第1章 概述

1.1 典型机械设备的发展和现状

机械设备是具有一定的机械结构、用于生产某种产品或加工某种物料的机器。机械设备中用来制造特定产品（消费品或生产资料）的机器称为生产机械，如生产PET瓶的吹瓶机，生产包装材料的印刷机（如在塑料薄膜上印刷图案和文字），生产瓶装啤酒的啤酒灌装机等。根据生产产品种类的不同，生产机械可被划分为不同的种类，如包装机械、印刷机械、纺织机械、塑料机械等。尽管不同种类生产机械所生产的产品不同，但这些生产机械也存在某些共性，如它们都可能具有某些特定的功能部分，如收卷、放卷、多轴间的同步运动关系（齿轮比例关系、凸轮关系）、数据通信总线和自动化控制程序等。本书将主要以常用的印刷、包装机械为例，介绍生产机械的工艺和自动化与驱动解决方案，其基本原理也适用于其他种类的机械设备。

绝大多数产品的制造过程包括产品加工阶段和包装阶段，如啤酒生产过程中，先要对原料进行酿造、发酵等加工，待啤酒酿造完成后，再进行灌瓶、装箱等工序；饼干厂先将面粉、糖、油等原料进行混合，再经过调粉（和面以形成面团）、饼干成型、烘干等加工处理生产出饼干，然后进入饼干包装阶段，即装袋、装盒、装箱等。由上述两例可以看出，包装过程位于产品生产的最后阶段。产品包装的目的在于保护产品，便于进行产品多少的计量（如一瓶、一包等），便于产品携带和运输，以及对产品进行美化、宣传和促销等。

我国的包装机械起步于改革开放的20世纪80年代。在20世纪50～70年代，我国市场上销售的许多产品是没有包装的，如散装的白酒、酱油、饼干、食盐等。经过四十年左右的发展，我国包装机械的产品种类、产品数量、产品性能和质量有了很大程度的提高。在啤酒、饮料、食品、药品等许多行业，国产包装机械已被广泛采用。目前，我国的大部分包装机械生产企业主要分布在华东、华南等地区。如今，我们在商店或超市看到的商品，绝大部分是有包装的，而且存在不同形式和种类的包装以满足不同的消费群体和消费场景的需求。这是因为随着人民生活水平的提高，消费者的需求变得多种多样，如人们既需要适合于随身携带的小瓶装矿泉水，也需要适合于家庭聚会或在餐厅使用的大瓶装矿泉水等。经过多年的市场竞争，许多产品品牌的集中度在逐步提高。例如在我国的啤酒消费市场上，青岛、华润、百威英博、燕京、嘉士伯等已发展成为啤酒行业的主要供货商，这五家啤酒公司的啤酒已经占有我国啤酒消费市场约80%的份额。这些啤酒生产商为了获得更大的市场份额，必然要尽可能地使其产品满足个性化、多品种的市场需求，同时还要进一步降低产品的生产成本。这意味着：人们对产品包装形式要求的不断提高，会促使产品生产商对相应机器的生产商提出新的要求，促使其生产的机器在满足高效和节能的前提下，能够适用于多种多样的产品生产和包装形式。上述趋势使得生产机械向更高效、更节能和更灵活的方向不断发展，且加速了生产机械制造商的优胜劣汰。例如在我国啤酒灌装和包装机械制造领域，目前可提供啤酒灌装机、贴标机等设备的企业已经逐步集中到三至四家。过去许多靠人工完成的包装工作（如灌装、贴标、装箱、码垛等），已经越来越多地由自动化的灌装机、贴标机、装箱机、码垛机等机械设备来完成。国内人力资源成本的上升进一步促进了包装机械，尤其是装箱、码垛等二次包装机械的发展。

如前所述，我国包装机械起步较晚，目前虽然可以生产绝大多数市场需要的包装机械，甚至有些机械设备的某些技术指标（如生产速度）与欧美厂家的不相上下，但由于机械部件的加工精度和材料性能等方面的差距，许多国产机器运行的稳定性、可靠性、故障率等方面仍有待进一步改进。我国市场上某些种类的机器设备还主要依靠进口，如听装啤酒（或软饮料）灌装设备、空瓶或满瓶检测设备等。在机器安全方面，国内还没有强制性的机器安全市场准入标准（机器安全方面的知识在本书第4章介绍），这就使得国内许多机械设备生产企业对机器安全问题不够重视，由此造成了这些企业在实施机器安全方面的经验不足。

从我国机械设备中配备的自动化与驱动系统看，虽然绝大多数机械设备都采用国际知名品牌的硬件产品，但为降低机械设备的制造成本，我国机械设备制造商通常会选用那些在性能上刚刚能够满足机械设备自身基本运行需要的自动化及驱动产品，这样往往会使机械设备的灵活性、升级和联网能力受到影响。从机械设备的控制和驱动程序等软件看，国内机械设备程序在模块化和标准化方面与国际上先进的机器仍存在差距，这也是造成部分国产机械设备可靠性、易维护性、易升级和联网性较差的原因之一。

根据有关部门的统计，约50%的包装机械用于食品和饮料产品的包装，其次为药品、化妆品等产品的包装。在本书的典型机械设备介绍中，将以上述领域中主要的机械设备为例，重点介绍它们的工艺原理及其自动化与驱动系统解决方案。