改進包裝機械設計方法的新思路
| 改進包裝機械設計方法的新思路 1 引 言 我國包裝機械行業起步于20世紀70年代，在80年代末和90年代中得到迅速發展。已成為機械工業中的10大行業之一，無論是產量，還是品種上，都取得了令人矚目的成就，為我國包裝工業的快速發展提供了有力的保障。目前，我國已成為世界包裝機械工業生產和消費大國之一。 包裝機械作為一種產品，它的含義不僅僅是產品本身的物質意義，而是包括形式產品、隱形產品及延伸產品3層含義。形式產品是指包裝機本身的具體形態和基本功能；隱形產品是指包裝機給用戶提供的實際效用；延伸產品是指包裝機的質量保證、使用指導和售后服務等。所以包裝機的設計應該包括：市場調研、原理圖設計、結構設計、施工圖設計、使用說明書編寫及售后服務預案等。 2 我國包裝機械設計的現狀 包裝機械設計的類別主要有：測繪仿制設計、開發性設計、改進性設計、系列化設計。如啤酒灌裝生產線生產能力為1．6～4萬瓶/h，其中灌裝機的灌裝閥工位數從48個、60個、90個到120個就屬于系列化設計。 由普通啤酒灌裝生產線到純生啤酒灌裝生產線的設計就屬于改進、開發性設計。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，進行國產化設計和系列化設計。其主要的原因是：(1)大多數設計人員還沒有真正掌握先進的設計方法，如高速包裝機械的動力學設計理論和方法等，對高速工況下機構的動態精度分析等問題還不能模擬解決；(2)產、學、研結合不夠緊密，理論上的科研成果不能及時地在實際設計中運用，設計人員缺乏及時的技術培訓；(3)整個行業缺乏宏觀調控的力度，優勢資源不能得到合理的配置與調整。 在包裝機械設計領域，絕大多數設計人員仍沿用以前的設計方法：(1)根據設計任務書尋找同類機型作為樣機；(2)參考樣機制定各項技術性能指標及使用范圍；(3)設計工作原理圖、傳動系統圖；(4)設計關鍵零件，部件；(5)設計總裝圖方案和動作循環圖；(6)設計部件圖、總裝圖和零件圖；(7)對主要部件中的關鍵零件進行強度、剛度校核；(8)設計控制原理圖、施工圖等。 而今，國內一些大學的設計軟件，可以對包裝機中常用機構進行有限元分析和優化設計，其開發的凸輪連桿機構CAD／CAM軟件已經能夠滿足企業進行凸輪連桿機構自主設計的能力，但在實際包裝機械的設計中應用還不普遍。 新型包裝機械往往是機、電、氣一體化的設備。充分利用信息產品的最新成果，采用氣動執行機構、伺服電機驅動等分離傳動技術，可使整機的傳動鏈大大縮短，結構大為簡化，工作精度和速度大大提高。其中的關鍵技術之一是采用了多電機拖動的同步控制技術。其實掌握這種技術并不很難，只是一些設計人員不了解包裝機械的這一發展趨勢。如果說以前我國包裝機械設計是仿制、學習階段，那么現在我們應該有創新設計的意識。 3 德國包裝機械設計的新趨勢 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。采用機械手完成復雜的動作。操作時，在由電腦控制的攝像機錄取信息和監控下，機械手按電腦指令完成規定動作，確保包裝的質量。 (2)提高生產效率，降低生產成本，最大限度地滿足生產要求。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12萬瓶/h，小袋包裝機的包裝速度高達900袋／min。 (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。如德國生產的巧克力生產及包裝設備，就是由一個系統控制完成的。兩者一體化，關鍵是要解決好在生產能力上相互匹配的問題。 (4)適應產制品變化，具有良好的柔性和靈活性。由于市場的激烈競爭，產品更新換代的周期越來越短。如化妝品生產三年一變，甚至一個季度一變，生產量又都很大，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大于產品的壽命周期，這樣才能符合經濟性的要求。 (5)普遍使用計算機仿真設計技術。隨著新產品開發速度不斷加快，德國包裝機械設計普遍采用了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。 包裝機械設計不僅要重視其能力和效率，還要注重其經濟性。