自动化茶叶揉捻机的设计与实现

随着茶叶加工生产规模的不断扩大，人工操作揉捻机逐渐显露出劣势，如劳动强度大、工作效率低、操作时存在安全隐患等。本文设计的利用STC12C5A60S2单片机控制的自动化茶叶揉捻机简化了结构设计，减少了研发成本，从根本上代替了传统茶叶揉捻机人工弯腰操作，避免了运行过程中手动加压的危险，提高了自动化水平，提高了生产效率和茶叶企业的经济效益，使揉捻出来的茶叶品质更稳定。在自动化技术发展的压力下，国内外企业对设备自动化的程度要求也在逐步提高。本自动化茶叶揉捻机解放了原始手工操作茶叶揉捻机的操作模式，实现了智能化、自动化和连续化运行。

1　普通茶叶揉捻机现状及存在问题

揉捻是茶叶制备中重要的加工工艺。茶叶揉捻的实质是使杀青叶在揉桶中不断翻滚、搓揉，使之成卷。在我国茶厂大规模揉捻生产工艺中，茶叶揉捻突出表现为以手工单机作业为主，自动化水平低。目前市场上的茶叶揉捻机主要为日照盛华茶叶机械有限公司生产的6CR系列揉捻机，主要由机架、传动机构、揉桶、升降机构、揉盘及回转机构组成。该系列揉捻机需人工操作，难以实现茶叶揉捻环节的自动化流水作业。

普通茶叶揉捻机的主要结构是将揉盘固定于机架上，揉桶做回旋运动的揉捻机。通过螺旋加压作用于揉桶盖上，调整茶叶揉捻的压力。其特点是，由人工手动控制揉捻压力，对人工的揉捻经验的要求高。

其弊端在于：

（1）手工操作门栓和下料盘效率低，很难与其他制茶工序节拍相符。

（2）茶叶碎茶率高，跑茶率高。

（3）手工加压，加压效率低，费时费力，运行过程中加压存在安全隐患。如图1所示。

图1　普通茶叶揉捻机手动加压，存在安全隐患

（4）揉捻自动化程度低，对操作工人的技能要求较高，生产出的茶叶品质不一等。

2　自动化茶叶揉捻机的结构及控制系统设计

茶叶企业所要追求的是自动化茶叶揉捻机带来的便捷功能，而不是茶叶揉捻机本身的结构形状。针对普通茶叶揉捻机存在的问题，本自动化茶叶揉捻机和普通茶叶揉捻机相比，外观没有较大改变，但在关键部位进行了自动化设计及优化，设计的关键是要满足一定的功能，提高茶叶揉捻机便捷性和效益型。

因传统茶叶揉捻机存在一些弊端，如人工操作加压手轮、门栓、下料盘，劳动强度大、工作效率低、安全保障性低等问题，这就要求研发出更加可控化、自动化的揉捻机，所以本文研究的是利用集成数字化系统控制的揉捻机。以下是自动化茶叶揉捻机的设计方案：

2.1　自动化茶叶揉捻机功能分析及求解

本文采用功能设计法对自动化茶叶揉捻机进行功能分析、求解。通过功能元求解，列出形态学矩阵，见表1。

表1　自动化茶叶揉捻机功能形态学矩阵

通过分析形态学矩阵，结合机械结构基础知识以及茶叶揉捻工艺的研究，并对方案进行比较和优化，得出最佳的方案组合为：A2-B4-C1-D4-E2。即，动力源采用电动机，采用带传动机构，加压成曲方式，螺旋循环模式，下料盘翻动出料。该方案便捷可行、造价较低、能实现自动化运行。

2.2　自动化茶叶揉捻机结构设计

本自动化茶叶揉捻机由主电机、带传动、减速器、平行四边形机构（加压机构、桶毂、揉捅、连杆）、揉盘、丝杆传动、步进电机、电动推杆、压力传感器、控制模块组成。整机装配图和实物图分别如图2和图3所示。

图2　自动化茶叶揉捻机整机装配示意图

注：1-步进电机；2-揉盘；3-短电动推杆；4-长电动推杆；5-门栓；6-下料盘；7-支柱；8-捅毂；9-揉捅；10-加压盖；11-压力传感器；12-加压横臂；13-丝杆螺母机构；14-梅花型弹性联轴器；15-控制模块柜。

图3　自动化茶叶揉捻机实物图

本自动化茶叶揉捻机利用一长一短两个电动推杆代替人工操作门栓左右摇摆和下料盘开闭，提高了工作效率。利用步进电机结合梅花弹性联轴器、锥齿轮轴、丝杆螺母机构和加压盖传动进行揉捻加压，加压杆上设置有足立NA2称重传感器，能对加压过程中压力进行精确检测和传输。用STC12C5A60S2单片机控制步进电机正反转代替人工转动手柄正反转，可实现加压自动化、可控化。

