自動(dòng)曬茶平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究①

榮 莉， 劉 瓊， 龔冬梅， 許文雷， 付理想

(皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 六安 237001)

0 引 言

茶葉在我國(guó)具有悠久的飲用歷史，在促進(jìn)人體健康和增加國(guó)民收入方面中重要的地位[1]。目前，茶業(yè)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，然而我國(guó)茶葉生產(chǎn)機(jī)械化水平低，加之近年來的農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺，茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了嚴(yán)重制約[2]。在現(xiàn)有的制茶工藝中，新摘下來的茶葉需要在陽(yáng)光下攤曬，以除去茶葉中的水分，減少茶葉細(xì)胞中的水分含量，降低其活性并除去細(xì)胞膜的半透性，保證后續(xù)加工能正常充分地進(jìn)行?，F(xiàn)有的攤曬作業(yè)均由人工完成，將采摘下來的茶葉通過盛茶葉的容器移送至?xí)癫鑸?chǎng)、傾倒后，由工人使用耙子等簡(jiǎn)單工具將茶葉攤開進(jìn)行晾曬。在茶葉晾曬的過程中需要人工將茶葉多次翻轉(zhuǎn)，以便茶葉晾曬能夠均勻，這樣需要增加用工人數(shù)和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且工作效率極為低下，需要耗費(fèi)大量時(shí)間、精力才能完成攤曬。

鑒于此，提出一種自動(dòng)化程度高自動(dòng)曬茶的設(shè)計(jì)方案，通過曬茶機(jī)構(gòu)的翻曬實(shí)現(xiàn)曬茶的自動(dòng)化。

1 自動(dòng)曬茶平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)曬茶平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由支撐立架、簸箕支撐架、翻茶機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和行走輪組成。簸箕支撐架用來支撐曬茶簸箕;翻茶機(jī)構(gòu)通過翻茶電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻茶耙轉(zhuǎn)動(dòng)，由耙齒對(duì)茶葉進(jìn)行翻曬;升降機(jī)構(gòu)采用繩牽引的方式，通過升降電機(jī)旋轉(zhuǎn)牽引升降繩拖動(dòng)滾輪，實(shí)現(xiàn)翻茶機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)；行走輪便于自動(dòng)曬茶平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

自動(dòng)曬茶平臺(tái)使用過程如下：先將曬茶簸箕放置在簸箕支撐架上，開動(dòng)升降電機(jī)，通過升降繩的作用將連桿向外拉伸，使翻茶機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)，以便橫架與耙齒之間有一定的距離，便于茶篩放置于橫架上(除去最高層的導(dǎo)向橫架，其它層均可以放置茶篩)。隨后開動(dòng)升降電機(jī)使翻茶機(jī)構(gòu)降下，翻茶耙的耙齒插入茶葉中。在進(jìn)行茶葉晾曬的過程中，翻茶電機(jī)隔一段時(shí)間旋轉(zhuǎn)一次，通過翻茶耙使茶葉翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)茶更加均勻的晾曬。

1.2 基于ADAMS的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，升降機(jī)構(gòu)包括升降電機(jī)、繞繩輪、牽引繩、滾輪和連桿；升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)饒繩輪正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使?fàn)恳K伸縮，牽引繩的另外一端和滾輪軸連接，連桿兩端與滾輪翻茶電機(jī)支撐架均通過軸承連接。當(dāng)升降將牽引繩繞上繞線輪時(shí)，牽引繩被縮短，同時(shí)牽引繩拖動(dòng)滾輪和連桿向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，使翻茶機(jī)構(gòu)上升；同理，升降電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，翻茶機(jī)構(gòu)下降。

1.支撐立架、2.簸箕支撐架、3.翻茶機(jī)構(gòu)、4.升降機(jī)構(gòu)、5.行走輪

1.升降電機(jī)、2.饒繩輪、3.牽引繩、4.滾輪、5.連桿、

6.翻茶電機(jī)支撐架

圖2 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3 ADAMS仿真結(jié)果：翻茶電機(jī)支撐架的位移時(shí)間曲線

為驗(yàn)證升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，現(xiàn)在在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型，在模型上添加相應(yīng)的約束，給定翻茶電機(jī)支撐架的初始位置為原點(diǎn)，在升降電機(jī)上添旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為180d*SIN(pi*time)，時(shí)間為5s，得出翻茶電機(jī)支撐架的時(shí)間位移曲線， 如圖3所示。由圖可知，翻茶電機(jī)支撐架的高度隨著升降電機(jī)的正反旋轉(zhuǎn)而上升和下降，可以滿足設(shè)計(jì)的需求。且采用繩牽引的方式的升降機(jī)構(gòu)，使用一臺(tái)電機(jī)可以控制多層、長(zhǎng)距離的翻茶機(jī)構(gòu)的升降，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。

圖4 自動(dòng)曬茶平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

圖5 自動(dòng)曬茶平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

曬茶平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件主要由STC15F408AD微控制器、NRF24L01+無線接收模塊、直流減速電機(jī)組、電源組成。自動(dòng)曬茶平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

通過控制翻茶機(jī)構(gòu)的翻茶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向?qū)崿F(xiàn)曬茶均勻、全面。通過控制升降機(jī)構(gòu)的升降電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻茶耙在z軸上的升降；每一層曬茶平臺(tái)的控制結(jié)構(gòu)和方式都是相同的。

2.2 程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)曬茶平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)框圖如圖5所示，智能曬茶平臺(tái)運(yùn)行時(shí)，先對(duì)程序進(jìn)行檢測(cè)，程序有誤時(shí)輸出報(bào)警，程序無誤時(shí)檢測(cè)是否接收到遙感信號(hào)，若獲取遙控指令為升降指令，則等待超聲波傳感器判斷安全信號(hào)；當(dāng)判斷為安全時(shí)，表示可進(jìn)行升降，升降電機(jī)工作指示燈亮，升降電機(jī)進(jìn)行升降工作。若獲取遙控指令為翻茶指令，則啟動(dòng)翻茶電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻茶耙進(jìn)行翻茶運(yùn)動(dòng)，當(dāng)翻茶時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后停止翻茶，若未達(dá)到設(shè)定值則繼續(xù)進(jìn)行翻茶運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié) 論

自動(dòng)曬茶平臺(tái)綜合運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制及傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了曬茶的機(jī)械化和自動(dòng)化，為自動(dòng)曬茶平臺(tái)的產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。設(shè)計(jì)了自動(dòng)曬茶平臺(tái)的控制系統(tǒng)，促進(jìn)茶葉晾曬由人工晾曬向機(jī)械晾曬的過渡，降低了勞動(dòng)力成本，解決了目前人工晾曬勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問題，應(yīng)用前景廣闊，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于茶葉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。