通用自动包装机模型的研究

[摘 要]：提出了一种新型的研究方法，以模块化设计为基础，从包装机整体功能出发，对其进行拓扑结构设计，得到理想的自动包装机模型。 关键词：自动包装机；拓扑结构设计；模块化；模型 引 言 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，产品更新换代的周期已越来越短。因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，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。这种要求还体现在以下几个方面：一是提高生产效率，二是适应产品更新变化的需求，三是能进行远程诊断服务，四是基于环境保护，噪声低、粉尘和废弃物少，五是设备购置投资尽可能少，价格尽可能低。利用拓扑结构设计，为包装机的设计及创新提供了科学、可靠的方法。 1 拓扑结构设计 设计理念上，应该以用户的需求为设计的目标，并结合柔性设计、模块化设计的理念，一机多用，或更换少量的零、部件就可以完成不同的功能；通过拓扑结构设计，实现机构创新，满足不同产品的包装需求。 1．1 概述 拓扑（Topology）是将各种物体的位置表示成抽象位置。拓扑不关心事物的细节也不在乎什么相互的比例关系，只将讨论范围内的事物之间的相互关系表示出来，将这些事物之间的关系通过图表示出来。并以一定的结构方式进行连接实现互联。这种连接方式就叫做“拓扑结构”。 引入此概念，从包装机整体功能出发，进行机构拓扑结构设计。拓扑结构设计不仅需要考虑机构的运动学要求，如运动确定性、运动输出特征等，也要考虑控制系统、驱动系统的要求，如控制解耦、驱动器位置可选择性等。在深入、系统地揭示机构拓扑结构与功能之间的内在联系与规律性基础上，建立了机构拓扑设计的数理模式，减少设计中的经验性因素，开拓了以功能为导向的创造新机构的系统理论与方法。 1．2 拓扑结构设计的分类 拓扑结构创新设计分为两类：机构集成创新和原始机构创新。机构集成创新是指通过对已知基本机构（元机构）及其元功能进行重组，以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创新，已知元机构及其子功能是机构集成创新知识库的基础。机构原始创新是发现具有特定功能的新基本机构，可直接开发为新产品，又可作为机构集成创新的元机构，扩大了知识库中元机构空间。 对自动包装机而言，这里的元机构指机构的各功能模块，具有一定的独立性，能完成包装过程的某一动作的机构。狭义的讲，机构集成创新可以看作在对一定范围内的不同功能或阳同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的优化选择和组合来构成不同产品以满足市场不同需求的一种设计和制造方法。 从广义的范畴来讲，机构集成创新不仅仅局限于通过元机构的重组，快速实现包装变化的要求，还在于可以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创新，构造出其数学模型，为开发出更先进的包装及提供了可靠的依据。 1．3 拓扑结构设计过程 对于具体的设计任务，我们需要选择合理的模型进行求解。综合目前国内外在拓扑机构设计方面的应用情况，提出了拓扑结构设计过程的3个层次，即产品元机构分解（模块化分解）、模块系列设计及新产品的配置与组装。 （1）模块化分解 包装机械成套设备是一个复杂的机械系统，对其模块的划分必须把握一定的度。若把模块分得过细，其通用性虽高，但失去了模块化分解的意义；若把模块划分得过粗，其功能综合程度虽高，却影响模块拼装时的柔性，功能相对独立性也不能充分体现。因此在划分模块时，既要考虑模块间的分离和组合，又要保证模块在功能上有一定的独立性和完整性；尽量简化模块自身的复杂程度，以避免模块组合时产生混乱，降低系统的可靠性。 （2）模块系列设计 模块系列设计要从包装机的整体功能出发，通常包装机械设备的设计时一定要考虑其柔性和灵活性，具体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，换用一个或几个单元，即可适应产品的变化。 三是供货的灵活性，可采用单元组合，将各单元组合在一起供货。 因此模块化系列设计要基于标准化、专业化的原则，为包装机的组装提供丰富的资源库，使得各模块执行件的动作协调配合。标准化可以使大批量生产成为可能，并大大降低产品的生产成本，模块化则是标准化的新形式。国际包装界十分重视提高包装机械加工和整个包装系统的通用能力，所以包装机械零部件生产专业化、标准化是发展的必然趋势。 （3）产品配置与组装 在设计开发新的包装设备时，首先综合考虑包装对象，根据要求完成的操作选择不同用途和性能的基本模块以构成所需模型机构。同时选择和组合适当的机构运动原理，充分实现待定运动所需机构。如连杆机构、凸轮机构等。设计过程中应尽量减少不确定性因素造成的影响，使机构趋于平稳。设汁时仍要对机构进行动力学分析，以提升机械运行速度和平稳性。除机构设计外，还应该考虑各功能另外的实现途径，可以参考各类包装机的长处，以期最优组合该产品。 模块化组合的设备，其优点显而易见，灵活的模块化结构使机器的功能和适应性得以扩展，使设备实现自我诊断，快速确定故障点，维修调整更容易，而且具有明确针对性，不牵涉和影响正常模块。 2 自动包装机的建模 对包装机进行元机构分解，掌握各基本机构的功能特性，根据客户要求对原包装机进行重组设计，同时可以对包装机进行改进创新得到可实现多功能复杂操作的模型机。 运用拓扑结构设计，通用自动包装机模型的建立步骤可简化为以下图1所示： 随着机械自动化的发展，对包装机的要求也越来越高。其发展趋于垄断化，零部件生产专业化，并向智能化发展。拓扑结构设计的方法为包装机模型的研究提供了广阔的平台，通过模块重组、创新，并对机构进行运动学等的考虑、使得模型可靠性更高。 以生产单机为主，而国外大多为成套生产线，很少单机销售。我国的食品和包装机械单机多、成套少，通用机型多、满足特殊要求、特殊物料的设备少；技术含量低的多，高技术附加值、高生产率的产品少；智能化设备还处于研制阶段。 与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国，在包装机械设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是依据市场调研及市场分析结果进行的，其目标是努力为客户，尤其是为大型企业服务。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： （1）工艺流程自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。 （2）提高生产效率，降低生产成本，最大限度地满足生产要求。 （3）使产品机械和包装机械一体化。许多产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产效率。 （4）适应产制品变化，具有良好的柔性和灵活性。 （5）普遍使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。 借鉴国外先进技术可以拓宽我们在进行拓扑结构设计建模思路。就提高生产效率为例，除了提高转速外，还可从另外的渠道设法解决：一是采用连续工作或多头工作方式。二是降低废品率，提供故障分析系统。三是使产品生产机械和包装机械一体化。这些为全面分析设计包装机模型提供了更多的信息。 除了考虑上述因素外，还应该注意，现代包装机设计应该满足“绿色设计”，即人性化设计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制造设计、维修设计、可靠性设计的综合设计。要考虑到安全性等各方面的因素，充分体现原理优化、结构优化、制造优化、造型优化。 4 结论 运用拓扑结构设计简化了包装机模型设计过程，缩短设计制造周期，增强可靠性；便于实现标准化、系列化、通用化、集成化和开放化。