改进包装机械设计方法的新思路
1 引 言
我国包装机械行业起步于20世纪70年代，在80年代末和90年代中得到迅速发展。已成为机械工业中的10大行业之一，无论是产量，还是品种上，都取得了令人瞩目的成就，为我国包装工业的快速发展提供了有力的保障。目前，我国已成为世界包装机械工业生产和消费大国之一。
包装机械作为一种产品，它的含义不仅仅是产品本身的物质意义，而是包括形式产品、隐形产品及延伸产品3层含义。形式产品是指包装机本身的具体形态和基本功能；隐形产品是指包装机给用户提供的实际效用；延伸产品是指包装机的质量保证、使用指导和售后服务等。所以包装机的设计应该包括：市场调研、原理图设计、结构设计、施工图设计、使用说明书编写及售后服务预案等。
2 我国包装机械设计的现状
包装机械设计的类别主要有：测绘仿制设计、开发性设计、改进性设计、系列化设计。如啤酒灌装生产线生产能力为1．6～4万瓶/h，其中灌装机的灌装阀工位数从48个、60个、90个到120个就属于系列化设计。
由普通啤酒灌装生产线到纯生啤酒灌装生产线的设计就属于改进、开发性设计。对于中低速运行的包装机，目前我们基本上可以进行自主设计。而高速运行的包装机，特别是一些先进机型，大多是测绘、仿制国外的同类机型，进行国产化设计和系列化设计。其主要的原因是：(1)大多数设计人员还没有真正掌握先进的设计方法，如高速包装机械的动力学设计理论和方法等，对高速工况下机构的动态精度分析等问题还不能模拟解决；(2)产、学、研结合不够紧密，理论上的科研成果不能及时地在实际设计中运用，设计人员缺乏及时的技术培训；(3)整个行业缺乏宏观调控的力度，优势资源不能得到合理的配置与调整。
在包装机械设计领域，绝大多数设计人员仍沿用以前的设计方法：(1)根据设计任务书寻找同类机型作为样机；(2)参考样机制定各项技术性能指标及使用范围；(3)设计工作原理图、传动系统图；(4)设计关键零件，部件；(5)设计总装图方案和动作循环图；(6)设计部件图、总装图和零件图；(7)对主要部件中的关键零件进行强度、刚度校核；(8)设计控制原理图、施工图等。
而今，国内一些大学的设计软件，可以对包装机中常用机构进行有限元分析和优化设计，其开发的凸轮连杆机构CAD／CAM软件已经能够满足企业进行凸轮连杆机构自主设计的能力，但在实际包装机械的设计中应用还不普遍。
新型包装机械往往是机、电、气一体化的设备。充分利用信息产品的最新成果，采用气动执行机构、伺服电机驱动等分离传动技术，可使整机的传动链大大缩短，结构大为简化，工作精度和速度大大提高。其中的关键技术之一是采用了多电机拖动的同步控制技术。其实掌握这种技术并不很难，只是一些设计人员不了解包装机械的这一发展趋势。如果说以前我国包装机械设计是仿制、学习阶段，那么现在我们应该有创新设计的意识。
3 德国包装机械设计的新趋势
德国与美国、日本、意大利均为世界包装机械大国。在包装机械设计、制造、技术性能等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是依据市场调研及市场分析结果进行的，其，目标是努力为客户，尤其是为大型企业服务。为满足客户要求，德国包装机械制造厂商和设计部门采取了诸多措施：
(1)工艺流程自动化程度越来越高，以提高生产率和设备的柔性及灵活性。采用机械手完成复杂的动作。操作时，在由电脑控制的摄像机录取信息和监控下，机械手按电脑指令完成规定动作，确保包装的质量。
(2)提高生产效率，降低生产成本，最大限度地满足生产要求。德国包装机械以饮料、啤酒灌装机械和食品包装机械见长，具有高速、成套、自动化程度高和可靠性好等特点。其饮料灌装速度高达12万瓶/h，小袋包装机的包装速度高达900袋／min。
(3)使产品机械和包装机械一体化。许多产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产效率。如德国生产的巧克力生产及包装设备，就是由一个系统控制完成的。两者一体化，关键是要解决好在生产能力上相互匹配的问题。
(4)适应产制品变化，具有良好的柔性和灵活性。由于市场的激烈竞争，产品更新换代的周期越来越短。如化妆品生产三年一变，甚至一个季度一变，生产量又都很大，因此要求包装机械具有良好的柔性和灵活性，使包装机械的寿命远大于产品的寿命周期，这样才能符合经济性的要求。
(5)普遍使用计算机仿真设计技术。随着新产品开发速度不断加快，德国包装机械设计普遍采用了计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。
