引 言

　　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，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期已越來越短。因此要求包裝機(jī)械具有良好的柔性和靈活性，使包裝機(jī)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(jì)性。這種要求還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是提高生產(chǎn)效率，二是適應(yīng)產(chǎn)品更新變化的需求，三是能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)，四是基于環(huán)境保護(hù)，噪聲低、粉塵和廢棄物少，五是設(shè)備購置投資盡可能少，價(jià)格盡可能低。利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為包裝機(jī)的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新提供了科學(xué)、可靠的方法。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)理念上，應(yīng)該以用戶的需求為設(shè)計(jì)的目標(biāo)，并結(jié)合柔性設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)的理念，一機(jī)多用，或更換少量的零、部件就可以完成不同的功能；通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，滿足不同產(chǎn)品的包裝需求。

1．1 概述

　　拓?fù)洌═opology）是將各種物體的位置表示成抽象位置。拓?fù)洳魂P(guān)心事物的細(xì)節(jié)也不在乎什么相互的比例關(guān)系，只將討論范圍內(nèi)的事物之間的相互關(guān)系表示出來，將這些事物之間的關(guān)系通過圖表示出來。并以一定的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。這種連接方式就叫做“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。

　　引入此概念，從包裝機(jī)整體功能出發(fā)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要考慮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，如運(yùn)動(dòng)確定性、運(yùn)動(dòng)輸出特征等，也要考慮控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，如控制解耦、驅(qū)動(dòng)器位置可選擇性等。在深入、系統(tǒng)地揭示機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律性基礎(chǔ)上，建立了機(jī)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的數(shù)理模式，減少設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)性因素，開拓了以功能為導(dǎo)向的創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)理論與方法。

1．2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分類

　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分為兩類：機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新和原始機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新是指通過對已知基本機(jī)構(gòu)（元機(jī)構(gòu)）及其元功能進(jìn)行重組，以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能與原理創(chuàng)新，已知元機(jī)構(gòu)及其子功能是機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新知識(shí)庫的基礎(chǔ)。機(jī)構(gòu)原始創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)具有特定功能的新基本機(jī)構(gòu)，可直接開發(fā)為新產(chǎn)品，又可作為機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新的元機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大了知識(shí)庫中元機(jī)構(gòu)空間。
對自動(dòng)包裝機(jī)而言，這里的元機(jī)構(gòu)指機(jī)構(gòu)的各功能模塊，具有一定的獨(dú)立性，能完成包裝過程的某一動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。狹義的講，機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新可以看作在對一定范圍內(nèi)的不同功能或陽同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過模塊的優(yōu)化選擇和組合來構(gòu)成不同產(chǎn)品以滿足市場不同需求的一種設(shè)計(jì)和制造方法。

　從廣義的范疇來講，機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新不僅僅局限于通過元機(jī)構(gòu)的重組，快速實(shí)現(xiàn)包裝變化的要求，還在于可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能與原理創(chuàng)新，構(gòu)造出其數(shù)學(xué)模型，為開發(fā)出更先進(jìn)的包裝及提供了可靠的依據(jù)。

1．3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

　　對于具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，我們需要選擇合理的模型進(jìn)行求解。綜合目前國內(nèi)外在拓?fù)錂C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用情況，提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的3個(gè)層次，即產(chǎn)品元機(jī)構(gòu)分解（模塊化分解）、模塊系列設(shè)計(jì)及新產(chǎn)品的配置與組裝。

（1）模塊化分解

　　包裝機(jī)械成套設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，對其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊分得過細(xì)，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(shí)的柔性，功能相對獨(dú)立性也不能充分體現(xiàn)。因此在劃分模塊時(shí)，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(dú)立性和完整性；盡量簡化模塊自身的復(fù)雜程度，以避免模塊組合時(shí)產(chǎn)生混亂，降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）模塊系列設(shè)計(jì)

　　模塊系列設(shè)計(jì)要從包裝機(jī)的整體功能出發(fā)，通常包裝機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其柔性和靈活性，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一是量的靈活性，既能包裝單個(gè)產(chǎn)品，也能包裝不同批量產(chǎn)品。
二是構(gòu)造的靈活性，整臺(tái)設(shè)備采用單元組成，換用一個(gè)或幾個(gè)單元，即可適應(yīng)產(chǎn)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(shè)計(jì)要基于標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的原則，為包裝機(jī)的組裝提供豐富的資源庫，使得各模塊執(zhí)行件的動(dòng)作協(xié)調(diào)配合。標(biāo)準(zhǔn)化可以使大批量生產(chǎn)成為可能，并大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，模塊化則是標(biāo)準(zhǔn)化的新形式。國際包裝界十分重視提高包裝機(jī)械加工和整個(gè)包裝系統(tǒng)的通用能力，所以包裝機(jī)械零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化是發(fā)展的必然趨勢。

