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(shù)學(xué)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(guó)是世界上竹材資源最豐富的國(guó)家，竹子因其生長(zhǎng)速速快、更新周期短、固碳能力強(qiáng)、材料性能好，越來(lái)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(zhǎng)，2021年全省竹林面積710 萬(wàn)畝（1 畝=0.067 hm2），年產(chǎn)值135 億元[3-4]。2022 年，廣東省林業(yè)局等10 部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)廣東竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，明確提出把小竹子做成大產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2035 年，綜合產(chǎn)值超過(guò)1 200 億元。

1 泗綸蒸籠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

泗綸蒸籠以本地特產(chǎn)的羅竹為原材料，因制作精良，產(chǎn)品暢銷海內(nèi)外[5]。泗綸蒸籠歷史悠久，相傳最早出產(chǎn)于清嘉慶年間，新中國(guó)成立后，泗綸蒸籠產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，改革開(kāi)放后，隨著民營(yíng)企業(yè)的興起，產(chǎn)業(yè)更為迅猛。2022 年，羅定市羅竹種植面積7 萬(wàn)畝，總產(chǎn)量5 萬(wàn)t，從業(yè)者達(dá)1.2 萬(wàn)人，產(chǎn)值超3 億元。

農(nóng)戶生產(chǎn)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(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備，如破竹機(jī)、鋸竹機(jī)等。受手工生產(chǎn)效率低的制約，泗綸蒸籠產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，機(jī)械化、自動(dòng)化是解決產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)的有效途徑。

2 蒸籠外圍片加工農(nóng)藝品要求與整機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 蒸籠外圍片加工農(nóng)藝品要求

外圍片主要用來(lái)編制蒸籠的籠身、籠蓋，由一片羅竹片成型，3 個(gè)以上外圍片為一組構(gòu)成蒸籠側(cè)壁，傳統(tǒng)工藝是由工人利用手電鉆在蒸籠側(cè)壁上打孔并安裝竹釘，固定外圍片使其緊密相連，整個(gè)工作過(guò)程為工人手工操作，加工質(zhì)量靠經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)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(shí)際生產(chǎn)對(duì)蒸籠農(nóng)藝品美觀（定位孔均勻?qū)ΨQ）、機(jī)械化和高效率等要求，本文設(shè)計(jì)一款蒸籠外圍片打孔裝置，采用機(jī)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(gè)蒸籠打孔8 個(gè)，上下兩孔間縱向距離為50 mm；周長(zhǎng)兩孔間橫向角度90°。

2.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.2.1 整機(jī)機(jī)構(gòu)

泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)設(shè)計(jì)理念是利用機(jī)械設(shè)備，提升生產(chǎn)效率，解決勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)問(wèn)題[6-7]。蒸籠外圍片打孔裝置如圖2 所示，主要由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。其中，旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件、壓緊組件和定位組件組成，其中電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)單元使蒸籠實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)90°定位，以減少打孔分布不均現(xiàn)象；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)和鉆頭組成，對(duì)蒸籠進(jìn)行鉆孔；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ組成，通過(guò)控制傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速定位、進(jìn)鉆和退鉆過(guò)程。

圖2 泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)總裝圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.2.2 工作原理

所設(shè)計(jì)的蒸籠外圍片打孔裝置工作過(guò)程包括5個(gè)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(cè)壁放置在旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)底部的定位組件上，調(diào)整4 個(gè)移動(dòng)滑塊使其固定。

2）壓緊階段：為防止蒸籠外圍片打孔過(guò)程中上下竄動(dòng)，在徑向定位后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中壓緊組件進(jìn)行壓緊。

3）鉆孔階段：轉(zhuǎn)動(dòng)到待加工位置后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的豎直絲杠運(yùn)動(dòng)，確定孔到外圍片的安全距離，為保證強(qiáng)度防止開(kāi)裂，安全距離一般要大于10 mm；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的水平絲杠帶動(dòng)鉆孔裝置水平進(jìn)給固定距離，實(shí)現(xiàn)在外圍片鉆孔，鉆孔結(jié)束后沿鉆孔裝置原路返回；傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ重復(fù)上述鉆孔，沿軸線方向進(jìn)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(jī)的作用下，旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蒸籠轉(zhuǎn)動(dòng)90°或所需角度，再次重復(fù)鉆孔階段操作，直至完成在蒸籠側(cè)壁上的鉆孔任務(wù)。

5）取料階段：設(shè)定位置均完成鉆孔后，傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn)位置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)停止工作，松開(kāi)壓緊單元和定位塊，取下蒸籠外圍片。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由傳動(dòng)軸Ⅰ、傳動(dòng)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(jī)構(gòu)的動(dòng)作特點(diǎn)，為保證打孔效果，傳動(dòng)軸Ⅰ選用行程300 mm，傳動(dòng)軸Ⅱ選用行程400 mm。傳動(dòng)軸行程過(guò)小易發(fā)生干涉，適當(dāng)?shù)男谐逃欣谔岣叽蚩仔省?/p>

圖3 泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ通過(guò)滑座進(jìn)行連接，傳動(dòng)軸Ⅱ上安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在控制系統(tǒng)的作用下，電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸Ⅰ和傳動(dòng)軸Ⅱ?qū)崿F(xiàn)空間定位運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要的功能是在控制系統(tǒng)的作用下，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位，實(shí)現(xiàn)打孔機(jī)的傳動(dòng)和實(shí)現(xiàn)鉆頭的運(yùn)動(dòng)。

