茶叶揉捻机的集成数字化设计

雷道锐，梁玉玥

恩施职业技术学院机电工程学院 湖北恩施445000

摘要：传统的机械制茶捻捻设备结构复杂，操作人员的劳动强度大。由于使用了电机而不是操纵把手，使得操作的自动化更加容易。同时，对各部件进行了优化，达到了强度要求，从而使所设计的装备达到了轻型化，从而达到了生产的目的。采用步进电动机代替常规揉捻机的手动把手，可以达到自动加工的目的。但随着市场规模的扩大，采用一体化的数字控制技术来实现茶叶揉搓机的自动化控制是必然趋势。本设计只对系统的局部零点进行了优化，使其在不降低生产强度的情况下，实现了系统的轻量化。

关键词：茶叶揉捻机；集成数字化；设计

引言

在茶叶生产中，揉捻是一个非常重要的环节。以前，人们都是用手捻茶，然后是木制的揉捻设备，再到今天，就是机械的茶叶揉捻。由于使用了机械揉搓，所以每一次操作都要靠操作手柄来完成，长时间的工作会让人的胳膊酸痛、劳动强度大、质量不稳定、设备的设计也是互相照搬，没有经过最好的重新设计，所以市面上的揉捻机器都是笨拙的。

利用机械茶叶揉捻机的原型，利用 CAD/CAE/CAM一体化数字设计技术，对其进行重新设计，从而降低了机器的重量，降低了生产成本；同时，把手柄改为电动马达，减少了工人的劳动量，方便了 PLC的自动控制。

一、茶叶揉捻机的工作原理及单片机控制电机运行分析

（一）茶叶揉捻机工作原理

不同茶叶的揉搓工艺基本相同，即把已经完成的茶叶放在揉搓筒仓内，然后用马达驱动，使之均匀地作圆周运动。同时，茶叶还会受到揉捻筒壁、压盖和楞骨等多种因素的联合作用，使茶叶在不同的叶脉中被挤压成条状，从而导致茶叶的细胞破裂。一般而言，茶叶揉捻设备由传动机构、副轴机构、揉捻机构、加压机构四大要素构成。传动设备主要由电机、减速设备和齿轮轴进行动力传输，并将动力传输到主轴，带动辊筒转动，通过丝杆和螺母控制压盖的升降，通过弹性机构控制压盖的上下移动。通过揉捻筒仓的上端口进料，将经过揉捻处理后的茶叶从中间的出茶门排出。

在茶叶揉搓工艺中，必须遵循“先轻后重、匀速增压、轻重交替和完全释放压力”的基本原理和工艺。但是，要正确地控制不同品种的茶叶所需要的压力和压力，以保证整个揉捻和挤压的正确进行，从而防止茶叶的芽叶断裂。

（二）单片机控制电机运行分析

茶叶揉搓机的核心控制部件是以单片机为核心部件，它的关键功能是输出控制脉冲。采用可编程和可编程实现的单片机输出控制脉冲，实现了步进马达的普通角度位移，并在此基础上实现了对伺服系统进给的控制。同时，通过对输出信号的编程和输出控制，可以实现对电动机的工作频率和加速度的控制，从而实现对伺服系统的进给速度的控制。一般情况下，由单片机、驱动芯片、信号分离电路、步进电动机组成。

（三）硬件配置

第一，选择C8051F005型微处理器，并对其性能进行了分析。C8051F005是一款具有完全集中特性的混合型单片机，包括10/12位多路输入 ADC、12位数模变换器（2路 DAC）、2路 DAC、16位定时设备（可编程）、16位计数器件阵列、 PWM波产生装置、4组通用 I/O口、I2C/SMBus总线、 WART串行总线、 SPI总线、32 KBFLASH内存储器等[1]。

第二，选择L6308型的驱动芯片。L6308驱动晶片是 ST公司开发的，适合于两相混合步进电动机的双极性驱动晶片，可以提供8-52 V的额定电压，以及2.8 A的额定电流。为了达到精细的驱动，在驱动芯片中集成了一个脉冲分布器件，而在内部控制系统中，通过信号脉冲的分配，最终实现了 H桥控制信号的输出。

