓柱形結構，可降低重心，提高平穩度。送香機構由兩個線性移動平臺和一個z軸推桿電機組成，完成將香桶中的香送到指定位置，并從下至上送出香爐，點燃香支；點香機構同樣由兩個線性移動電機構成，通過特殊的夾緊機構將香送到指定位置后，與對應的香盤底座結構匹配，傳遞香支，最終使香支夾緊在香座中燒盡，完成整個過程。這種設備實現了遠程及自動控制，整個過程無需人工干預，在儲香完畢后，可以自動完成多次的點香過程直至儲香用盡，特制的香支不采用木質底座，而全部用香灰制成，燃盡后可全部回收。本設計具有結構簡潔、緊湊、功能穩定，操作及維修維護方便的特點，實現了人工的節省及點香的自動化。

1 上香爐功能集成

本文設計的自動上香爐，結構整體呈一個常見的香爐形，包含五個基本功能：儲香、送香、點香、上香及回收。首先可見一個直徑為400 mm的底座，高200 mm，底座中包含（EPS與wifi通訊）模塊[5]，用來實現與用戶遠程通訊（控制模塊在本文中不作細述）。香爐中部是圓柱形的香桶結構，高度是800 mm，直徑是260 mm，用以儲香和送香。儲香桶一次性可以儲存200柱以上的香支，通過人工補充。送香機構實現將香桶中的香水平送到指定香桶角點后，豎直上升到點香裝置，點燃香支。而后上香機構，安裝在上部的一個倒置的梯形圓柱結構中，內含設計的特殊的夾緊機構，可實現將香支送到最終位置并固定。（采用下上香形式），整體結構見圖1。

圖1 整體結構

2 機構設計及關鍵參數設計

2.1 載荷計算及電機選擇

電動機的容量（功率）選擇是否合適，對電動機的工作和經濟性都有影響。[6]容量小于工作要求，則不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期超載而過早損壞；容量選得過大，則電動機的價格高，傳動能力又不能充分利用，而且由于電動機經常在輕載下運轉，其效率和功率因數較低從而造成能源的浪費，故需要進行載荷計算[7]。本設計中，共有不同種類的電動機5個，其選取方法基本一致，現將方法簡要介紹如下。

儲香送香機構工作所需功率為Pw，由機構的工作阻力F（輸送阻力）和運動參數如工作機線速度（輸送速度） v計算求得，計算如下[8]：

式（1）中：F為工作機的工作阻力（N），在這里是香與儲香槽的總重量，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是工作機的的線速度，這里為出香的速度13 mm/s。工作機所需的電動機的功率為：

Pw為上述所求的工作機的需要功率，指輸入滾珠絲桿軸的功率（kW），η指由電動機至工作機的總效率。對于載荷比較穩定、長期運轉的機械（例如運輸機），通常按照電動機的額定功率選擇，而不必校核電動機的發熱和起動轉矩。選擇電動機容量時應保證電動機的額定功率Ped等于或稍大于工作機所需的電動機功率 Pd，即Ped≥Pd。

2.2 儲香桶設計

儲香桶的整體包含了底座、香桶及香盤。整個香桶在外形上與普通的香爐無異，內部空間可以存放通訊模塊、送香機構、香盤等，起到美觀和實用的雙重效果。詳細結構可參見圖1中的結構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 送香機構設計

送香機構實現將香桶中的香輸送到指定位置，并通過推桿電機將香上推到上層的香盤結構中。本項目所用香支需特制，為三柱一體的形式（即三支香合在一起，共用一個底座，每組香的直徑為8 mm，特制的香支取消木質底座，全部用香料制成，底座制成矮圓柱形，降低重心保證穩定）。如圖2的送香結構詳圖所示，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，除掉推桿電機首端電機的位置外，一行大約可排15柱香以上，整個香桶大概可并行裝下15行香槽，故預計可儲香15×15為225支。送香機構包含兩個線性電機，如圖1（b）中的7和8的電機Ⅱ、Ⅲ所示，分別在x，y方向進行移動。首先將一個長條形香槽中的香（假設為x方向），按時序依次推出到角點，等待點燃插香；待整排香推送完畢后，將下一個香槽按y方向推進一格，繼續重復上述過程。當每一束香到達當前視圖下香桶右上角的上升點后，通過豎直安裝的推桿電機Ⅰ，將香向上推出到上層倒梯形的點香盤中，點燃香支后，繼續上升，等待插入點香盤。