3.2 旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)蒸籠四周均勻打孔效果，所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)主要由壓緊組件、定位組件、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件等部分組成，如圖4 所示。其中定位組件通過(guò)4個(gè)定位塊將蒸籠固定在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件固定架的中心處；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件包含電機(jī)、減速器和固定架，電機(jī)連接減速器安裝于機(jī)架上，通過(guò)控制系統(tǒng)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)固定架，而蒸籠放置在固定架上，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)定位。為了確保每個(gè)蒸籠打孔的一致性，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；壓緊組件的作用是通過(guò)彈簧及壓桿提供預(yù)緊力，將蒸籠壓緊，防止打孔時(shí)蒸籠竄動(dòng)，保證孔位準(zhǔn)確。由于壓緊組件需要確保與蒸籠一起旋轉(zhuǎn)，因此采用型號(hào)為6003 的深溝球軸承。

圖4 泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)馬達(dá)、臺(tái)鉆套裝、連接組件等組成。通過(guò)連接組件將臺(tái)鉆套裝固定在豎直絲杠上，水平絲杠帶動(dòng)臺(tái)鉆套裝水平運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)臺(tái)鉆的轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)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(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3.4 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)蒸籠自動(dòng)打孔，該控制系統(tǒng)選用三菱PLC 配合觸摸屏控制三軸聯(lián)動(dòng)。三菱PLC 為泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)的“大腦”，它與觸摸屏相連接，觸摸屏上既可以對(duì)泗綸蒸籠的規(guī)格、水平絲杠的進(jìn)給距離、旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、臺(tái)鉆套裝鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，還可以調(diào)用已設(shè)置好的主要電氣元件及型號(hào)參數(shù)，如表2 所示。打孔機(jī)采用觸摸屏顯示，如圖6 所示，可視化的界面對(duì)產(chǎn)業(yè)工人十分友好。

表2 主要電氣元件及型號(hào)

圖6 打孔機(jī)觸摸屏控制界面

控制系統(tǒng)接通電源后，點(diǎn)擊觸摸屏上的“復(fù)位”圖標(biāo)，PLC 發(fā)出驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖相序，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸I、傳動(dòng)軸Ⅱ回到機(jī)床坐標(biāo)系零點(diǎn)。接著點(diǎn)擊觸摸屏上的“自動(dòng)運(yùn)行”圖標(biāo)，PLC 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸Ⅰ運(yùn)動(dòng)到系統(tǒng)設(shè)定位置即加工起始點(diǎn)，隨后臺(tái)鉆套裝上的鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸Ⅱ帶著臺(tái)鉆套裝水平運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行打孔；重復(fù)上一步驟沿軸線打第2 個(gè)孔。然后，PLC產(chǎn)生脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的步距角，轉(zhuǎn)動(dòng)90 度，重復(fù)打孔操作，直到完成整個(gè)蒸籠的打孔任務(wù)，回到加工起始點(diǎn)，如圖7 所示。

圖7 打孔機(jī)控制系統(tǒng)的流程圖

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 生產(chǎn)效率計(jì)算

人工打孔主要分為取蒸籠、轉(zhuǎn)動(dòng)、鉆孔、擺放蒸籠等操作步驟；打孔機(jī)需要取蒸籠、固定、轉(zhuǎn)動(dòng)、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(jī)需要86 s，如表3 所示。使用打孔機(jī)時(shí)，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)打孔機(jī)鉆孔時(shí)，工人可以在第二臺(tái)打孔機(jī)上進(jìn)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(tái)機(jī)器。因此，使用打孔機(jī)制作每只蒸籠用時(shí)應(yīng)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(chǎn)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?shù)募庸?，提高了蒸籠的外觀品質(zhì)，如圖8 所示。

表3 蒸籠外圍片不同打孔方式用時(shí)比較 單位：s

圖8 泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)及打孔效果圖

4.2 收益計(jì)算

人工打孔需要熟練掌握打孔技術(shù)的專業(yè)工匠，而使用打孔機(jī)只需要普通工人即可，前者人工成本相對(duì)較高。近年來(lái)，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(yuǎn)超原材料、設(shè)備等其他成本。未來(lái)，隨著老一輩工匠的逐漸老去，泗綸蒸籠產(chǎn)業(yè)發(fā)展受人工因素的影響會(huì)進(jìn)一步凸顯，打孔機(jī)的成功研制與應(yīng)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(chǎn)蒸籠500 只，打孔機(jī)每天生產(chǎn)蒸籠680 只計(jì)算。

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

人工打孔時(shí)使用的主要設(shè)備為手電鉆，每只600元，使用壽命為6 個(gè)月，每月設(shè)備成本為100 元。打孔機(jī)每臺(tái)成本為1.8 萬(wàn)元，使用壽命為5 年，每月設(shè)備成本為300 元，2 臺(tái)打孔機(jī)的使用成本為600 元/月。

人工打孔每月收益為1 150 元，打孔機(jī)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(jì)算

5 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化、智能化等技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，泗綸蒸籠產(chǎn)業(yè)也應(yīng)加速進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

泗綸蒸籠外圍片打孔機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工生產(chǎn)，具有更高的精度和可控性，受人為因素影響小，產(chǎn)品可靠性更強(qiáng)，質(zhì)量更好，工作效率更高。因?yàn)殂@孔位置固定且均勻分布，后續(xù)還可以研制竹釘固定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)竹釘?shù)淖詣?dòng)安裝，為進(jìn)一步研制泗綸蒸籠自動(dòng)化生產(chǎn)線奠定基礎(chǔ)。