2.3 包装机械概念设计

2.3.1 包装机械概念设计过程模型

包装机械概念设计的主要目的是产生满足所需包装功能要求的设计解，因此，包装功能在设计中起了十分重要的作用。包装功能设计信息是指对开发功能设计解起作用的相关信息，是对被设计产品的功能层知识的抽象表达。在图2-5中，功能F（Function）是结构的目的，是行为B（Behav-iour）的抽象表达，目的是对应出新的行为对象。行为是指实现功能所需要的方法，即通常所说的工作原理、实现方法。结构S（Structure）指为实现某些（某一）行为而采用的一组构件、元件以及它们之间的组成关系。即功能表达一个设计的目的是“做什么”，行为表达设计的方法是“怎样做”，而结构则表达此设计“谁来做”。它们之间是具有层次关系的，从功能→行为→结构（F→B→S）的过程是设计的逐步细化过程，目的在于产生具体的设计方案，生产出产品；反之，从结构→行为→功能的过程是设计的抽象化过程，其目的在于扩展思路、产生新解，以改进设计。因此，可认为输入输出动作流是功能行为层的抽象表达，输入输出对象流是行为结构层的抽象。另外，包装机械是在一定条件下运行的设备，也就是说设备是约束的设备，是环境的设备，离开一定的工作环境即约束条件，包装机械的功能无法很好地体现，所以，环境要素在图2-5所示的映射中得到了体现。

2.3.2 包装机械概念设计功能推理过程

包装机械设计的主要目的是对设计问题的物理显示描述，并满足所需的功能需求。而包装机械功能需求的确立是在包装机械的概念设计阶段，在此阶段，要对根据用户和市场需求得到的总功能进行功能分解变换，直到分解变换归约为一些不可再分的子功能为止，然后对这些子功能进行功能求解，最终综合获得设计问题的功能原理解（概念解）。

在包装机械设计过程中，由于只有在认清问题本质的同时，才能得到根本性的创造。而包装机械产品概念设计的主要目的是产生满足所需功能要求的设计解，设计过程受功能制约，也就是说，设计由功能引导，功能知识既是对设计问题的语义认识，也是求解设计问题的手段，所以利用功能知识可以支持这一创造性思维过程——功能推理。准确地说，功能推理是在功能层上对设计问题进行推理产生设计解，并对设计解评价的过程（功能向结构的映射过程）。

功能推理模型如图2-6所示。①根据分层策略，将系统总功能分解成子系统。②依据简单子功能集合组成复杂父功能的原理，从子系统问题作为最初问题定义入手，将最初问题分解成按照功能定义的部分问题构成部分问题空间。③从组件库（解空间）中，寻找满足功能需求的部分问题的解。④解空间与部分问题空间的耦合（评价）导致部分问题和解的重新定义。⑤修改后的问题和解在解空间中又有一组新解与之对应，再评价，直至找到满足要求的部分问题的解。⑥如此反复，直至部分问题全部解决为止。⑦到此，每一步产生单个概念解的综合就形成了部分问题的解空间。

2.3.3 包装机械功能定义及其约束条件

2.3.3.1 包装机械功能定义

上述可知，设计过程受功能制约，也就是说，设计由功能引导。所以包装机械功能在概念设计中占据十分重要的作用。众所周知，功能是一个过载词汇，不同的包装对象与包装方法赋予其不同的定义。当功能与组件相联系时，它表现出一种相关性；在现场运行上，功能是组件在能量、材料和/或信息之间输入和输出的一种关系；在实施目标上，功能又是设计目的和组件行为之间的一种纽带；对具体包装机械而言，功能是指产品的效能、用途和作用。人们购置的是包装机械功能，人们使用的也是包装机械的功能。当功能与原始问题相联系时，功能成为描述设计问题的行为和结果。所以包装机械的功能统称为对物料进行包装的能力和对包装材料的适应性。

一般说来，减少功能和缩小应用范围，可以简化机器结构、降低制造成本、提高生产率，易于实现自动化。反之，增加功能和扩大应用范围，则可以一机多用、相对缩小占地面积，有利于扩大机器制造批量，但结构复杂、成本高。若将若干台单功能包装机分别完成多道包装工序，组合成一台多功能包装机，则可以省去单机之间的连接及输送装置，缩小机器占地面积，便于建立集群控制，精简操作人员，改善劳动条件。但过分追求多功能集合，反而导致机械结构复杂，设备加工成本增加，因此，是否采用多功能包装组合技术，应视具体问题具体分析。

