陳育明

（黎明職業(yè)大學機電工程與自動化學院，福建 泉州 362000）

中國是茶葉發(fā)源地，茶區(qū)分布廣、資源豐富，茶葉種類之多堪稱世界之最。茶葉揉捻是鮮葉殺青之后的制作工序，指的是借助外力使茶青成條，同時破壞茶鮮葉細胞組織，使茶葉內(nèi)含物質(zhì)附著于茶青表面的過程。揉捻分為兩個動作：一個揉，即使茶葉成條；一個捻，可使茶葉細胞破碎，擠出茶汁，使茶汁附在茶條表面，增加黏性，有利于茶葉外形形成。我國的茶葉生產(chǎn)線中，大部分的揉捻環(huán)節(jié)設(shè)備速度和壓力控制都依靠人工操作，揉捻力度和速度大小依據(jù)工人經(jīng)驗調(diào)節(jié)，導(dǎo)致茶葉加工品質(zhì)參差不齊。因此，本文將基于SolidWorks[1]與西門子PLC控制器對茶葉揉捻機機構(gòu)及控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以獲得合適的揉捻壓力和揉捻速度。

1 茶葉揉捻機分析

1.1 茶葉揉捻機基本功能

本文設(shè)計的茶葉揉捻機主要用于茶葉殺青后的揉捻環(huán)節(jié)，上料后，在茶葉揉捻過程中，桶蓋的加壓、投葉量控制、揉捻力度、揉捻時間均可根據(jù)實際工藝要求進行設(shè)定后自動完成茶葉的揉捻工序。

設(shè)計要求：揉捻機能實現(xiàn)壓力連續(xù)加壓及實時顯示，通過PID參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)揉桶在揉捻茶葉時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。揉捻茶葉時捻桶蓋壓力穩(wěn)定，達到揉捻工藝自動化操作。設(shè)備工作過程能解決茶葉揉捻過程中被“壓死”、“過揉”、條索結(jié)團、斷碎等問題，提高茶葉品質(zhì)的穩(wěn)定性的同時降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

1.2 組成

本設(shè)計的基本組成：底座、傳動系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、揉捻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 茶葉揉捻機設(shè)計組成圖

傳動系統(tǒng)主要用于輸入適當?shù)膭恿稗D(zhuǎn)速，包括：電機、帶傳動裝置、減速器；加壓系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)桶蓋的加壓及增減壓，包括氣動加壓器和桶蓋；揉捻系統(tǒng)主要完成指定力度和時間的揉捻工序，包括：茶桶、揉捻盤、揉捻曲柄、出料底盤；控制系統(tǒng)用于投葉量、揉捻力度和揉捻時間的控制，包括：PLC控制器和觸摸屏等。

2 茶葉揉捻機設(shè)計

2.1 茶葉揉捻機總體設(shè)計

設(shè)計總體要求：揉茶量4-12公斤；具備上料簡便、自動加壓、自動出料等功能；用戶可根據(jù)不同茶類品種需求設(shè)定調(diào)節(jié)揉捻次數(shù)、壓力、時間等參數(shù)。

根據(jù)圖1所示的揉捻機設(shè)計組成，采用Solidwork軟件對茶葉揉捻機各部件進行三維建模，設(shè)計出茶葉揉捻機的三維模型如圖2所示。

圖2 茶葉揉捻機的三維模型

首先，茶葉揉捻機驅(qū)動裝置選擇?？紤]到電機的體積小、噪音低、控制便利、運行精度高、綜合性能突出且揉捻機各運動構(gòu)件所需的驅(qū)動力矩不大，所以選擇步進電機作為茶葉揉捻機的動力裝置；其次，材料的選擇。如圖2所示，為了保證茶葉揉捻機在使用過程中有足夠的穩(wěn)定性，揉捻機的底座選用重量較大的鑄鐵，必要時可加配重。筒體及運動構(gòu)件結(jié)合強度及成本要求選擇鋼材；再次，控制系統(tǒng)設(shè)計基于成熟、可靠、靈活、易操作等要求，選擇新模塊化緊湊型西門子S7-1200控制器[2]，集成PROFINET接口，可用來編程、HMI連接、和CPU-to-CPU通信，配合觸摸屏加強人機交互。

2.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

為了保證揉捻機構(gòu)順利工作、茶葉出料無障礙，傳動系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)備側(cè)下方，要求能滿足執(zhí)行件動力及轉(zhuǎn)速要求并且結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)由電機、傳動帶及垂直輸出減速器構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 傳動系統(tǒng)示意圖

