基于SolidWorks与西门子PLC控制器的自动化茶叶揉捻机设计与试验研究

陈育明

（黎明职业大学机电工程与自动化学院，福建 泉州 362000）

中国是茶叶发源地，茶区分布广、资源丰富，茶叶种类之多堪称世界之最。茶叶揉捻是鲜叶杀青之后的制作工序，指的是借助外力使茶青成条，同时破坏茶鲜叶细胞组织，使茶叶内含物质附着于茶青表面的过程。揉捻分为两个动作：一个揉，即使茶叶成条；一个捻，可使茶叶细胞破碎，挤出茶汁，使茶汁附在茶条表面，增加黏性，有利于茶叶外形形成。我国的茶叶生产线中，大部分的揉捻环节设备速度和压力控制都依靠人工操作，揉捻力度和速度大小依据工人经验调节，导致茶叶加工品质参差不齐。因此，本文将基于SolidWorks[1]与西门子PLC控制器对茶叶揉捻机机构及控制系统进行设计，以获得合适的揉捻压力和揉捻速度。

1 茶叶揉捻机分析

1.1 茶叶揉捻机基本功能

本文设计的茶叶揉捻机主要用于茶叶杀青后的揉捻环节，上料后，在茶叶揉捻过程中，桶盖的加压、投叶量控制、揉捻力度、揉捻时间均可根据实际工艺要求进行设定后自动完成茶叶的揉捻工序。

设计要求：揉捻机能实现压力连续加压及实时显示，通过PID参数设置实现揉桶在揉捻茶叶时转速稳定。揉捻茶叶时捻桶盖压力稳定，达到揉捻工艺自动化操作。设备工作过程能解决茶叶揉捻过程中被“压死”、“过揉”、条索结团、断碎等问题，提高茶叶品质的稳定性的同时降低劳动强度，提高生产效率。

1.2 组成

本设计的基本组成：底座、传动系统、加压系统、揉捻系统及控制系统，如图1所示。

图1 茶叶揉捻机设计组成图

传动系统主要用于输入适当的动力及转速，包括：电机、带传动装置、减速器；加压系统主要用于实现桶盖的加压及增减压，包括气动加压器和桶盖；揉捻系统主要完成指定力度和时间的揉捻工序，包括：茶桶、揉捻盘、揉捻曲柄、出料底盘；控制系统用于投叶量、揉捻力度和揉捻时间的控制，包括：PLC控制器和触摸屏等。

2 茶叶揉捻机设计

2.1 茶叶揉捻机总体设计

设计总体要求：揉茶量4-12公斤；具备上料简便、自动加压、自动出料等功能；用户可根据不同茶类品种需求设定调节揉捻次数、压力、时间等参数。

根据图1所示的揉捻机设计组成，采用Solidwork软件对茶叶揉捻机各部件进行三维建模，设计出茶叶揉捻机的三维模型如图2所示。

图2 茶叶揉捻机的三维模型

首先，茶叶揉捻机驱动装置选择。考虑到电机的体积小、噪音低、控制便利、运行精度高、综合性能突出且揉捻机各运动构件所需的驱动力矩不大，所以选择步进电机作为茶叶揉捻机的动力装置；其次，材料的选择。如图2所示，为了保证茶叶揉捻机在使用过程中有足够的稳定性，揉捻机的底座选用重量较大的铸铁，必要时可加配重。筒体及运动构件结合强度及成本要求选择钢材；再次，控制系统设计基于成熟、可靠、灵活、易操作等要求，选择新模块化紧凑型西门子S7-1200控制器[2]，集成PROFINET接口，可用来编程、HMI连接、和CPU-to-CPU通信，配合触摸屏加强人机交互。

2.2 传动系统设计

为了保证揉捻机构顺利工作、茶叶出料无障碍，传动系统设计在设备侧下方，要求能满足执行件动力及转速要求并且结构紧凑。系统由电机、传动带及垂直输出减速器构成，如图3所示。

