猴魁茶叶捏尖装置的设计与研究

孙 旋，陆佳平，米 福，方继凡

（1.江南大学 机械工程学院，江苏无锡 214122；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122；3.黄山市猴坑茶业有限公司，安徽黄山 245700）

0 引言

“茶之为饮，发乎神农”，中国是茶文化的发源地[1]。作为中国名优茶的猴魁茶叶以肥厚壮实、色泽苍绿、茶汤清爽的品质深受人们喜爱。目前传统手工猴魁茶制作工艺满足不了市场日益增长的需求，原因在于猴魁茶外形独特，制作工艺流程复杂特殊，造成猴魁茶叶制作机械化、自动化水平低[2-3]。传统猴魁茶工艺流程分为采摘、摊放、杀青、理条、整形捏尖、压扁与烘干等工序[4]。其中整形捏尖自动化程度最低，现在的整形工艺是采用一对压辊对滚的形式进行整形压扁，尚处于试验阶段，而且忽视传统捏尖的工艺流程[5]。此外传统猴魁茶捏尖效果完全凭借制作者的操作水平，没有统一标准。为解决上述问题，基于传统捏尖工艺，设计一款结构合理、操作方便的机械化捏尖装置，并通过简化试制样机试验分析，确定猴魁茶捏尖工艺参数，提高猴魁茶捏尖制作工艺的标准化。

1 研究对象、功能与要求

选取黄山市猴坑区猴魁茶叶为研究对象，茶叶体型硕大，杀青后长度在50～70 mm，工艺合适压力为0.5～8.5 N。为便于研究，以长度为50，60，70 mm猴魁茶叶为研究对象。猴魁茶叶捏尖装置需实现茶叶的输送、捏尖机械手的开合、捏尖机械手的旋转与茶叶的输出等4项功能。猴魁茶叶捏尖装置设计的要求需满足：①保证与现存猴魁茶叶设备衔接流畅；②结构设计稳定可靠，捏尖效果满足工艺指标；③实现模块化设计，生产效率满足企业要求；④结构设计合理紧凑，外形美观，占地面积小[6]。

2 技术方案设计

2.1 工艺分析

传统猴魁茶叶捏尖制作工艺流程包含取料、整形、捏尖与排料等4道工序。制作者从盛放有杀青后猴魁茶的竹筐中挑取合格茶叶，一只手用拇指与食指捏住猴魁茶根部10 mm处，另一只手通过拇指、食指与中指沿着茶叶从根部10 mm处撸顺到叶尖10 mm处；完成整形动作后，两只手状态保持不变，相向旋转一定角度完成捏尖动作；将捏尖后的茶叶整齐排列在方形压扁网筛内，以待压扁工序。

目前处于试验中的机械化设备，在处理上述工艺流程并没有遵循传统捏尖工艺，而是采用替代的方法，如图1所示。茶叶进入进料口后通过齿轮实现茶叶的扭转，并在一对辊轮的牵拉动作下，茶叶边扭转边向下运动，完成整形捏尖工艺。由于猴魁茶的不规则导致其牵拉力不易控制，且该方案需要手动上料，无法实现全机械化生产目标。

图1 试验阶段猴魁茶整形捏尖机构简图Fig.1 Schematic diagram of Houkui tea shaping and pinching mechanism in the experimental stage

根据上述问题，提出如图2所示设计方案，包含理条工位、进料工位、捏尖工位、出料工位与排版工位，其中进料工位、捏尖工位与出料工位是主要研究内容。在猴魁茶捏尖直线型工艺路线中，由于执行机构较少，为便于设计、保证结构简洁，采用单工位间歇式结构。间歇式运动通过槽轮机构与端面盘形凸轮机构来实现[7]，将主动轴的连续运动转换为单向间歇旋转运动与双侧停歇往复直线运动[8]。猴魁茶叶从理条工位区经输送带输送落到进料工位的落料槽，通过链条将茶叶输送到捏尖工位；然后在压缩弹簧与齿轮旋转的作用下，捏尖手夹住茶叶并绕定轴转动一定角度，完成整形捏尖工艺；最后凸轮推动推杆，使捏尖手张开，释放茶叶，捏尖后茶叶被输送到出料工位，落到排版工位的输送带上，进入后面工序。