2.3.3.2 确定包装机的功能条件

（1）可靠性。

在一般情况下，功能增加包装操作环节也增多，故障发生的可能性也相应增大。因此，只有在单功能包装机的操作都相当稳定可靠的情况下，才能考虑将它们组成多功能包装机。否则，因故障增加反而会降低工作效率。

（2）继承性。

随着技术的改进与更新，包装机能够升级换代，在原功能的基础上，若再增加新功能，或置换原功能，尽量不更换全部组件，只对影响包装机械性能的关键部件进行更新与改造，减少不必要的浪费。

（3）人本性。

“以人为本”的理念既强调设计师的设计主导作用，又强调用户对包装机械的使用效果对设计的导向和参与作用。近来涌现的诸如绿色设计、定制设计、敏捷设计、并行设计、全生命周期设计、创新设计等方法，其本质在于通过设计营造一个人性化的环境，满足使用者能在优越的工作环境中使用与操作设备。

（4）适应性。

任何包装机的应用范围都是有限的，机器的功能愈多，结构也就愈复杂。因此常将包装机设计成组合的形式，也就是说可根据用户的不同需要灵活增减或改装某些组合部件。

多功能包装机主要用于包装品种稳定、批量大的产品，或是将包装容器成型、充填、封口、贴标签等多工序联合的场合，这可省去容器的运输、存储、清洗并简化充填时的容器整理供送等操作。

一般包装机的应用范围宜广一些，但应根据用户需要、技术可行性及经济合理性，区别不同情况，因地制宜地加以确定。

对于批量大、品种规格稳定的产品（如卷烟），应把提高生产率、包装自动化程度及组成高效包装自动线放在首位，一般宜采用专用包装机。对于批量不大而有特殊工艺要求的产品（如危险品），若设计成通用或多用包装机有一定的技术难度或经济上不合算时，也可考虑设计成专用包装机。

批量中等、品种规格需要调换的产品，一般宜采用多用包装机。使用中，通过调整或更换有关部件来适应逐批生产的需要。

批量小、品种规格经常变化的产品，宜采用通用包装机，尽量扩大包装机的应用范围，以利增加包装机制造批量和减少设备投资。

2.3.4 行为过程分析选择

行为过程分析也就是工艺过程分析，工艺过程分析是研究、分析和确定所设计包装机完成预定包装工序的工艺方法。工艺方法选择得合理与否，将直接影响到包装机的生产率、产品质量、机器的运动与结构原理、机器工作的可靠性以及机器的技术经济指标。为了正确拟定包装机的工艺方案，必须深入掌握各种加工工艺特点，研究它们的现状及发展方向，并且了解实现不同加工工艺的结构原理。总之，工艺方案的选择是一个较为复杂的问题，必须从产品的质量、生产率、成本、劳动条件和环境保护等诸多方面进行综合考虑。一般情况下必须同时拟订出几个方案，进行分析、比较，必要时通过试验之后，最后确定一个原理先进、工作可靠、结构简单、成本低廉的方案。

2.3.4.1 包装工艺路线选择

为了搞好包装机设计，必须分析对比各种工艺路线的特点，既要考虑它对机器生产率、执行机构数目和运动要求的影响，还应考虑它对机器外形、操作条件以及组成包装生产线等方面的影响。只有对各种不同方案加以认真仔细地分析，才有可能得到最佳方案。

包装工艺路线是指包装材料和被包装物料的供送路线以及它们在包装过程中的传送路线、包装成品的输出路线。常见有直线型、阶梯型、圆弧型和组合型。

（1）直线型。

物件在包装过程中的运动路径为一直线，根据其运动方向又可分为立式和卧式两种。若物件在垂直方向（一般是由上而下）做直线运动，则称为立式直线型工艺路线；如果是在水平面内做直线运动，则称为卧式直线型工艺路线。此外，还有倾斜式直线型工艺路线。