所謂經濟性不完全是機械設備本身的成本，更重要的是運轉成本，因為設備折舊費只占成本的6％～8％，其他的就是運轉成本。 4 包裝機械設計方法的改進思路 首先在設計理念上要借鑒先進國家的經驗，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，或滿足不同的產品需求。 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。這種需求體現在以下幾個方面：一是提高生產效率，以滿足交貨期和降低生產成本的需要，對一些產品，還要求包裝機械和生產機械相銜接；二是為適應產品更新變化的需要，包裝機械要具有高的柔性和靈活性；三是當設備出現故障時，要求能進行遠程診斷服務；四是利于環境保護，噪聲、粉塵和廢棄物少；五是設備購置投資盡可能少，價格要盡可能低。所以，一定要在市場調研的基礎上，充分了解、認真分析用戶的需求，確定包裝機應該完成的功能和各項技術指標，制訂初步的原理設計方案。 現代包裝機的設計過程應該包括：市場調研、用戶需求分析、包裝機功能的確定、可行性論證、制定設計方案、用戶效益分析、方案的可行性論證、原理圖設計、結構設計、施工圖設計、樣機制作(虛擬制造)、技術驗證和施工圖修改、制定售后服務預案及遠程診斷方案、改進設計、系列化設計等。 市場調研是一切包裝機設計的基礎工作。沒有市場調研，我們所做的所有設計工作都可能等于零。市場調研，可以根據政策導向、行業供求信息、專家分析、行業展會、技術交流會等線索，找到用戶的需求信息，并加以整理分析后，確定包裝機應該完成的功能。 在原理方案設計過程中，首先要充分了解相關的信息產品、電子產品的功能，了解氣動元件的性能，并用以簡化機械傳動系統，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，應盡量利用現代化設計手段，在對產品功能分析的基礎上，通過創新構思、系統建模、動力分析、動態優化，從而得到最佳設計方案。 技術設計是將原理設計結構化，確定零部件的數量、形狀、尺寸、材料等，對主要部件中關鍵零件進行動力計算、功率計算、強度計算、剛度計算。 總體設計時，要全面考慮整個包裝機系統的布局、運動協調性、造型設計、人-機環境以及裝箱運輸等。模塊化設計是一種先進的設計方法，它的核心思想是將系統根據功能分為若干模塊，將包裝機中同一功能的單元設計成具有不同性能、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。采用這種方法的優點是：(1)使包裝機更新換代速度加快。因為新機型的替代，往往是局部改進。將先進技術引進相應的模塊，比較容易實現局部改進；(2)縮短設計周期。當用戶提出要求后，只需更換模塊，或設計制造部分模塊，即可得到新的機型，滿足用戶需求；(3)降低成本，便于維修；(4)性能穩定可靠。因為模塊設計時，對包裝機的功能劃分和模塊設計，進行了精心的研究，保證了模塊的性能，如：凸輪機構、伺服機構、檢測系統、傳動系統、控制系統、計量機構、下料機構等。 另外包裝機械系列化、模塊化的行業標準，也到了該制定的時候，包裝機械已成為我國十大機械行業之一，而系列化、模塊化的行業標準的制定必將促進我國包裝機械行業跨上新的臺階。 隨著虛擬概念的提出，電子技術、計算機輔助設計(CAD)、三維圖形設計(3D)和計算機仿真設計的同步發展，在設計中采用一種新技術——虛擬設計、虛擬制造，即將各種機器元素數據庫存人計算機，把圖紙數字化后輸入計算機，計算機即可自動成為三維模型。再把實際生產時的數據和指標輸進去，把各種可能發生的故障輸進去，計算機三維模型即可仿照真實工作情況進行操作，演示出能達到的生產能力，廢品數量、生產線各環節的匹配情況、生產瓶頸等，并可根據客戶的意見修改模型，快速運作，直到客戶和設計者滿意為止。 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。我國人口眾多，人均消費水平比發達國家低，而且城鄉差異較大，包裝系統的設計應以價廉物美為主，不能盲目追求高精尖。要考慮到可靠性、安全性、環保性、低噪音等各方面的因素。充分體現原理優化、結構優化、制造優化、造型優化。
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