泗纶蒸笼外围片打孔机的研制

刘海庆，曾小安，邓滨宏，彭益武，王晓星，黄记焊，张群英

（1.罗定职业技术学院，广东 云浮 527200；2.罗定市恒兆蒸笼有限公司，广东 云浮 527200）

0 引言

我国是世界上竹材资源最丰富的国家，竹子因其生长速速快、更新周期短、固碳能力强、材料性能好，越来越受到人们的重视[1-2]。广东省气候湿热，山地众多，水土肥沃，特别合适竹子的生长，2021年全省竹林面积710 万亩（1 亩=0.067 hm2），年产值135 亿元[3-4]。2022 年，广东省林业局等10 部门联合印发了《关于加快推进广东竹产业创新发展的实施意见》，明确提出把小竹子做成大产业，预计到2035 年，综合产值超过1 200 亿元。

1 泗纶蒸笼产业现状

泗纶蒸笼以本地特产的罗竹为原材料，因制作精良，产品畅销海内外[5]。泗纶蒸笼历史悠久，相传最早出产于清嘉庆年间，新中国成立后，泗纶蒸笼产业稳步发展，改革开放后，随着民营企业的兴起，产业更为迅猛。2022 年，罗定市罗竹种植面积7 万亩，总产量5 万t，从业者达1.2 万人，产值超3 亿元。

农户生产蒸笼仍以传统的手工编制技艺为主，加工工具以手电钻、锯刀为主，规模较大的企业也只有一些简单的机械设备，如破竹机、锯竹机等。受手工生产效率低的制约，泗纶蒸笼产业发展缓慢，机械化、自动化是解决产业痛点的有效途径。

2 蒸笼外围片加工农艺品要求与整机设计

2.1 蒸笼外围片加工农艺品要求

外围片主要用来编制蒸笼的笼身、笼盖，由一片罗竹片成型，3 个以上外围片为一组构成蒸笼侧壁，传统工艺是由工人利用手电钻在蒸笼侧壁上打孔并安装竹钉，固定外围片使其紧密相连，整个工作过程为工人手工操作，加工质量靠经验，生产效率低，孔洞分布不均匀，美观度差（图1）。

图1 传统外围片手工打孔工艺及效果图

为满足实际生产对蒸笼农艺品美观（定位孔均匀对称）、机械化和高效率等要求，本文设计一款蒸笼外围片打孔装置，采用机械定位，适合不同尺寸蒸笼（100～300 mm），保证蒸笼固定在安装面上；每个蒸笼打孔8 个，上下两孔间纵向距离为50 mm；周长两孔间横向角度90°。

2.2 整机结构与工作原理

2.2.1 整机机构

泗纶蒸笼外围片打孔机设计理念是利用机械设备，提升生产效率，解决劳动强度大、生产效率低的产业痛点问题[6-7]。蒸笼外围片打孔装置如图2 所示，主要由机架、旋转定位机构、执行机构、传动机构和控制系统组成。其中，旋转定位机构由旋转运动组件、压紧组件和定位组件组成，其中电机带动旋转单元使蒸笼实现旋转90°定位，以减少打孔分布不均现象；执行机构由电机和钻头组成，对蒸笼进行钻孔；传动机构由传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ组成，通过控制传动轴运动，实现快速定位、进钻和退钻过程。

图2 泗纶蒸笼外围片打孔机总装图

表1 主要技术参数

2.2.2 工作原理

所设计的蒸笼外围片打孔装置工作过程包括5个阶段：定位阶段、压紧阶段、钻孔阶段、变换角度阶段和取料阶段。

1）定位阶段：将编制好的蒸笼侧壁放置在旋转定位机构底部的定位组件上，调整4 个移动滑块使其固定。

2）压紧阶段：为防止蒸笼外围片打孔过程中上下窜动，在径向定位后，旋转机构中压紧组件进行压紧。

3）钻孔阶段：转动到待加工位置后，电机驱动传动机构的竖直丝杠运动，确定孔到外围片的安全距离，为保证强度防止开裂，安全距离一般要大于10 mm；传动机构的水平丝杠带动钻孔装置水平进给固定距离，实现在外围片钻孔，钻孔结束后沿钻孔装置原路返回；传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ重复上述钻孔，沿轴线方向进行第2 次钻孔，即在外围片上的同一轴线不同高度处钻孔2 次。

4）变换角度阶段：控制电机的作用下，旋转定位机构带动蒸笼转动90°或所需角度，再次重复钻孔阶段操作，直至完成在蒸笼侧壁上的钻孔任务。

5）取料阶段：设定位置均完成钻孔后，传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ带动执行机构回到原点位置，执行机构电机停止工作，松开压紧单元和定位块，取下蒸笼外围片。

3 关键部件设计

3.1 传动机构

传动机构主要由传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、滑座3部分组成，如图3 所示。考虑到不同尺寸蒸笼打孔的要求以及执行机构的动作特点，为保证打孔效果，传动轴Ⅰ选用行程300 mm，传动轴Ⅱ选用行程400 mm。传动轴行程过小易发生干涉，适当的行程有利于提高打孔效率。

图3 泗纶蒸笼外围片打孔机传动机构

传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ通过滑座进行连接，传动轴Ⅱ上安装执行机构，在控制系统的作用下，电机带动传动轴Ⅰ和传动轴Ⅱ实现空间定位运动。传动机构主要的功能是在控制系统的作用下，对执行机构定位，实现打孔机的传动和实现钻头的运动。