图2-7是卧式直线型折叠裹包的一种工艺路线图，包装材料由上而下供送到输入工位。将被包装物料送到工位I（输入工位）可采用3种方案：a方案的物料可以首尾衔接，也可以不衔接，比较灵活方便，但供送路线较长；b方案的物料供送路线较短，但不能首尾衔接；c方案的物料供送路线最短，但须增加一个将物料升高的执行机构。这3种方案在实践中都有应用，但以a、c两种居多。

（2）阶梯型。

图2-8是两种常用的阶梯型工艺路线。物料在包装过程中兼有垂直和水平两个方向运动。它主要用于折叠裹包，对折叠处须热封者尤为适用。

（3）圆弧型。

物料在包装过程中沿圆弧轨迹运动。它的主传送机构可以做间歇或连续的旋转运动，也可以做往复摆动，以前者居多数，故又称旋转型工艺路线。另外，主传送机构的旋转轴可以垂直布置，也可水平布置。垂直布置常用于充填、封口、贴标签等包装工序，水平布置主要用于裹包工序。

如24头灌装机的圆弧型工艺路线图，主传送机构做等速转动，旋转轴垂直布置；从进瓶至出瓶分为稳瓶、升瓶、灌液、降瓶和稳瓶5个工作区域，占有21.7个瓶距。

（4）组合型。

如图2-9所示，物料在包装过程中既做圆弧运动，又做直线运动，称为圆弧与直线组合型工艺路线。它主要用于裹包、制袋—充填—封口、清洗等包装机。

2.3.4.2 包装方式的选择

（1）从包装机械分类中看出，每种包装工序都有多种包装方式。而包装方式对包装质量、生产率和机器的复杂程度又有很大的影响，所以在确定包装方式时，要全面考虑。

（2）把保证包装质量放在首位，不论选取何种包装方式，都要适应被包装物料和包装材料的特性。

例如，灌装有常压、负压和等压3种方式，其中以常压灌装最为简单，但若灌装含气性液体，为减少被灌装液体内的气体逸出，则应选用机械结构比较复杂的等压法，液流沿容器壁流动的灌装方式。再如塑料袋的封口，对于容易受热变形和粘连的材料（如聚乙烯），宜选用脉冲式或环带式的热压封口方式。

（3）当有多种方式都能满足要求时，应选用容易实现的方案。

2.3.4.3 工位数的选择

（1）单工位与多工位。

a．单工位包装机。单工位包装机的所有操作都集中在一个工位上完成，当一件（组）物料完成全部包装并输出之后，下一件（组）物料才能进入机器开始包装。对于单工位包装机，只需确定被包装物料的供送路线、包装材料的供送路线以及包装成品的输出路线。

b．多工位包装机。对于多工位包装机来说，物料从输入到输出，须经过多个工位，且在不同的工位上依次完成各个包装操作。对于多工位包装机，从被包装物料和包装材料输入到成品输出的传送路线可以有多种形式。

（2）选择工位的依据。

a．根据包装执行机构的多少选择。如果包装过程比较简单，所需执行机构比较少，可考虑选用单工位包装机。这可以省掉主传送系统，如缠包、灌装、加盖、贴标签、装箱等。

当包装过程比较复杂需要多执行机构时，宜选用多工位包装机。工位多，执行机构分散开来容易布置。有些包装操作可在转位的过程中完成，可省去一些执行机构，如裹包、成型—充填—封口便属于此种类型。

有些包装过程相当复杂，需要很多执行机构，在此情况下要优先选用多工位包装机，食用碘盐小袋包装即为一个典型实例。

b．根据生产率的高低选择。多工位包装机将各个包装操作分散在不同的工位上同时进行，生产率较高，相对而言，单工位包装机的生产率就较低。

（3）运动方式选择。

包装机有间歇运动和连续运动两种形式。

a．间歇运动。物料由一个工位转移到另一个工位做间歇步进运动，主要包装操作可在物料静止时完成，因而执行机构的运动形式和构造比较简单，但间歇运动引起的惯性力和冲击现象不利于提高生产率。当执行机构比较多时，为使结构简单常选用这种形式。

b．连续运动。物料及主传送系统均做连续等速运动，当执行机构种类较少、生产率要求高时可选用这种形式。

2.3.4.4 单头与多头选择

“单头”、“多头”，特指连续运动的多工位包装机为完成同一包装操作所配备的执行装置的数目。

对一台包装机而言，若完成每一包装操作的执行部件只有一个，亦即每一物料的包装依次经过所有执行部件，则称为单头连续运动多工位包装机。

若完成同一包装操作的执行部件有多个，则称为多头连续运动多工位包装机。多头包装执行机构在工作过程中与物料做同步运动。因此，多头型包装机一般能增加包装操作时间，有利于生产率的提高，它特别适用于灌装、封口、贴标签等所需执行机构种类和动作单一的包装工序。