第三，选择双相四线混合步进电动机，型号86BYG250FC。根据茶叶揉捻机的工作条件，设定不同的马达转速及揉搓时间。由于摩擦片的不断升高和降低，所以电动机的速度和横向位移的控制应更加简单。采用步进电动机，解决了传统揉捻机构只能依靠位置传感器的问题，只需要开环控制，就可以确保捻转的准确定位。选择86BYG250FC双相四线混合步进电动机，具有0.9-1.8°的自然步距角，8.5N·m米的扭矩，2.5kg/cm²的旋转惯性，5 A的相电流。此外，还可以根据C8051F的自身 A/D接口 AINO、 AINI、AIN2等输入的阻值，对不同位置的摩擦时间进行调整。

（四）软件设计

在启动系统前，需要对按键进行适当的调节，也就是 AINO、AIN1、AIN2的 A/D变换口的阻值，并设定相应的摩擦时间。然后（自动或人工）控制方式被选择。如果选用了自动控制方式，则按预先设定好的系统程序进行揉搓处理；如果采用人工控制，必须采用手压盖子的方法来实现控制的升降。一般在碾压筒仓充满原料后，若选用自动控制方式，采用RTX51Tiny实时操作系统移植功能，可完成步进电机的操作控制。RTX5ITiny实时控制系统是基于51微控制器的嵌入式 RTOS，其操作简单，运行稳定，便于后期维护。

二、新型茶叶揉捻机集成数字化控制系统设计的流程

采用三维数字建模技术，实现了新的茶叶揉搓机数字化控制系统。此种揉捻机采用单片机控制马达运转的方法，取代了以往机械手搓捻必须靠手工操作的老式方法。新研制的茶叶揉搓机，通过按键按下相应的按键，使机器运转，从而使工人摆脱了繁琐的工作。同时，对混合捻机进行了全面的数字控制设计，既能减轻设备的重量，又能保证基本的机械强度[2]。

第一，采用 UG/CAD技术，对系统各组成部分进行参数化设计，从而确保了设计的高效、准确。

第二，采用 UG/CAE技术，对各零件进行有限元分析（可以建立相应的有限元模型），分析其应力、变形、疲劳强度等，并对其进行分析，得出相应的工艺参数，以保证各组件满足茶叶揉捻机的实际应用需求。

第三，通过设置相应的设计变量、约束条件和目标函数，可以实现对系统的各部分进行自动设计，从而降低原材料的成本，降低设备的重量。

第四，利用 CAM进行了系统零件的模拟，保证了零件加工的科学性和准确性。此外，还可以减少工件对机床的磨耗。

第五，对每个零件的装配工艺都要进行干涉检验，逐一解决它们的设计尺寸问题。同时，通过 UG/Motion技术，对茶叶揉捻机进行了虚拟模拟，消除了干扰，保证了机器操作的稳定。

结语

采用 UG/CAD技术，构建了茶叶揉捻机的数字化一体化控制系统，通过 UG/CAD等技术，实现了茶叶揉捻机的重量减轻、加工强度标准的优化。采用步进电动机作为传动机构，不但结构简单，运行稳定性好，经济费用低，而且由于采用的是脉冲传动方式，可以与现代 NC技术相结合，因此在现代工业中得到了广泛的应用。此外，采用C8051FO05单片机及L6308驱动芯片对86BYG250FC双相四线混合式步进电动机进行控制，取代了以往需要人工操作的茶叶揉捻机器，既可以提高系统的生产效率，也可以保障工人的人身安全。

参考文献：

[1] 叶吕斌,王涛,谈鑫,等. 茶叶揉捻机的集成数字化设计[J]. 装备制造技术,2013(8):60-61.

[2] 姜淑华. 茶叶揉捻机的集成数字化控制系统设计[J]. 福建茶叶,2016,38(11):157-158.

雷道锐（1987.8），男，土家族，湖北恩施人，湖北工业大学机械工程学院本科毕业，助教，从事机械设计专业相关研究，

课题：校级科研课题EZYQNZK202004