2.3 包裝機械概念設計

2.3.1 包裝機械概念設計過程模型

包裝機械概念設計的主要目的是產生滿足所需包裝功能要求的設計解，因此，包裝功能在設計中起了十分重要的作用。包裝功能設計信息是指對開發功能設計解起作用的相關信息，是對被設計產品的功能層知識的抽象表達。在圖2-5中，功能F（Function）是結構的目的，是行為B（Behav-iour）的抽象表達，目的是對應出新的行為對象。行為是指實現功能所需要的方法，即通常所說的工作原理、實現方法。結構S（Structure）指為實現某些（某一）行為而采用的一組構件、元件以及它們之間的組成關系。即功能表達一個設計的目的是“做什么”，行為表達設計的方法是“怎樣做”，而結構則表達此設計“誰來做”。它們之間是具有層次關系的，從功能→行為→結構（F→B→S）的過程是設計的逐步細化過程，目的在于產生具體的設計方案，生產出產品；反之，從結構→行為→功能的過程是設計的抽象化過程，其目的在于擴展思路、產生新解，以改進設計。因此，可認為輸入輸出動作流是功能行為層的抽象表達，輸入輸出對象流是行為結構層的抽象。另外，包裝機械是在一定條件下運行的設備，也就是說設備是約束的設備，是環境的設備，離開一定的工作環境即約束條件，包裝機械的功能無法很好地體現，所以，環境要素在圖2-5所示的映射中得到了體現。

2.3.2 包裝機械概念設計功能推理過程

包裝機械設計的主要目的是對設計問題的物理顯示描述，并滿足所需的功能需求。而包裝機械功能需求的確立是在包裝機械的概念設計階段，在此階段，要對根據用戶和市場需求得到的總功能進行功能分解變換，直到分解變換歸約為一些不可再分的子功能為止，然后對這些子功能進行功能求解，最終綜合獲得設計問題的功能原理解（概念解）。

在包裝機械設計過程中，由于只有在認清問題本質的同時，才能得到根本性的創造。而包裝機械產品概念設計的主要目的是產生滿足所需功能要求的設計解，設計過程受功能制約，也就是說，設計由功能引導，功能知識既是對設計問題的語義認識，也是求解設計問題的手段，所以利用功能知識可以支持這一創造性思維過程——功能推理。準確地說，功能推理是在功能層上對設計問題進行推理產生設計解，并對設計解評價的過程（功能向結構的映射過程）。

功能推理模型如圖2-6所示。①根據分層策略，將系統總功能分解成子系統。②依據簡單子功能集合組成復雜父功能的原理，從子系統問題作為最初問題定義入手，將最初問題分解成按照功能定義的部分問題構成部分問題空間。③從組件庫（解空間）中，尋找滿足功能需求的部分問題的解。④解空間與部分問題空間的耦合（評價）導致部分問題和解的重新定義。⑤修改后的問題和解在解空間中又有一組新解與之對應，再評價，直至找到滿足要求的部分問題的解。⑥如此反復，直至部分問題全部解決為止。⑦到此，每一步產生單個概念解的綜合就形成了部分問題的解空間。

2.3.3 包裝機械功能定義及其約束條件

2.3.3.1 包裝機械功能定義

上述可知，設計過程受功能制約，也就是說，設計由功能引導。所以包裝機械功能在概念設計中占據十分重要的作用。眾所周知，功能是一個過載詞匯，不同的包裝對象與包裝方法賦予其不同的定義。當功能與組件相聯系時，它表現出一種相關性；在現場運行上，功能是組件在能量、材料和/或信息之間輸入和輸出的一種關系；在實施目標上，功能又是設計目的和組件行為之間的一種紐帶；對具體包裝機械而言，功能是指產品的效能、用途和作用。人們購置的是包裝機械功能，人們使用的也是包裝機械的功能。當功能與原始問題相聯系時，功能成為描述設計問題的行為和結果。所以包裝機械的功能統稱為對物料進行包裝的能力和對包裝材料的適應性。

一般說來，減少功能和縮小應用范圍，可以簡化機器結構、降低制造成本、提高生產率，易于實現自動化。反之，增加功能和擴大應用范圍，則可以一機多用、相對縮小占地面積，有利于擴大機器制造批量，但結構復雜、成本高。若將若干臺單功能包裝機分別完成多道包裝工序，組合成一臺多功能包裝機，則可以省去單機之間的連接及輸送裝置，縮小機器占地面積，便于建立集群控制，精簡操作人員，改善勞動條件。但過分追求多功能集合，反而導致機械結構復雜，設備加工成本增加，因此，是否采用多功能包裝組合技術，應視具體問題具體分析。