2.3 揉捻系統(tǒng)設(shè)計

為保證揉捻效果，茶青應(yīng)適度擠壓。因此，設(shè)計揉捻盤與揉捻桶之間的空間應(yīng)逐步縮小并保有間隙。設(shè)計揉捻桶沿揉捻盤圓周平面運動，盤體呈倒錐狀以使茶青在揉捻桶圓周回轉(zhuǎn)時得到逐步擠壓，同時為保證茶青受力均勻分布于盤上，在揉捻盤表面設(shè)置導(dǎo)槽，如圖4所示。

圖4 揉捻機構(gòu)示意圖

揉捻桶的驅(qū)動機構(gòu)是由傳動系統(tǒng)驅(qū)動揉捻主曲柄回轉(zhuǎn)帶動其余揉捻曲柄一起運動實現(xiàn)，如圖5所示

圖5 揉捻桶驅(qū)動機構(gòu)示意圖

2.4 加壓系統(tǒng)設(shè)計

不同類型的茶葉茶青根據(jù)實際加工需要須在揉捻的全程中施加一定的壓力。有別于傳統(tǒng)設(shè)備的人力施壓，本設(shè)計施壓由桶蓋受氣缸驅(qū)動完成。加壓系統(tǒng)可感測相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同力度的加壓，如圖6所示。

圖6 加壓系統(tǒng)示意圖

2.5 壓力自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

不同茶葉有不同的生產(chǎn)工藝，本設(shè)計可根據(jù)前期收集的不同種類茶葉的揉捻指標對設(shè)備進行參數(shù)調(diào)節(jié)以實現(xiàn)不同種類茶葉的加工需求。在控制系統(tǒng)設(shè)計上能實現(xiàn)以下設(shè)計目標：①采用閉環(huán)壓力自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使控制裝置更精準、更靈活地控制該茶葉揉捻機組各揉捻機壓蓋的揉捻壓力，提高茶品質(zhì)量；②采用人機交互界面，更方便用戶使用；③裝置上設(shè)有用于顯示和控制參數(shù)的顯示面板，顯示面板上可設(shè)置茶葉的輕揉時間、輕揉壓力、中揉時間、中揉壓力、重揉時間、重揉壓力，更廣泛的適應(yīng)不同用戶需求。

壓力自適應(yīng)控制系統(tǒng)由壓力檢測傳感器、電氣比例閥和低摩擦氣缸組成。在茶葉的揉捻過程中，壓力檢測傳感器測量揉捻壓力，將檢測結(jié)果反饋給PLC，PLC對壓力測定值和輸入值做比較，通過閉環(huán)自適應(yīng)算法控制電氣比例閥的輸出，從而達到動態(tài)跟蹤揉捻壓力的要求，如圖7所示。

圖7 茶葉揉捻機壓力自適應(yīng)控制原理框圖

壓力傳感器可采用電阻應(yīng)變式測力傳感器作為壓力與電量的轉(zhuǎn)化元件，工作原理是金屬絲發(fā)生彈性變形后，其電阻值相應(yīng)的物理特性發(fā)生變化。為了便于計算，采用電橋測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓?。電橋有直流電橋和交流電橋，其原理相似，本設(shè)計采用交流電橋進行分析。

3 自動揉捻機樣機試驗

為了驗證所設(shè)計的自動揉捻機的各項性能參數(shù)指標，制造了自動揉捻機的樣機，依據(jù)烏龍茶制作標準開展揉捻效果試驗。

3.1 樣機試制

根據(jù)測試系統(tǒng)要求，樣機主要有驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)組成，樣機實物如圖8、9所示。

圖8 樣機實物圖

圖9 控制面板實物圖

3.2 試驗方案

以烏龍茶為例，試驗原料為烏龍茶萎凋葉，含水率61.5%。制茶工藝為：鮮葉→萎凋→做青→炒青→揉捻→解塊→干燥。揉捻工藝為：投放12kg茶青，按揉捻工藝所需時間（烏龍茶約3-4min）和加壓壓力（輕壓0.5min→重壓1min→輕壓0.5min→重壓2min→松壓出茶）進行揉捻。

3.3 試驗結(jié)果

經(jīng)福建省農(nóng)業(yè)機械化研究所檢測，結(jié)果如表1所示，均優(yōu)于常規(guī)制茶標準，試驗情況良好。

表1 樣機檢驗項目及結(jié)果匯總表

4 結(jié)語

傳動制茶領(lǐng)域?qū)ρb備自動化的要求越來越高，一款實用、簡單、設(shè)計合理、穩(wěn)定性良好的揉捻機對制茶環(huán)節(jié)尤為重要。本設(shè)計基于SolidWorks進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)件布局合理等優(yōu)點，尤其是針對揉捻量、揉捻時間以及揉捻力度做了自動化設(shè)計，減少了人力、提高了工作效率。經(jīng)試制樣機檢測，效果良好。