猴魁茶葉捏尖裝置的設計與研究

孫 旋，陸佳平，米 福，方繼凡

（1.江南大學 機械工程學院，江蘇無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，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、色澤蒼綠、茶湯清爽的品質深受人們喜愛。目前傳統(tǒng)手工猴魁茶制作工藝滿足不了市場日益增長的需求，原因在于猴魁茶外形獨特，制作工藝流程復雜特殊，造成猴魁茶葉制作機械化、自動化水平低[2-3]。傳統(tǒng)猴魁茶工藝流程分為采摘、攤放、殺青、理條、整形捏尖、壓扁與烘干等工序[4]。其中整形捏尖自動化程度最低，現(xiàn)在的整形工藝是采用一對壓輥對滾的形式進行整形壓扁，尚處于試驗階段，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)一標準。為解決上述問題，基于傳統(tǒng)捏尖工藝，設計一款結構合理、操作方便的機械化捏尖裝置，并通過簡化試制樣機試驗分析，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準化。

1 研究對象、功能與要求

選取黃山市猴坑區(qū)猴魁茶葉為研究對象，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猴魁茶葉為研究對象。猴魁茶葉捏尖裝置需實現(xiàn)茶葉的輸送、捏尖機械手的開合、捏尖機械手的旋轉與茶葉的輸出等4項功能。猴魁茶葉捏尖裝置設計的要求需滿足：①保證與現(xiàn)存猴魁茶葉設備銜接流暢；②結構設計穩(wěn)定可靠，捏尖效果滿足工藝指標；③實現(xiàn)模塊化設計，生產(chǎn)效率滿足企業(yè)要求；④結構設計合理緊湊，外形美觀，占地面積小[6]。

2 技術方案設計

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；完成整形動作后，兩只手狀態(tài)保持不變，相向旋轉一定角度完成捏尖動作；將捏尖后的茶葉整齊排列在方形壓扁網(wǎng)篩內，以待壓扁工序。

目前處于試驗中的機械化設備，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。茶葉進入進料口后通過齒輪實現(xiàn)茶葉的扭轉，并在一對輥輪的牽拉動作下，茶葉邊扭轉邊向下運動，完成整形捏尖工藝。由于猴魁茶的不規(guī)則導致其牽拉力不易控制，且該方案需要手動上料，無法實現(xiàn)全機械化生產(chǎn)目標。

圖1 試驗階段猴魁茶整形捏尖機構簡圖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所示設計方案，包含理條工位、進料工位、捏尖工位、出料工位與排版工位，其中進料工位、捏尖工位與出料工位是主要研究內容。在猴魁茶捏尖直線型工藝路線中，由于執(zhí)行機構較少，為便于設計、保證結構簡潔，采用單工位間歇式結構。間歇式運動通過槽輪機構與端面盤形凸輪機構來實現(xiàn)[7]，將主動軸的連續(xù)運動轉換為單向間歇旋轉運動與雙側停歇往復直線運動[8]。猴魁茶葉從理條工位區(qū)經(jīng)輸送帶輸送落到進料工位的落料槽，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的作用下，捏尖手夾住茶葉并繞定軸轉動一定角度，完成整形捏尖工藝；最后凸輪推動推桿，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 總體結構

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

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

2.2.2 傳動系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，電機經(jīng)過同步帶輪將動力傳給主動軸[11]，主動軸將動力傳給槽輪9、槽輪7、槽輪11機構，實現(xiàn)間歇運動。其中槽輪9通過同步帶輪8帶動軸3旋轉，實現(xiàn)端面凸輪繞軸轉動，通過端面凸輪表面輪廓推動捏尖手推桿，實現(xiàn)捏尖手的張開；槽輪7通過同步帶輪6帶動齒輪轉動，捏尖手在齒輪的嚙合傳動作用下，完成旋轉捏尖工藝；槽輪11通過同步帶輪12帶動復合鏈輪13實現(xiàn)間歇轉動，完成猴魁茶葉的輸送功能。

圖4 猴魁茶捏尖傳動系統(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)將原動件的動力通過主動軸傳給各個執(zhí)行機構。各個執(zhí)行機構工作時在時間與空間上相互配合，保證裝置能夠正常工作，不發(fā)生時間上錯位與空間上干涉。據(jù)此編制直線型工作循環(huán)圖[12]，如圖5所示。其中，以主動軸旋轉360°為1個工作周期，以斜線表示該機構在所在時間內運動，以直線表示機構的靜止或勻速運動。通過圖可知，捏尖工藝設計合理，各個執(zhí)行機構工作配合有序，沒有發(fā)生相互干涉。在1個工作周期內，輸送機構動作1次，捏尖機構經(jīng)歷1次閉合張開動作和1次旋轉捏尖動作。