2.3.3.2 確定包裝機的功能條件

（1）可靠性。

在一般情況下，功能增加包裝操作環節也增多，故障發生的可能性也相應增大。因此，只有在單功能包裝機的操作都相當穩定可靠的情況下，才能考慮將它們組成多功能包裝機。否則，因故障增加反而會降低工作效率。

（2）繼承性。

隨著技術的改進與更新，包裝機能夠升級換代，在原功能的基礎上，若再增加新功能，或置換原功能，盡量不更換全部組件，只對影響包裝機械性能的關鍵部件進行更新與改造，減少不必要的浪費。

（3）人本性。

“以人為本”的理念既強調設計師的設計主導作用，又強調用戶對包裝機械的使用效果對設計的導向和參與作用。近來涌現的諸如綠色設計、定制設計、敏捷設計、并行設計、全生命周期設計、創新設計等方法，其本質在于通過設計營造一個人性化的環境，滿足使用者能在優越的工作環境中使用與操作設備。

（4）適應性。

任何包裝機的應用范圍都是有限的，機器的功能愈多，結構也就愈復雜。因此常將包裝機設計成組合的形式，也就是說可根據用戶的不同需要靈活增減或改裝某些組合部件。

多功能包裝機主要用于包裝品種穩定、批量大的產品，或是將包裝容器成型、充填、封口、貼標簽等多工序聯合的場合，這可省去容器的運輸、存儲、清洗并簡化充填時的容器整理供送等操作。

一般包裝機的應用范圍宜廣一些，但應根據用戶需要、技術可行性及經濟合理性，區別不同情況，因地制宜地加以確定。

對于批量大、品種規格穩定的產品（如卷煙），應把提高生產率、包裝自動化程度及組成高效包裝自動線放在首位，一般宜采用專用包裝機。對于批量不大而有特殊工藝要求的產品（如危險品），若設計成通用或多用包裝機有一定的技術難度或經濟上不合算時，也可考慮設計成專用包裝機。

批量中等、品種規格需要調換的產品，一般宜采用多用包裝機。使用中，通過調整或更換有關部件來適應逐批生產的需要。

批量小、品種規格經常變化的產品，宜采用通用包裝機，盡量擴大包裝機的應用范圍，以利增加包裝機制造批量和減少設備投資。

2.3.4 行為過程分析選擇

行為過程分析也就是工藝過程分析，工藝過程分析是研究、分析和確定所設計包裝機完成預定包裝工序的工藝方法。工藝方法選擇得合理與否，將直接影響到包裝機的生產率、產品質量、機器的運動與結構原理、機器工作的可靠性以及機器的技術經濟指標。為了正確擬定包裝機的工藝方案，必須深入掌握各種加工工藝特點，研究它們的現狀及發展方向，并且了解實現不同加工工藝的結構原理。總之，工藝方案的選擇是一個較為復雜的問題，必須從產品的質量、生產率、成本、勞動條件和環境保護等諸多方面進行綜合考慮。一般情況下必須同時擬訂出幾個方案，進行分析、比較，必要時通過試驗之后，最后確定一個原理先進、工作可靠、結構簡單、成本低廉的方案。

2.3.4.1 包裝工藝路線選擇

為了搞好包裝機設計，必須分析對比各種工藝路線的特點，既要考慮它對機器生產率、執行機構數目和運動要求的影響，還應考慮它對機器外形、操作條件以及組成包裝生產線等方面的影響。只有對各種不同方案加以認真仔細地分析，才有可能得到最佳方案。

包裝工藝路線是指包裝材料和被包裝物料的供送路線以及它們在包裝過程中的傳送路線、包裝成品的輸出路線。常見有直線型、階梯型、圓弧型和組合型。

（1）直線型。

物件在包裝過程中的運動路徑為一直線，根據其運動方向又可分為立式和臥式兩種。若物件在垂直方向（一般是由上而下）做直線運動，則稱為立式直線型工藝路線；如果是在水平面內做直線運動，則稱為臥式直線型工藝路線。此外，還有傾斜式直線型工藝路線。

