总体方案设计应用举例
本设计要求包装速度为120包/分、充填量为0.5kg的食用碘盐自动包装任务的设计方案。
一、设计任务书
1．设计目的
设计一台包装速度为120包/分、充填量为0.5kg的食用碘盐包装设备。
2．约束条件
（1）包装对象。
本机处理对象是颗粒状物料食用碘盐，其流动性较好，但吸潮后易结块、腐蚀性强，自然休止角40°～45°，密度1.0～1.4。
（2）适用包材：聚丙烯/聚乙烯、聚酯/铝箔/聚乙烯、聚酯/镀铝/聚乙烯、尼龙/聚乙烯、纸/聚乙烯等。
（3）包装精度：±1%。
（4）计量方式：量杯式。
（5）制袋方式：枕型三面封口。
（6）包装质量要求。
要求每袋食盐包装后外形美观，包装材料无明显损伤、撕裂，如图2-10所示。
图2-10 包装外形
（7）对包装机的基本要求。
机械结构简单，工作可靠、稳定，操作方便、安全，维修容易，造价低。
二、包装机型的选择
在广泛调查研究的基础上，对产品的包装工艺进行详细的分析后目前市面上常见的满足本设计约束条件的是枕形袋包装机型，本机型又有立式袋成型—充填—封口、卧式袋成型—充填—封口和供袋式开袋—充填—封口三大类。
1．建立性能分析矩阵
下面针对设计任务书要求，从包装速度、占地面积、结构形式、适用物料、包材适应性、功耗角度等9个方面建立性能分析矩阵来分析何种机型能满足本设计的设计目的，如表2-2所示。
表2-2 小袋包装机性能分析矩阵
2．建立评价目标权重矩阵
根据上述考核参数，建立评价目标矩阵。依据其在包装机中的作用进行加权，其权重值最大为1.5、最小为1.0。经过5位专家打分，并取平均值的方法建立如表2-3所示的目标权重矩阵。
表2-3 小袋包装机目标权重矩阵
在表2-3中，包装速度和包装效果是用户对包装机追求的最高目标，也是用户考核设备性能的关键参数，所以其分值为1.5，另外适应物料表示本包装机能满足颗粒料包装的基本要求，其分值也为1.5；其次是占地面积、结构形式与设备维修3个参数，占地面积也就是说用户在较低的基建投资的情况下，能满足用户包装量要求；设备维修也是用户使用设备过程中必须考虑的主要参数，也就是说维修简便，用户需要投入的设备使用成本相对就低；结构形式与占地面积和设备维修存在相关性，结构复杂也可能导致占地面积大、设备维修复杂，使用成本也就高。还有分值最低的两个指标：包材适应性和设备成本。对包材适应性用户要求不高，只需在一定膜厚的前提下（膜厚值大小和使用成本相关）选择能满足设备运行的何种包材，用户一般都有明确要求。还有设备成本这一参数，用户有能力购买全自动包装机作为替代人工包装物料，一般而言，关键指标能满足用户要求的前提下，设备成本都不作为主要指标来考核。
3．性能分析量化矩阵
建立按照“优、良、中、差”4个等级对不同机型的性能再聘请行业5位专家对各参数分别打分，优为0.9、良为0.8、中为0.7、差为0.6，并平均后建立如表2-4所示的量化后的性能分析矩阵。
表2-4 量化后的性能分析矩阵
4．目标评价
按照方案评价的法则，依次进行如下工作。
（1）建立目标集。
本例中，B=（立式间隔封切、立式连续封切、卧式连续回转、卧式连续直线、供袋回转式、供袋直线式）。
（2）建立目标评价因素集。
式中i——i=1,2, ..., n, n=评价目标数；
j——j=1,2, ..., m, m=目标评价因素数；
Pi, j——为第i个目标，第j个性能参数。
本例中n=6, m=9。将表2-3量化后的性能分析值代入到式（2-2）中，得
（3）建立性能参数权重集。
本例中将表2-2中的数值代入到式（2-4）中，得
（4）建立模糊评价模型。
评价矩阵为
将式（2-4）和式（2-6）代入到式（2-8）中得
