一种自动点香炉的机械结构研发*

罗曼婷，郑嘉灿，吴祖勇，范剑红，姚立纲

（1.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350108；2.莆田学院机电工程学院，福建莆田 351100；3.福建金奕澎网络科技有限公司，福建莆田 351100）

0 前言

祈福，求缘，祈求平安，无一不是信众们的目的，上香许愿是信众表达虔诚的重要方式。近几年来，到寺庙谒祖进香也成了人们假日出游的一个重要选择，就连海外信众们也纷纷回国祈福。随着香众的增多，各地的寺庙在节假日之时也渐渐不堪重负，人山人海的场面时有报道[1]。此外，相比几亿信众，还有众多虔诚人们，由于经济、时间、距离、身体、工作等等原因，未能及时抽空上香祈福。

根据此种情况，悄然兴起了一种新兴的烧香拜佛方式--线上烧香拜佛[2]。线上烧香拜佛，也叫在线烧香、网络拜佛。就是通过互联网络在线拜佛。分为以下两种：

（1）虚拟佛像，以虚拟佛像和虚拟贡品的形式，停留在线上，虚拟空间里。

（2）代客烧香，这种模式提供居士代烧香，请愿单按用户要求填写后由居士到宫殿代为烧香并拍照作为证明。

本文设计一种自动点香炉的机械结构，当信众在网上轻点鼠标时，通过远程控制模块[3]，所选择上香的宫殿前自动上香炉将根据信众的愿望在对应的殿前同步自动点燃真实的实体香。

这种香炉的机械结构由储香桶，送香机构，及点香机构三大部分组成[4]。在这种机构中，使用特制的香，生产时，三束香在一个底座上，底座是一种圆柱形结构，可降低重心，提高平稳度。送香机构由两个线性移动平台和一个z轴推杆电机组成，完成将香桶中的香送到指定位置，并从下至上送出香炉，点燃香支；点香机构同样由两个线性移动电机构成，通过特殊的夹紧机构将香送到指定位置后，与对应的香盘底座结构匹配，传递香支，最终使香支夹紧在香座中烧尽，完成整个过程。这种设备实现了远程及自动控制，整个过程无需人工干预，在储香完毕后，可以自动完成多次的点香过程直至储香用尽，特制的香支不采用木质底座，而全部用香灰制成，燃尽后可全部回收。本设计具有结构简洁、紧凑、功能稳定，操作及维修维护方便的特点，实现了人工的节省及点香的自动化。

1 上香炉功能集成

本文设计的自动上香炉，结构整体呈一个常见的香炉形，包含五个基本功能：储香、送香、点香、上香及回收。首先可见一个直径为400 mm的底座，高200 mm，底座中包含（EPS与wifi通讯）模块[5]，用来实现与用户远程通讯（控制模块在本文中不作细述）。香炉中部是圆柱形的香桶结构，高度是800 mm，直径是260 mm，用以储香和送香。储香桶一次性可以储存200柱以上的香支，通过人工补充。送香机构实现将香桶中的香水平送到指定香桶角点后，竖直上升到点香装置，点燃香支。而后上香机构，安装在上部的一个倒置的梯形圆柱结构中，内含设计的特殊的夹紧机构，可实现将香支送到最终位置并固定。（采用下上香形式），整体结构见图1。

图1 整体结构

2 机构设计及关键参数设计

2.1 载荷计算及电机选择

电动机的容量（功率）选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。[6]容量小于工作要求，则不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载而过早损坏；容量选得过大，则电动机的价格高，传动能力又不能充分利用，而且由于电动机经常在轻载下运转，其效率和功率因数较低从而造成能源的浪费，故需要进行载荷计算[7]。本设计中，共有不同种类的电动机5个，其选取方法基本一致，现将方法简要介绍如下。

储香送香机构工作所需功率为Pw，由机构的工作阻力F（输送阻力）和运动参数如工作机线速度（输送速度） v计算求得，计算如下[8]：

式（1）中：F为工作机的工作阻力（N），在这里是香与储香槽的总重量，每支香约为6 g，200柱香的总重量为1.2 kg，故香与香槽总质量为(1 . 2 kg+1.5 kg)=2.7 kg。工作载荷F=(香 +槽)∗10N kg，v是工作机的的线速度，这里为出香的速度13 mm/s。工作机所需的电动机的功率为：

Pw为上述所求的工作机的需要功率，指输入滚珠丝杆轴的功率（kW），η指由电动机至工作机的总效率。对于载荷比较稳定、长期运转的机械（例如运输机），通常按照电动机的额定功率选择，而不必校核电动机的发热和起动转矩。选择电动机容量时应保证电动机的额定功率Ped等于或稍大于工作机所需的电动机功率 Pd，即Ped≥Pd。

2.2 储香桶设计

储香桶的整体包含了底座、香桶及香盘。整个香桶在外形上与普通的香炉无异，内部空间可以存放通讯模块、送香机构、香盘等，起到美观和实用的双重效果。详细结构可参见图1中的结构1、3以及5，具体尺寸在第一部分香炉功能集成中已有叙述。