提示

当执行机构动作较多、结构复杂时，为减少执行机构数目，宜选用单头型。

综上所述，单工位型、间歇运动型、单头连续运动型、多头连续运动型4种包装机各有其特点和适用场合。对于多工位包装机，一台机器并不限于只有一种形式，根据需要可采用间歇与连续运动的组合，或者单头与多头的组合。当多个包装操作中有一个操作的工艺时间特别长时，可采用多头型的执行机构，而其他的执行机构则采用单头型的。这样既可提高生产率，又可减少机构的数目。

2.3.4.5 绘制工作循环图

根据初步拟定的运动规律和动作配合，绘制工作循环图。对于机械传动，还要将执行构件运动与时间的关系转换为与分配轴转角的关系。在技术设计结束后，尚要根据实际情况补充和修改原先拟定的工作循环图，从而得到该机的实际工作循环图。例如，原方案中对有的执行机构只是规定了循环周期内部分时间的运动规律，其余时间的运动规律在技术设计完成后才能确切知道（主要是连杆机构）；又如有的执行机构，由于选型不当或由于结构条件限制，使之所能实现的运动规律与原方案不相符合。倘若上述差异太大而无法满足包装工艺要求时，应推翻重做。

机械运动循环图通常有圆周式、直线式和直角坐标式3种表示方法。其中以直角坐标式工作循环图适用范围较广，对机械传动、气液压传动都可用，且便于阅读和绘制。

在直角坐标式循环图中，若执行构件在某段时间内是运动的，可用斜直线表示；如果是静止或做连续匀速转动及振动的，则可用平直线来表示，为表达清楚起见，可以附加简要的文字说明。对于机械传动的包装机械，它的分配轴大多数是做连续转动的，且其运动周期就是分配轴（主轴）旋转一圈的时间。由于在设计执行机构如凸轮机构、连杆机构时必须确切知道执行构件的运动与分配轴转角之间的关系，因此在编制机械传动的包装机运动循环图时，通常都将这种关系明确表示出来。但运动循环周期不一定都是包装一件产品的时间，对于单工位、间歇运动多工位及单头连续运动多工位这3类包装机，它们的运动周期等于包装一件产品的时间，而对于多头及多头与单头组合型的连续运动多工位包装机，如多头灌装机，其运动周期等于灌装一件产品的时间与头数的乘积。

以枕形袋立式成型—充填—间隔封口切断包装机的执行装置为例，表2-1表达了每一种运动循环图的绘制方法及特点。

运动循环图表示了各执行构件的运动与停留的时间关系和顺序，但没有表示出相应的运动速度，即斜直线并不表示是做等速运动。绘制运动循环图是为了保证执行构件的动作能够按工作要求取得密切的配合，并尽量缩短运动循环周期时间，以便顺利完成包装并有较高的生产率。

2.3.4.6 拟定主要技术参数

通过分析对比同一类型包装机的不同设备的技术参数，无疑可以判断各个设备的性能优劣。而且，用户在筹建生产车间或工厂之际，借此可根据各自的生产条件、规模与物料消耗情况，妥善配备各种设备并核算经营成本。鉴于包装机所完成的包装工序、包装物件、所用工艺方法、机器类型等种类繁多，各种包装机主要技术参数的具体内容也互有差异，因此，应遵循基本准则按具体条件进行仔细分析后拟定主要技术参数。

包装机的主要技术参数，大体上包括以下4个方面。

（1）结构参数。

结构参数反映包装机的结构特征和包装物件的尺寸范围。如包装机列数、包装工位数、执行机构头数、主传送机构的回转直径或直线移距，工作台面的宽度与高度、物件的输入高度、成品的输出高度等。

