猴魁茶葉捏尖裝置的設(shè)計(jì)與研究

孫 旋，陸佳平，米 福，方繼凡

（1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122；3.黃山市猴坑茶業(yè)有限公司，安徽黃山 245700）

0 引言

“茶之為飲，發(fā)乎神農(nóng)”，中國是茶文化的發(fā)源地[1]。作為中國名優(yōu)茶的猴魁茶葉以肥厚壯實(shí)、色澤蒼綠、茶湯清爽的品質(zhì)深受人們喜愛。目前傳統(tǒng)手工猴魁茶制作工藝滿足不了市場(chǎng)日益增長的需求，原因在于猴魁茶外形獨(dú)特，制作工藝流程復(fù)雜特殊，造成猴魁茶葉制作機(jī)械化、自動(dòng)化水平低[2-3]。傳統(tǒng)猴魁茶工藝流程分為采摘、攤放、殺青、理?xiàng)l、整形捏尖、壓扁與烘干等工序[4]。其中整形捏尖自動(dòng)化程度最低，現(xiàn)在的整形工藝是采用一對(duì)壓輥對(duì)滾的形式進(jìn)行整形壓扁，尚處于試驗(yàn)階段，而且忽視傳統(tǒng)捏尖的工藝流程[5]。此外傳統(tǒng)猴魁茶捏尖效果完全憑借制作者的操作水平，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為解決上述問題，基于傳統(tǒng)捏尖工藝，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)合理、操作方便的機(jī)械化捏尖裝置，并通過簡(jiǎn)化試制樣機(jī)試驗(yàn)分析，確定猴魁茶捏尖工藝參數(shù)，提高猴魁茶捏尖制作工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。

1 研究對(duì)象、功能與要求

選取黃山市猴坑區(qū)猴魁茶葉為研究對(duì)象，茶葉體型碩大，殺青后長度在50～70 mm，工藝合適壓力為0.5～8.5 N。為便于研究，以長度為50，60，70 mm猴魁茶葉為研究對(duì)象。猴魁茶葉捏尖裝置需實(shí)現(xiàn)茶葉的輸送、捏尖機(jī)械手的開合、捏尖機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)與茶葉的輸出等4項(xiàng)功能。猴魁茶葉捏尖裝置設(shè)計(jì)的要求需滿足：①保證與現(xiàn)存猴魁茶葉設(shè)備銜接流暢；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，捏尖效果滿足工藝指標(biāo)；③實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)效率滿足企業(yè)要求；④結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊，外形美觀，占地面積小[6]。

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 工藝分析

傳統(tǒng)猴魁茶葉捏尖制作工藝流程包含取料、整形、捏尖與排料等4道工序。制作者從盛放有殺青后猴魁茶的竹筐中挑取合格茶葉，一只手用拇指與食指捏住猴魁茶根部10 mm處，另一只手通過拇指、食指與中指沿著茶葉從根部10 mm處擼順到葉尖10 mm處；完成整形動(dòng)作后，兩只手狀態(tài)保持不變，相向旋轉(zhuǎn)一定角度完成捏尖動(dòng)作；將捏尖后的茶葉整齊排列在方形壓扁網(wǎng)篩內(nèi)，以待壓扁工序。

目前處于試驗(yàn)中的機(jī)械化設(shè)備，在處理上述工藝流程并沒有遵循傳統(tǒng)捏尖工藝，而是采用替代的方法，如圖1所示。茶葉進(jìn)入進(jìn)料口后通過齒輪實(shí)現(xiàn)茶葉的扭轉(zhuǎn)，并在一對(duì)輥輪的牽拉動(dòng)作下，茶葉邊扭轉(zhuǎn)邊向下運(yùn)動(dòng)，完成整形捏尖工藝。由于猴魁茶的不規(guī)則導(dǎo)致其牽拉力不易控制，且該方案需要手動(dòng)上料，無法實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化生產(chǎn)目標(biāo)。

圖1 試驗(yàn)階段猴魁茶整形捏尖機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of Houkui tea shaping and pinching mechanism in the experimental stage

根據(jù)上述問題，提出如圖2所示設(shè)計(jì)方案，包含理?xiàng)l工位、進(jìn)料工位、捏尖工位、出料工位與排版工位，其中進(jìn)料工位、捏尖工位與出料工位是主要研究內(nèi)容。在猴魁茶捏尖直線型工藝路線中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)較少，為便于設(shè)計(jì)、保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，采用單工位間歇式結(jié)構(gòu)。間歇式運(yùn)動(dòng)通過槽輪機(jī)構(gòu)與端面盤形凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[7]，將主動(dòng)軸的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與雙側(cè)停歇往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[8]。猴魁茶葉從理?xiàng)l工位區(qū)經(jīng)輸送帶輸送落到進(jìn)料工位的落料槽，通過鏈條將茶葉輸送到捏尖工位；然后在壓縮彈簧與齒輪旋轉(zhuǎn)的作用下，捏尖手夾住茶葉并繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，完成整形捏尖工藝；最后凸輪推動(dòng)推桿，使捏尖手張開，釋放茶葉，捏尖后茶葉被輸送到出料工位，落到排版工位的輸送帶上，進(jìn)入后面工序。

