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。因此要求包裝機械具有良好的柔性和靈活性，使包裝機械的壽命遠大于產(chǎn)品的壽命周期，這樣才能符合經(jīng)濟性。這種要求還體現(xiàn)在以下幾個方面：一是提高生產(chǎn)效率，二是適應(yīng)產(chǎn)品更新變化的需求，三是能進行遠程診斷服務(wù)，四是基于環(huán)境保護，噪聲低、粉塵和廢棄物少，五是設(shè)備購置投資盡可能少，價格盡可能低。利用拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，為包裝機的設(shè)計及創(chuàng)新提供了科學(xué)、可靠的方法。

1 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　設(shè)計理念上，應(yīng)該以用戶的需求為設(shè)計的目標，并結(jié)合柔性設(shè)計、模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)機構(gòu)創(chuàng)新，滿足不同產(chǎn)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(guān)心事物的細節(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)方式進行連接實現(xiàn)互聯(lián)。這種連接方式就叫做“拓撲結(jié)構(gòu)”。

　　引入此概念，從包裝機整體功能出發(fā)，進行機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮機構(gòu)的運動學(xué)要求，如運動確定性、運動輸出特征等，也要考慮控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的要求，如控制解耦、驅(qū)動器位置可選擇性等。在深入、系統(tǒng)地揭示機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)與功能之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律性基礎(chǔ)上，建立了機構(gòu)拓撲設(shè)計的數(shù)理模式，減少設(shè)計中的經(jīng)驗性因素，開拓了以功能為導(dǎo)向的創(chuàng)造新機構(gòu)的系統(tǒng)理論與方法。

1．2 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的分類

　　拓撲結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計分為兩類：機構(gòu)集成創(chuàng)新和原始機構(gòu)創(chuàng)新。機構(gòu)集成創(chuàng)新是指通過對已知基本機構(gòu)（元機構(gòu)）及其元功能進行重組，以實現(xiàn)較復(fù)雜機構(gòu)系統(tǒng)的整體功能與原理創(chuàng)新，已知元機構(gòu)及其子功能是機構(gòu)集成創(chuàng)新知識庫的基礎(chǔ)。機構(gòu)原始創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)具有特定功能的新基本機構(gòu)，可直接開發(fā)為新產(chǎn)品，又可作為機構(gòu)集成創(chuàng)新的元機構(gòu)，擴大了知識庫中元機構(gòu)空間。
對自動包裝機而言，這里的元機構(gòu)指機構(gòu)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(gòu)。狹義的講，機構(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)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊，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)計和制造方法。

　從廣義的范疇來講，機構(gòu)集成創(chuàng)新不僅僅局限于通過元機構(gòu)的重組，快速實現(xiàn)包裝變化的要求，還在于可以實現(xiàn)較復(fù)雜機構(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)出更先進的包裝及提供了可靠的依據(jù)。

1．3 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

　　對于具體的設(shè)計任務(wù)，我們需要選擇合理的模型進行求解。綜合目前國內(nèi)外在拓撲機構(gòu)設(shè)計方面的應(yīng)用情況，提出了拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的3個層次，即產(chǎn)品元機構(gòu)分解（模塊化分解）、模塊系列設(shè)計及新產(chǎn)品的配置與組裝。

（1）模塊化分解

　　包裝機械成套設(shè)備是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，對其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊分得過細，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，卻影響模塊拼裝時的柔性，功能相對獨立性也不能充分體現(xiàn)。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復(fù)雜程度，以避免模塊組合時產(chǎn)生混亂，降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）模塊系列設(shè)計

　　模塊系列設(shè)計要從包裝機的整體功能出發(fā)，通常包裝機械設(shè)備的設(shè)計時一定要考慮其柔性和靈活性，具體表現(xiàn)在以下三個方面：

一是量的靈活性，既能包裝單個產(chǎn)品，也能包裝不同批量產(chǎn)品。
二是構(gòu)造的靈活性，整臺設(shè)備采用單元組成，換用一個或幾個單元，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)計要基于標準化、專業(yè)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(zhí)行件的動作協(xié)調(diào)配合。標準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系統(tǒng)的通用能力，所以包裝機械零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標準化是發(fā)展的必然趨勢。

（3）產(chǎn)品配置與組裝

　　在設(shè)計開發(fā)新的包裝設(shè)備時，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)成所需模型機構(gòu)。同時選擇和組合適當?shù)臋C構(gòu)運動原理，充分實現(xiàn)待定運動所需機構(gòu)。如連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等。設(shè)計過程中應(yīng)盡量減少不確定性因素造成的影響，使機構(gòu)趨于平穩(wěn)。設(shè)汁時仍要對機構(gòu)進行動力學(xué)分析，以提升機械運行速度和平穩(wěn)性。除機構(gòu)設(shè)計外，還應(yīng)該考慮各功能另外的實現(xiàn)途徑，可以參考各類包裝機的長處，以期最優(yōu)組合該產(chǎn)品。

　　模塊化組合的設(shè)備，其優(yōu)點顯而易見，靈活的模塊化結(jié)構(gòu)使機器的功能和適應(yīng)性得以擴展，使設(shè)備實現(xiàn)自我診斷，快速確定故障點，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 自動包裝機的建模

　　對包裝機進行元機構(gòu)分解，掌握各基本機構(gòu)的功能特性，根據(jù)客戶要求對原包裝機進行重組設(shè)計，同時可以對包裝機進行改進創(chuàng)新得到可實現(xiàn)多功能復(fù)雜操作的模型機。

　　運用拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，通用自動包裝機模型的建立步驟可簡化為以下圖1所示：

　　隨著機械自動化的發(fā)展，對包裝機的要求也越來越高。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。拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法為包裝機模型的研究提供了廣闊的平臺，通過模塊重組、創(chuàng)新，并對機構(gòu)進行運動學(xué)等的考慮、使得模型可靠性更高。


　　以生產(chǎn)單機為主，而國外大多為成套生產(chǎn)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(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械大國，在包裝機械設(shè)計、制造、技術(shù)性能等方面居于領(lǐng)先地位。德國包裝機械的設(shè)計是依據(jù)市場調(diào)研及市場分析結(jié)果進行的，其目標是努力為客戶，尤其是為大型企業(yè)服務(wù)。為滿足客戶要求，德國包裝機械制造廠商和設(shè)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(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)品機械和包裝機械一體化。許多產(chǎn)品要求生產(chǎn)之后直接進行包裝，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）普遍使用計算機仿真設(shè)計技術(shù)。大大縮短了包裝機械的開發(fā)設(shè)計周期。

　　借鑒國外先進技術(shù)可以拓寬我們在進行拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計建模思路。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)機械和包裝機械一體化。這些為全面分析設(shè)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(yīng)該注意，現(xiàn)代包裝機設(shè)計應(yīng)該滿足“綠色設(shè)計”，即人性化設(shè)計的要求。它是面向質(zhì)量設(shè)計、裝配設(shè)計、制造設(shè)計、維修設(shè)計、可靠性設(shè)計的綜合設(shè)計。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

　　運用拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化了包裝機模型設(shè)計過程，縮短設(shè)計制造周期，增強可靠性；便于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化、集成化和開放化。