3.2 旋转定位机构

为实现蒸笼四周均匀打孔效果，所设计的旋转定位机构主要由压紧组件、定位组件、旋转运动组件等部分组成，如图4 所示。其中定位组件通过4个定位块将蒸笼固定在旋转运动组件固定架的中心处；旋转运动组件包含电机、减速器和固定架，电机连接减速器安装于机架上，通过控制系统控制电机旋转固定架，而蒸笼放置在固定架上，从而实现精准旋转定位。为了确保每个蒸笼打孔的一致性，旋转运动组件选用伺服电机驱动；压紧组件的作用是通过弹簧及压杆提供预紧力，将蒸笼压紧，防止打孔时蒸笼窜动，保证孔位准确。由于压紧组件需要确保与蒸笼一起旋转，因此采用型号为6003 的深沟球轴承。

图4 泗纶蒸笼外围片打孔机旋转定位机构

3.3 执行机构

执行机构主要由电动马达、台钻套装、连接组件等组成。通过连接组件将台钻套装固定在竖直丝杠上，水平丝杠带动台钻套装水平运动，电动马达驱动台钻的转头旋转，实现在泗纶蒸笼上钻孔的功能，如图5 所示。

图5 泗纶蒸笼外围片打孔机执行机构

3.4 控制系统

为了实现精准蒸笼自动打孔，该控制系统选用三菱PLC 配合触摸屏控制三轴联动。三菱PLC 为泗纶蒸笼外围片打孔机的“大脑”，它与触摸屏相连接，触摸屏上既可以对泗纶蒸笼的规格、水平丝杠的进给距离、旋转定位机构的转动角度、台钻套装钻头转动速度等参数进行设置和调整，还可以调用已设置好的主要电气元件及型号参数，如表2 所示。打孔机采用触摸屏显示，如图6 所示，可视化的界面对产业工人十分友好。

表2 主要电气元件及型号

图6 打孔机触摸屏控制界面

控制系统接通电源后，点击触摸屏上的“复位”图标，PLC 发出驱动方向信号，步进电机驱动器输出脉冲相序，电机转动驱动传动轴I、传动轴Ⅱ回到机床坐标系零点。接着点击触摸屏上的“自动运行”图标，PLC 产生驱动方向信号，驱动传动轴Ⅰ运动到系统设定位置即加工起始点，随后台钻套装上的钻头转动，传动轴Ⅱ带着台钻套装水平运动，进行打孔；重复上一步骤沿轴线打第2 个孔。然后，PLC产生脉冲信号，步进电机驱动器将脉冲信号转化为步进电机的步距角，转动90 度，重复打孔操作，直到完成整个蒸笼的打孔任务，回到加工起始点，如图7 所示。

图7 打孔机控制系统的流程图

4 经济效益分析

4.1 生产效率计算

人工打孔主要分为取蒸笼、转动、钻孔、摆放蒸笼等操作步骤；打孔机需要取蒸笼、固定、转动、钻孔、卸下、摆放蒸笼等操作步骤。

在蒸笼外围片打孔这道工序上，人工打孔需要68 s，打孔机需要86 s，如表3 所示。使用打孔机时，当第一台打孔机钻孔时，工人可以在第二台打孔机上进行取蒸笼、固定的操作，或者卸下、摆放蒸笼的操作，一名工人至少能够操控两台机器。因此，使用打孔机制作每只蒸笼用时应为86 s 的一半，即为43 s，与人工打孔相比制作每只蒸笼节约25 s，不仅提高生产效率36.7%，而且能够确保打孔位置的统一性，便于后续固定竹钉的加工，提高了蒸笼的外观品质，如图8 所示。

表3 蒸笼外围片不同打孔方式用时比较 单位：s

图8 泗纶蒸笼外围片打孔机及打孔效果图

4.2 收益计算

人工打孔需要熟练掌握打孔技术的专业工匠，而使用打孔机只需要普通工人即可，前者人工成本相对较高。近年来，专业工匠日益减少，其工资日益提升，在成本比重中位列第一，远超原材料、设备等其他成本。未来，随着老一辈工匠的逐渐老去，泗纶蒸笼产业发展受人工因素的影响会进一步凸显，打孔机的成功研制与应用有效地解决了这一制约因素。

按照每月工作24 d，每只蒸笼打孔后收益增加0.4 元，人工打孔每天生产蒸笼500 只，打孔机每天生产蒸笼680 只计算。

人工打孔每月效益为24×0.4×500=4 800 元，打孔机每月效益为24×0.4×680=6 528 元。

人工打孔时使用的主要设备为手电钻，每只600元，使用寿命为6 个月，每月设备成本为100 元。打孔机每台成本为1.8 万元，使用寿命为5 年，每月设备成本为300 元，2 台打孔机的使用成本为600 元/月。

人工打孔每月收益为1 150 元，打孔机每月收益为2 528 元，比人工打孔增收1 378 元，如表4 所示。

表4 蒸笼外围片不同打孔方式的收益计算

5 结语

随着自动化、智能化等技术应用越来越广泛，泗纶蒸笼产业也应加速进行产业升级。

泗纶蒸笼外围片打孔机代替传统的手工生产，具有更高的精度和可控性，受人为因素影响小，产品可靠性更强，质量更好，工作效率更高。因为钻孔位置固定且均匀分布，后续还可以研制竹钉固定设备，实现竹钉的自动安装，为进一步研制泗纶蒸笼自动化生产线奠定基础。