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摘要：针对水仙茶的包装过程仍主要依赖手工操作，其方形块茶的人工成型包装存在的效率低、外观一致性差等问题，提出一种解决方形饼茶的自动化成型包装设备，该设备能自动模拟手工折叠棉纸进行连续称重定型压制和折纸包装，集包装棉纸供应、块茶成型、棉纸折叠、块茶回收等工序于一体，并能有效衔接各工序的自动化生产。经生产实践，该设备具有结构紧凑、占地面积小，不仅提高了包装效率、改善了包装环境，还保证了生产质量，具有显著的经济和社会效益。
关键词：水仙茶；方形茶饼；自动化；造型；棉纸包装
0引言
茶叶包装机械对茶叶加工和销售具有举足轻重的作用。茶叶包装机械的技术水平，是衡量茶叶加工技术装备能力的重要标志[1]。我国是世界产茶大国之一，国内茶叶市场呈产、销两旺的态势，中高档茶和品牌茶市场反响更加火爆。但是早些年我国茶叶包装工业技术并不发达，大部分地区的茶叶主要采取小包装、人工包装的方式，存在耗费大量人工包装、效率低、卫生不达标、包装质量得不到保障、外观形状差等问题[2]。当前的茶叶自动包装设备，如小包装茶叶自动包装机器，可以快速、准确地完成包装工作，大大提高了生产效率[3]。同时，自动化包装过程可以减少人为因素对产品品质的影响，确保每一包茶叶的品质都达到标准。茶叶包装机行业是一个技术密集型产业，在国内外市场均面临激烈的竞争。为适应市场需求和满足用户要求，茶叶包装机企业不断进行技术创新和产品升级，推出了各种先进的茶叶包装机产品。随着环保意识的提高，小包装茶叶自动包装机器将会更加注重节能减排和资源回收利用[4]。
茶产业作为劳动密集型产业，人工成本占据了相当大的比重。而如今，规模化的制茶企业逐渐崭露头角，但当地劳动力资源却日趋紧张[5]。这一背景下，自动化程度高的生产线，如自动称重压模定型包纸生产线，便有了更大的发展空间[6]。国内其他地区也有类似的紧压茶，如云南的普洱茶和湖南的黑砖茶[7]，这也预示着这一生产线的推广潜力不容小觑。然而，茶叶自动包装设备仍然存在一些挑战。例如，漳平水仙茶饼已列为国家地理标志产品[8]，属于乌龙茶类中的紧压茶，是漳平县最富特色，具有比较优势的农产品，有其独特的棉纸方形饼茶手工压制包装工艺。目前方形饼茶棉纸包装的整个过程还是全部采用纯手工操作，如图1所示，其制法是用见方的毛边纸铺在桌上，然后将四方模具放在纸上，把茶叶揉成团放入模具内，用木褪套入模内，锤紧压实后，拿掉模具，用白纸包紧，浆糊粘住封口[9]。纯手工操作包装水仙茶不仅影响了生产效率，也难以满足市场对高效、环保、卫生的需求。因此研发一种自动称重造型的漳平水仙茶软纸包装生产设备，通过电气智能控制模拟手工折叠棉纸，实现连续自动称重定型压制折纸包装，无需人工参与，可大幅度提高包装效率，改善成品包装环境，保证包装生产质量。这一技术的研发不仅具有良好的经济效益，而且也具有很好的社会效益，对茶叶产业的技术进步具有重要的意义。
1方形饼茶自动成型内包装工序
经过行业调研，目前的茶叶内包装机械主要是针对铝箔膜袋、薄膜塑料袋等袋包装茶叶[10]，针对方形饼茶的棉纸包装机械非常少见。方形饼茶的手工棉纸包装过程：经过揉捻之后的茶叶处于半湿状态，将茶叶放在模具中压成方形，然后放入到棉纸上，最后棉纸四边两两分别对折，完成包装。为解决通过设备完成同样的包装过程，对小块方形饼茶棉纸包装过程及包装要求进行深入分析研究，结合传统手工包装生产工艺，依据符合自动化、工艺过程简单及保留传统包装特色的原则[11]，重构并拟定小块饼茶内包装工艺（图2），确定茶饼软包装设备所能实现的功能（称重、充填、定型、送纸、折叠、粘纸等）及应用范围，确定各个机构间的相互配合关系与行程时间，在对其进行工艺分析的基础上制定设计方案。
