王純賢，桑 佳，朱彥飛，張祖德，何六福

猴魁茶是中國綠茶中的高檔茶品，傳統(tǒng)制作工藝極為考究，工序大致可分為茶葉采摘－殺青－理條－鋪放－整形－烘干［1］。理條是指茶工把出鍋的殺青葉一根一根地用手捋直，然后均勻整齊地鋪放在特制的木制鐵砂網(wǎng)盒上，即茶農(nóng)俗稱的牽茶工序。捋直時，要用手指將2葉包裹住嫩芽，形成“2葉抱1芽”的茶條，鋪放時要求茶葉不相互折疊、不彎曲、不黏連。整形是指將木制鐵砂網(wǎng)盒上理直的茶葉上面扣一個空砂網(wǎng)盒，將上下砂網(wǎng)夾好，固定住茶條后在上面鋪上棉布，再用木制滾輪輕輕滾壓，一般滾壓一次，使葉片平伏挺直即可，這個操作實際上改變了茶葉表皮細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了茶多酚等內(nèi)含物質(zhì)成分的轉(zhuǎn)化，從而減輕了茶葉的苦澀味，使口感更加柔和滋潤。滾壓后的茶葉更加符合“兩頭尖，不散不翹不卷邊”的外形要求。由于傳統(tǒng)手工制作勞動強(qiáng)度大、效率低，一些茶葉加工企業(yè)采用了茶葉壓扁機(jī)，雖然提高了加工效率，但由于施壓過重，壓破了茶葉的嫩莖和芽葉，造成茶汁流失，影響了茶葉的品質(zhì)［2］。

猴魁茶傳統(tǒng)制作工藝中，人手與茶葉過多接觸，不僅生產(chǎn)效率低，而且難以做到清潔化生產(chǎn)。茶葉壓扁機(jī)雖然提高了壓扁工序的自動化程度，但與其他工序之間聯(lián)系不緊密，造成整個生產(chǎn)過程自動化程度低，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。為此，本研究借鑒傳統(tǒng)制作工藝，設(shè)計開發(fā)了基于PLC控制的理條、整形、印字、鋪放連續(xù)自動化設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動強(qiáng)度，同時有利于猴魁茶的清潔化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)［3，4］。 利用猴魁茶葉片尺寸大的特點，增加了整形過程中在茶葉葉片表面印字或商標(biāo)的功能，有利于對傳統(tǒng)猴魁茶原產(chǎn)地和品牌的保護(hù)［5］。

1　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，連續(xù)自動化設(shè)備包括送料、理條、整形印字、自動鋪放和控制系統(tǒng)5個部分。在操作臺面上，安裝有左側(cè)進(jìn)料盒和右側(cè)進(jìn)料盒，操作人員將殺青后的猴魁葉片放入進(jìn)料盒中，利用氣流，通過輸料管將葉片送到理條部分，之后通過整形和印字部分對猴魁葉片進(jìn)行輕壓整形，并在葉片表面印出商標(biāo)或文字等標(biāo)記。整形印字后的猴魁葉片通過自動鋪放裝置，均勻整齊地排列在木制鐵砂網(wǎng)盒上。通過操作臺上的觸摸屏，可以對設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，利用PLC控制各個部分實現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)。

圖1　設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

2　送料、理條、整形、印字、鋪放各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　送料裝置設(shè)計

進(jìn)料盒結(jié)構(gòu)如圖2所示。操作人員將猴魁葉片逐根放入進(jìn)料盒料槽塊的料槽中，進(jìn)料盒蓋板小氣缸推動進(jìn)料盒蓋板遮蓋住進(jìn)料盒料槽塊。之后氣流通過節(jié)氣閥進(jìn)入進(jìn)料盒進(jìn)氣塊中，吹動猴魁葉片進(jìn)入進(jìn)料盒出料塊。進(jìn)料盒出料塊的出料口為圓錐形，保證猴魁葉片從大口被順暢吹入，進(jìn)入與進(jìn)料盒出料塊相連的透明塑料輸料管中。安全檢測反射式光電傳感器用于檢測操作人員放置猴魁葉片時，手是否離開進(jìn)料盒蓋板，防止夾傷手。茶葉檢測反射式光電傳感器用于檢測操作人員由遠(yuǎn)到近放置猴魁葉片時，最后一個料槽中是否放置了猴魁葉片。

圖2　送料盒結(jié)構(gòu)

