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改進包裝機械設(shè)計方法的新思路

1 引 言
我國包裝機械行業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，在80年代末和90年代中得到迅速發(fā)展。已成為機械工業(yè)中的10大行業(yè)之一，無論是產(chǎn)量，還是品種上，都取得了令人矚目的成就，為我國包裝工業(yè)的快速發(fā)展提供了有力的保障。目前，我國已成為世界包裝機械工業(yè)生產(chǎn)和消費大國之一。
包裝機械作為一種產(chǎn)品，它的含義不僅僅是產(chǎn)品本身的物質(zhì)意義，而是包括形式產(chǎn)品、隱形產(chǎn)品及延伸產(chǎn)品3層含義。形式產(chǎn)品是指包裝機本身的具體形態(tài)和基本功能；隱形產(chǎn)品是指包裝機給用戶提供的實際效用；延伸產(chǎn)品是指包裝機的質(zhì)量保證、使用指導(dǎo)和售后服務(wù)等。所以包裝機的設(shè)計應(yīng)該包括：市場調(diào)研、原理圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計、使用說明書編寫及售后服務(wù)預(yù)案等。

2 我國包裝機械設(shè)計的現(xiàn)狀
包裝機械設(shè)計的類別主要有：測繪仿制設(shè)計、開發(fā)性設(shè)計、改進性設(shè)計、系列化設(shè)計。如啤酒灌裝生產(chǎn)線生產(chǎn)能力為1．6～4萬瓶/h，其中灌裝機的灌裝閥工位數(shù)從48個、60個、90個到120個就屬于系列化設(shè)計。
由普通啤酒灌裝生產(chǎn)線到純生啤酒灌裝生產(chǎn)線的設(shè)計就屬于改進、開發(fā)性設(shè)計。對于中低速運行的包裝機，目前我們基本上可以進行自主設(shè)計。而高速運行的包裝機，特別是一些先進機型，大多是測繪、仿制國外的同類機型，進行國產(chǎn)化設(shè)計和系列化設(shè)計。其主要的原因是：(1)大多數(shù)設(shè)計人員還沒有真正掌握先進的設(shè)計方法，如高速包裝機械的動力學(xué)設(shè)計理論和方法等，對高速工況下機構(gòu)的動態(tài)精度分析等問題還不能模擬解決；(2)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合不夠緊密，理論上的科研成果不能及時地在實際設(shè)計中運用，設(shè)計人員缺乏及時的技術(shù)培訓(xùn)；(3)整個行業(yè)缺乏宏觀調(diào)控的力度，優(yōu)勢資源不能得到合理的配置與調(diào)整。
在包裝機械設(shè)計領(lǐng)域，絕大多數(shù)設(shè)計人員仍沿用以前的設(shè)計方法：(1)根據(jù)設(shè)計任務(wù)書尋找同類機型作為樣機；(2)參考樣機制定各項技術(shù)性能指標(biāo)及使用范圍；(3)設(shè)計工作原理圖、傳動系統(tǒng)圖；(4)設(shè)計關(guān)鍵零件，部件；(5)設(shè)計總裝圖方案和動作循環(huán)圖；(6)設(shè)計部件圖、總裝圖和零件圖；(7)對主要部件中的關(guān)鍵零件進行強度、剛度校核；(8)設(shè)計控制原理圖、施工圖等。
而今，國內(nèi)一些大學(xué)的設(shè)計軟件，可以對包裝機中常用機構(gòu)進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，其開發(fā)的凸輪連桿機構(gòu)CAD／CAM軟件已經(jīng)能夠滿足企業(yè)進行凸輪連桿機構(gòu)自主設(shè)計的能力，但在實際包裝機械的設(shè)計中應(yīng)用還不普遍。
新型包裝機械往往是機、電、氣一體化的設(shè)備。充分利用信息產(chǎn)品的最新成果，采用氣動執(zhí)行機構(gòu)、伺服電機驅(qū)動等分離傳動技術(shù)，可使整機的傳動鏈大大縮短，結(jié)構(gòu)大為簡化，工作精度和速度大大提高。其中的關(guān)鍵技術(shù)之一是采用了多電機拖動的同步控制技術(shù)。其實掌握這種技術(shù)并不很難，只是一些設(shè)計人員不了解包裝機械的這一發(fā)展趨勢。如果說以前我國包裝機械設(shè)計是仿制、學(xué)習(xí)階段，那么現(xiàn)在我們應(yīng)該有創(chuàng)新設(shè)計的意識。

3 德國包裝機械設(shè)計的新趨勢
