茶叶揉捻机的集成数字化控制系统设计

姜淑华

（常州工程职业技术学院，江苏常州213164）

茶叶揉捻机的集成数字化控制系统设计

姜淑华

（常州工程职业技术学院，江苏常州213164）

普通茶叶揉捻机整体构造尽显笨态，且生产加工需要大量的人工操作，对于生产工人而言未免过于负重。利用步进电机替代普通揉捻机的人工手柄，可实现自动化生产。然而，为了满足更大的生产需求，茶叶揉捻机的集成数字化控制系统设计大势所趋。该设计仅对系统局部零构件加以优化，在不低于传统系统生产强度的前提下，保证其系统更为轻量化。

茶叶揉捻机；集成数字化控制系统；单片机；设计

揉捻加工是茶叶生产极为重要的一道程序，传统工艺多为人工揉捻，然后逐渐出现采取木质揉捻设备。直至今日，全机械化揉捻机的出现方才实现其自动化的生产过程。机械式揉捻生产仍需人工利用操纵手柄来辅助加工，庞大的产品加工量也会给工人带来巨大的工作负担，且产品质量不能保持绝对的稳定。因此，本文通过设计茶叶揉捻机的集成数字化控制系统，彻底解决传统茶叶揉捻机过于笨重和强度过剩的问题，它是一种基于传统茶叶揉捻机的升级版本，利用CAD/CAE/CAM等数字集成手段对茶叶揉捻机进而二次升级设计，使得揉捻机整体自重大为降低，生产过程投入的成本也有所控制。更为重要的是，由原来人工通过操纵手柄辅助生产转变为简单控制电机即可实现整个生产流程的控制，劳务工人的工作强度大大减小，并逐步实现系统的PLC自动化控制。

1　茶叶揉捻机的工作原理及单片机控制电机运行分析

茶叶揉捻机是一种可保持茶叶纤维组织不致破坏，且能确保茶叶品质均一，操作简便之茶叶揉捻设备。茶叶揉捻机主要设有一莲花座、一传动组和一卷布杆，莲花座设有数片莲花片由传动组带动莲花片做开、合之动作，对茶叶进行揉捻及压缩，由另一驱动马达带动莲花座旋转，并配合卷布杆，将布质袋自动绕卷成结，令布质袋之容置空间逐渐缩小，达到对茶叶双重揉捻及缩小体积之功能。换句话说，利用两组独立传动结构带动心轴使莲花座旋转及带动传动组的传动螺杆作正、逆向之旋转令推板上下移动使莲花座之莲花片作开、合之动作并将茶叶收缩、揉捻。茶叶揉捻机作为茶叶加工设备最为关键的组成部件，其工作性能与茶叶功效、产品品质不无关系。因此，茶叶揉捻机的工作原理与工艺技术成为生产商和科研机构共同关注的话题。茶叶揉捻加工过程给予茶叶揉捻压力和揉捻时间也对茶叶产品的品质具有直接影响。本节内容主要阐述茶叶揉捻机的工作原理，并就单片机控制电机运行加以分析。

1.1茶叶揉捻机工作原理

不同茶叶的揉捻加工原理大同小异，将已杀青的茶叶置于揉捻筒仓并由电机带动以匀速平行的方式做圆周运动。与此同时，茶叶也将承受揉捻筒壁、压盖和楞骨等多个方向的共同作用力，使得茶叶随不同叶片主脉揉捻成为条状，茶叶细胞遭到破碎。通常，茶叶揉捻机主要包括四个组成要件，即传动设备、副轴机构、揉捻设备和施压设备。传动设备主要由电机、减速设备和齿轮轴来传递动力，将动力传至主轴，然后驱动揉捻筒仓旋转，旋转过程施压大小则是由丝杆与螺母来操纵压盖升降得以调整，而由弹簧装置即可操纵压盖的上下浮动。经揉捻筒仓上端口投料，经揉捻加工完成的茶叶由揉捻轴盘的中央出茶门导出。

值得注意的是，茶叶揉捻加工中施压过程须遵循“先轻后重、匀速增压、轻重交替和完全释放压力（即‘轻→重→轻’）”的基本原则与操作流程。然而，还需合理掌握不同茶叶种类所需的加压大小和施压时间，确保整个揉捻加压过程得当，避免茶叶的芽叶出现断碎问题。

1.2单片机控制电机运行分析

茶叶揉捻机核心控制部分的主要元件是单片机，其重要作用是产出控制脉冲。利用单片机可编程与执行的功能可产出控制脉冲，可对一般的步进电机角位移量进行控制，然后再对伺服机构进给量予以控制。与此同时，利用单片机编程与执行产出控制脉冲也可控制电机运行频率及加速度，由此便可对伺服机构进给速度进行控制。通常，构成该控制电路的部件有单片机、驱动芯片、信号分离电路和步进电机等。

1.2.1硬件配置

1.2.1.1选用型号为C8051F005的单片机。C8051F005型单片机是一种具有全集成化特点的混合信号单片机，它由10/12位多通道输入模数转换装置（1路ADC）、12位数模转换装置（2路DAC）、电压比较装置（2路）、16位定时装置（可编程）、16位计数装置列阵、PWM波发生装置、通用I/0端口（4组）、I2C/SMBus总线、WART串行总线和SPI总线、32KB FLASH内部存储装置等共同组成，拥有具有高速性、工业性特点（可允许温度范围较大，一般在-45摄氏度～+85摄氏度以内）的核心处理芯片。