图3 传动系统示意图

2.3 揉捻系统设计

为保证揉捻效果，茶青应适度挤压。因此，设计揉捻盘与揉捻桶之间的空间应逐步缩小并保有间隙。设计揉捻桶沿揉捻盘圆周平面运动，盘体呈倒锥状以使茶青在揉捻桶圆周回转时得到逐步挤压，同时为保证茶青受力均匀分布于盘上，在揉捻盘表面设置导槽，如图4所示。

图4 揉捻机构示意图

揉捻桶的驱动机构是由传动系统驱动揉捻主曲柄回转带动其余揉捻曲柄一起运动实现，如图5所示

图5 揉捻桶驱动机构示意图

2.4 加压系统设计

不同类型的茶叶茶青根据实际加工需要须在揉捻的全程中施加一定的压力。有别于传统设备的人力施压，本设计施压由桶盖受气缸驱动完成。加压系统可感测相关数据，实现不同力度的加压，如图6所示。

图6 加压系统示意图

2.5 压力自适应控制系统设计

不同茶叶有不同的生产工艺，本设计可根据前期收集的不同种类茶叶的揉捻指标对设备进行参数调节以实现不同种类茶叶的加工需求。在控制系统设计上能实现以下设计目标：①采用闭环压力自适应控制系统，使控制装置更精准、更灵活地控制该茶叶揉捻机组各揉捻机压盖的揉捻压力，提高茶品质量；②采用人机交互界面，更方便用户使用；③装置上设有用于显示和控制参数的显示面板，显示面板上可设置茶叶的轻揉时间、轻揉压力、中揉时间、中揉压力、重揉时间、重揉压力，更广泛的适应不同用户需求。

压力自适应控制系统由压力检测传感器、电气比例阀和低摩擦气缸组成。在茶叶的揉捻过程中，压力检测传感器测量揉捻压力，将检测结果反馈给PLC，PLC对压力测定值和输入值做比较，通过闭环自适应算法控制电气比例阀的输出，从而达到动态跟踪揉捻压力的要求，如图7所示。

图7 茶叶揉捻机压力自适应控制原理框图

压力传感器可采用电阻应变式测力传感器作为压力与电量的转化元件，工作原理是金属丝发生弹性变形后，其电阻值相应的物理特性发生变化。为了便于计算，采用电桥测量电路将电阻的变化转变为电流或电压的变化。电桥有直流电桥和交流电桥，其原理相似，本设计采用交流电桥进行分析。

3 自动揉捻机样机试验

为了验证所设计的自动揉捻机的各项性能参数指标，制造了自动揉捻机的样机，依据乌龙茶制作标准开展揉捻效果试验。

3.1 样机试制

根据测试系统要求，样机主要有驱动系统、传动系统、控制系统及执行系统组成，样机实物如图8、9所示。

图8 样机实物图

图9 控制面板实物图

3.2 试验方案

以乌龙茶为例，试验原料为乌龙茶萎凋叶，含水率61.5%。制茶工艺为：鲜叶→萎凋→做青→炒青→揉捻→解块→干燥。揉捻工艺为：投放12kg茶青，按揉捻工艺所需时间（乌龙茶约3-4min）和加压压力（轻压0.5min→重压1min→轻压0.5min→重压2min→松压出茶）进行揉捻。

3.3 试验结果

经福建省农业机械化研究所检测，结果如表1所示，均优于常规制茶标准，试验情况良好。

表1 样机检验项目及结果汇总表

4 结语

传动制茶领域对装备自动化的要求越来越高，一款实用、简单、设计合理、稳定性良好的揉捻机对制茶环节尤为重要。本设计基于SolidWorks进行结构设计，具有结构简单，构件布局合理等优点，尤其是针对揉捻量、揉捻时间以及揉捻力度做了自动化设计，减少了人力、提高了工作效率。经试制样机检测，效果良好。