图2 猴魁茶捏尖工艺路线图Fig.2 Houkui tea pinching process route map

2.2 总体结构

2.2.1 执行机构猴魁茶捏尖装置主要包含捏尖机构、输送机构与主传送系统，如图3所示。为节约空间，将原动件电机、执行机构传动件带轮、槽轮布置于机架下方[9]，其中传动件槽轮集中布置在分配轴上；端面凸轮与捏尖手对称布置在复合输送链两边[10]。

图3 猴魁茶捏尖执行机构示意图Fig.3 Schematic diagram of Houkui tea pinching actuating mechanism

2.2.2 传动系统示意图

如图4所示，电机经过同步带轮将动力传给主动轴[11]，主动轴将动力传给槽轮9、槽轮7、槽轮11机构，实现间歇运动。其中槽轮9通过同步带轮8带动轴3旋转，实现端面凸轮绕轴转动，通过端面凸轮表面轮廓推动捏尖手推杆，实现捏尖手的张开；槽轮7通过同步带轮6带动齿轮转动，捏尖手在齿轮的啮合传动作用下，完成旋转捏尖工艺；槽轮11通过同步带轮12带动复合链轮13实现间歇转动，完成猴魁茶叶的输送功能。

图4 猴魁茶捏尖传动系统示意图Fig.4 Schematic diagram of Houkui tea pinching transmission system

2.3 工作循环

猴魁茶捏尖装置主传送系统将原动件的动力通过主动轴传给各个执行机构。各个执行机构工作时在时间与空间上相互配合，保证装置能够正常工作，不发生时间上错位与空间上干涉。据此编制直线型工作循环图[12]，如图5所示。其中，以主动轴旋转360°为1个工作周期，以斜线表示该机构在所在时间内运动，以直线表示机构的静止或匀速运动。通过图可知，捏尖工艺设计合理，各个执行机构工作配合有序，没有发生相互干涉。在1个工作周期内，输送机构动作1次，捏尖机构经历1次闭合张开动作和1次旋转捏尖动作。

图5 猴魁茶捏尖机构工作循环图Fig.5 Working cycle diagram of Houkui tea pinching mechanism

3 主要机构设计

3.1 捏尖机构

3.1.1 捏尖机构原理设计与分析

捏尖机构原理如图6所示。当猴魁茶叶达到捏尖工位时，槽轮通过同步带轮带动端面凸轮绕定轴转动一定角度，使推杆在压缩弹簧的作用下从远休止端运动到近休止端，此时捏尖手处于闭合状态。捏尖手闭合后，槽轮通过同步带轮使齿轮组转动一定圈数。由于齿轮组与捏尖手固联，所以捏尖手随其转动一定圈数，完成捏尖动作。当捏尖完成后，端面凸轮在传动构件的作用下，使推杆克服弹簧压力，从近休止端运动到远休止端，此时捏尖手处于张开状态，等待下一根猴魁茶进入捏尖工位。

图6 猴魁茶捏尖机构原理图Fig.6 Schematic diagram of the pinching mechanism of Houkui tea

3.1.2 捏尖结构设计

如图7所示，捏尖机构包含捏手、齿轮、端面凸轮、带轮，槽轮与带轮等零部件。捏尖手通过齿轮与端面凸轮共同作用完成捏尖工艺。

图7 猴魁茶捏尖结构示意图Fig.7 Schematic diagram of the pinching structure of Houkui tea

3.2 输送机构

3.2.1 输送机构原理设计与分析

输送原理如图8所示。当猴魁茶叶由上一工位落在落料槽内，链轮机构会将茶叶输送到捏尖工位完成捏尖工艺；完成之后，链轮机构继续输送到下一工位。输送过程中输送机构有动有停，将主动轴的连续运动转为间歇运动。