2自动称重造型方形饼茶软纸包装关键技术
2.1自动称重
自动称重是一种现代化的称重方式，它利用电子技术和计算机技术，实现了对物品的自动称重和计量[12]。如图3所示，采用电子式称重传感器，精确地测量茶叶重量，将茶叶的重量转化为电*号，并将数据传输给计算机进行处理。*号处理器采用模拟电路和数字电路相结合的方式，能够对传感器传输的模拟*号进行放大、滤波、采样和转换等处理，最终将*号转化为数字*号，以便计算机进行处理，从而得出茶叶的重量。数据传输能够将*号处理器处理后的数据传输给计算机进行处理。数据传输通常采用串行通*方式，即将数据按照一定的格式和速率传输给计算机。在数据传输过程中，需要注意数据的准确性和稳定性，以确保称重结果的准确性。根据传感器传输的*号和*号处理器处理后的数据，计算出物品的重量[13]。计算通常采用微处理器或计算机进行，能够对数据进行处理和分析，从而得出准确的称重结果。
如图4所示，自动称重装置采用高精度、高标准的特制传感器，运用智能化的多次采样稳定模式、全新高集成模块化设计及智能化的故障报警提示，具有高速异步放料功能[14]，可有效防止物料阻塞；采用了CAN总线技术，运用Modbus工业标准通*协议，实现组合秤和包装机界面合二为一；采用双层下料斜槽结合双高速集料斗交替下料，有效突破了斜槽的加料时间的瓶颈。采用模具制作工艺，使各个零部件的互换性更强。自动称重装置参数如下：单次称重范围10~200 g；称重精度范围×（0.5）；最大称重速度180 P/M；料斗容量0.5 L；操作界面10.4寸（即对角线长约25.4 cm）触摸屏；选购装置（花纹料斗/集料斗/数据打印装置/超重选别装置）；驱动方式选用步进电机；电源要求220 V、1 500 W、50 Hz/60 Hz、10 A；包装尺寸1 250 mm（L）×1 070 mm（W）×1 960 mm（H）。
2.2全自动压制成型
水仙茶压制成型设备包括转台、入料机构、出料机构、压制组件，且压制组件包括多个且与压制成型腔一一对应，压制成型腔上方伸入至压制成型腔内，且随转台转动，压制成型腔从入料机构转动至出料机构过程中，压制组件逐渐下移将对应压制成型腔内的物料压制成型。通过转台式的移动方式，使得多个压制成型腔可以同时工作，而利用压制组件，在随转台转动的过程中将对应压制成型腔的物料逐渐压制成型，配合入料机构和出料机构，实现连续自动压制加工，全程无需人工参与，而且多个压制成型腔分别加工，大大提高工作效率。
图5所示为水仙茶压制成型设备组成，机架上设有转台，转台外周上有若干圆周分布且开口朝向周围的压制成型腔；入料机构位于转台一侧用于将水仙茶压送入到与其相对的压制成型腔内；出料机构位于转台另一侧用于将压制成型腔内已压制成型的茶饼推出；多个压制组件与压制成型腔一一对应，从压制成型腔上方伸入至压制成型腔内，且随转台转动，压制成型腔从入料机构转动至出料机构过程中，压制组件逐渐下移将对应压制成型腔内的水仙茶压制成型。导向件可以使压制组件随转台转动过程中逐渐下移至压制成型位置。压制组件包括压杆、压头、导向座。压头设于压杆下侧且与压制成型腔宽度相匹配，压杆可沿导向座上下运动。导向件上设有自入料机构向出料机构位置逐渐向下延伸的斜向导向槽，导向座上设有伸入至斜向导向槽内的导向件。转台上还设有随其一同转动的转架，转架上沿其外周设有若干立架，立架上有活动的导向座，压杆穿过转架上的通孔。压杆包括外套管和内管，压头连接在内管下端。压制组件上方有推出驱动器，推出驱动器下端有推头，位于出料机构处相对的压制成型腔下端连通的卸料口，通过推头带动内管下移从而将出料机构处的压制成型腔内的茶饼推出。