由式（2-9）可以得出：立式间隔封切包装机满足度为9.962，在式（2-9）中为最大值。表明能满足本设计目的的包装机为枕形袋立式成型—充填—间隔封口切断包装机，以此机型作为设计机型。
三、总体布置
从包装速度、占地面积、结构形式、适用物料、包材适应性、功耗角度等9个方面建立性能分析矩阵确定的枕形袋立式成型—充填—间隔封口切断包装机为研究机型，利用上述求解策略，得出现市场上常见的小袋包装机结构组成如图2-11所示。
图2-11 枕形袋立式成型—充填—间隔封口切断包装机结构简图
1—料仓；2—计量装置；3—拉膜装置；4—纵封装置；5—控制系统；6—供膜装置；7—成型装置；8—横封切断装置；9—机架
在图2-11中，包装材料和被包装物品（食用碘盐）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采用组合型布置。被包装物品（食用碘盐）自上而下流动，可利用其自身重力实现充填动作；包装材料从左至右再向下，这样便于系统布局，简化系统结构；包装成品从机器底部输出。
四、工艺路线
由图2-11可以得出图2-12的包装工艺流程。包装材料（膜卷）在拉膜装置3的作用下，将由供膜装置6送来的片膜通过成型装置7，将片膜制成筒状膜，并由纵封装置4将纵向筒膜对接处焊合成一体，形成纵向封口；横封切断装置8将已形成筒状的袋筒，根据袋长要求，焊接横向封口并切断，形成包装袋底部封口。此时，料仓1中小颗粒状物料食用碘盐在重量或搅拌作用下，自流入计量装置2的计量组件中，计好量的食用碘盐又在重力作用下，落入已成型的袋筒中。下料完成后，再由横封切断装置8封口切断，形成一个完整的成品包装袋。
图2-12 小颗粒状物料包装工艺过程
本包装工艺的关键技术就是要解决计量与落料问题。像食用碘盐之类的物料，使用一般下料方法是不适宜的，容易导致计量不精确，包装精度差。如果采用二次下料变相缩短了物料下落高度，相应地也就减少了物料下落时间，就可以达到提高工作效率和包装精度的要求。
五、绘制工作循环图
根据图2-12的工艺路线，拟定包装机运动规律和动作配合，绘制初始工作循环图。采用坐标式表示法，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。在循环图中，若执行构件在某段时间内是运动的，用斜直线表示；如果是静止或做连续匀速转动及振动的，则用平直线来表示。根据工作要求与时序绘制成如图2-13所示的工作循环图。
图2-13 小颗粒状物料包装机工作循环
在图2-13中，横坐标为一个工作周期，用角度表示；纵坐标为各主要装置。
包装机在一个工作周期内，料仓用水平线表示，其意义在于其内部一直处于有料状态。计量装置在工作周期起始就开始进料并计量到90°，计量盘旋转到180°后卸料至225°，卸料完成后再旋转到初始位。拉膜装置和成型装置其工作节拍基本相似，在工作周期时间内有一半时间处于工作状态；而供膜装置将薄膜送到位后，停歇90°时间间隔，再返回，准备下一次供料。纵封装置和横封装置都在卸料开始、拉膜装置将薄膜拉到一个袋长，并延迟5°后才开始工作。
由上分析可以看出，选用的包装机工作时序编排是合理的，各装置开始运行时间与结束时间都不存在互相干涉现象。也就是说，图2-13中的小颗粒状物料包装机的工作循环图是可行的。
但由图2-13也可以看出，现有市面上的小颗粒状包装机虽然能满足包装要求，但利用现有的各装置很难提高包装速度。如计量装置在工作时，在225°处是在非计量状态；拉膜和成型装置在180°处也为非工作状态；供膜装置在90°处为停歇状态。如何提高现有包装机的包装速度，必须对现有的计量装置、拉膜装置、供膜装置和成型装置从原理上进行改进设计，尽可能地消除停歇时间，最大限度地利用系统性能，提高系统包装效率。