通用自動包裝機模型的研究
引 言
隨著科學技術的發展及市場競爭的加劇，客戶的需求也越來越高，產品更新換代的周期已越來越短。因此要求包裝機械具有良好的柔性和靈活性，使包裝機械的壽命遠大于產品的壽命周期，這樣才能符合經濟性。這種要求還體現在以下幾個方面：一是提高生產效率，二是適應產品更新變化的需求，三是能進行遠程診斷服務，四是基于環境保護，噪聲低、粉塵和廢棄物少，五是設備購置投資盡可能少，價格盡可能低。利用拓撲結構設計，為包裝機的設計及創新提供了科學、可靠的方法。
1 拓撲結構設計
設計理念上，應該以用戶的需求為設計的目標，并結合柔性設計、模塊化設計的理念，一機多用，或更換少量的零、部件就可以完成不同的功能；通過拓撲結構設計，實現機構創新，滿足不同產品的包裝需求。
1．1 概述
拓撲（Topology）是將各種物體的位置表示成抽象位置。拓撲不關心事物的細節也不在乎什么相互的比例關系，只將討論范圍內的事物之間的相互關系表示出來，將這些事物之間的關系通過圖表示出來。并以一定的結構方式進行連接實現互聯。這種連接方式就叫做“拓撲結構”。
引入此概念，從包裝機整體功能出發，進行機構拓撲結構設計。拓撲結構設計不僅需要考慮機構的運動學要求，如運動確定性、運動輸出特征等，也要考慮控制系統、驅動系統的要求，如控制解耦、驅動器位置可選擇性等。在深入、系統地揭示機構拓撲結構與功能之間的內在聯系與規律性基礎上，建立了機構拓撲設計的數理模式，減少設計中的經驗性因素，開拓了以功能為導向的創造新機構的系統理論與方法。
1．2 拓撲結構設計的分類
拓撲結構創新設計分為兩類：機構集成創新和原始機構創新。機構集成創新是指通過對已知基本機構（元機構）及其元功能進行重組，以實現較復雜機構系統的整體功能與原理創新，已知元機構及其子功能是機構集成創新知識庫的基礎。機構原始創新是發現具有特定功能的新基本機構，可直接開發為新產品，又可作為機構集成創新的元機構，擴大了知識庫中元機構空間。
對自動包裝機而言，這里的元機構指機構的各功能模塊，具有一定的獨立性，能完成包裝過程的某一動作的機構。狹義的講，機構集成創新可以看作在對一定范圍內的不同功能或陽同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的優化選擇和組合來構成不同產品以滿足市場不同需求的一種設計和制造方法。
從廣義的范疇來講，機構集成創新不僅僅局限于通過元機構的重組，快速實現包裝變化的要求，還在于可以實現較復雜機構系統的整體功能與原理創新，構造出其數學模型，為開發出更先進的包裝及提供了可靠的依據。
1．3 拓撲結構設計過程
對于具體的設計任務，我們需要選擇合理的模型進行求解。綜合目前國內外在拓撲機構設計方面的應用情況，提出了拓撲結構設計過程的3個層次，即產品元機構分解（模塊化分解）、模塊系列設計及新產品的配置與組裝。
（1）模塊化分解
包裝機械成套設備是一個復雜的機械系統，對其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊分得過細，其通用性雖高，但失去了模塊化分解的意義；若把模塊劃分得過粗，其功能綜合程度雖高，卻影響模塊拼裝時的柔性，功能相對獨立性也不能充分體現。因此在劃分模塊時，既要考慮模塊間的分離和組合，又要保證模塊在功能上有一定的獨立性和完整性；盡量簡化模塊自身的復雜程度，以避免模塊組合時產生混亂，降低系統的可靠性。
（2）模塊系列設計
模塊系列設計要從包裝機的整體功能出發，通常包裝機械設備的設計時一定要考慮其柔性和靈活性，具體表現在以下三個方面：