2.3棉纸送纸折叠包装
全自动方形饼茶成型包装设备，当落在输送带上的水仙茶符合设定重量，将水仙茶输送至块状成型装置，若落在其输送带上的水仙茶不符合设定重量，该水仙茶则反方向运输进行剔除；方形成型装置接收符合设定重量的水仙茶后将其挤压形成方块状，挤压形成的水仙茶方形茶块会通过输送装置继续推送至包装折叠装置，在块状水仙茶输送到包装折叠装置之前，先将包装纸从包装纸供给装置通过包装纸移送装置输送至包装折叠装置，然后块状水仙茶落至包装纸上后，包装折叠装置对块状水仙茶进行折叠包装。
包装折叠装置如图6所示。图中，包装纸折叠成型由折叠基座、左折板、右折板、前折板、后折板、第一上折板、第二上折板、整形板组和包装驱动机构组成；折叠基座上设有向下凹的折叠腔，折叠腔底部设有折叠区，用以放置包装纸；折叠基座左侧有左折板且能够在折叠腔上方向右伸缩，折叠基座右侧有右折板且能够在折叠腔上方向左伸缩，折叠基座前侧有前折板且能够在折叠腔上方向后伸缩，折叠基座后侧有后折板且能够在折叠腔上方向前伸缩，折叠区的前后两侧有第一上折板和第二上折板，且能够向上伸缩；包装驱动机构与左折板、右折板、前折板、后折板、第一上折板、第二上折板和整形板组相连接，驱动左折板、右折板、前折板、后折板、第一上折板、第二上折板和整形板组，分别对位于折叠腔的包装纸进行左、右、前、后、上方向的折叠动作以及周侧的整形动作。左折板与右折板相对的一端设有嵌合缺口，另一端有嵌合凸舌，左折板和右折板相对运动时嵌合凸舌伸入嵌合缺口内。热压机构由热压悬臂、热压头和热压升降驱动单元组成，热压悬臂下端有热压头，热压升降驱动单元与热压悬臂连接以驱动热压悬臂带动热压头上升或下降；折叠腔的端部设有通孔，热压头位于通孔上方。包装折叠装置能够实现包装纸对块状物料进行包装过程中的自动折叠，且通过所述整形板组对包装纸折叠过程中的四角进行整形内收，有效解决了包装过程中容易发生的四角不规则褶皱及外凸的问题，提升了包装的美观性。
3茶饼棉纸包装控制系统
3.1棉纸供应
棉纸供应主要由棉纸供应槽、棉纸供应槽移动气缸、棉纸吸盘、磁性开关、棉纸吸盘气缸等组成。当需要供应棉纸时，棉纸吸盘气缸下移到位，通过真空吸附将一张棉纸从棉纸供应槽中吸附起来并上移，棉纸供应槽移动气缸发生缩回动作，棉纸吸盘气缸下移将棉纸放在折纸包饼茶转盘的相应工作位上。在棉纸吸附台上有一小块海绵，该海绵与通过水管与水接通保持处于湿润状态，当棉纸被吸附时，棉纸一角与湿润的海绵接触，使得棉纸的一小块区域被湿润，从而使得棉纸能与饼茶包装旋转工作台贴合在一起，防止棉纸飘动。
3.2饼茶供应
饼茶供应主要由放茶槽、茶槽盖、茶饼脱模气缸、压茶气缸、磁性开关、茶饼成型转盘等组成。将约10 g半湿状态松散茶叶放入茶槽中，光电传感器检测到茶槽盖后，压茶气缸伸出，将松散的茶叶压制成饼状，同时挤压出的水分通过导水管引出，当压茶成型转盘转到位时，茶饼脱模气缸伸出将茶饼推到转盘的凹槽中，茶饼脱模气缸缩回到位。磁性开关用于检测气缸活塞位置。
3.3饼茶折纸包装