1.2.1.2选用型号为L6308的驱动芯片。L6308型驱动芯片乃ST公司研制并在两相混合步进电机双极驱动芯片中极为适用，该驱动芯片可配置额定电压为8～52V和额定电流2.8A的驱动电源，无需另外增配其他电源。为实现驱动的细分化，该驱动芯片内部集成有脉冲分配装置，而内部控制则通过信号脉冲分配最终实现H桥控制信号输出。另外，我们所设计的系统拥有五组端口，即P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P2.0。茶叶揉捻机利用单片机P1.1端口控制步进电机并输入CLOCK，以此控制电机速度，利用单片机P1.2端口来控制CW/CCW即可实现对步进电机旋转方向的控制。由单片机P2.0端口来驱动芯片，单片机P1.3端口实现整步与半步的选择，由单片机P1.4可实现对电流衰减的速度控制。

1.2.1.3选用型号为86BYG250FC两相四线混合步进电机。针对茶叶揉捻机作业状态，按照不同生产要求，设置不同的电机转速和揉捻加工时间。因揉捻盘需要不停地上升与下降，电机转速与水平位移控制过程应该更为简单化。应用步进电机即可解决传统揉捻机必须依仗位置传感器的问题，仅需通过控制开环即可保证揉捻盘的精确定位。因此，我们选用型号为86BYG250FC两相四线混合步进电机，设置固有步距角度为0.9度～1.8度，转矩为8.5牛·米，转动惯量为2.5千克·平方厘米，相电流则为5安。另外，我们也可改变接入C8051F单片机自带A/D转换端口AIN0、AIN1和AIN2的电阻阻值大小来控制电机在不同位置的合理揉捻时间。

1.2.2软件设计

集成数字化控制系统主要包含自动控制与手动控制2种模式。启动系统之前须合理调整按钮，即调整A/D转换端口AIN0、AIN1和AIN2的电阻阻值大小，进而设置各个电机位置的具体揉捻时间。然后，选择控制模式（自动或手动）。若选择自动控制模式，须根据提前设置好的系统程序来执行揉捻加工；若选择手动控制模式，则须利用通过手按压盖的方式控制器升降达到目标位置。通常情况下，揉捻筒仓已装满茶叶原材料后如选择自动控制模式利用RTX51Tiny实时操控系统的移植功能实现步进电机的运行控制动作。RTX51Tiny实时操控系统作为Keil内带的51单片机嵌入式RTOS，它具有诸多优点，如操作简便、运行稳定和后期维护便利等。

2　新型茶叶揉捻机集成数字化控制系统设计的流程

新型茶叶揉捻机集成数字化控制系统的设计要借助于三维数字模型。该类揉捻机由单片机控制电机运行的方式来替代传统机械师揉捻机须依靠人工操纵手柄较为落后的方式。新型茶叶揉捻机利用操作键盘按下相应按钮来启动电机运行实现揉捻生产过程，由此将工人从繁复的工作中解放出来。与此同时，该揉捻机在集成数字化控制系统设计方面也做了极大的优化，减轻设备自重且不降低基本的加工强度标准。

茶叶揉捻机的集成数字化控制系统的设计参照如下流程：

2.1利用UG/CAD技术建立三维数字模型，并对系统各个组成部件进行参数化设计，由此保证整个设计过程的高效性和精确性；

2.2利用UG/CAE实现系统各个组成部件的有限元分析（可建立相关的有限元模型），如分析应力变化、变形情况和疲劳强度等等，通过分析得到各项参数，确保各个组成部件符合茶叶揉捻机集成数字化控制系统的应用要求；

2.3通过设定相应设计变量、约束条件与目标函数即可实现系统各个组成部件的自动化设计过程，以此减少原材料的成本投入，并进一步为设备自重减负；

2.4基于计算机辅助加工CAM可对系统各个组成部件予以仿真加工，可保障部件加工的合理性和精确性。另外，也能降低产品对加工车床的磨损；

2.5各个组成部件的组装过程应进行全程的干涉检查，一一排除其设计尺寸问题。同时，利用UG/motion实现茶叶揉捻机加工过程的虚拟仿真，并排除加工干涉的可能性，保障揉捻机设备的运行稳定性。

3　结束语

茶叶揉捻机的集成数字化控制系统是机械式茶叶揉捻机进行设计的，利用UG/CAD等技术手段建立三维数字模型，实现对茶叶揉捻机自重的减负和加工强度标准的进一步优化。该设计引入步进电机作为驱动装置，其优点不仅限于构造简单、运行稳定性好和经济成本低廉，还因其以脉冲驱动形式可与现代数控技术完美融合，因而在现代工业生产中应用较为广泛。另外，应用C8051F005型单片机和L6308型驱动芯片来控制与驱动86BYG250FC型两相四线混合步进电机可替代传统茶叶揉捻机必须依靠人工操作手柄的作业方式，提高系统生产效率的同时又能保证劳务工人的人身安全。经优化的新型茶叶揉捻机实现了自动化生产目标，如能得到广泛推广必然收获极好的经济效益。

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2013年江苏省高等教育教改研究立项课题：《高职院校专业课程“微资源”建设的研究与实践——以重点专业的核心课程“微资源”建设为例》，课题编号：2013JSJG294。

姜淑华（1972-），女，黑龙江齐齐哈尔人，研究生，讲师，研究方向：电气控制。