圖2-7是臥式直線型折疊裹包的一種工藝路線圖，包裝材料由上而下供送到輸入工位。將被包裝物料送到工位I（輸入工位）可采用3種方案：a方案的物料可以首尾銜接，也可以不銜接，比較靈活方便，但供送路線較長；b方案的物料供送路線較短，但不能首尾銜接；c方案的物料供送路線最短，但須增加一個將物料升高的執行機構。這3種方案在實踐中都有應用，但以a、c兩種居多。

（2）階梯型。

圖2-8是兩種常用的階梯型工藝路線。物料在包裝過程中兼有垂直和水平兩個方向運動。它主要用于折疊裹包，對折疊處須熱封者尤為適用。

（3）圓弧型。

物料在包裝過程中沿圓弧軌跡運動。它的主傳送機構可以做間歇或連續的旋轉運動，也可以做往復擺動，以前者居多數，故又稱旋轉型工藝路線。另外，主傳送機構的旋轉軸可以垂直布置，也可水平布置。垂直布置常用于充填、封口、貼標簽等包裝工序，水平布置主要用于裹包工序。

如24頭灌裝機的圓弧型工藝路線圖，主傳送機構做等速轉動，旋轉軸垂直布置；從進瓶至出瓶分為穩瓶、升瓶、灌液、降瓶和穩瓶5個工作區域，占有21.7個瓶距。

（4）組合型。

如圖2-9所示，物料在包裝過程中既做圓弧運動，又做直線運動，稱為圓弧與直線組合型工藝路線。它主要用于裹包、制袋—充填—封口、清洗等包裝機。

2.3.4.2 包裝方式的選擇

（1）從包裝機械分類中看出，每種包裝工序都有多種包裝方式。而包裝方式對包裝質量、生產率和機器的復雜程度又有很大的影響，所以在確定包裝方式時，要全面考慮。

（2）把保證包裝質量放在首位，不論選取何種包裝方式，都要適應被包裝物料和包裝材料的特性。

例如，灌裝有常壓、負壓和等壓3種方式，其中以常壓灌裝最為簡單，但若灌裝含氣性液體，為減少被灌裝液體內的氣體逸出，則應選用機械結構比較復雜的等壓法，液流沿容器壁流動的灌裝方式。再如塑料袋的封口，對于容易受熱變形和粘連的材料（如聚乙烯），宜選用脈沖式或環帶式的熱壓封口方式。

（3）當有多種方式都能滿足要求時，應選用容易實現的方案。

2.3.4.3 工位數的選擇

（1）單工位與多工位。

a．單工位包裝機。單工位包裝機的所有操作都集中在一個工位上完成，當一件（組）物料完成全部包裝并輸出之后，下一件（組）物料才能進入機器開始包裝。對于單工位包裝機，只需確定被包裝物料的供送路線、包裝材料的供送路線以及包裝成品的輸出路線。

b．多工位包裝機。對于多工位包裝機來說，物料從輸入到輸出，須經過多個工位，且在不同的工位上依次完成各個包裝操作。對于多工位包裝機，從被包裝物料和包裝材料輸入到成品輸出的傳送路線可以有多種形式。

（2）選擇工位的依據。

a．根據包裝執行機構的多少選擇。如果包裝過程比較簡單，所需執行機構比較少，可考慮選用單工位包裝機。這可以省掉主傳送系統，如纏包、灌裝、加蓋、貼標簽、裝箱等。

當包裝過程比較復雜需要多執行機構時，宜選用多工位包裝機。工位多，執行機構分散開來容易布置。有些包裝操作可在轉位的過程中完成，可省去一些執行機構，如裹包、成型—充填—封口便屬于此種類型。

有些包裝過程相當復雜，需要很多執行機構，在此情況下要優先選用多工位包裝機，食用碘鹽小袋包裝即為一個典型實例。

b．根據生產率的高低選擇。多工位包裝機將各個包裝操作分散在不同的工位上同時進行，生產率較高，相對而言，單工位包裝機的生產率就較低。

（3）運動方式選擇。

包裝機有間歇運動和連續運動兩種形式。

a．間歇運動。物料由一個工位轉移到另一個工位做間歇步進運動，主要包裝操作可在物料靜止時完成，因而執行機構的運動形式和構造比較簡單，但間歇運動引起的慣性力和沖擊現象不利于提高生產率。當執行機構比較多時，為使結構簡單常選用這種形式。

b．連續運動。物料及主傳送系統均做連續等速運動，當執行機構種類較少、生產率要求高時可選用這種形式。

2.3.4.4 單頭與多頭選擇

“單頭”、“多頭”，特指連續運動的多工位包裝機為完成同一包裝操作所配備的執行裝置的數目。

對一臺包裝機而言，若完成每一包裝操作的執行部件只有一個，亦即每一物料的包裝依次經過所有執行部件，則稱為單頭連續運動多工位包裝機。

若完成同一包裝操作的執行部件有多個，則稱為多頭連續運動多工位包裝機。多頭包裝執行機構在工作過程中與物料做同步運動。因此，多頭型包裝機一般能增加包裝操作時間，有利于生產率的提高，它特別適用于灌裝、封口、貼標簽等所需執行機構種類和動作單一的包裝工序。