德國與美國、日本、意大利均為世界包裝機械大國。在包裝機械設(shè)計、制造、技術(shù)性能等方面居于領(lǐng)先地位。德國包裝機械的設(shè)計是依據(jù)市場調(diào)研及市場分析結(jié)果進行的，其，目標(biāo)是努力為客戶，尤其是為大型企業(yè)服務(wù)。為滿足客戶要求，德國包裝機械制造廠商和設(shè)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(chǎn)率和設(shè)備的柔性及靈活性。采用機械手完成復(fù)雜的動作。操作時，在由電腦控制的攝像機錄取信息和監(jiān)控下，機械手按電腦指令完成規(guī)定動作，確保包裝的質(zhì)量。
(2)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，最大限度地滿足生產(chǎn)要求。德國包裝機械以飲料、啤酒灌裝機械和食品包裝機械見長，具有高速、成套、自動化程度高和可靠性好等特點。其飲料灌裝速度高達(dá)12萬瓶/h，小袋包裝機的包裝速度高達(dá)900袋／min。
(3)使產(chǎn)品機械和包裝機械一體化。許多產(chǎn)品要求生產(chǎn)之后直接進行包裝，以提高生產(chǎn)效率。如德國生產(chǎn)的巧克力生產(chǎn)及包裝設(shè)備，就是由一個系統(tǒng)控制完成的。兩者一體化，關(guān)鍵是要解決好在生產(chǎn)能力上相互匹配的問題。
(4)適應(yīng)產(chǎn)制品變化，具有良好的柔性和靈活性。由于市場的激烈競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短。如化妝品生產(chǎn)三年一變，甚至一個季度一變，生產(chǎn)量又都很大，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(yuǎn)大于產(chǎn)品的壽命周期，這樣才能符合經(jīng)濟性的要求。
(5)普遍使用計算機仿真設(shè)計技術(shù)。隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度不斷加快，德國包裝機械設(shè)計普遍采用了計算機仿真設(shè)計技術(shù)，大大縮短了包裝機械的開發(fā)設(shè)計周期。
包裝機械設(shè)計不僅要重視其能力和效率，還要注重其經(jīng)濟性。所謂經(jīng)濟性不完全是機械設(shè)備本身的成本，更重要的是運轉(zhuǎn)成本，因為設(shè)備折舊費只占成本的6％～8％，其他的就是運轉(zhuǎn)成本。

4 包裝機械設(shè)計方法的改進思路
首先在設(shè)計理念上要借鑒先進國家的經(jīng)驗，以用戶的需求為設(shè)計的目標(biāo)，并結(jié)合柔性設(shè)計、模塊化設(shè)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，或滿足不同的產(chǎn)品需求。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及市場競爭的加劇，客戶的需求也越來越高。這種需求體現(xiàn)在以下幾個方面：一是提高生產(chǎn)效率，以滿足交貨期和降低生產(chǎn)成本的需要，對一些產(chǎn)品，還要求包裝機械和生產(chǎn)機械相銜接；二是為適應(yīng)產(chǎn)品更新變化的需要，包裝機械要具有高的柔性和靈活性；三是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，要求能進行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)；四是利于環(huán)境保護，噪聲、粉塵和廢棄物少；五是設(shè)備購置投資盡可能少，價格要盡可能低。所以，一定要在市場調(diào)研的基礎(chǔ)上，充分了解、認(rèn)真分析用戶的需求，確定包裝機應(yīng)該完成的功能和各項技術(shù)指標(biāo)，制訂初步的原理設(shè)計方案。
現(xiàn)代包裝機的設(shè)計過程應(yīng)該包括：市場調(diào)研、用戶需求分析、包裝機功能的確定、可行性論證、制定設(shè)計方案、用戶效益分析、方案的可行性論證、原理圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計、樣機制作(虛擬制造)、技術(shù)驗證和施工圖修改、制定售后服務(wù)預(yù)案及遠(yuǎn)程診斷方案、改進設(shè)計、系列化設(shè)計等。