圖2 猴魁茶捏尖工藝路線圖Fig.2 Houkui tea pinching process route map

2.2 總體結(jié)構(gòu)

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)猴魁茶捏尖裝置主要包含捏尖機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)與主傳送系統(tǒng)，如圖3所示。為節(jié)約空間，將原動(dòng)件電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)件帶輪、槽輪布置于機(jī)架下方[9]，其中傳動(dòng)件槽輪集中布置在分配軸上；端面凸輪與捏尖手對(duì)稱布置在復(fù)合輸送鏈兩邊[10]。

圖3 猴魁茶捏尖執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Houkui tea pinching actuating mechanism

2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，電機(jī)經(jīng)過同步帶輪將動(dòng)力傳給主動(dòng)軸[11]，主動(dòng)軸將動(dòng)力傳給槽輪9、槽輪7、槽輪11機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)。其中槽輪9通過同步帶輪8帶動(dòng)軸3旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)端面凸輪繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過端面凸輪表面輪廓推動(dòng)捏尖手推桿，實(shí)現(xiàn)捏尖手的張開；槽輪7通過同步帶輪6帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，捏尖手在齒輪的嚙合傳動(dòng)作用下，完成旋轉(zhuǎn)捏尖工藝；槽輪11通過同步帶輪12帶動(dòng)復(fù)合鏈輪13實(shí)現(xiàn)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，完成猴魁茶葉的輸送功能。

圖4 猴魁茶捏尖傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of Houkui tea pinching transmission system

2.3 工作循環(huán)

猴魁茶捏尖裝置主傳送系統(tǒng)將原動(dòng)件的動(dòng)力通過主動(dòng)軸傳給各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)在時(shí)間與空間上相互配合，保證裝置能夠正常工作，不發(fā)生時(shí)間上錯(cuò)位與空間上干涉。據(jù)此編制直線型工作循環(huán)圖[12]，如圖5所示。其中，以主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)360°為1個(gè)工作周期，以斜線表示該機(jī)構(gòu)在所在時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以直線表示機(jī)構(gòu)的靜止或勻速運(yùn)動(dòng)。通過圖可知，捏尖工藝設(shè)計(jì)合理，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作配合有序，沒有發(fā)生相互干涉。在1個(gè)工作周期內(nèi)，輸送機(jī)構(gòu)動(dòng)作1次，捏尖機(jī)構(gòu)經(jīng)歷1次閉合張開動(dòng)作和1次旋轉(zhuǎn)捏尖動(dòng)作。

圖5 猴魁茶捏尖機(jī)構(gòu)工作循環(huán)圖Fig.5 Working cycle diagram of Houkui tea pinching mechanism

3 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 捏尖機(jī)構(gòu)

3.1.1 捏尖機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)與分析

捏尖機(jī)構(gòu)原理如圖6所示。當(dāng)猴魁茶葉達(dá)到捏尖工位時(shí)，槽輪通過同步帶輪帶動(dòng)端面凸輪繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使推桿在壓縮彈簧的作用下從遠(yuǎn)休止端運(yùn)動(dòng)到近休止端，此時(shí)捏尖手處于閉合狀態(tài)。捏尖手閉合后，槽輪通過同步帶輪使齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)。由于齒輪組與捏尖手固聯(lián)，所以捏尖手隨其轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，完成捏尖動(dòng)作。當(dāng)捏尖完成后，端面凸輪在傳動(dòng)構(gòu)件的作用下，使推桿克服彈簧壓力，從近休止端運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)休止端，此時(shí)捏尖手處于張開狀態(tài)，等待下一根猴魁茶進(jìn)入捏尖工位。

圖6 猴魁茶捏尖機(jī)構(gòu)原理圖Fig.6 Schematic diagram of the pinching mechanism of Houkui tea

3.1.2 捏尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，捏尖機(jī)構(gòu)包含捏手、齒輪、端面凸輪、帶輪，槽輪與帶輪等零部件。捏尖手通過齒輪與端面凸輪共同作用完成捏尖工藝。

圖7 猴魁茶捏尖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the pinching structure of Houkui tea

3.2 輸送機(jī)構(gòu)

3.2.1 輸送機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)與分析

輸送原理如圖8所示。當(dāng)猴魁茶葉由上一工位落在落料槽內(nèi)，鏈輪機(jī)構(gòu)會(huì)將茶葉輸送到捏尖工位完成捏尖工藝；完成之后，鏈輪機(jī)構(gòu)繼續(xù)輸送到下一工位。輸送過程中輸送機(jī)構(gòu)有動(dòng)有停，將主動(dòng)軸的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為間歇運(yùn)動(dòng)。