饼茶包装装置主要由两部分组成，每一部分完成棉纸的两边对折。饼茶第一包装机构主要由导纸片、折纸气缸、压纸气缸、热定型块气缸等组成。饼茶包装旋转工作台在旋转时，带饼茶的棉纸经过导纸片时，将对应两边的棉纸边处于竖立状态，当到达包装位时，一个折纸气缸伸出，将竖立的棉纸边折平，压纸气缸下移，压实折边，并在热定型块的作用下对已折叠的棉纸边进行加热定型，压纸气缸上移，另一个折纸气缸伸出，将棉纸的另一个竖立边折平，压纸气缸下移，压实折边、加热，压纸气缸上移，完成两边棉纸对折动作。饼茶第二包装机构主要由推纸气缸、折纸气缸、压纸气缸、热定型块等组成。饼茶包装旋转工作台旋转到饼茶包装位置时，推纸气缸动作，使另外两边的棉纸处于竖立状态，压纸气缸下移，再次压实折边、加热棉纸，压纸气缸上移，折纸气缸伸出，将剩余两边的棉纸对折，压纸气缸下移，再次压实折边、加热棉纸，压纸气缸上移，完成最后两边棉纸的对折。
3.4纸包饼茶排料
饼茶排料主要由抓取机械手、抓取气缸、加热块、分料板等组成。饼茶包装旋转工作台旋转到饼茶分料装置位置时，抓取机械手下移，将包装好的饼茶夹住并上移，工作台继续旋转，抓取机械手下移将饼茶放在工作台的平台上，随着工作台旋转，饼茶在分料板的作用下进入物料箱。
3.5饼茶供应、棉纸供应和包装的联动
为保证饼茶成型供应、棉纸供应和饼茶包装能够按照动作顺序连续动作，设计了一种转盘式流水线装置，包括压茶成型转盘、折纸包饼茶转盘，每个转盘上有环状均匀分布的6个工位孔，这些工位孔是分别对应的。伺服电机具有良好的定位功能，伺服电机的输出转速通过二次齿轮减速使得两个工作台的旋转速度相同。
3.6电气控制
采用磁性开关、金属传感器等传感器的检测*号作为气缸、工作台动作的启动*号，并通过PLC和触摸屏实现动作的顺序控制。传感器的检测*号送给PLC，PLC经过处理后输出相应的动作*号，使得气缸、工作台的动作能够有序进行，保证系统的连续动作。
4测试验证与结果分析
使用专用软件将编写好的PLC程序下载至三菱FX2N PLC中，将触摸屏界面编程代码同步至TPC7062 TX触摸屏。在触摸屏HMI界面上，选择“连续运行”模式。点击启动按钮，设备自动进入预定程序流程。该设备与人工方式的对比情况如表2所示。
经过实际生产测试，这款设备在包装效果上显著优于传统的人工包装方式。使用该设备进行饼茶包装，其效率是人工操作的6~8倍，不仅大大提高了生产效率，而且其包装外观质量远超传统手工包装，合格率也有显著提升。与传统工艺相比，新工艺流程具有以下优势：（1）解决劳动力紧缺，劳动力成本逐年增高的问题；（2）提高压模造型、包纸工艺的水平；（3）实现产品重量及外形尺寸的标准统一化；（4）减少压模成型包纸时间使同批揉捻后茶叶的口味保持稳定；（5）大大提高生产效率，颠覆原有传统家庭作坊的生产模式，实现水仙乌龙茶产业化和规模化发展。
5结束语
饼茶人工成型包装存在许多无法控制的因素，导致包装外观效果难以保持一致，且不能满足市场对高效、环保和卫生的需求[15]。本文设计自动称重造型的水仙茶软纸包装设备，通过电气智能控制模拟手工折叠棉纸，实现连续自动称重定型压制折纸包装，无需人工参与，可大幅度提高包装效率，改善成品包装环境，为全面推行水仙茶饼生产加工清洁化、连续化、标准化奠定基础。这一技术的研发不仅具有良好的经济效益，对茶叶产业的技术进步也具有重要的意义。未来，随着科技的不断进步和茶叶行业的逐渐发展，饼茶自动化包装技术将会得到更广泛的应用和推广。
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方形茶饼自动定型软包装设备关键技术研究论文
人参与 2024-12-30 11:05:41 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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