提示

當執行機構動作較多、結構復雜時，為減少執行機構數目，宜選用單頭型。

綜上所述，單工位型、間歇運動型、單頭連續運動型、多頭連續運動型4種包裝機各有其特點和適用場合。對于多工位包裝機，一臺機器并不限于只有一種形式，根據需要可采用間歇與連續運動的組合，或者單頭與多頭的組合。當多個包裝操作中有一個操作的工藝時間特別長時，可采用多頭型的執行機構，而其他的執行機構則采用單頭型的。這樣既可提高生產率，又可減少機構的數目。

2.3.4.5 繪制工作循環圖

根據初步擬定的運動規律和動作配合，繪制工作循環圖。對于機械傳動，還要將執行構件運動與時間的關系轉換為與分配軸轉角的關系。在技術設計結束后，尚要根據實際情況補充和修改原先擬定的工作循環圖，從而得到該機的實際工作循環圖。例如，原方案中對有的執行機構只是規定了循環周期內部分時間的運動規律，其余時間的運動規律在技術設計完成后才能確切知道（主要是連桿機構）；又如有的執行機構，由于選型不當或由于結構條件限制，使之所能實現的運動規律與原方案不相符合。倘若上述差異太大而無法滿足包裝工藝要求時，應推翻重做。

機械運動循環圖通常有圓周式、直線式和直角坐標式3種表示方法。其中以直角坐標式工作循環圖適用范圍較廣，對機械傳動、氣液壓傳動都可用，且便于閱讀和繪制。

在直角坐標式循環圖中，若執行構件在某段時間內是運動的，可用斜直線表示；如果是靜止或做連續勻速轉動及振動的，則可用平直線來表示，為表達清楚起見，可以附加簡要的文字說明。對于機械傳動的包裝機械，它的分配軸大多數是做連續轉動的，且其運動周期就是分配軸（主軸）旋轉一圈的時間。由于在設計執行機構如凸輪機構、連桿機構時必須確切知道執行構件的運動與分配軸轉角之間的關系，因此在編制機械傳動的包裝機運動循環圖時，通常都將這種關系明確表示出來。但運動循環周期不一定都是包裝一件產品的時間，對于單工位、間歇運動多工位及單頭連續運動多工位這3類包裝機，它們的運動周期等于包裝一件產品的時間，而對于多頭及多頭與單頭組合型的連續運動多工位包裝機，如多頭灌裝機，其運動周期等于灌裝一件產品的時間與頭數的乘積。

以枕形袋立式成型—充填—間隔封口切斷包裝機的執行裝置為例，表2-1表達了每一種運動循環圖的繪制方法及特點。

運動循環圖表示了各執行構件的運動與停留的時間關系和順序，但沒有表示出相應的運動速度，即斜直線并不表示是做等速運動。繪制運動循環圖是為了保證執行構件的動作能夠按工作要求取得密切的配合，并盡量縮短運動循環周期時間，以便順利完成包裝并有較高的生產率。

2.3.4.6 擬定主要技術參數

通過分析對比同一類型包裝機的不同設備的技術參數，無疑可以判斷各個設備的性能優劣。而且，用戶在籌建生產車間或工廠之際，借此可根據各自的生產條件、規模與物料消耗情況，妥善配備各種設備并核算經營成本。鑒于包裝機所完成的包裝工序、包裝物件、所用工藝方法、機器類型等種類繁多，各種包裝機主要技術參數的具體內容也互有差異，因此，應遵循基本準則按具體條件進行仔細分析后擬定主要技術參數。

包裝機的主要技術參數，大體上包括以下4個方面。

（1）結構參數。

結構參數反映包裝機的結構特征和包裝物件的尺寸范圍。如包裝機列數、包裝工位數、執行機構頭數、主傳送機構的回轉直徑或直線移距，工作臺面的寬度與高度、物件的輸入高度、成品的輸出高度等。

