引 言

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，產品更新換代的周期 已越來越短"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於產品的 壽命周期，這樣才能符合經濟性。這種要求還 體現在以下幾個方麵：一是提高生產效率，二 是適應產品更新變化的需求，三是能進行遠程 診斷服務，四是基於環境保護，噪聲低、粉塵 和廢棄物少，五是設備購置投資盡可能少，價 格盡可能低"利用拓撲結構設計，為包裝機的設計及創新提供了科學、可靠的方法"

1拓撲結構設計

設計理念上，應該以用戶的需求為設計的 目標，並結合柔性設計、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；通過拓撲結構設計，實現機構創 新，滿足不同產品的包裝需求"

1.1概述

拓撲（Topology）是將各種物體的位置表示成 抽象位置。拓撲不關心事物的細節也不在乎什麽 相互的比例關係，隻將討論範圍內的事物之間的 相互關係表示岀來，將這些事物之間的關係通過 圖表示岀來。並以一定的結構方式進行連接實現 互聯。這種連接方式就叫做“拓撲結構”。

引入此概念，從包裝機整體功能岀發，進 行機構拓撲結構設計。拓撲結構設計不僅需要 考慮機構的運動學要求，如運動確定性、運動 輸岀特征等，也要考慮控製係統、驅動係統的 要求，如控製解耦、驅動器位置可選擇性等。 在深入、係統地揭示機構拓撲結構與功能之間 的內在聯係與規律性基礎上，建立了機構拓撲 設計的數理模式，減少設計中的經驗性因素， 開拓了以功能為導向的創造新機構的係統理論 與方法。

1.2 拓撲結構設計的分類

拓撲結構創新設計分為兩類：機構集成創 新和原始機構創新。機構集成創新是指通過對 已知基本機構(元機構)及其元功能進行重組， 以實現較複雜機構係統的整體功能與原理創新， 已知元機構及其子功能是機構集成創新知識庫 的基礎。機構原始創新是發現具有特定功能的 新基本機構，可直接開發為新產品，又可作為 機構集成創新的元機構，擴大了知識庫中元機 構空間。

對自動包裝機而言，這裏的元機構指機構 的各功能模塊，具有一定的獨立性，能完成包 裝過程的某一動作的機構。狹義的講，機構集 成創新可以看作在對一定範圍內的不同功能或 相同功能不同性能、不同規格的產品進行功能 分析的基礎上，劃分並設計岀一係列功能模塊， 通過模塊的優化選擇和組合來構成不同產品以 滿足市場不同需求的一種設計和製造方法。

從廣義的範疇來講，機構集成創新不僅僅 局限於通過元機構的重組，快速實現包裝變化 的要求，還在於可以實現較複雜機構係統的整 體功能與原理創新，構造岀其數學模型，為開 發岀更先進的包裝及提供了可靠的依據。

1.3拓撲結構設計過程

對於具體的設計任務，我們需要選擇合理 的模型進行求解。綜合目前國內外在拓撲機構 設計方麵的應用情況，提出了拓撲結構設計過 程的3個層次，即產品元機構分解(模塊化分 解)、模塊係列設計及新產品的配置與組裝。

1. 模塊化分解

包裝機械成套設備是一個複雜的機械係統， 對其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊 劃分得過細，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，卻影響模塊拚裝時的柔性，功能 相對獨立性也不能充分體現。因此在劃分模塊 時，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立性和完整性；盡量簡 化模塊自身的複雜程度，以避免模塊組合時產 生混亂，降低係統的可靠性。

2. 模塊係列設計

模塊係列設計要從包裝機的整體功能岀發， 通常包裝機械設備的設計時一定要考慮其柔性 和靈活性，具體表現在以下三個方麵：

一是量的靈活性，既能包裝單個產品，也 能包裝不同批量產品。

二是構造的靈活性，整台設備釆用單元組 成，換用一個或幾個單元，即可適應產品的變 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。

