茶葉揉捻機的集成數字化控制系統設計

姜淑華

（常州工程職業技術學院，江蘇常州213164）

茶葉揉捻機的集成數字化控制系統設計

姜淑華

（常州工程職業技術學院，江蘇常州213164）

普通茶葉揉捻機整體構造盡顯笨態，且生產加工需要大量的人工操作，對于生產工人而言未免過于負重。利用步進電機替代普通揉捻機的人工手柄，可實現自動化生產。然而，為了滿足更大的生產需求，茶葉揉捻機的集成數字化控制系統設計大勢所趨。該設計僅對系統局部零構件加以優化，在不低于傳統系統生產強度的前提下，保證其系統更為輕量化。

茶葉揉捻機；集成數字化控制系統；單片機；設計

揉捻加工是茶葉生產極為重要的一道程序，傳統工藝多為人工揉捻，然后逐漸出現采取木質揉捻設備。直至今日，全機械化揉捻機的出現方才實現其自動化的生產過程。機械式揉捻生產仍需人工利用操縱手柄來輔助加工，龐大的產品加工量也會給工人帶來巨大的工作負擔，且產品質量不能保持絕對的穩定。因此，本文通過設計茶葉揉捻機的集成數字化控制系統，徹底解決傳統茶葉揉捻機過于笨重和強度過剩的問題，它是一種基于傳統茶葉揉捻機的升級版本，利用CAD/CAE/CAM等數字集成手段對茶葉揉捻機進而二次升級設計，使得揉捻機整體自重大為降低，生產過程投入的成本也有所控制。更為重要的是，由原來人工通過操縱手柄輔助生產轉變為簡單控制電機即可實現整個生產流程的控制，勞務工人的工作強度大大減小，并逐步實現系統的PLC自動化控制。

1　茶葉揉捻機的工作原理及單片機控制電機運行分析

茶葉揉捻機是一種可保持茶葉纖維組織不致破壞，且能確保茶葉品質均一，操作簡便之茶葉揉捻設備。茶葉揉捻機主要設有一蓮花座、一傳動組和一卷布桿，蓮花座設有數片蓮花片由傳動組帶動蓮花片做開、合之動作，對茶葉進行揉捻及壓縮，由另一驅動馬達帶動蓮花座旋轉，并配合卷布桿，將布質袋自動繞卷成結，令布質袋之容置空間逐漸縮小，達到對茶葉雙重揉捻及縮小體積之功能。換句話說，利用兩組獨立傳動結構帶動心軸使蓮花座旋轉及帶動傳動組的傳動螺桿作正、逆向之旋轉令推板上下移動使蓮花座之蓮花片作開、合之動作并將茶葉收縮、揉捻。茶葉揉捻機作為茶葉加工設備最為關鍵的組成部件，其工作性能與茶葉功效、產品品質不無關系。因此，茶葉揉捻機的工作原理與工藝技術成為生產商和科研機構共同關注的話題。茶葉揉捻加工過程給予茶葉揉捻壓力和揉捻時間也對茶葉產品的品質具有直接影響。本節內容主要闡述茶葉揉捻機的工作原理，并就單片機控制電機運行加以分析。

1.1茶葉揉捻機工作原理

不同茶葉的揉捻加工原理大同小異，將已殺青的茶葉置于揉捻筒倉并由電機帶動以勻速平行的方式做圓周運動。與此同時，茶葉也將承受揉捻筒壁、壓蓋和楞骨等多個方向的共同作用力，使得茶葉隨不同葉片主脈揉捻成為條狀，茶葉細胞遭到破碎。通常，茶葉揉捻機主要包括四個組成要件，即傳動設備、副軸機構、揉捻設備和施壓設備。傳動設備主要由電機、減速設備和齒輪軸來傳遞動力，將動力傳至主軸，然后驅動揉捻筒倉旋轉，旋轉過程施壓大小則是由絲桿與螺母來操縱壓蓋升降得以調整，而由彈簧裝置即可操縱壓蓋的上下浮動。經揉捻筒倉上端口投料，經揉捻加工完成的茶葉由揉捻軸盤的中央出茶門導出。

值得注意的是，茶葉揉捻加工中施壓過程須遵循“先輕后重、勻速增壓、輕重交替和完全釋放壓力（即‘輕→重→輕’）”的基本原則與操作流程。然而，還需合理掌握不同茶葉種類所需的加壓大小和施壓時間，確保整個揉捻加壓過程得當，避免茶葉的芽葉出現斷碎問題。

1.2單片機控制電機運行分析

茶葉揉捻機核心控制部分的主要元件是單片機，其重要作用是產出控制脈沖。利用單片機可編程與執行的功能可產出控制脈沖，可對一般的步進電機角位移量進行控制，然后再對伺服機構進給量予以控制。與此同時，利用單片機編程與執行產出控制脈沖也可控制電機運行頻率及加速度，由此便可對伺服機構進給速度進行控制。通常，構成該控制電路的部件有單片機、驅動芯片、信號分離電路和步進電機等。

1.2.1硬件配置

1.2.1.1選用型號為C8051F005的單片機。C8051F005型單片機是一種具有全集成化特點的混合信號單片機，它由10/12位多通道輸入模數轉換裝置（1路ADC）、12位數模轉換裝置（2路DAC）、電壓比較裝置（2路）、16位定時裝置（可編程）、16位計數裝置列陣、PWM波發生裝置、通用I/0端口（4組）、I2C/SMBus總線、WART串行總線和SPI總線、32KB FLASH內部存儲裝置等共同組成，擁有具有高速性、工業性特點（可允許溫度范圍較大，一般在-45攝氏度～+85攝氏度以內）的核心處理芯片。