（3）產(chǎn)品配置與組裝

　　在設(shè)計(jì)開發(fā)新的包裝設(shè)備時(shí)，首先綜合考慮包裝對象，根據(jù)要求完成的操作選擇不同用途和性能的基本模塊以構(gòu)成所需模型機(jī)構(gòu)。同時(shí)選擇和組合適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，充分實(shí)現(xiàn)待定運(yùn)動(dòng)所需機(jī)構(gòu)。如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減少不確定性因素造成的影響，使機(jī)構(gòu)趨于平穩(wěn)。設(shè)汁時(shí)仍要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以提升機(jī)械運(yùn)行速度和平穩(wěn)性。除機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)該考慮各功能另外的實(shí)現(xiàn)途徑，可以參考各類包裝機(jī)的長處，以期最優(yōu)組合該產(chǎn)品。

　　模塊化組合的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，靈活的模塊化結(jié)構(gòu)使機(jī)器的功能和適應(yīng)性得以擴(kuò)展，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)自我診斷，快速確定故障點(diǎn)，維修調(diào)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(dòng)包裝機(jī)的建模

　　對包裝機(jī)進(jìn)行元機(jī)構(gòu)分解，掌握各基本機(jī)構(gòu)的功能特性，根據(jù)客戶要求對原包裝機(jī)進(jìn)行重組設(shè)計(jì)，同時(shí)可以對包裝機(jī)進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新得到可實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)雜操作的模型機(jī)。

　　運(yùn)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通用自動(dòng)包裝機(jī)模型的建立步驟可簡化為以下圖1所示：

　　隨著機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，對包裝機(jī)的要求也越來越高。其發(fā)展趨于壟斷化，零部件生產(chǎn)專業(yè)化，并向智能化發(fā)展。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法為包裝機(jī)模型的研究提供了廣闊的平臺(tái)，通過模塊重組、創(chuàng)新，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)等的考慮、使得模型可靠性更高。


　　以生產(chǎn)單機(jī)為主，而國外大多為成套生產(chǎn)線，很少單機(jī)銷售。我國的食品和包裝機(jī)械單機(jī)多、成套少，通用機(jī)型多、滿足特殊要求、特殊物料的設(shè)備少；技術(shù)含量低的多，高技術(shù)附加值、高生產(chǎn)率的產(chǎn)品少；智能化設(shè)備還處于研制階段。

　　與美國、日本、意大利均為世界包裝機(jī)械大國，在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)性能等方面居于領(lǐng)先地位。德國包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)是依據(jù)市場調(diào)研及市場分析結(jié)果進(jìn)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(jī)械制造廠商和設(shè)計(jì)部門采取了諸多措施：

（1）工藝流程自動(dòng)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。
（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。
（3）使產(chǎn)品機(jī)械和包裝機(jī)械一體化。許多產(chǎn)品要求生產(chǎn)之后直接進(jìn)行包裝，以提高生產(chǎn)效率。
（4）適應(yīng)產(chǎn)制品變化，具有良好的柔性和靈活性。
（5）普遍使用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)。大大縮短了包裝機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)周期。

　　借鑒國外先進(jìn)技術(shù)可以拓寬我們在進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模思路。就提高生產(chǎn)效率為例，除了提高轉(zhuǎn)速外，還可從另外的渠道設(shè)法解決：一是采用連續(xù)工作或多頭工作方式。二是降低廢品率，提供故障分析系統(tǒng)。三是使產(chǎn)品生產(chǎn)機(jī)械和包裝機(jī)械一體化。這些為全面分析設(shè)計(jì)包裝機(jī)模型提供了更多的信息。

　　除了考慮上述因素外，還應(yīng)該注意，現(xiàn)代包裝機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足“綠色設(shè)計(jì)”，即人性化設(shè)計(jì)的要求。它是面向質(zhì)量設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、制造設(shè)計(jì)、維修設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)的綜合設(shè)計(jì)。要考慮到安全性等各方面的因素，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。

4 結(jié)論

　　運(yùn)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化了包裝機(jī)模型設(shè)計(jì)過程，縮短設(shè)計(jì)制造周期，增強(qiáng)可靠性；便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、集成化和開放化。