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德国包装机械的自动化及仿真设计

供稿:工控网 2006/8/4 9:36:00

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德国与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国。德国包装机械在设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。2002年,德国包装机械产值达34亿欧元,欧洲包装机械的70%为德国生产。德国的包装机械77%出口,占世界包装机械出口市场的29%,名列第一位。中国是德国包装机械的重要出口国,尤其是食品加工及包装机械。 德国包装机械的设计依据市场调研及市场分析,目标是努力为客户尤其是大型企业服务。随着科学技术的发展及市场竞争的加剧,客户的需求也越来越高,这种需求体现在以下几个方面:一是提高生产效率,以满足交货期和降低工艺流通成本的需要,对一些产品,还要求包装机械和生产机械相衔接;二是为适应产品更新变化的需要,包装机械要具有高的柔性和灵活性;三是当设备出现故障时,要求能进行远程诊断服务;四是环境污染,包括噪声、粉尘和废弃物少;五是购置设备投资尽可能少,价格要尽可能低。 为满足客户要求,德国包装机械制造厂商和设计部门采取了诸多措施。 工艺流程自动化程度越来越高 几年前,自动化技术还只占包装机械设计的30%,现在已占50%以上,大量使用了微电脑设计和机电一体化控制。包装机械自动化程度不断提高,一是为了提高生产率,二是为了提高设备的柔性和灵活性,三是因为包装机械需要完成的动作复杂,多采用机械手来完成。如巧克力糖就用机械手替代了原来的手工动作,使包装保持了原来的风格。 包装机械自动化设计有以下两个特点: 第一,每个机械手均由单独电脑控制。一台包装机械为完成复杂的包装动作,需由多个机械手完成。操作时,在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下,机械手按电脑指令完成规定动作,确保包装的质量。 第二,具有对材质及厚度的高分辨能力。在包装过程中,包装材料的厚度及材质变化不易为人眼所辨别,所以在包装机械上常采用由电脑控制的摄像机和探测器来分辨。摄像机现已发展到能自行检查和辨别摄像的图片,并在显示屏上显示。目前机器在加工时转速是不能变的,今后应根据材料的变化改变转速,控制在最优化状态下工作,并且实现自动清理、自动消毒和自动清洁。 提高生产效率,降低工艺流程成本,最大限度地满足生产要求 德国包装机械以饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械见长,具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点。其饮料灌装速度高达每小时1200瓶,香烟包装每分钟12000支。 提高机器转速是-个复杂问题,速度越高,单件生产成本越低,但厂房使用面积随之增高,故障率也随之提高,反会使效率降低,因此应寻找两曲线的结合点。 另外,电动机速度也是有限度的。一般而言,转速提高15%-20%,就将带来一系列复杂问题。 提高生产效率除提高转速外,还可从另外的渠道设法解决。 如采用连续工作或多头工作方式。包装机械工作方式有间歇式和连续式,能连续工作,也就提高了生产效率;一台设备内也可有多条生产线,生产同一产品或几种不同产品,但必须提高可靠性。 也可以降低废品率,提供故障分析系统。废品造成的生产损失是惊人的,包括产品损失和材料损失,因此要尽量减少废品损失;包装机械出售时还应提供故障分析系统,进行模态分析寻找故障,或通过因特网进行远程诊断。今后要生产效率得以提高。 还可以使产品机械和包装机械气体化。许多产品要求生产之后接着就进行包装,以提高生产效率。如德国生产的巧克力生产设备及包装设备,就是由一个系统控制完成的。两者一体化,关键是要解决好在生产能力上相互匹配的问题。 适应产品变化,设计要具有好的柔性和灵活性 由于市场的激烈竞争,产品更新换代的周期已越来越短。如化妆品生产三年一变,甚至一个季一变,生产量又都很大,因此要求包装机械具有好的柔性和灵活性,使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期,这样才能符合经济性要求。 包装机械设备的柔性和灵活性常表现在以下三个方面: 一是量的灵活性。既能包装单个产品,也能包装不同批量产品。
二是构造的灵活性,整台设备采用单元组成,换用-个或几个单元,即可适应产品的变化。 三是供货的灵活性。可采用单元组合,将各单元组合在-起供货。如糖果包装机在一个共同基础上,组合不同的单元,包括三个进料口、四种不同的折叠包装形式,这样一台机器就可同时包装9-10种不同的糖果,由多个机械手操作,在一台摄像机的监控下,指挥其动作,要包装哪种糖果就可取哪种进行包装。产品改变了,只要改变摄像机内的程序即可,从而使设备具有好的柔性和灵活性。 提供成套设备 德国的包装机械设计尤其重视根据用户需求,为生产企业提供全面考虑结构性及经济性的完整系统方案,并用计算机仿真技术演示操作给用户看,征求意见后进行修改。在为用户提供生产自动线或生产流水线设备时尤其注重成套完整性,无论是高技术附加值还是较简单的设备,都按配套性要求提供。 德国包装机械厂家也将提供成套设备作为自己的努力目标。如-条饮料灌装线,有200多个微电脑件,有许多管线、显示屏,有100多种控制各种包装动作的软件程序,为满足每小时1200瓶的生产能力还需两条线工作,因此整个饮料灌装线的生产需占半个足球场的面积,他们要求所有这些设备均能由一个厂家提供。而当前我国包装机械生产一大弱势就是生产单机多、成套流水线少,主机多、辅机少,配套性差。德国的这种作法很值得我们借鉴。 普遍使用计算机仿真设计技术 随着新产品开发速度不断加快,德国包装机械设计普遍采用了计算机仿真技术,即将各种机器元素以数据库存人计算机,把图纸数字化后输入计算机,计算机可自动合成为三维模型。再把实际生产时的数据和指标输进去,把各种可能发生的故障输进去,计算机三维模型即可仿照真实工作情况进行操作,演示出能达到的生产能力是多少、废品有多少、生产线各环节是否能匹配生产、瓶颈在何处等等,显示屏上显示的曲线一目了然,并可根据客户的意见修改模型。计算机合成速度很快,因此修改工作迅速方便,直到使客户或设计者满意。采用计算机仿真设计技术,大大缩短了包装机械的开发设计周期。 包装机械设计不仅要重视其功能和效率,也要注重其经济性。所谓经济性不完全是机械设备本身的成本,更重要的是运转成本,因为设备折旧费只占成本的6%-8%,其他的就是运转成本。 信息来源于:机械BOOK

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