基于SolidWorks與西門(mén)子PLC控制器的自動(dòng)化茶葉揉捻機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

陳育明

（黎明職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 泉州 362000）

中國(guó)是茶葉發(fā)源地，茶區(qū)分布廣、資源豐富，茶葉種類(lèi)之多堪稱(chēng)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(shí)破壞茶鮮葉細(xì)胞組織，使茶葉內(nèi)含物質(zhì)附著于茶青表面的過(guò)程。揉捻分為兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)揉，即使茶葉成條；一個(gè)捻，可使茶葉細(xì)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(guó)的茶葉生產(chǎn)線(xiàn)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(yàn)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(mén)子PLC控制器對(duì)茶葉揉捻機(jī)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得合適的揉捻壓力和揉捻速度。

1 茶葉揉捻機(jī)分析

1.1 茶葉揉捻機(jī)基本功能

本文設(shè)計(jì)的茶葉揉捻機(jī)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(guò)程中，桶蓋的加壓、投葉量控制、揉捻力度、揉捻時(shí)間均可根據(jù)實(shí)際工藝要求進(jìn)行設(shè)定后自動(dòng)完成茶葉的揉捻工序。

設(shè)計(jì)要求：揉捻機(jī)能實(shí)現(xiàn)壓力連續(xù)加壓及實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)PID參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)揉桶在揉捻茶葉時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。揉捻茶葉時(shí)捻桶蓋壓力穩(wěn)定，達(dá)到揉捻工藝自動(dòng)化操作。設(shè)備工作過(guò)程能解決茶葉揉捻過(guò)程中被“壓死”、“過(guò)揉”、條索結(jié)團(tuán)、斷碎等問(wèn)題，提高茶葉品質(zhì)的穩(wěn)定性的同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1.2 組成

本設(shè)計(jì)的基本組成：底座、傳動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)組成圖

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

2 茶葉揉捻機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 茶葉揉捻機(jī)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)總體要求：揉茶量4-12公斤；具備上料簡(jiǎn)便、自動(dòng)加壓、自動(dòng)出料等功能；用戶(hù)可根據(jù)不同茶類(lèi)品種需求設(shè)定調(diào)節(jié)揉捻次數(shù)、壓力、時(shí)間等參數(shù)。

根據(jù)圖1所示的揉捻機(jī)設(shè)計(jì)組成，采用Solidwork軟件對(duì)茶葉揉捻機(jī)各部件進(jìn)行三維建模，設(shè)計(jì)出茶葉揉捻機(jī)的三維模型如圖2所示。

圖2 茶葉揉捻機(jī)的三維模型

首先，茶葉揉捻機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置選擇?？紤]到電機(jī)的體積小、噪音低、控制便利、運(yùn)行精度高、綜合性能突出且揉捻機(jī)各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件所需的驅(qū)動(dòng)力矩不大，所以選擇步進(jìn)電機(jī)作為茶葉揉捻機(jī)的動(dòng)力裝置；其次，材料的選擇。如圖2所示，為了保證茶葉揉捻機(jī)在使用過(guò)程中有足夠的穩(wěn)定性，揉捻機(jī)的底座選用重量較大的鑄鐵，必要時(shí)可加配重。筒體及運(yùn)動(dòng)構(gòu)件結(jié)合強(qiáng)度及成本要求選擇鋼材；再次，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(mén)子S7-1200控制器[2]，集成PROFINET接口，可用來(lái)編程、HMI連接、和CPU-to-CPU通信，配合觸摸屏加強(qiáng)人機(jī)交互。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.3 揉捻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖4 揉捻機(jī)構(gòu)示意圖

揉捻桶的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)揉捻主曲柄回轉(zhuǎn)帶動(dòng)其余揉捻曲柄一起運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示

圖5 揉捻桶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同類(lèi)型的茶葉茶青根據(jù)實(shí)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(jì)施壓由桶蓋受氣缸驅(qū)動(dòng)完成。加壓系統(tǒng)可感測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)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(jì)

不同茶葉有不同的生產(chǎn)工藝，本設(shè)計(jì)可根據(jù)前期收集的不同種類(lèi)茶葉的揉捻指標(biāo)對(duì)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)茶葉的加工需求。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上能實(shí)現(xiàn)以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：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(zhǔn)、更靈活地控制該茶葉揉捻機(jī)組各揉捻機(jī)壓蓋的揉捻壓力，提高茶品質(zhì)量；②采用人機(jī)交互界面，更方便用戶(hù)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(shí)間、輕揉壓力、中揉時(shí)間、中揉壓力、重揉時(shí)間、重揉壓力，更廣泛的適應(yīng)不同用戶(hù)需求。

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

圖7 茶葉揉捻機(jī)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(cè)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(jì)算，采用電橋測(cè)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(jì)采用交流電橋進(jìn)行分析。

3 自動(dòng)揉捻機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)揉捻機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)，制造了自動(dòng)揉捻機(jī)的樣機(jī)，依據(jù)烏龍茶制作標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展揉捻效果試驗(yàn)。

3.1 樣機(jī)試制

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)要求，樣機(jī)主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)組成，樣機(jī)實(shí)物如圖8、9所示。

圖8 樣機(jī)實(shí)物圖

圖9 控制面板實(shí)物圖

3.2 試驗(yàn)方案

以烏龍茶為例，試驗(yàn)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(shí)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(jìn)行揉捻。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，均優(yōu)于常規(guī)制茶標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)情況良好。

表1 樣機(jī)檢驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果匯總表

4 結(jié)語(yǔ)

傳動(dòng)制茶領(lǐng)域?qū)ρb備自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，一款實(shí)用、簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定性良好的揉捻機(jī)對(duì)制茶環(huán)節(jié)尤為重要。本設(shè)計(jì)基于SolidWorks進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)件布局合理等優(yōu)點(diǎn)，尤其是針對(duì)揉捻量、揉捻時(shí)間以及揉捻力度做了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，減少了人力、提高了工作效率。經(jīng)試制樣機(jī)檢測(cè)，效果良好。