茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜淑華

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164）

茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜淑華

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164）

普通茶葉揉捻機(jī)整體構(gòu)造盡顯笨態(tài)，且生產(chǎn)加工需要大量的人工操作，對于生產(chǎn)工人而言未免過于負(fù)重。利用步進(jìn)電機(jī)替代普通揉捻機(jī)的人工手柄，可實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。然而，為了滿足更大的生產(chǎn)需求，茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)大勢所趨。該設(shè)計(jì)僅對系統(tǒng)局部零構(gòu)件加以優(yōu)化，在不低于傳統(tǒng)系統(tǒng)生產(chǎn)強(qiáng)度的前提下，保證其系統(tǒng)更為輕量化。

茶葉揉捻機(jī)；集成數(shù)字化控制系統(tǒng)；單片機(jī)；設(shè)計(jì)

揉捻加工是茶葉生產(chǎn)極為重要的一道程序，傳統(tǒng)工藝多為人工揉捻，然后逐漸出現(xiàn)采取木質(zhì)揉捻設(shè)備。直至今日，全機(jī)械化揉捻機(jī)的出現(xiàn)方才實(shí)現(xiàn)其自動化的生產(chǎn)過程。機(jī)械式揉捻生產(chǎn)仍需人工利用操縱手柄來輔助加工，龐大的產(chǎn)品加工量也會給工人帶來巨大的工作負(fù)擔(dān)，且產(chǎn)品質(zhì)量不能保持絕對的穩(wěn)定。因此，本文通過設(shè)計(jì)茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)，徹底解決傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)過于笨重和強(qiáng)度過剩的問題，它是一種基于傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)的升級版本，利用CAD/CAE/CAM等數(shù)字集成手段對茶葉揉捻機(jī)進(jìn)而二次升級設(shè)計(jì)，使得揉捻機(jī)整體自重大為降低，生產(chǎn)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(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵慰刂齐姍C(jī)即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)流程的控制，勞務(wù)工人的工作強(qiáng)度大大減小，并逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PLC自動化控制。

1　茶葉揉捻機(jī)的工作原理及單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)行分析

茶葉揉捻機(jī)是一種可保持茶葉纖維組織不致破壞，且能確保茶葉品質(zhì)均一，操作簡便之茶葉揉捻設(shè)備。茶葉揉捻機(jī)主要設(shè)有一蓮花座、一傳動組和一卷布桿，蓮花座設(shè)有數(shù)片蓮花片由傳動組帶動蓮花片做開、合之動作，對茶葉進(jìn)行揉捻及壓縮，由另一驅(qū)動馬達(dá)帶動蓮花座旋轉(zhuǎn)，并配合卷布桿，將布質(zhì)袋自動繞卷成結(jié)，令布質(zhì)袋之容置空間逐漸縮小，達(dá)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(dú)立傳動結(jié)構(gòu)帶動心軸使蓮花座旋轉(zhuǎn)及帶動傳動組的傳動螺桿作正、逆向之旋轉(zhuǎn)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(jī)作為茶葉加工設(shè)備最為關(guān)鍵的組成部件，其工作性能與茶葉功效、產(chǎn)品品質(zhì)不無關(guān)系。因此，茶葉揉捻機(jī)的工作原理與工藝技術(shù)成為生產(chǎn)商和科研機(jī)構(gòu)共同關(guān)注的話題。茶葉揉捻加工過程給予茶葉揉捻壓力和揉捻時(shí)間也對茶葉產(chǎn)品的品質(zhì)具有直接影響。本節(jié)內(nèi)容主要闡述茶葉揉捻機(jī)的工作原理，并就單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)行加以分析。

