基于SolidWorks與西門子PLC控制器的自動化茶葉揉捻機設計與試驗研究

陳育明

（黎明職業大學機電工程與自動化學院，福建 泉州 362000）

中國是茶葉發源地，茶區分布廣、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，使茶葉內含物質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。我國的茶葉生產線中，大部分的揉捻環節設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工人經驗調節，導致茶葉加工品質參差不齊。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及控制系統進行設計，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

本文設計的茶葉揉捻機主要用于茶葉殺青后的揉捻環節，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、揉捻時間均可根據實際工藝要求進行設定后自動完成茶葉的揉捻工序。

設計要求：揉捻機能實現壓力連續加壓及實時顯示，通過PID參數設置實現揉桶在揉捻茶葉時轉速穩定。揉捻茶葉時捻桶蓋壓力穩定，達到揉捻工藝自動化操作。設備工作過程能解決茶葉揉捻過程中被“壓死”、“過揉”、條索結團、斷碎等問題，提高茶葉品質的穩定性的同時降低勞動強度，提高生產效率。

1.2 組成

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

圖1 茶葉揉捻機設計組成圖

傳動系統主要用于輸入適當的動力及轉速，包括：電機、帶傳動裝置、減速器；加壓系統主要用于實現桶蓋的加壓及增減壓，包括氣動加壓器和桶蓋；揉捻系統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 茶葉揉捻機設計

2.1 茶葉揉捻機總體設計

設計總體要求：揉茶量4-12公斤；具備上料簡便、自動加壓、自動出料等功能；用戶可根據不同茶類品種需求設定調節揉捻次數、壓力、時間等參數。

根據圖1所示的揉捻機設計組成，采用Solidwork軟件對茶葉揉捻機各部件進行三維建模，設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件所需的驅動力矩不大，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。筒體及運動構件結合強度及成本要求選擇鋼材；再次，控制系統設計基于成熟、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 傳動系統設計

為了保證揉捻機構順利工作、茶葉出料無障礙，傳動系統設計在設備側下方，要求能滿足執行件動力及轉速要求并且結構緊湊。系統由電機、傳動帶及垂直輸出減速器構成，如圖3所示。

圖3 傳動系統示意圖

2.3 揉捻系統設計

為保證揉捻效果，茶青應適度擠壓。因此，設計揉捻盤與揉捻桶之間的空間應逐步縮小并保有間隙。設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，在揉捻盤表面設置導槽，如圖4所示。

圖4 揉捻機構示意圖

揉捻桶的驅動機構是由傳動系統驅動揉捻主曲柄回轉帶動其余揉捻曲柄一起運動實現，如圖5所示

圖5 揉捻桶驅動機構示意圖

2.4 加壓系統設計

不同類型的茶葉茶青根據實際加工需要須在揉捻的全程中施加一定的壓力。有別于傳統設備的人力施壓，本設計施壓由桶蓋受氣缸驅動完成。加壓系統可感測相關數據，實現不同力度的加壓，如圖6所示。

圖6 加壓系統示意圖

2.5 壓力自適應控制系統設計

不同茶葉有不同的生產工藝，本設計可根據前期收集的不同種類茶葉的揉捻指標對設備進行參數調節以實現不同種類茶葉的加工需求。在控制系統設計上能實現以下設計目標：①采用閉環壓力自適應控制系統，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，提高茶品質量；②采用人機交互界面，更方便用戶使用；③裝置上設有用于顯示和控制參數的顯示面板，顯示面板上可設置茶葉的輕揉時間、輕揉壓力、中揉時間、中揉壓力、重揉時間、重揉壓力，更廣泛的適應不同用戶需求。

壓力自適應控制系統由壓力檢測傳感器、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，將檢測結果反饋給PLC，PLC對壓力測定值和輸入值做比較，通過閉環自適應算法控制電氣比例閥的輸出，從而達到動態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控制原理框圖

壓力傳感器可采用電阻應變式測力傳感器作為壓力與電量的轉化元件，工作原理是金屬絲發生彈性變形后，其電阻值相應的物理特性發生變化。為了便于計算，采用電橋測量電路將電阻的變化轉變為電流或電壓的變化。電橋有直流電橋和交流電橋，其原理相似，本設計采用交流電橋進行分析。

3 自動揉捻機樣機試驗

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

3.1 樣機試制

根據測試系統要求，樣機主要有驅動系統、傳動系統、控制系統及執行系統組成，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 試驗結果

經福建省農業機械化研究所檢測，結果如表1所示，均優于常規制茶標準，試驗情況良好。

表1 樣機檢驗項目及結果匯總表

4 結語

傳動制茶領域對裝備自動化的要求越來越高，一款實用、簡單、設計合理、穩定性良好的揉捻機對制茶環節尤為重要。本設計基于SolidWorks進行結構設計，具有結構簡單，構件布局合理等優點，尤其是針對揉捻量、揉捻時間以及揉捻力度做了自動化設計，減少了人力、提高了工作效率。經試制樣機檢測，效果良好。