2.2　理條部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

理條部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。理條固定塊將輸料管和彈性理條錐管連接在一起。在氣流的吹動下，猴魁葉片從輸料管通過彈性理條錐管大端進(jìn)入錐體和小圓柱端，之后猴魁葉片柄部進(jìn)入壓扁部分的主動壓輥與從動壓輥之間，將猴魁葉片柄部夾住，主動壓輥和從動壓輥轉(zhuǎn)動時，對猴魁葉片產(chǎn)生拖動作用，理條原理結(jié)構(gòu)如圖3a所示。彈性理條錐管用彈簧片制成，上下兩端為圓柱管，中間部分為圓錐管，小圓柱管軸向均勻的開出4個槽，彈性理條錐管結(jié)構(gòu)如圖3b所示。在氣流吹動和壓輥拖動的雙重作用下，猴魁葉片通過彈性理條錐管的小圓柱端，彈性理條錐管在軸向被分割成的4片彈簧片模仿人的4個手指頭，抱住猴魁葉片，完成理條動作，即右手拉住猴魁葉片柄部向前拖動，左手4指完成對猴魁茶葉片部分的抱緊捋直，使猴魁茶成條索狀。

圖3　理條原理結(jié)構(gòu)（a）和彈性理條錐管結(jié)構(gòu)（b）

2.3　整形和印字結(jié)構(gòu)設(shè)計

整形和印字部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。壓扁整形由主動壓輥和從動壓輥完成。主動壓輥和從動壓輥上沿軸向均勻設(shè)置6個相同的壓扁整形槽，一次可以完成6根猴魁葉片的壓扁整形。猴魁葉片通過彈性理條錐管理條后，首先猴魁葉片葉柄部分進(jìn)入主動壓輥和從動壓輥上的壓扁整形槽之中，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動主動壓輥轉(zhuǎn)動，主動壓輥和從動壓輥轉(zhuǎn)向相反，相互擠壓，通過摩擦力帶動猴魁葉片完成從葉柄到葉尖的壓扁整形。擰動從動壓輥壓力調(diào)整滾花螺釘，通過安裝在左擋板和右擋板頂部的從動壓輥壓力調(diào)整固定塊，實現(xiàn)從動壓輥壓力調(diào)整塊的壓緊和放松，從而實現(xiàn)對猴魁葉片壓扁力的調(diào)整。海綿吸濕塊模仿傳統(tǒng)猴魁茶制作中壓扁工序中棉布的作用，把海綿吸濕塊分別壓在主動和從動壓輥表面，用于吸附壓輥表面的茶汁。在整形落料擋板的兩側(cè)安裝有落料檢測傳感器的發(fā)射端和接收端，用以檢測整形印字后的茶葉是否落下。

圖4　整形和印字部分結(jié)構(gòu)

印字部分結(jié)構(gòu)如圖5所示。印字塊鑲嵌在主動壓輥上，與壓扁整形槽相對應(yīng)。在壓扁整形的過程中，通過印字塊上凸起的文字或商標(biāo)，完成猴魁葉片的印字。每個印字塊用固定螺釘固定在主動壓輥上。

圖5　印字部分結(jié)構(gòu)

2.4　鋪放部分設(shè)計

自動鋪放部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。鋪放網(wǎng)板托盤上的3個固定框邊用于定位鋪放網(wǎng)板。鋪放網(wǎng)板托盤固定在鋪放網(wǎng)板托盤托板上，橫向移動裝置固定在縱向移動裝置的托板上。移動裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶主動輪帶動同步帶傳動，同步帶固定板與托板連接，同步帶運動時，帶動托板沿兩側(cè)的直線光軸移動。在兩端的直線光軸支架旁安裝有接近開關(guān)，用于托板原點位置的確定和極限位置的保護(hù)。橫向移動裝置和縱向移動裝置的結(jié)構(gòu)相同，這樣就構(gòu)成了自動鋪放機(jī)構(gòu)，在程序的控制下使猴魁葉片整齊落入到網(wǎng)板上。

圖6　自動鋪放部分結(jié)構(gòu)