（2）運動參數。

運動參數反映包裝機的生產能力和執行機構的工作速度，如主軸轉速、物件供送速度、計量與充填速度等。執行機構的結構及其尺寸等參數主要是根據動力參數設計計算的。所以，若動力參數選擇過大，就會使動力機、執行構件的結構尺寸相應增大，若過小又會使它們經常處于超負荷狀態而難以維持正常工作，甚至損壞。

（3）動力參數。

動力參數反映執行機構的工作載荷和包裝機正常運轉的能量消耗，如成型、封口等執行機構的工作載荷，動力機的額定功率、額定扭矩和調速范圍、氣液壓傳動的工作壓力和流量，以及為完成清洗、殺菌、熱封等工序所需的水、氣、電和其他能源的消耗量等。

（4）工藝參數。

工藝參數反映完成包裝工序所用的工藝方法及其特性，如完成包裝工序的有關溫度、時間、壓力、拉力、速度、真空度、計量精度等參數。

2.3.5 構件選型與綜合

根據已定的功能、應用范圍和工藝方法，分析和確定對執行構件的運動要求，進而完成機構的選型及其綜合。

首先，分析需要哪些執行構件來完成被包裝物料的計量、整理與供送、包裝材料的整理與供送、主傳送、包裝操作及成品輸出。實際上，有些執行構件是固定不動的，如成型器、固定折紙板等；而大多數執行構件是按一定規律運動的。至于如何確定運動執行構件的運動形式、行程大小、動停時間、運動速度等，則主要取決于所完成的包裝操作的工藝要求，同時還要考慮它們相互間動作配合關系。

在確定執行構件的運動形式和某些運動參數（如行程）后，接著要考慮用何種機構來驅動執行構件，即機構的選型及其綜合問題。一般是選用技術上比較成熟的機構。同時，根據設計需要，應該進行創新，以更好地滿足工作要求。

機構的選型及其綜合時應考慮的要求和條件主要有以下幾點。

（1）運動規律。

包裝工藝要求執行構件按某種規律運動，有的還要求運動規律在預定范圍內做有級或無級的調節。運動規律及其調節范圍是機構選型的基本依據。

（2）運動精度。

運動精度要求對機構選型有重要影響。例如，對運動速度和時間都有很高要求的部分，就不宜采用液壓和氣壓傳動。反之，若用近似直線運動來代替直線運動，或用近似停留來代替停留，可擴大機構的選型范圍。

（3）承載能力與工作速度。

各種機構的承載能力和所能達到的最大工作速度是不同的，因而須根據速度的高低，載荷的大小及其特性選用合適的機構。

選擇機構時還要確定選取用何種原動機，因為執行機構的輸入運動是從原動機經過傳動機構傳來的，常用原動機的運動形式有下列3種：連續轉動（如電動機和內燃機的輸出運動）；往復移動（如直線電動機和固定的活塞式油缸或氣缸的輸出運動）；往復擺動（如雙向電動機和擺動的活塞式油缸或氣缸的輸出運動）。包裝機多使用連續轉動的電動機。

選擇機構時還要考慮執行機構的運動規律或運動軌跡。例如：若執行構件按給定的運動規律做變速連續轉動，則選用的執行機構應當是非圓齒輪機構而不是一般等傳動比的傳動機構；若執行構件按給定運動規律做變速往復移動，則選直動從動件凸輪機構而不是曲柄滑塊機構或齒輪齒條機構。

除此之外，機構選型時還要考慮該機構的動力學特性和制造、安裝、維修及成本等問題，也就是在滿足運動要求之外，還要力求機構簡單、緊湊、傳動路線短，運動參數便于調節，傳動條件較好，效率高，磨損少，易于制造、安裝和維修，成本低等。

（4）總體布局。

執行機構的工作位置以及傳動與執行機構的布局要求是機構選型必須考慮的因素。例如，選用空間機構往往便于布局并可簡化傳動系統；通常要求機構結構緊湊，但有的機構的輸出端遠離輸入端，在此情況下，應從全局考慮，使選用的機構與總體布局相適應。

（5）使用要求與工作條件。

使用單位根據各自的技術水平、生產條件和實踐經驗會提出一些特殊要求。例如，生產車間無壓縮空氣源，是否選用氣壓傳動，應考慮技術與經濟合理性。這些也是機構選型時應該考慮到的。

此外，機器的制造批量、噪聲控制及制造條件等方面的要求也要綜合考慮。