1 选题的背景和意义
1.1 选题的背景
中国是茶叶的原产国，中国人对茶叶的饮用，至少可追溯到四千年以前,20世纪50年代以来，尤其是进入80年代以来，我国的茶叶加工技术快速向着机械方向发展，各茶类的制茶机械相继研制与开发成功，并逐步应用于生产。到目前为此，我国的大宗茶己有90%实现了机械化加工，名优茶也有50%以上的加工实现了机械化[1]。
揉捻机的机械设计及PLC控制是要在茶叶揉捻机的工作压力、时间、转速和上下叶的自动控制，包括传感和采集系统、电气系统、控制和界面系统、软件系统的设计和开发[2]。整个茶叶揉捻系统的软件设计分为上位机软件的设计和下位机软件的设计。在上位机软件系统的设计和开发中，人机界面的设计占主要的部分。
1994年8月，中央决定，在“九五”期间，国家安排专款用于引进国际先农业科学技术，每年实施一批项目。引进技术所需用于消化、吸收和推广的经，中央单位承担的项目由中央财政解决，地方单位承担的项目由地方财政配套。就是948项目。最近，国务院再次决定，在“十二五”期间，中央财政每年投资2亿元，继续执行“948”计划。由中国农业科学院茶叶研究所承担的农业部948滚动项目《茶叶标准化生产键技术引进、消化与创新研究》于2006年正式启动[3]。该项目称:“我国的茶加工技术水平与装备多年以来没有重大改进，总体上还处于传统农副产品初级工，加工的机械化、自动化程度低，质量管理与品质控制仅凭人工经验和常规审评与理化检验来保证，与全程清洁化生产、机械化加工和自动化控制的世界进水平差距甚远[4]。针对我国不同茶叶生产过程的特色和上述主要问题，引进一世界先进水平的种植和加工技术、理念、设备和装置等，在消化吸收的基础上，合必要的创新研究，整合过去几十年来提出的成熟技术成果，力求改善加工设的自动化和智能化程度，提升加工的工艺水平，提出我国绿茶(名优绿茶、大绿茶)、CTC红茶和乌龙茶的标准化加工工艺参数，研制出茶叶加工关键设备自动控制装置和生产线自动控制系统，研制出茶叶加工智能化专家咨询系统。”本课题是该滚动项目的一部分，其目的是通过自身的设计学习，初步了解茶叶揉捻机的设计的基础[5]。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
茶叶原产于中国，后逐步传播于世界，当前世界上有50多个国家种茶和产茶，160多个国家饮茶。它们的种茶和茶叶加工技术以及饮茶习俗，均系从我国直接或间接传去。早在唐代的公元815年，茶树种植技术就由我国传到日本，绿茶蒸青加工技术也同时传去，被日本人一致延用至今，并在此基础上不断改进完善，研制出一整套蒸青煎茶加工技术，还实现了现代化的生产线加工。19世纪上半叶，中国茶树种植和条形红茶加工技术先后传到印度尼西亚、印度、斯里兰卡和苏联(今独联体诸国)。这些国家在茶树种植初期均应用从我国传去的技术和方法，进行茶树栽培管理和茶叶加工，甚至直接从中国聘请茶叶技师传授茶叶种植和加工技术。在此基础上，这些种茶国家经过不断的实践和研究，尤其是通过对机制茶叶的开发(如揉捻机和烘干机等茶叶加工机械的发明)，至19世纪后半叶红茶加工方法开始从条形茶向着切碎红茶方向发展。由于这种茶为碎颗粒形状，内含成分在冲泡时容易溶出，在茶汤中加入牛乳后风味和汤色不会变淡，很适合西方人的饮用习惯，很快风行世界。红碎茶自出现以来，经历了盘式揉切机、转子揉切机和CTC等阶段的揉切技术改进，品质更为优异。20世纪中后期，茶树种植和红碎茶加工技术传入非洲等地(如肯尼亚等产茶国)，红碎茶生产采用了最先进的CTC加工技术，茶厂及其生产线设计尤为先进，加工出的红碎茶品质良好，在世界茶叶市场上具有很高的信誉[6]。
我国制茶机械化作业技术虽然取得了长足的发展，但制茶机械的自动化和连续化程度仍然较低，与食品工业的机械化相比却存在着较大的差距[7]。食品工业生产技术的发展过程大体要经历五个阶段，即机械化阶段、初级自动化阶段、自动控制阶段、数据化阶段、高级自动化阶段(无人化阶段)。目前国内食品加工技术已处于第四阶段，国外茶叶加工己进人第三、第四阶段，如日本蒸青茶生产线和英国CTC生产线。而我国的制茶技术总体上仍处于第一阶段，个别单机或生产线处于第二阶段，与国外相比尚存在巨大的差距[8]。
2 研究的基本内容
揉捻是茶叶初制加工中极为重要的一个过程，它的好坏决定了成茶品质的优劣。本课题分析茶叶揉捻过程，确定自动揉捻机构，提高制作效率和质量。要求结构简单，自动化程度高。重点在于确定方案及机构设计。要求完成机械结构的设计和电气控制的设计。
2.1 基本概况