圖2 送香結構詳圖

2.4 點香機構設計

香從角點點燃后，送香豎直推桿電機Ⅰ繼續將香上移。如圖3（a），點香機構由X方向點香電動機Ⅴ和Y方向點香電動機Ⅳ構成。Y方向點香電動機Ⅳ安裝在X方向點香電動機Ⅴ的絲桿移動平臺上，若電動機Ⅴ旋轉，則帶動電動機Ⅳ和整個香座夾緊機構往x軸移動。電動機Ⅳ負責機構的y方向移動，香座夾緊機構安裝在電動機Ⅳ的絲桿平臺上，在兩個電機的共同作用下，實現X和Y平面內的任意位置的移動。

機構設計了一個特殊的夾緊機構，配合香的矮圓柱形底座，可實現香從送香機構到點香機構的傳遞，而無需使用機械手的夾緊與松開動作。夾緊機構如圖3（b）。香支的底座從夾緊機構的中間的大孔穿過，然后點香機構的平臺移動，讓香在平臺中相對前后移動，此時v形孔徑變小，夾緊香的底座，香支便固定在了夾緊機構上，此時推桿電機收回，從而香實現了從送香機構到點香機構的傳遞。

圖3 點香機構設計

當點香移動平臺到達特定位置后，再次利用特殊的夾緊機構讓香支從點香機構插入點香盤。點香盤設計成如下圖4（b）的結構，插香位置是凹形槽，用以夾緊香座。夾緊機構先帶著香支夾入點香盤，完成此過程后，夾緊機構往反方向推出香座底部，此時v形結構從直徑小的位置到直徑大的位置，實現了松開過程，最后，從夾緊機構邊緣上的缺口，確保香座完全離開夾緊機構。此后，香夾緊在香座中燒盡，完成整個過程。

2.5 香灰回收槽機構

對燃盡后的香灰進行環保回收，可保證香灰不影響電機絲桿的運行。在點香盤中每個香槽的下方焊接對應的回收槽，如圖4（b）所示。回收槽加工成圖4（a）所示的矮圓柱形，以吊接的方式焊接在香盤下，這樣的設計結構可以減少回收轉置對點香移動平臺的影響，保證不會互相干涉。

圖4 香灰回收槽機構

3 模型運動仿真與樣機結構試制

圖5 運動仿真分析

在Pro/E軟件中，對所設計的自動點香爐進行運動仿真分析[9]，各給X、Y兩個電機初始轉速20°/s，得到絲桿螺母移動平臺上的某一點的運動參數[10]。通過驗證，點香機構移動平臺上各點的運動情況一致，取其中任意一點進行分析[11]。

從圖5中可得，平臺的移動距離呈線性，速度在較小范圍內波動（縱軸的變化量極小），基本穩定在0.833 mm/s，其加速度為0，平臺做勻速運動，移動平穩，工作可靠。

將所研制的自動點香爐進行試制裝配，經公司生產的實物圖如6所示，（a）為點香盤的俯視圖；（b）為包含兩個X、Y方向電機絲桿的點香機構；（c）為制造完成的點香爐的整體外形結構。裝配后的結構在電機的帶動下，運行平穩，可實現預期所要求的功能，該結構切實可行。

圖6 實物圖

4 結論

本次設計自動點香爐結構簡潔，可通過控制模塊控制相應邏輯，簡便地實現自動化，成本低易于投產。自動點香爐可容納200支以上的香支，可實現遠程控制自動上香，滿足信眾的需求。實際生產中，仍然存在的問題主要有以下兩點：（1）如何進一步縮短點香流程和時間，實現快速點香；（2）香支儲存數量有限，增加其儲存數量也是進一步的研究方向。綜上，本方案切實可行，實現虛擬與現實的創新性結合，有良好的推廣意義。

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［7］成大先，王德夫，姬奎生，等.機械設計手冊：減（變）速器·電機與電器［M］.北京：化學工業出版社，2010.

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