2.3　自动化茶叶揉捻机控制系统设计

利用STC12C5A60S2单片机及继电器、开关电源、驱动器、高清显示屏组成的控制模块对揉捻过程的加压模式（压力大小、加压形式、加压时长）进行设置并控制执行。其中，控制界面参数清晰可读，每次揉捻前可根据不同茶叶揉捻工艺设置不同揉捻参数或延用上一次揉捻程序，也可从STC12C5A60S2单片机库函数中调用揉捻程序，具有自定义和库函数调用揉捻程序双功能。

此自动化茶叶揉捻机操作界面可视化、屏幕显示即视化、自主设置程序或调用程序可选择化。控制界面显示效果如图4所示，单片机控制系统流程如图5所示。

图4　控制界面显示效果

图5　单片机控制系统流程

3　自动化茶叶揉捻机运行过程

3.1　自动化茶叶揉捻机整机系统控制流程

自动化茶叶揉捻机整机系统控制流程图如图6所示。

图6　整机系统控制流程图

3.2　自动化茶叶揉捻机整机运行流程

在初始状态下，短电动推杆带动门栓顶住下料盘，长电动推杆通过连杆及下料盘轴传递顶住下料盘，丝杆螺母机构底部安装有用于支撑步进电机的底座。步进电机的输出端通过梅花型弹性联轴器和锥齿轮轴相连接，锥齿轮轴轴端和丝杆螺母机构丝杆轴锥齿轮端唸合。由STC12C5A60S2单片机及控制模块附件组成的控制系统控制步进电机正转，进而带动联轴器和锥齿轮正转，进而带动丝杆正向旋转，进而带动加压盖向下运动。步进电机安装如图7所示。

图7　步进电机安装

其中，加压横臂通过嵌套的方式镶嵌在包裹丝杆的支撑柱架上，并通过紧定螺钉结合丝杆螺母机构与丝杆传动连接。加压横臂下固定有压力传感器，压力传感器上下两端有支撑方块，支撑方块通过螺栓和相接触的长方形支撑板连接。两片长方形支撑板上钻有螺纹孔，与上下两片长方形支撑板相连接的上下段加压柱中也钻有与此相匹配的内螺纹孔，通过对应尺寸的螺钉和弹簧垫圈组合，分别连接上下加压柱和对应的上下长方形支撑板。上下段加压柱子外围有弹簧嵌套，弹簧用于加压过程中的缓冲减震。上段加压柱子顶部通过大螺母和大垫圈与加压横臂相连接。如图8所示。

图8　加压结构实物图

当主电机控制加压盖一直向下运动，加压盖和杀青叶接触时，压力越来越大，达到设定的初始压力时，主电机启动，揉桶装着杀青叶相对揉盘旋转运动，开始揉捻杀青叶。经过一段时间揉捻，加压式揉捻结束。主电机继续转动，此时控制系统控制步进电机反转，步进电机通过丝杆螺母机构的传动作用，带动加压盖向上进行回程运动。当丝杆螺母机构带动加压盖沿着支撑柱架导向轨道方向运动到顶端时，通过红外感应控制其停止运动。然后，控制系统控制短电动推杆反向运动，进而短电动推杆控制门栓反向摆动，使门栓脱离顶住下料盘状态。如图9所示。

图9　门栓关闭结构实物图

控制系统控制长电动推杆反向运动，使下料盘开启，让揉捻完毕的茶叶进行出料。此时，长电动推杆会一直反向运动到极限位置，主电机仍旧运行一段时间，目的是让揉捻后的杀青叶出料更完全。经过一段时间后，主电机停止运行，控制系统控制长电动推杆伸出，使下料盘关闭，控制系统控制短推杆伸出，使门栓锁住下料盘，成为顶住下料盘状态。至此，自动化茶叶揉捻机运行过程全部结束。

4　结语

目前，我国茶叶揉捻机在揉捻作业方面大多数实现了机械化生产，但茶叶揉捻自动化生产仍需改善和提高。本文研究的自动化茶叶揉捻机在进行结构设计时，创新地采用了STC12C5A60S2单片机结合相关模块组成的控制系统精确化自动控制整个揉捻过程，取代了人工旋转手轮进行加压，替代了手工摇摆门栓和开闭下料盘低效操作模式。从结构优化设计与自动化工艺相结合的角度出发，研发出更迎合市场需求的自动化茶叶揉捻机，提高了自动化水平和经济效益，对降低劳动强度、提高揉捻效率具有重要意义。

近年来，随着人工智能相关技术与产业的发展，在自动化茶叶揉捻机的基础上，在“中国制造2025”国策的时代背景下，汲取“人工智能”精华，发展智能化茶叶揉捻机具有广阔的前景。

参考文献

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基金项目：福建农林大学教务处机械设计制造及其自动化专业综合改革试点（322-1114S1205）。

（作者张祖明系福建农林大学机电工程学院硕士研究生）