改進(jìn)包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方法的新思路

1　引　言
我國包裝機(jī)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(jī)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(jī)械工業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)大國之一。
包裝機(jī)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(jī)本身的具體形態(tài)和基本功能；隱形產(chǎn)品是指包裝機(jī)給用戶提供的實(shí)際效用；延伸產(chǎn)品是指包裝機(jī)的質(zhì)量保證、使用指導(dǎo)和售后服務(wù)等。所以包裝機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括：市場(chǎng)調(diào)研、原理圖設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、使用說明書編寫及售后服務(wù)預(yù)案等。

2　我國包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀
包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的類別主要有：測(cè)繪仿制設(shè)計(jì)、開發(fā)性設(shè)計(jì)、改進(jìn)性設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)。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(jī)的灌裝閥工位數(shù)從48個(gè)、60個(gè)、90個(gè)到120個(gè)就屬于系列化設(shè)計(jì)。
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(jì)就屬于改進(jìn)、開發(fā)性設(shè)計(jì)。對(duì)于中低速運(yùn)行的包裝機(jī)，目前我們基本上可以進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。而高速運(yùn)行的包裝機(jī)，特別是一些先進(jìn)機(jī)型，大多是測(cè)繪、仿制國外的同類機(jī)型，進(jìn)行國產(chǎn)化設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)。其主要的原因是：(1)大多數(shù)設(shè)計(jì)人員還沒有真正掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，如高速包裝機(jī)械的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論和方法等，對(duì)高速工況下機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(shí)地在實(shí)際設(shè)計(jì)中運(yùn)用，設(shè)計(jì)人員缺乏及時(shí)的技術(shù)培訓(xùn)；(3)整個(gè)行業(yè)缺乏宏觀調(diào)控的力度，優(yōu)勢(shì)資源不能得到合理的配置與調(diào)整。
在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，絕大多數(shù)設(shè)計(jì)人員仍沿用以前的設(shè)計(jì)方法：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書尋找同類機(jī)型作為樣機(jī)；(2)參考樣機(jī)制定各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)及使用范圍；(3)設(shè)計(jì)工作原理圖、傳動(dòng)系統(tǒng)圖；(4)設(shè)計(jì)關(guān)鍵零件，部件；(5)設(shè)計(jì)總裝圖方案和動(dòng)作循環(huán)圖；(6)設(shè)計(jì)部件圖、總裝圖和零件圖；(7)對(duì)主要部件中的關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核；(8)設(shè)計(jì)控制原理圖、施工圖等。
而今，國內(nèi)一些大學(xué)的設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)包裝機(jī)中常用機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，其開發(fā)的凸輪連桿機(jī)構(gòu)CAD／CAM軟件已經(jīng)能夠滿足企業(yè)進(jìn)行凸輪連桿機(jī)構(gòu)自主設(shè)計(jì)的能力，但在實(shí)際包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)中應(yīng)用還不普遍。
新型包裝機(jī)械往往是機(jī)、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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)等分離傳動(dòng)技術(shù)，可使整機(jī)的傳動(dòng)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(jī)拖動(dòng)的同步控制技術(shù)。其實(shí)掌握這種技術(shù)并不很難，只是一些設(shè)計(jì)人員不了解包裝機(jī)械的這一發(fā)展趨勢(shì)。如果說以前我國包裝機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)的意識(shí)。

3　德國包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)
德國與美國、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(chǎng)調(diào)研及市場(chǎng)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。采用機(jī)械手完成復(fù)雜的動(dòng)作。操作時(shí)，在由電腦控制的攝像機(jī)錄取信息和監(jiān)控下，機(jī)械手按電腦指令完成規(guī)定動(dòng)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(jī)械以飲料、啤酒灌裝機(jī)械和食品包裝機(jī)械見長，具有高速、成套、自動(dòng)化程度高和可靠性好等特點(diǎn)。其飲料灌裝速度高達(dá)12萬瓶/h，小袋包裝機(jī)的包裝速度高達(dá)900袋／min。
(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。如德國生產(chǎn)的巧克力生產(chǎn)及包裝設(shè)備，就是由一個(gè)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(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，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(gè)季度一變，生產(chǎn)量又都很大，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)性的要求。
(5)普遍使用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)技術(shù)。隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度不斷加快，德國包裝機(jī)械設(shè)計(jì)普遍采用了計(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。
包裝機(jī)械設(shè)計(jì)不僅要重視其能力和效率，還要注重其經(jīng)濟(jì)性。所謂經(jīng)濟(jì)性不完全是機(jī)械設(shè)備本身的成本，更重要的是運(yùn)轉(zhuǎn)成本，因?yàn)樵O(shè)備折舊費(fèi)只占成本的6％～8％，其他的就是運(yùn)轉(zhuǎn)成本。