1.1茶葉揉捻機(jī)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(jī)帶動以勻速平行的方式做圓周運(yùn)動。與此同時(shí)，茶葉也將承受揉捻筒壁、壓蓋和楞骨等多個(gè)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(xì)胞遭到破碎。通常，茶葉揉捻機(jī)主要包括四個(gè)組成要件，即傳動設(shè)備、副軸機(jī)構(gòu)、揉捻設(shè)備和施壓設(shè)備。傳動設(shè)備主要由電機(jī)、減速設(shè)備和齒輪軸來傳遞動力，將動力傳至主軸，然后驅(qū)動揉捻筒倉旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程施壓大小則是由絲桿與螺母來操縱壓蓋升降得以調(diào)整，而由彈簧裝置即可操縱壓蓋的上下浮動。經(jīng)揉捻筒倉上端口投料，經(jīng)揉捻加工完成的茶葉由揉捻軸盤的中央出茶門導(dǎo)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(shí)間，確保整個(gè)揉捻加壓過程得當(dāng)，避免茶葉的芽葉出現(xiàn)斷碎問題。

1.2單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)行分析

茶葉揉捻機(jī)核心控制部分的主要元件是單片機(jī)，其重要作用是產(chǎn)出控制脈沖。利用單片機(jī)可編程與執(zhí)行的功能可產(chǎn)出控制脈沖，可對一般的步進(jìn)電機(jī)角位移量進(jìn)行控制，然后再對伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)給量予以控制。與此同時(shí)，利用單片機(jī)編程與執(zhí)行產(chǎn)出控制脈沖也可控制電機(jī)運(yùn)行頻率及加速度，由此便可對伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度進(jìn)行控制。通常，構(gòu)成該控制電路的部件有單片機(jī)、驅(qū)動芯片、信號分離電路和步進(jìn)電機(jī)等。

1.2.1硬件配置

1.2.1.1選用型號為C8051F005的單片機(jī)。C8051F005型單片機(jī)是一種具有全集成化特點(diǎn)的混合信號單片機(jī)，它由10/12位多通道輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置（1路ADC）、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置（2路DAC）、電壓比較裝置（2路）、16位定時(shí)裝置（可編程）、16位計(jì)數(shù)裝置列陣、PWM波發(fā)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(nèi)部存儲裝置等共同組成，擁有具有高速性、工業(yè)性特點(diǎn)（可允許溫度范圍較大，一般在-45攝氏度～+85攝氏度以內(nèi)）的核心處理芯片。

1.2.1.2選用型號為L6308的驅(qū)動芯片。L6308型驅(qū)動芯片乃ST公司研制并在兩相混合步進(jìn)電機(jī)雙極驅(qū)動芯片中極為適用，該驅(qū)動芯片可配置額定電壓為8～52V和額定電流2.8A的驅(qū)動電源，無需另外增配其他電源。為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的細(xì)分化，該驅(qū)動芯片內(nèi)部集成有脈沖分配裝置，而內(nèi)部控制則通過信號脈沖分配最終實(shí)現(xiàn)H橋控制信號輸出。另外，我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有五組端口，即P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P2.0。茶葉揉捻機(jī)利用單片機(jī)P1.1端口控制步進(jìn)電機(jī)并輸入CLOCK，以此控制電機(jī)速度，利用單片機(jī)P1.2端口來控制CW/CCW即可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制。由單片機(jī)P2.0端口來驅(qū)動芯片，單片機(jī)P1.3端口實(shí)現(xiàn)整步與半步的選擇，由單片機(jī)P1.4可實(shí)現(xiàn)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(jìn)電機(jī)。針對茶葉揉捻機(jī)作業(yè)狀態(tài)，按照不同生產(chǎn)要求，設(shè)置不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速和揉捻加工時(shí)間。因揉捻盤需要不停地上升與下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速與水平位移控制過程應(yīng)該更為簡單化。應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)即可解決傳統(tǒng)揉捻機(jī)必須依仗位置傳感器的問題，僅需通過控制開環(huán)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(jìn)電機(jī)，設(shè)置固有步距角度為0.9度～1.8度，轉(zhuǎn)矩為8.5?！っ?，轉(zhuǎn)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(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換端口AIN0、AIN1和AIN2的電阻阻值大小來控制電機(jī)在不同位置的合理揉捻時(shí)間。

1.2.2軟件設(shè)計(jì)