包装机械设计不仅要重视其能力和效率，还要注重其经济性。所谓经济性不完全是机械设备本身的成本，更重要的是运转成本，因为设备折旧费只占成本的6％～8％，其他的就是运转成本。
4 包装机械设计方法的改进思路
首先在设计理念上要借鉴先进国家的经验，以用户的需求为设计的目标，并结合柔性设计、模块化设计的理念，一机多用，或更换少量的零、部件就可以完成不同的功能，或满足不同的产品需求。
随着科学技术的发展及市场竞争的加剧，客户的需求也越来越高。这种需求体现在以下几个方面：一是提高生产效率，以满足交货期和降低生产成本的需要，对一些产品，还要求包装机械和生产机械相衔接；二是为适应产品更新变化的需要，包装机械要具有高的柔性和灵活性；三是当设备出现故障时，要求能进行远程诊断服务；四是利于环境保护，噪声、粉尘和废弃物少；五是设备购置投资尽可能少，价格要尽可能低。所以，一定要在市场调研的基础上，充分了解、认真分析用户的需求，确定包装机应该完成的功能和各项技术指标，制订初步的原理设计方案。
现代包装机的设计过程应该包括：市场调研、用户需求分析、包装机功能的确定、可行性论证、制定设计方案、用户效益分析、方案的可行性论证、原理图设计、结构设计、施工图设计、样机制作(虚拟制造)、技术验证和施工图修改、制定售后服务预案及远程诊断方案、改进设计、系列化设计等。
市场调研是一切包装机设计的基础工作。没有市场调研，我们所做的所有设计工作都可能等于零。市场调研，可以根据政策导向、行业供求信息、专家分析、行业展会、技术交流会等线索，找到用户的需求信息，并加以整理分析后，确定包装机应该完成的功能。
在原理方案设计过程中，首先要充分了解相关的信息产品、电子产品的功能，了解气动元件的性能，并用以简化机械传动系统，还可采用多电机拖动来缩短机械传动链。对于必不可少的机械传动系统，应尽量利用现代化设计手段，在对产品功能分析的基础上，通过创新构思、系统建模、动力分析、动态优化，从而得到最佳设计方案。
技术设计是将原理设计结构化，确定零部件的数量、形状、尺寸、材料等，对主要部件中关键零件进行动力计算、功率计算、强度计算、刚度计算。
总体设计时，要全面考虑整个包装机系统的布局、运动协调性、造型设计、人-机环境以及装箱运输等。模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分为若干模块，将包装机中同一功能的单元设计成具有不同性能、可以互换的模块，通过模块的不同组合，使包装机多功能化、系列化。采用这种方法的优点是：(1)使包装机更新换代速度加快。因为新机型的替代，往往是局部改进。将先进技术引进相应的模块，比较容易实现局部改进；(2)缩短设计周期。当用户提出要求后，只需更换模块，或设计制造部分模块，即可得到新的机型，满足用户需求；(3)降低成本，便于维修；(4)性能稳定可靠。因为模块设计时，对包装机的功能划分和模块设计，进行了精心的研究，保证了模块的性能，如：凸轮机构、伺服机构、检测系统、传动系统、控制系统、计量机构、下料机构等。
另外包装机械系列化、模块化的行业标准，也到了该制定的时候，包装机械已成为我国十大机械行业之一，而系列化、模块化的行业标准的制定必将促进我国包装机械行业跨上新的台阶。
随着虚拟概念的提出，电子技术、计算机辅助设计(CAD)、三维图形设计(3D)和计算机仿真设计的同步发展，在设计中采用一种新技术——虚拟设计、虚拟制造，即将各种机器元素数据库存人计算机，把图纸数字化后输入计算机，计算机即可自动成为三维模型。再把实际生产时的数据和指标输进去，把各种可能发生的故障输进去，计算机三维模型即可仿照真实工作情况进行操作，演示出能达到的生产能力，废品数量、生产线各环节的匹配情况、生产瓶颈等，并可根据客户的意见修改模型，快速运作，直到客户和设计者满意为止。
现代包装机设计应该满足“绿色设计”，即人性化设计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制造设计、维修设计、可靠性设计的综合设计。我国人口众多，人均消费水平比发达国家低，而且城乡差异较大，包装系统的设计应以价廉物美为主，不能盲目追求高精尖。要考虑到可靠性、安全性、环保性、低噪音等各方面的因素。充分体现原理优化、结构优化、制造优化、造型优化。
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