1.2.1.2選用型號為L6308的驅動芯片。L6308型驅動芯片乃ST公司研制并在兩相混合步進電機雙極驅動芯片中極為適用，該驅動芯片可配置額定電壓為8～52V和額定電流2.8A的驅動電源，無需另外增配其他電源。為實現驅動的細分化，該驅動芯片內部集成有脈沖分配裝置，而內部控制則通過信號脈沖分配最終實現H橋控制信號輸出。另外，我們所設計的系統擁有五組端口，即P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P2.0。茶葉揉捻機利用單片機P1.1端口控制步進電機并輸入CLOCK，以此控制電機速度，利用單片機P1.2端口來控制CW/CCW即可實現對步進電機旋轉方向的控制。由單片機P2.0端口來驅動芯片，單片機P1.3端口實現整步與半步的選擇，由單片機P1.4可實現對電流衰減的速度控制。

1.2.1.3選用型號為86BYG250FC兩相四線混合步進電機。針對茶葉揉捻機作業狀態，按照不同生產要求，設置不同的電機轉速和揉捻加工時間。因揉捻盤需要不停地上升與下降，電機轉速與水平位移控制過程應該更為簡單化。應用步進電機即可解決傳統揉捻機必須依仗位置傳感器的問題，僅需通過控制開環即可保證揉捻盤的精確定位。因此，我們選用型號為86BYG250FC兩相四線混合步進電機，設置固有步距角度為0.9度～1.8度，轉矩為8.5牛·米，轉動慣量為2.5千克·平方厘米，相電流則為5安。另外，我們也可改變接入C8051F單片機自帶A/D轉換端口AIN0、AIN1和AIN2的電阻阻值大小來控制電機在不同位置的合理揉捻時間。

1.2.2軟件設計

集成數字化控制系統主要包含自動控制與手動控制2種模式。啟動系統之前須合理調整按鈕，即調整A/D轉換端口AIN0、AIN1和AIN2的電阻阻值大小，進而設置各個電機位置的具體揉捻時間。然后，選擇控制模式（自動或手動）。若選擇自動控制模式，須根據提前設置好的系統程序來執行揉捻加工；若選擇手動控制模式，則須利用通過手按壓蓋的方式控制器升降達到目標位置。通常情況下，揉捻筒倉已裝滿茶葉原材料后如選擇自動控制模式利用RTX51Tiny實時操控系統的移植功能實現步進電機的運行控制動作。RTX51Tiny實時操控系統作為Keil內帶的51單片機嵌入式RTOS，它具有諸多優點，如操作簡便、運行穩定和后期維護便利等。

2　新型茶葉揉捻機集成數字化控制系統設計的流程

新型茶葉揉捻機集成數字化控制系統的設計要借助于三維數字模型。該類揉捻機由單片機控制電機運行的方式來替代傳統機械師揉捻機須依靠人工操縱手柄較為落后的方式。新型茶葉揉捻機利用操作鍵盤按下相應按鈕來啟動電機運行實現揉捻生產過程，由此將工人從繁復的工作中解放出來。與此同時，該揉捻機在集成數字化控制系統設計方面也做了極大的優化，減輕設備自重且不降低基本的加工強度標準。

茶葉揉捻機的集成數字化控制系統的設計參照如下流程：

2.1利用UG/CAD技術建立三維數字模型，并對系統各個組成部件進行參數化設計，由此保證整個設計過程的高效性和精確性；

2.2利用UG/CAE實現系統各個組成部件的有限元分析（可建立相關的有限元模型），如分析應力變化、變形情況和疲勞強度等等，通過分析得到各項參數，確保各個組成部件符合茶葉揉捻機集成數字化控制系統的應用要求；

2.3通過設定相應設計變量、約束條件與目標函數即可實現系統各個組成部件的自動化設計過程，以此減少原材料的成本投入，并進一步為設備自重減負；

2.4基于計算機輔助加工CAM可對系統各個組成部件予以仿真加工，可保障部件加工的合理性和精確性。另外，也能降低產品對加工車床的磨損；

2.5各個組成部件的組裝過程應進行全程的干涉檢查，一一排除其設計尺寸問題。同時，利用UG/motion實現茶葉揉捻機加工過程的虛擬仿真，并排除加工干涉的可能性，保障揉捻機設備的運行穩定性。

3　結束語

茶葉揉捻機的集成數字化控制系統是機械式茶葉揉捻機進行設計的，利用UG/CAD等技術手段建立三維數字模型，實現對茶葉揉捻機自重的減負和加工強度標準的進一步優化。該設計引入步進電機作為驅動裝置，其優點不僅限于構造簡單、運行穩定性好和經濟成本低廉，還因其以脈沖驅動形式可與現代數控技術完美融合，因而在現代工業生產中應用較為廣泛。另外，應用C8051F005型單片機和L6308型驅動芯片來控制與驅動86BYG250FC型兩相四線混合步進電機可替代傳統茶葉揉捻機必須依靠人工操作手柄的作業方式，提高系統生產效率的同時又能保證勞務工人的人身安全。經優化的新型茶葉揉捻機實現了自動化生產目標，如能得到廣泛推廣必然收獲極好的經濟效益。

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2013年江蘇省高等教育教改研究立項課題：《高職院校專業課程“微資源”建設的研究與實踐——以重點專業的核心課程“微資源”建設為例》，課題編號：2013JSJG294。

姜淑華（1972-），女，黑龍江齊齊哈爾人，研究生，講師，研究方向：電氣控制。