市場調(diào)研是一切包裝機設(shè)計的基礎(chǔ)工作。沒有市場調(diào)研，我們所做的所有設(shè)計工作都可能等于零。市場調(diào)研，可以根據(jù)政策導(dǎo)向、行業(yè)供求信息、專家分析、行業(yè)展會、技術(shù)交流會等線索，找到用戶的需求信息，并加以整理分析后，確定包裝機應(yīng)該完成的功能。
在原理方案設(shè)計過程中，首先要充分了解相關(guān)的信息產(chǎn)品、電子產(chǎn)品的功能，了解氣動元件的性能，并用以簡化機械傳動系統(tǒng)，還可采用多電機拖動來縮短機械傳動鏈。對于必不可少的機械傳動系統(tǒng)，應(yīng)盡量利用現(xiàn)代化設(shè)計手段，在對產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新構(gòu)思、系統(tǒng)建模、動力分析、動態(tài)優(yōu)化，從而得到最佳設(shè)計方案。
技術(shù)設(shè)計是將原理設(shè)計結(jié)構(gòu)化，確定零部件的數(shù)量、形狀、尺寸、材料等，對主要部件中關(guān)鍵零件進行動力計算、功率計算、強度計算、剛度計算。
總體設(shè)計時，要全面考慮整個包裝機系統(tǒng)的布局、運動協(xié)調(diào)性、造型設(shè)計、人-機環(huán)境以及裝箱運輸?shù)?。模塊化設(shè)計是一種先進的設(shè)計方法，它的核心思想是將系統(tǒng)根據(jù)功能分為若干模塊，將包裝機中同一功能的單元設(shè)計成具有不同性能、可以互換的模塊，通過模塊的不同組合，使包裝機多功能化、系列化。采用這種方法的優(yōu)點是：(1)使包裝機更新?lián)Q代速度加快。因為新機型的替代，往往是局部改進。將先進技術(shù)引進相應(yīng)的模塊，比較容易實現(xiàn)局部改進；(2)縮短設(shè)計周期。當(dāng)用戶提出要求后，只需更換模塊，或設(shè)計制造部分模塊，即可得到新的機型，滿足用戶需求；(3)降低成本，便于維修；(4)性能穩(wěn)定可靠。因為模塊設(shè)計時，對包裝機的功能劃分和模塊設(shè)計，進行了精心的研究，保證了模塊的性能，如：凸輪機構(gòu)、伺服機構(gòu)、檢測系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計量機構(gòu)、下料機構(gòu)等。
另外包裝機械系列化、模塊化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也到了該制定的時候，包裝機械已成為我國十大機械行業(yè)之一，而系列化、模塊化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定必將促進我國包裝機械行業(yè)跨上新的臺階。
隨著虛擬概念的提出，電子技術(shù)、計算機輔助設(shè)計(CAD)、三維圖形設(shè)計(3D)和計算機仿真設(shè)計的同步發(fā)展，在設(shè)計中采用一種新技術(shù)——虛擬設(shè)計、虛擬制造，即將各種機器元素數(shù)據(jù)庫存人計算機，把圖紙數(shù)字化后輸入計算機，計算機即可自動成為三維模型。再把實際生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)和指標(biāo)輸進去，把各種可能發(fā)生的故障輸進去，計算機三維模型即可仿照真實工作情況進行操作，演示出能達(dá)到的生產(chǎn)能力，廢品數(shù)量、生產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的匹配情況、生產(chǎn)瓶頸等，并可根據(jù)客戶的意見修改模型，快速運作，直到客戶和設(shè)計者滿意為止。
現(xiàn)代包裝機設(shè)計應(yīng)該滿足“綠色設(shè)計”，即人性化設(shè)計的要求。它是面向質(zhì)量設(shè)計、裝配設(shè)計、制造設(shè)計、維修設(shè)計、可靠性設(shè)計的綜合設(shè)計。我國人口眾多，人均消費水平比發(fā)達(dá)國家低，而且城鄉(xiāng)差異較大，包裝系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)以價廉物美為主，不能盲目追求高精尖。要考慮到可靠性、安全性、環(huán)保性、低噪音等各方面的因素。充分體現(xiàn)原理優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造優(yōu)化、造型優(yōu)化。