图8 输送机构原理图Fig.8 Schematic diagram of conveying mechanism

3.2.2 输送机构结构设计

如图9所示，输送机构包含复合链轮链条传动机构、同步带轮与槽轮机构。复合链条机构用来输送猴魁茶叶。槽轮机构将主动轴连续运动转为间歇转动，将动力通过同步带轮传给链轮链条，完成输送功能。

图9 输送机构结构示意Fig.9 Schematic diagram of the conveying mechanism

4 试验与结果分析

4.1 试验对象与设备

（1）研究对象：长度为50，60，70 mm的猴魁茶叶。

（2）试验设备：试制如图10所示实体样机。样机包含步进电机、锥齿轮组、齿轮组、捏尖手、落料槽、控制器、arduino单片机与24VDC电源[13-14]。工作时，捏尖手张开，将茶叶放在落料槽内后，在压缩弹簧作用下，捏尖手闭合。步进电机通过锥齿轮组与齿轮组，将动力传递给捏尖手，此时一对捏尖手相向绕定轴转动。电机选取57步进电机，运动精度高，而且便于控制。在编程环境窗口中，向arduino单片机发送指定脉冲数便可以实现电机转动相应的角度。

图10 猴魁茶捏尖装置样机Fig.10 Prototype of Houkui tea pinching device

4.2 试验与结果分析

分3组进行试验，每组选取15根长度一致的猴魁茶叶，分别用试制样机的一对捏尖手夹住茶叶根部与叶尖10 mm处，通过自编程序命令行，在编程环境内命令窗口发送脉冲数，通过步进电机来驱动捏尖手的旋转角度。其中，捏尖旋转角度=发送脉冲数/1 600。第1组试验选取630°为基数，每组进行15次，第n次试验发送2 800+40（n-1）个脉冲，即每次在上一次试验基础上增加9 °旋转角度。第2组的捏尖旋转基数为第1组的最优捏尖角度，第3组的捏尖旋转基数为第2组的最优捏尖角度。由于试验指标为定性指标，为便于确定捏尖参数，根据捏尖品相、捏尖是否有出汁与撕裂，对捏尖效果予以定量打分，将打分结果作为试验结果。捏尖效果评定参考标准与试验结果分别如表1，2所示。

表1 猴魁茶叶捏尖效果评定参考标准Tab.1 Reference standard for the evaluation of the pinching effect of Houkui tea

表2 3种长度猴魁茶叶的15组试验结果Tab.2 Test results of 15 groups of three lengths of Houkui tea leaves

通过上表分析，当捏尖旋转达到最优角度之前，猴魁茶叶的捏尖效果与旋转角度近似成正比；当捏尖旋转角度超过最优角度之后，捏尖效果随着旋转角度变得越来越差，并且出现出汁与叶片撕裂现象。当捏尖手分别旋转720，810，855°时，对应50，60，70 mm的猴魁茶叶的捏尖效果最好，达到工艺要求指标。

5 结语

针对猴魁茶叶市场需求与捏尖工艺机械化水平低问题，根据传统猴魁茶捏尖制作工艺，对捏尖装置进行分析与设计。通过对捏尖工艺的分析，对主要机构即捏尖机构与输送机构进行原理分析与机构上的设计，并且完成整机的建模与传动系统的布局。通过编制猴魁茶捏尖机构的工作循环图，确保机构中各个执行构件的正确运动规律。最后通过试制样机的试验，确定机构方案的可行性与猴魁茶叶捏尖装置的主要工艺参数，即50，60，70 mm长度的猴魁茶应捏尖旋转最优角度参数。装置整体结构紧凑，设计合理，对提高猴魁茶叶生产效率与实现捏尖机械化生产提供可能。