3　基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1　控制系統(tǒng)功能分析和硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件主要包括PLC、觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、光電傳感器［5］。由于步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點，能將脈沖信號變換為相應(yīng)的位移，其位移量與脈沖數(shù)成正比，移動速度和脈沖頻率成正比，所以，用步進(jìn)電機(jī)帶動整形印字機(jī)構(gòu)、自動鋪放機(jī)構(gòu)，不僅能實現(xiàn)精確定位，還能調(diào)節(jié)運行的速度。設(shè)定的進(jìn)給脈沖數(shù)、頻率和方向經(jīng)過步進(jìn)驅(qū)動器到達(dá)步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)化為主動壓輥的轉(zhuǎn)速和鋪放網(wǎng)板的位移量、前進(jìn)速度和進(jìn)給方向［6－10］。 通過控制電磁閥的通斷，實現(xiàn)進(jìn)料盒蓋板的閉合和打開、進(jìn)料盒吹料動作?？刂葡到y(tǒng)以PLC為中心，觸摸屏和PLC進(jìn)行雙向通信。在觸摸屏上設(shè)定主動壓輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速、鋪放裝置的移動速度、移動距離和次數(shù)等。加工的總盤數(shù)可以在觸摸屏主界面上顯示出來。在機(jī)組運行的中若遇到緊急情況，可以通過外部的急停按鈕來切斷電源。

3.2　控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

PLC輸入點包括啟動、停止、復(fù)位，橫向和縱向鋪放裝置的原點開關(guān)、左極限開關(guān)、右極限開關(guān)等14個數(shù)字量輸入信號。輸出點包括整形印字步進(jìn)電機(jī)、橫向和縱向移動步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號、方向信號，進(jìn)料盒蓋板電磁閥、進(jìn)料盒吹料電磁閥等9個數(shù)字量輸出信號。從I／O點數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，最終選用臺達(dá)DVP14SS211T和一個擴(kuò)展模塊DVP16SP11T。該自動化設(shè)備控制系統(tǒng)組成如圖7所示。

3.3　控制系統(tǒng)的軟件和人機(jī)界面設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件包括PLC控制程序和人機(jī)交互界面，控制流程如圖8所示。根據(jù)程序模塊化的設(shè)計思想，PLC程序分為系統(tǒng)初始化（參數(shù)清零、電機(jī)回原點）、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、手動操作（電磁閥控制、自動鋪放機(jī)構(gòu)控制）、自動操作4個子程序。觸摸屏程序包括手動運行、自動運行、參數(shù)設(shè)置和報警顯示4個功能模塊［10－15］。下面簡要介紹觸摸屏各個功能模塊的開發(fā)。

圖7　猴魁茶理條整形印字鋪放自動化設(shè)備控制系統(tǒng)組成

圖8　控制流程

1）手動運行模式可對每一部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨操作。通過進(jìn)料盒蓋板電磁閥按鈕實現(xiàn)蓋板的閉合，進(jìn)料盒吹料電磁閥按鈕實現(xiàn)單獨送料，橫向移動和縱向移動實現(xiàn)自動鋪放機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運動。手動運行模式還可用于調(diào)試設(shè)備，故障診斷等。

2）自動運行模式供一般工作狀態(tài)下使用。在該模式下按下啟動按鈕，系統(tǒng)便開始進(jìn)入連續(xù)循環(huán)的工作狀態(tài)，直到按下停止按鈕。

3）參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)定系統(tǒng)運行參數(shù)，觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面如圖9所示。

4）報警顯示模塊中，當(dāng)自動鋪放機(jī)構(gòu)在移動的過程中超過安全位置，觸碰到極限開關(guān)時，蜂鳴器會立即報警，觸摸屏上會顯示報警信息。

圖9　觸摸屏參數(shù)設(shè)置界面

4　小結(jié)

在分析猴魁茶制作工藝基礎(chǔ)上，模擬傳統(tǒng)手工制作工藝，設(shè)計和開發(fā)了猴魁茶送料、理條、整形、印字、鋪放連續(xù)自動化生產(chǎn)設(shè)備，結(jié)合猴魁葉片大的特點，在整形過程中增加了猴魁茶葉片表面印字或商標(biāo)的功能，同時討論了送料、理條、整形、印字、鋪放部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過采用觸摸屏和PLC相結(jié)合的控制方式，在觸摸屏人機(jī)界面上設(shè)置相關(guān)運行參數(shù)，實現(xiàn)了猴魁茶殺青后到烘干前各工序的連續(xù)自動化生產(chǎn)，解決了傳統(tǒng)猴魁茶加工中勞動強(qiáng)度大、自動化程度低、難以實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)等缺點，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。猴魁茶理條整形印字鋪放自動化設(shè)備的研制，對于其他扁形茶葉的加工也具有一定的參考意義。目前，該自動化設(shè)備已投入市場，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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