圖8 輸送機(jī)構(gòu)原理圖Fig.8 Schematic diagram of conveying mechanism

3.2.2 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖9所示，輸送機(jī)構(gòu)包含復(fù)合鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、同步帶輪與槽輪機(jī)構(gòu)。復(fù)合鏈條機(jī)構(gòu)用來輸送猴魁茶葉。槽輪機(jī)構(gòu)將主動(dòng)軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力通過同步帶輪傳給鏈輪鏈條，完成輸送功能。

圖9 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Schematic diagram of the conveying mechanism

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

（1）研究對(duì)象：長度為50，60，70 mm的猴魁茶葉。

（2）試驗(yàn)設(shè)備：試制如圖10所示實(shí)體樣機(jī)。樣機(jī)包含步進(jìn)電機(jī)、錐齒輪組、齒輪組、捏尖手、落料槽、控制器、arduino單片機(jī)與24VDC電源[13-14]。工作時(shí)，捏尖手張開，將茶葉放在落料槽內(nèi)后，在壓縮彈簧作用下，捏尖手閉合。步進(jìn)電機(jī)通過錐齒輪組與齒輪組，將動(dòng)力傳遞給捏尖手，此時(shí)一對(duì)捏尖手相向繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)選取57步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)精度高，而且便于控制。在編程環(huán)境窗口中，向arduino單片機(jī)發(fā)送指定脈沖數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

圖10 猴魁茶捏尖裝置樣機(jī)Fig.10 Prototype of Houkui tea pinching device

4.2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

分3組進(jìn)行試驗(yàn)，每組選取15根長度一致的猴魁茶葉，分別用試制樣機(jī)的一對(duì)捏尖手夾住茶葉根部與葉尖10 mm處，通過自編程序命令行，在編程環(huán)境內(nèi)命令窗口發(fā)送脈沖數(shù)，通過步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)捏尖手的旋轉(zhuǎn)角度。其中，捏尖旋轉(zhuǎn)角度=發(fā)送脈沖數(shù)/1 600。第1組試驗(yàn)選取630°為基數(shù)，每組進(jìn)行15次，第n次試驗(yàn)發(fā)送2 800+40（n-1）個(gè)脈沖，即每次在上一次試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加9 °旋轉(zhuǎn)角度。第2組的捏尖旋轉(zhuǎn)基數(shù)為第1組的最優(yōu)捏尖角度，第3組的捏尖旋轉(zhuǎn)基數(shù)為第2組的最優(yōu)捏尖角度。由于試驗(yàn)指標(biāo)為定性指標(biāo)，為便于確定捏尖參數(shù)，根據(jù)捏尖品相、捏尖是否有出汁與撕裂，對(duì)捏尖效果予以定量打分，將打分結(jié)果作為試驗(yàn)結(jié)果。捏尖效果評(píng)定參考標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)結(jié)果分別如表1，2所示。

表1 猴魁茶葉捏尖效果評(píng)定參考標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Reference standard for the evaluation of the pinching effect of Houkui tea

表2 3種長度猴魁茶葉的15組試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of 15 groups of three lengths of Houkui tea leaves

通過上表分析，當(dāng)捏尖旋轉(zhuǎn)達(dá)到最優(yōu)角度之前，猴魁茶葉的捏尖效果與旋轉(zhuǎn)角度近似成正比；當(dāng)捏尖旋轉(zhuǎn)角度超過最優(yōu)角度之后，捏尖效果隨著旋轉(zhuǎn)角度變得越來越差，并且出現(xiàn)出汁與葉片撕裂現(xiàn)象。當(dāng)捏尖手分別旋轉(zhuǎn)720，810，855°時(shí)，對(duì)應(yīng)50，60，70 mm的猴魁茶葉的捏尖效果最好，達(dá)到工藝要求指標(biāo)。

5 結(jié)語

針對(duì)猴魁茶葉市場(chǎng)需求與捏尖工藝機(jī)械化水平低問題，根據(jù)傳統(tǒng)猴魁茶捏尖制作工藝，對(duì)捏尖裝置進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。通過對(duì)捏尖工藝的分析，對(duì)主要機(jī)構(gòu)即捏尖機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行原理分析與機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，并且完成整機(jī)的建模與傳動(dòng)系統(tǒng)的布局。通過編制猴魁茶捏尖機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖，確保機(jī)構(gòu)中各個(gè)執(zhí)行構(gòu)件的正確運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最后通過試制樣機(jī)的試驗(yàn)，確定機(jī)構(gòu)方案的可行性與猴魁茶葉捏尖裝置的主要工藝參數(shù)，即50，60，70 mm長度的猴魁茶應(yīng)捏尖旋轉(zhuǎn)最優(yōu)角度參數(shù)。裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理，對(duì)提高猴魁茶葉生產(chǎn)效率與實(shí)現(xiàn)捏尖機(jī)械化生產(chǎn)提供可能。