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

3 主要機構設計

3.1 捏尖機構

3.1.1 捏尖機構原理設計與分析

捏尖機構原理如圖6所示。當猴魁茶葉達到捏尖工位時，槽輪通過同步帶輪帶動端面凸輪繞定軸轉動一定角度，使推桿在壓縮彈簧的作用下從遠休止端運動到近休止端，此時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動一定圈數(shù)。由于齒輪組與捏尖手固聯(lián)，所以捏尖手隨其轉動一定圈數(shù)，完成捏尖動作。當捏尖完成后，端面凸輪在傳動構件的作用下，使推桿克服彈簧壓力，從近休止端運動到遠休止端，此時捏尖手處于張開狀態(tài)，等待下一根猴魁茶進入捏尖工位。

圖6 猴魁茶捏尖機構原理圖Fig.6 Schematic diagram of the pinching mechanism of Houkui tea

3.1.2 捏尖結構設計

如圖7所示，捏尖機構包含捏手、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 猴魁茶捏尖結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the pinching structure of Houkui tea

3.2 輸送機構

3.2.1 輸送機構原理設計與分析

輸送原理如圖8所示。當猴魁茶葉由上一工位落在落料槽內，鏈輪機構會將茶葉輸送到捏尖工位完成捏尖工藝；完成之后，鏈輪機構繼續(xù)輸送到下一工位。輸送過程中輸送機構有動有停，將主動軸的連續(xù)運動轉為間歇運動。

圖8 輸送機構原理圖Fig.8 Schematic diagram of conveying mechanism

3.2.2 輸送機構結構設計

如圖9所示，輸送機構包含復合鏈輪鏈條傳動機構、同步帶輪與槽輪機構。復合鏈條機構用來輸送猴魁茶葉。槽輪機構將主動軸連續(xù)運動轉為間歇轉動，將動力通過同步帶輪傳給鏈輪鏈條，完成輸送功能。

圖9 輸送機構結構示意Fig.9 Schematic diagram of the conveying mechanism

4 試驗與結果分析

4.1 試驗對象與設備

（1）研究對象：長度為50，60，70 mm的猴魁茶葉。

（2）試驗設備：試制如圖10所示實體樣機。樣機包含步進電機、錐齒輪組、齒輪組、捏尖手、落料槽、控制器、arduino單片機與24VDC電源[13-14]。工作時，捏尖手張開，將茶葉放在落料槽內后，在壓縮彈簧作用下，捏尖手閉合。步進電機通過錐齒輪組與齒輪組，將動力傳遞給捏尖手，此時一對捏尖手相向繞定軸轉動。電機選取57步進電機，運動精度高，而且便于控制。在編程環(huán)境窗口中，向arduino單片機發(fā)送指定脈沖數(shù)便可以實現(xiàn)電機轉動相應的角度。

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

4.2 試驗與結果分析

分3組進行試驗，每組選取15根長度一致的猴魁茶葉，分別用試制樣機的一對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)境內命令窗口發(fā)送脈沖數(shù)，通過步進電機來驅動捏尖手的旋轉角度。其中，捏尖旋轉角度=發(fā)送脈沖數(shù)/1 600。第1組試驗選取630°為基數(shù)，每組進行15次，第n次試驗發(fā)送2 800+40（n-1）個脈沖，即每次在上一次試驗基礎上增加9 °旋轉角度。第2組的捏尖旋轉基數(shù)為第1組的最優(yōu)捏尖角度，第3組的捏尖旋轉基數(shù)為第2組的最優(yōu)捏尖角度。由于試驗指標為定性指標，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，對捏尖效果予以定量打分，將打分結果作為試驗結果。捏尖效果評定參考標準與試驗結果分別如表1，2所示。

表1 猴魁茶葉捏尖效果評定參考標準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組試驗結果Tab.2 Test results of 15 groups of three lengths of Houkui tea leaves

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

5 結語

針對猴魁茶葉市場需求與捏尖工藝機械化水平低問題，根據(jù)傳統(tǒng)猴魁茶捏尖制作工藝，對捏尖裝置進行分析與設計。通過對捏尖工藝的分析，對主要機構即捏尖機構與輸送機構進行原理分析與機構上的設計，并且完成整機的建模與傳動系統(tǒng)的布局。通過編制猴魁茶捏尖機構的工作循環(huán)圖，確保機構中各個執(zhí)行構件的正確運動規(guī)律。最后通過試制樣機的試驗，確定機構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長度的猴魁茶應捏尖旋轉最優(yōu)角度參數(shù)。裝置整體結構緊湊，設計合理，對提高猴魁茶葉生產(chǎn)效率與實現(xiàn)捏尖機械化生產(chǎn)提供可能。