（2）运动参数。

运动参数反映包装机的生产能力和执行机构的工作速度，如主轴转速、物件供送速度、计量与充填速度等。执行机构的结构及其尺寸等参数主要是根据动力参数设计计算的。所以，若动力参数选择过大，就会使动力机、执行构件的结构尺寸相应增大，若过小又会使它们经常处于超负荷状态而难以维持正常工作，甚至损坏。

（3）动力参数。

动力参数反映执行机构的工作载荷和包装机正常运转的能量消耗，如成型、封口等执行机构的工作载荷，动力机的额定功率、额定扭矩和调速范围、气液压传动的工作压力和流量，以及为完成清洗、杀菌、热封等工序所需的水、气、电和其他能源的消耗量等。

（4）工艺参数。

工艺参数反映完成包装工序所用的工艺方法及其特性，如完成包装工序的有关温度、时间、压力、拉力、速度、真空度、计量精度等参数。

2.3.5 构件选型与综合

根据已定的功能、应用范围和工艺方法，分析和确定对执行构件的运动要求，进而完成机构的选型及其综合。

首先，分析需要哪些执行构件来完成被包装物料的计量、整理与供送、包装材料的整理与供送、主传送、包装操作及成品输出。实际上，有些执行构件是固定不动的，如成型器、固定折纸板等；而大多数执行构件是按一定规律运动的。至于如何确定运动执行构件的运动形式、行程大小、动停时间、运动速度等，则主要取决于所完成的包装操作的工艺要求，同时还要考虑它们相互间动作配合关系。

在确定执行构件的运动形式和某些运动参数（如行程）后，接着要考虑用何种机构来驱动执行构件，即机构的选型及其综合问题。一般是选用技术上比较成熟的机构。同时，根据设计需要，应该进行创新，以更好地满足工作要求。

机构的选型及其综合时应考虑的要求和条件主要有以下几点。

（1）运动规律。

包装工艺要求执行构件按某种规律运动，有的还要求运动规律在预定范围内做有级或无级的调节。运动规律及其调节范围是机构选型的基本依据。

（2）运动精度。

运动精度要求对机构选型有重要影响。例如，对运动速度和时间都有很高要求的部分，就不宜采用液压和气压传动。反之，若用近似直线运动来代替直线运动，或用近似停留来代替停留，可扩大机构的选型范围。

（3）承载能力与工作速度。

各种机构的承载能力和所能达到的最大工作速度是不同的，因而须根据速度的高低，载荷的大小及其特性选用合适的机构。

选择机构时还要确定选取用何种原动机，因为执行机构的输入运动是从原动机经过传动机构传来的，常用原动机的运动形式有下列3种：连续转动（如电动机和内燃机的输出运动）；往复移动（如直线电动机和固定的活塞式油缸或气缸的输出运动）；往复摆动（如双向电动机和摆动的活塞式油缸或气缸的输出运动）。包装机多使用连续转动的电动机。

选择机构时还要考虑执行机构的运动规律或运动轨迹。例如：若执行构件按给定的运动规律做变速连续转动，则选用的执行机构应当是非圆齿轮机构而不是一般等传动比的传动机构；若执行构件按给定运动规律做变速往复移动，则选直动从动件凸轮机构而不是曲柄滑块机构或齿轮齿条机构。

除此之外，机构选型时还要考虑该机构的动力学特性和制造、安装、维修及成本等问题，也就是在满足运动要求之外，还要力求机构简单、紧凑、传动路线短，运动参数便于调节，传动条件较好，效率高，磨损少，易于制造、安装和维修，成本低等。

（4）总体布局。

执行机构的工作位置以及传动与执行机构的布局要求是机构选型必须考虑的因素。例如，选用空间机构往往便于布局并可简化传动系统；通常要求机构结构紧凑，但有的机构的输出端远离输入端，在此情况下，应从全局考虑，使选用的机构与总体布局相适应。

（5）使用要求与工作条件。

使用单位根据各自的技术水平、生产条件和实践经验会提出一些特殊要求。例如，生产车间无压缩空气源，是否选用气压传动，应考虑技术与经济合理性。这些也是机构选型时应该考虑到的。

此外，机器的制造批量、噪声控制及制造条件等方面的要求也要综合考虑。