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(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。這種要求還體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(jìn)行遠(yuǎn)程診斷服務(wù)，四是基于環(huán)境保護(hù)，噪聲低、粉塵和廢棄物少，五是設(shè)備購置投資盡可能少，價(jià)格盡可能低。利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為包裝機(jī)的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新提供了科學(xué)、可靠的方法。

1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)理念上，應(yīng)該以用戶的需求為設(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；通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，滿足不同產(chǎn)品的包裝需求。

1．1概述

拓?fù)洌═opology）是將各種物體的位置表示成抽象位置。拓?fù)洳魂P(guān)心事物的細(xì)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(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。這種連接方式就叫做“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”。

引入此概念，從包裝機(jī)整體功能出發(fā)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要考慮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，如運(yùn)動(dòng)確定性、運(yùn)動(dòng)輸出特征等，也要考慮控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，如控制解耦、驅(qū)動(dòng)器位置可選擇性等。在深入、系統(tǒng)地揭示機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(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(jī)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的數(shù)理模式，減少設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)性因素，開拓了以功能為導(dǎo)向的創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)理論與方法。

1．2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分類

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分為兩類：機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新和原始機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新是指通過對(duì)已知基本機(jī)構(gòu)（元機(jī)構(gòu)）及其元功能進(jìn)行重組，以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的整體功能與原理創(chuàng)新，已知元機(jī)構(gòu)及其子功能是機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新知識(shí)庫的基礎(chǔ)。機(jī)構(gòu)原始創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)具有特定功能的新基本機(jī)構(gòu)，可直接開發(fā)為新產(chǎn)品，又可作為機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新的元機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大了知識(shí)庫中元機(jī)構(gòu)空間。

對(duì)自動(dòng)包裝機(jī)而言，這里的元機(jī)構(gòu)指機(jī)構(gòu)的各功能模塊，具有一定的獨(dú)立性，能完成包裝過程的某一動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。狹義的講，機(jī)構(gòu)集成創(chuàng)新可以看作在對(duì)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(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)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(jì)和制造方法。

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

1．3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程

對(duì)于具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，我們需要選擇合理的模型進(jìn)行求解。綜合目前國內(nèi)外在拓?fù)錂C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用情況，提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的3個(gè)層次，即產(chǎn)品元機(jī)構(gòu)分解（模塊化分解）、模塊系列設(shè)計(jì)及新產(chǎn)品的配置與組裝。

（1）模塊化分解

包裝機(jī)械成套設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，對(duì)其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊分得過細(xì)，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(shí)的柔性，功能相對(duì)獨(dú)立性也不能充分體現(xiàn)。因此在劃分模塊時(shí)，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(dú)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(shí)產(chǎn)生混亂，降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）模塊系列設(shè)計(jì)

模塊系列設(shè)計(jì)要從包裝機(jī)的整體功能出發(fā)，通常包裝機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其柔性和靈活性，具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一是量的靈活性，既能包裝單個(gè)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(tái)設(shè)備采用單元組成，換用一個(gè)或幾個(gè)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(jì)要基于標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化的原則，為包裝機(jī)的組裝提供豐富的資源庫，使得各模塊執(zhí)行件的動(dòng)作協(xié)調(diào)配合。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的新形式。國際包裝界十分重視提高包裝機(jī)械加工和整個(gè)包裝系統(tǒng)的通用能力，所以包裝機(jī)械零部件生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（3）產(chǎn)品配置與組裝

在設(shè)計(jì)開發(fā)新的包裝設(shè)備時(shí)，首先綜合考慮包裝對(duì)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(jī)構(gòu)。同時(shí)選擇和組合適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，充分實(shí)現(xiàn)待定運(yùn)動(dòng)所需機(jī)構(gòu)。如連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量減少不確定性因素造成的影響，使機(jī)構(gòu)趨于平穩(wěn)。設(shè)汁時(shí)仍要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以提升機(jī)械運(yùn)行速度和平穩(wěn)性。除機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)該考慮各功能另外的實(shí)現(xiàn)途徑，可以參考各類包裝機(jī)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(diǎn)顯而易見，靈活的模塊化結(jié)構(gòu)使機(jī)器的功能和適應(yīng)性得以擴(kuò)展，使設(shè)備實(shí)現(xiàn)自我診斷，快速確定故障點(diǎn)，維修調(diào)整更容易，而且具有明確針對(duì)性，不牽涉和影響正常模塊。