该滚筒式茶叶揉捻机由传动装置、副轴装置、揉盘装置和加压装置4 个主要部分组成。电动机的动力通过减速装置和齿轮组传递到主轴上，驱动揉桶在布置有棱骨的揉盘上做旋转运动。其工作原理为：利用行星轮机构的公转和自转，使杀青（或萎凋）叶团在滚筒中反复受到多个功能各异的行星轮施加力的作用，将叶组织细胞破碎，最终沿各自叶片主脉揉捻成紧结圆浑的条索状。
1.电动机与减速器 2.齿轮 3.中心轮 4.行星轮 5.揉捻区域6.揉盘装置
图1 滚筒揉捻机原理图
2.2 研究的重点和难点
解决茶叶揉捻机的结构设计、PLC自动控制系统设计，实现茶叶揉捻机的结构简单、操作方便以及能较好保持茶叶组织品质均一和工作压力、时间、转速和上、下叶（装卸茶叶）的自动控制是本次设计的重点和难点。
3 研究的方法及措施
3.1茶叶揉捻机的研究方法
该机的局部结构原理如图2 所示。它主要由传动机构、滚筒机构和行星轮机构组成。整个揉捻区分为揉搓区和捻条区。揉搓区由6 个揉搓轮和3个解块轮组成。捻条区由两个捻条轮组成。电动机的动力通过齿轮传动和行星轮机构分别传递到滚筒、揉搓轮、捻条轮和解块轮上。揉搓轮和捻条轮随行星轮转动，解块轮空套在行星轮轴上，滚筒被支撑在两对支撑轮上。揉捻时，滚筒的转向与解块轮相同，与揉搓轮和捻条轮相反，如图3 所示。滚筒与水平成一定夹角，且可调。滚筒的内壁按照螺旋的方式布置了棱骨。棱骨的螺旋方向与滚筒的旋转方向相反,一方面对叶团施加力，使叶团翻滚揉捻；另一方面，推动叶团沿滚筒轴向移动。揉搓轮的圆周上布置有弹性搓手，其弹性可以调整。沿滚筒轴向不同位置的揉搓轮与滚筒内壁的距离不一样，其上的弹性搓手的弹性也各异。解块轮外形类似链轮，材料是非金属。捻条轮与揉搓轮不一样，它的外圆周上是一层弹性很好的非金属材料，与滚筒内壁的间隙更小，而且在此位置，滚筒上的棱骨比前面的细小。
1.捻条区 2.捻条轮3.揉搓区 4.滚桶 5.解块轮 6.揉搓轮
图2 局部结构示意图
图3 运动示意图
图4 茶叶揉捻机自动控制系统框图
茶叶揉捻机自动控制系统主要由上位机、下位机和调速控制、压力控制、上下叶控制以及显示四个子系统组成。系统框架如图3所示,上位机是一台PC,和触摸屏组成一体机;下位机采用PLC;调速控制由一台变频器和一台交流电机构成;压力控制系统由压力传感器、步进电机、步进电机驱动器以及两个行程开关组成;上、下叶控制由电磁阀、气缸、接近开关以及限位开关组成; 显示系统是一个文本显示器和一些指示灯。PC对茶叶揉捻控制系统进行控制是通过PLC实现的,PLC是揉捻控制系统的实际控制核心,PC与PLC是通过串口进行通信的。
4 预期成果
根据设计任务书，并且查阅相关文献和参考资料，经过以上方法和措施，完成对茶叶揉捻机的结构设计、自主控制系统设计，实现茶叶揉捻的机械化以及自动化，最终设计的揉捻机将以设计说明书和设计图纸的形式呈现，其中设计论文包括揉捻机的结构原理设计、自主控制系统设计的理论、控制原理介绍，设计图纸包括一张装配图、若干张零件图及设计电路图。
5 研究工作进度计划
本次设计总体时间的安排
2018.11.01～2018.11.15 了解课题的基本内容，查阅相关资料
2018.11.16～2018.12.25 翻译英文资料，完成开题报告。
2018.12.26～2019.02.09 学习相关内容和软件，初步建立方案。
2019.02.10～2019.03.20 零件结构图的绘制。
2019.03.21～2019.04.01 建立故障数据库。
2019.04.02～2019.04.30 编写PLC程序。
2019.05.01～2019.05.15 写设计论文。
2019.05.15～2019.05.21 上交毕业设计全部资料，准备毕业
参考文献
[1]杨晓平.茶叶生产与加工机械化[J].现代农机,2018,05:24-25.
[2]钱天寿,康孟利,凌建刚,林旭东.茶叶加工中揉捻技术的研究进展[J]. 农产品加工(学
刊),2008,08:48-50.
[3]张哲,牛智有.揉捻过程中茶叶物理特性的变化规律[J].湖北农业科学,2018,13:2767-2770.
[4]赵春芳,严晓敏.基于PLC的变频器控制在茶叶揉捻机中的应用[J].机床电器,2010,04:29-30.
[5]赵春芳,金华强.基于PLC的步进电机控制在茶叶揉捻机中的应用[J].江西电力职业技术学院
报,2009,01:39-41.
[6赵春芳.基于PLC的茶叶揉捻机自动控制系统的研究[D].浙江工业大学,2009.
[7]王家斌.机械制茶史话[J].中国茶叶加工,2010,01:14.
[8]张星显.汉中市机械化制茶技术研究[D].西北农林科技大学,2006.