4　包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)思路
首先在設(shè)計(jì)理念上要借鑒先進(jìn)國家的經(jīng)驗(yàn)，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，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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(duì)一些產(chǎn)品，還要求包裝機(jī)械和生產(chǎn)機(jī)械相銜接；二是為適應(yīng)產(chǎn)品更新變化的需要，包裝機(jī)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(shí)，要求能進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)；四是利于環(huán)境保護(hù)，噪聲、粉塵和廢棄物少；五是設(shè)備購置投資盡可能少，價(jià)格要盡可能低。所以，一定要在市場(chǎng)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(jī)應(yīng)該完成的功能和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，制訂初步的原理設(shè)計(jì)方案。
現(xiàn)代包裝機(jī)的設(shè)計(jì)過程應(yīng)該包括：市場(chǎng)調(diào)研、用戶需求分析、包裝機(jī)功能的確定、可行性論證、制定設(shè)計(jì)方案、用戶效益分析、方案的可行性論證、原理圖設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作(虛擬制造)、技術(shù)驗(yàn)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(jìn)設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)等。
市場(chǎng)調(diào)研是一切包裝機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作。沒有市場(chǎng)調(diào)研，我們所做的所有設(shè)計(jì)工作都可能等于零。市場(chǎng)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(huì)、技術(shù)交流會(huì)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(jī)應(yīng)該完成的功能。
在原理方案設(shè)計(jì)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(dòng)元件的性能，并用以簡化機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，還可采用多電機(jī)拖動(dòng)來縮短機(jī)械傳動(dòng)鏈。對(duì)于必不可少的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)盡量利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段，在對(duì)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(dòng)力分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，從而得到最佳設(shè)計(jì)方案。
技術(shù)設(shè)計(jì)是將原理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化，確定零部件的數(shù)量、形狀、尺寸、材料等，對(duì)主要部件中關(guān)鍵零件進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算、功率計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、剛度計(jì)算。
總體設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮整個(gè)包裝機(jī)系統(tǒng)的布局、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性、造型設(shè)計(jì)、人-機(jī)環(huán)境以及裝箱運(yùn)輸?shù)?。模塊化設(shè)計(jì)是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)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(jī)中同一功能的單元設(shè)計(jì)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(jī)多功能化、系列化。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)使包裝機(jī)更新?lián)Q代速度加快。因?yàn)樾聶C(jī)型的替代，往往是局部改進(jìn)。將先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)相應(yīng)的模塊，比較容易實(shí)現(xiàn)局部改進(jìn)；(2)縮短設(shè)計(jì)周期。當(dāng)用戶提出要求后，只需更換模塊，或設(shè)計(jì)制造部分模塊，即可得到新的機(jī)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?yàn)槟K設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)包裝機(jī)的功能劃分和模塊設(shè)計(jì)，進(jìn)行了精心的研究，保證了模塊的性能，如：凸輪機(jī)構(gòu)、伺服機(jī)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)量機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)等。
另外包裝機(jī)械系列化、模塊化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也到了該制定的時(shí)候，包裝機(jī)械已成為我國十大機(jī)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(jìn)我國包裝機(jī)械行業(yè)跨上新的臺(tái)階。
隨著虛擬概念的提出，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、三維圖形設(shè)計(jì)(3D)和計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的同步發(fā)展，在設(shè)計(jì)中采用一種新技術(shù)——虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造，即將各種機(jī)器元素?cái)?shù)據(jù)庫存人計(jì)算機(jī)，把圖紙數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)即可自動(dòng)成為三維模型。再把實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)和指標(biāo)輸進(jìn)去，把各種可能發(fā)生的故障輸進(jìn)去，計(jì)算機(jī)三維模型即可仿照真實(shí)工作情況進(jìn)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(yùn)作，直到客戶和設(shè)計(jì)者滿意為止。
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)。我國人口眾多，人均消費(fèi)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(jì)應(yīng)以價(jià)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。