因此模塊化係列設計要基於標準化、專業 化的原則，為包裝機的組裝提供豐富的資源庫， 使得各模塊執行件的動作協調配合。標準化可 以使大批量生產成為可能，並大大降低產品的 生產成本，模塊化則是標準化的新形式。國際 包裝界十分重視提高包裝機械加工和整個包裝 係統的通用能力，所以包裝機械零部件生產專 業化、標準化是發展的必然趨勢。

3. 產品配置與組裝

在設計開發新的包裝設備時，首先綜合考慮 包裝對象，根據要求完成的操作選擇不同用途和 性能的基本模塊以構成所需模型機構。同時選 擇和組合適當的機構運動原理，充分實現待定 運動所需機構。如連杆機構、凸輪機構等。設 計過程中應盡量減少不確定性因素造成的影響， 使機構趨於平穩。設計時仍要對機構進行動力 學分析，以提升機械運行速度和平穩性。除機 構設計外，還應該考慮各功能另外的實現途徑， 可以參考各類包裝機的長處，以期最優組合該 產品！

模塊化組合的設備，其優點顯而易見，靈 活的模塊化結構使機器的功能和適應性得以擴 展，使設備實現自我診斷，快速確定故障點， 維修調整更容易，而且具有明確針對性，不牽 涉和影響正常模塊。

2自動包裝機的建模

對包裝機進行元機構分解，掌握各基本機 構的功能特性，根據客戶要求對原包裝機進行 重組設計，同時可以對包裝機進行改進創新得 到可實現多功能複雜操作的模型機。

隨著機械自動化的發展，對包裝機的要求 也越來越高。其發展趨於壟斷化，零部件生產

冋行性分析I
両能分析I
I功能,分析I I功能'創新I

I , I

^計目標

I實現功能的基本工作原理

I工作原理選擇與組合I

I執行機構係統方案構思I
藝動作構思

I工藝動作的分解I

I執行機構係統'方案設計探索I

I各子係統的方案設計I
F優選設計文案

專業化，並向智能化發展。拓撲結構設計的方 法為包裝機模型的研究提供了廣闊的平台，通 過模塊重組、創新，並對機構進行運動學等的 考慮，使得模型可靠性更高。

3自動包裝機國內外發展情況

國內大多以生產單機為主，而國外大多為 成套生產線，很少單機銷售。我國的食品和包 裝機械單機多、成套少，通用機型多、滿足特 殊要求、特殊物料的設備少；技術含量低的多， 高技術附加值、高生產率的產品少；智能化設 備還處於研製階段。

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、製造、技術性能 等方麵居於領先地位。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，德國包裝機械製造廠商和設計部 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。
2. 提高生產效率，降低生產成本，最大 限度地滿足生產要求。
3. 使產品機械和包裝機械一體化。許多 產品要求生產之後直接進行包裝，以提高生產 效率。
4. 適應產製品變化，具有良好的柔性和 靈活性。
5. 普遍使用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。

借鑒國外先進技術可以拓寬我們在進行拓 撲結構設計建模思路。就提高生產效率為例， 除了提高轉速外，還可從另外的渠道設法解決: 一是采用連續工作或多頭工作方式。二是降低 廢品率，提供故障分析係統。三是使產品生產 機械和包裝機械一體化。這些為全麵分析設計 包裝機模型提供了更多的信息。

除了考慮上述因素外，還應該注意，現代 包裝機設計應該滿足“綠色設計” ,即人性化設 計的要求。它是麵向質量設計、裝配設計、製 造設計、維修設計、可靠性設計的綜合設計。 要考慮到安全性等各方麵的因素，充分體現原 理優化、結構優化、製造優化、造型優化。

4結 論

運用拓撲結構設計簡化了包裝機模型設計過 程，縮短設計製造周期，增強可靠性；便於實現 標準化、係列化、通用化、集成化和開放化。

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