2.3 送香机构设计

送香机构实现将香桶中的香输送到指定位置，并通过推杆电机将香上推到上层的香盘结构中。本项目所用香支需特制，为三柱一体的形式（即三支香合在一起，共用一个底座，每组香的直径为8 mm，特制的香支取消木质底座，全部用香料制成，底座制成矮圆柱形，降低重心保证稳定）。如图2的送香结构详图所示，将香按行列整齐地排列在长条形的“凹”字形香槽中，由于香桶直径为260 mm，正方形香槽架的直径为180 mm，除掉推杆电机首端电机的位置外，一行大约可排15柱香以上，整个香桶大概可并行装下15行香槽，故预计可储香15×15为225支。送香机构包含两个线性电机，如图1（b）中的7和8的电机Ⅱ、Ⅲ所示，分别在x，y方向进行移动。首先将一个长条形香槽中的香（假设为x方向），按时序依次推出到角点，等待点燃插香；待整排香推送完毕后，将下一个香槽按y方向推进一格，继续重复上述过程。当每一束香到达当前视图下香桶右上角的上升点后，通过竖直安装的推杆电机Ⅰ，将香向上推出到上层倒梯形的点香盘中，点燃香支后，继续上升，等待插入点香盘。

图2 送香结构详图

2.4 点香机构设计

香从角点点燃后，送香竖直推杆电机Ⅰ继续将香上移。如图3（a），点香机构由X方向点香电动机Ⅴ和Y方向点香电动机Ⅳ构成。Y方向点香电动机Ⅳ安装在X方向点香电动机Ⅴ的丝杆移动平台上，若电动机Ⅴ旋转，则带动电动机Ⅳ和整个香座夹紧机构往x轴移动。电动机Ⅳ负责机构的y方向移动，香座夹紧机构安装在电动机Ⅳ的丝杆平台上，在两个电机的共同作用下，实现X和Y平面内的任意位置的移动。

机构设计了一个特殊的夹紧机构，配合香的矮圆柱形底座，可实现香从送香机构到点香机构的传递，而无需使用机械手的夹紧与松开动作。夹紧机构如图3（b）。香支的底座从夹紧机构的中间的大孔穿过，然后点香机构的平台移动，让香在平台中相对前后移动，此时v形孔径变小，夹紧香的底座，香支便固定在了夹紧机构上，此时推杆电机收回，从而香实现了从送香机构到点香机构的传递。

图3 点香机构设计

当点香移动平台到达特定位置后，再次利用特殊的夹紧机构让香支从点香机构插入点香盘。点香盘设计成如下图4（b）的结构，插香位置是凹形槽，用以夹紧香座。夹紧机构先带着香支夹入点香盘，完成此过程后，夹紧机构往反方向推出香座底部，此时v形结构从直径小的位置到直径大的位置，实现了松开过程，最后，从夹紧机构边缘上的缺口，确保香座完全离开夹紧机构。此后，香夹紧在香座中烧尽，完成整个过程。

2.5 香灰回收槽机构

对燃尽后的香灰进行环保回收，可保证香灰不影响电机丝杆的运行。在点香盘中每个香槽的下方焊接对应的回收槽，如图4（b）所示。回收槽加工成图4（a）所示的矮圆柱形，以吊接的方式焊接在香盘下，这样的设计结构可以减少回收转置对点香移动平台的影响，保证不会互相干涉。

图4 香灰回收槽机构

3 模型运动仿真与样机结构试制

图5 运动仿真分析

在Pro/E软件中，对所设计的自动点香炉进行运动仿真分析[9]，各给X、Y两个电机初始转速20°/s，得到丝杆螺母移动平台上的某一点的运动参数[10]。通过验证，点香机构移动平台上各点的运动情况一致，取其中任意一点进行分析[11]。

从图5中可得，平台的移动距离呈线性，速度在较小范围内波动（纵轴的变化量极小），基本稳定在0.833 mm/s，其加速度为0，平台做匀速运动，移动平稳，工作可靠。

将所研制的自动点香炉进行试制装配，经公司生产的实物图如6所示，（a）为点香盘的俯视图；（b）为包含两个X、Y方向电机丝杆的点香机构；（c）为制造完成的点香炉的整体外形结构。装配后的结构在电机的带动下，运行平稳，可实现预期所要求的功能，该结构切实可行。

图6 实物图

4 结论

本次设计自动点香炉结构简洁，可通过控制模块控制相应逻辑，简便地实现自动化，成本低易于投产。自动点香炉可容纳200支以上的香支，可实现远程控制自动上香，满足信众的需求。实际生产中，仍然存在的问题主要有以下两点：（1）如何进一步缩短点香流程和时间，实现快速点香；（2）香支储存数量有限，增加其储存数量也是进一步的研究方向。综上，本方案切实可行，实现虚拟与现实的创新性结合，有良好的推广意义。

［1］吴祖勇.一种通过互联网技术实现远程自动上香的方法.CN105476424A［P］.2016.

［2］石融冰.低碳敬香系统的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2012.

［3］李静，高步文.电子香炉、敬香方法及基于电子香炉的敬香系统：CN 102293576 A［P］.2011.

［4］闫庆军，闫书恒，吴继华.一种自动点香机用上香机构.CN204797516U［P］.2015.

［5］徐珏琇.基于ATmega8单片机的熏香炉控制系统的设计［D］.大连：大连交通大学，2013.

［6］陈庆堂，郑嘉灿，肖光镫，等.钢筋切断-双头弯曲一体机的设计研发［J］.机械设计与研究，2016（6）：158-160.

［7］成大先，王德夫，姬奎生，等.机械设计手册：减（变）速器·电机与电器［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［8］王军锋，唐宏.伺服电机选型的原则和注意事项［J］.装备制造技术，2009（11）：129-131.

［9］邢亮，沈豫鄂.PROE运动仿真中单向匀速电机实现往复直线运动的方式及分析［J］.舰船电子工程，2009，29（9）：193-197.

［10］朱洁瑾，张金莲.基于Pro/E的滚珠丝杆系统分析与设计［J］.精密制造与自动化，2007（4）：41-43.

［11］党琪，叶建华，胡中望，等.基于Pro/E的船舶运动试验台运动仿真与控制分析［J］.船海工程，2016，45（1）：19-22.