集成數(shù)字化控制系統(tǒng)主要包含自動控制與手動控制2種模式。啟動系統(tǒng)之前須合理調(diào)整按鈕，即調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換端口AIN0、AIN1和AIN2的電阻阻值大小，進(jìn)而設(shè)置各個(gè)電機(jī)位置的具體揉捻時(shí)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(jù)提前設(shè)置好的系統(tǒng)程序來執(zhí)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(dá)到目標(biāo)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(shí)時(shí)操控系統(tǒng)的移植功能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制動作。RTX51Tiny實(shí)時(shí)操控系統(tǒng)作為Keil內(nèi)帶的51單片機(jī)嵌入式RTOS，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定和后期維護(hù)便利等。

2　新型茶葉揉捻機(jī)集成數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程

新型茶葉揉捻機(jī)集成數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要借助于三維數(shù)字模型。該類揉捻機(jī)由單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)行的方式來替代傳統(tǒng)機(jī)械師揉捻機(jī)須依靠人工操縱手柄較為落后的方式。新型茶葉揉捻機(jī)利用操作鍵盤按下相應(yīng)按鈕來啟動電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)揉捻生產(chǎn)過程，由此將工人從繁復(fù)的工作中解放出來。與此同時(shí)，該揉捻機(jī)在集成數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面也做了極大的優(yōu)化，減輕設(shè)備自重且不降低基本的加工強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參照如下流程：

2.1利用UG/CAD技術(shù)建立三維數(shù)字模型，并對系統(tǒng)各個(gè)組成部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，由此保證整個(gè)設(shè)計(jì)過程的高效性和精確性；

2.2利用UG/CAE實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)組成部件的有限元分析（可建立相關(guān)的有限元模型），如分析應(yīng)力變化、變形情況和疲勞強(qiáng)度等等，通過分析得到各項(xiàng)參數(shù)，確保各個(gè)組成部件符合茶葉揉捻機(jī)集成數(shù)字化控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求；

2.3通過設(shè)定相應(yīng)設(shè)計(jì)變量、約束條件與目標(biāo)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)組成部件的自動化設(shè)計(jì)過程，以此減少原材料的成本投入，并進(jìn)一步為設(shè)備自重減負(fù)；

2.4基于計(jì)算機(jī)輔助加工CAM可對系統(tǒng)各個(gè)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(chǎn)品對加工車床的磨損；

2.5各個(gè)組成部件的組裝過程應(yīng)進(jìn)行全程的干涉檢查，一一排除其設(shè)計(jì)尺寸問題。同時(shí)，利用UG/motion實(shí)現(xiàn)茶葉揉捻機(jī)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(jī)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3　結(jié)束語

茶葉揉捻機(jī)的集成數(shù)字化控制系統(tǒng)是機(jī)械式茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，利用UG/CAD等技術(shù)手段建立三維數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對茶葉揉捻機(jī)自重的減負(fù)和加工強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步優(yōu)化。該設(shè)計(jì)引入步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置，其優(yōu)點(diǎn)不僅限于構(gòu)造簡單、運(yùn)行穩(wěn)定性好和經(jīng)濟(jì)成本低廉，還因其以脈沖驅(qū)動形式可與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)完美融合，因而在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛。另外，應(yīng)用C8051F005型單片機(jī)和L6308型驅(qū)動芯片來控制與驅(qū)動86BYG250FC型兩相四線混合步進(jìn)電機(jī)可替代傳統(tǒng)茶葉揉捻機(jī)必須依靠人工操作手柄的作業(yè)方式，提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率的同時(shí)又能保證勞務(wù)工人的人身安全。經(jīng)優(yōu)化的新型茶葉揉捻機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)目標(biāo)，如能得到廣泛推廣必然收獲極好的經(jīng)濟(jì)效益。

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2013年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)課題：《高職院校專業(yè)課程“微資源”建設(shè)的研究與實(shí)踐——以重點(diǎn)專業(yè)的核心課程“微資源”建設(shè)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。