一是量的靈活性，既能包裝單個產品，也能包裝不同批量產品。
二是構造的靈活性，整臺設備采用單元組成，換用一個或幾個單元，即可適應產品的變化。
三是供貨的靈活性，可采用單元組合，將各單元組合在一起供貨。
因此模塊化系列設計要基于標準化、專業化的原則，為包裝機的組裝提供豐富的資源庫，使得各模塊執行件的動作協調配合。標準化可以使大批量生產成為可能，并大大降低產品的生產成本，模塊化則是標準化的新形式。國際包裝界十分重視提高包裝機械加工和整個包裝系統的通用能力，所以包裝機械零部件生產專業化、標準化是發展的必然趨勢。
（3）產品配置與組裝
在設計開發新的包裝設備時，首先綜合考慮包裝對象，根據要求完成的操作選擇不同用途和性能的基本模塊以構成所需模型機構。同時選擇和組合適當的機構運動原理，充分實現待定運動所需機構。如連桿機構、凸輪機構等。設計過程中應盡量減少不確定性因素造成的影響，使機構趨于平穩。設汁時仍要對機構進行動力學分析，以提升機械運行速度和平穩性。除機構設計外，還應該考慮各功能另外的實現途徑，可以參考各類包裝機的長處，以期最優組合該產品。
模塊化組合的設備，其優點顯而易見，靈活的模塊化結構使機器的功能和適應性得以擴展，使設備實現自我診斷，快速確定故障點，維修調整更容易，而且具有明確針對性，不牽涉和影響正常模塊。
2 自動包裝機的建模
對包裝機進行元機構分解，掌握各基本機構的功能特性，根據客戶要求對原包裝機進行重組設計，同時可以對包裝機進行改進創新得到可實現多功能復雜操作的模型機。
運用拓撲結構設計，通用自動包裝機模型的建立步驟可簡化為以下圖1所示：
隨著機械自動化的發展，對包裝機的要求也越來越高。其發展趨于壟斷化，零部件生產專業化，并向智能化發展。拓撲結構設計的方法為包裝機模型的研究提供了廣闊的平臺，通過模塊重組、創新，并對機構進行運動學等的考慮、使得模型可靠性更高。
以生產單機為主，而國外大多為成套生產線，很少單機銷售。我國的食品和包裝機械單機多、成套少，通用機型多、滿足特殊要求、特殊物料的設備少；技術含量低的多，高技術附加值、高生產率的產品少；智能化設備還處于研制階段。
與美國、日本、意大利均為世界包裝機械大國，在包裝機械設計、制造、技術性能等方面居于領先地位。德國包裝機械的設計是依據市場調研及市場分析結果進行的，其目標是努力為客戶，尤其是為大型企業服務。為滿足客戶要求，德國包裝機械制造廠商和設計部門采取了諸多措施：
（1）工藝流程自動化程度越來越高，以提高生產率和設備的柔性及靈活性。
（2）提高生產效率，降低生產成本，最大限度地滿足生產要求。
（3）使產品機械和包裝機械一體化。許多產品要求生產之后直接進行包裝，以提高生產效率。
（4）適應產制品變化，具有良好的柔性和靈活性。
（5）普遍使用計算機仿真設計技術。大大縮短了包裝機械的開發設計周期。
借鑒國外先進技術可以拓寬我們在進行拓撲結構設計建模思路。就提高生產效率為例，除了提高轉速外，還可從另外的渠道設法解決：一是采用連續工作或多頭工作方式。二是降低廢品率，提供故障分析系統。三是使產品生產機械和包裝機械一體化。這些為全面分析設計包裝機模型提供了更多的信息。
除了考慮上述因素外，還應該注意，現代包裝機設計應該滿足“綠色設計”，即人性化設計的要求。它是面向質量設計、裝配設計、制造設計、維修設計、可靠性設計的綜合設計。要考慮到安全性等各方面的因素，充分體現原理優化、結構優化、制造優化、造型優化。
4 結論
運用拓撲結構設計簡化了包裝機模型設計過程，縮短設計制造周期，增強可靠性；便于實現標準化、系列化、通用化、集成化和開放化。