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基于可重构理论的自动打包机设计
Zhihui Liu, Mengqi Li, Zhigang Chen
Department of Mechanical and Energy Engineering,
Shaoyang University Hunan, China
Zhiwei Lin, Xuemin Liu
Shaoyang Institute of Agricultural Machinery
Shaoyang, Hunan, China
摘要——不同于通用性差、低效率的专用自动打包机，本文介绍了基于可重构理论设计的可重构自动包装机，其分为可重构基本模块和可变模块两部分。并且本文还研究了适用于不同种产品包装的可重构基本模块和可变模块。包括硬件和软件在内的同一种基本模块，通过配置不同的可变模块，可以重新配置成具有不同用途的特殊包装机。目前已设计出适用于脐橙、苹果包装的可重构自动包装机。
关键词——专用自动包装机；可重构基本模块；可变模块；可重构自动包装机
- 介绍
进行产品包装时，脐橙、苹果、糖果、螺丝、牛奶、或豆浆所采用的包装机是专门设计的，多采用集成结构。如果制造商和生产厂家需要同时包装上述几种产品（不同时包装产品），就需要购买与产品对应的专用包装机，这无疑增加了硬件成本，降低了生产效率。
相关人员利用可重构理论，以相似的框架和相同的原理，成功地设计出了可重构自动包装机。在最初的设计中，就利用了模块化设计方法，设计了包含基本模块和一些可变模块的可重构包装机。通过采用标准接口，同一个基本模块可配置上不同的可变模块，自动包装机可以实现对不同产品的自动包装。
- 可重构理论
目前企业生产投入使用的制造系统并不能满足由无法预测的市场变化引起的多样性要求。21世纪的制造业公司必须拥有新型制造系统，以便灵活应对这些市场变化并能收获良好的效益。可重构制造系统（RMS）是这种新的制造方式的基石[1]。M.G. Mehrabi给出了RMS的定义，他指出RMS旨在快速调整生产的能力和功能，通过重新安排或改变其组成部分来应对新的情况。RMS的关键特性之一是模块化[2]。在过去的几年里已涌现了大量的关于此问题的文献。
可重构机器（RMS）是实现RMS的基本组件。RMS分为可重构机床、可重构夹具系统、可重构装配系统、可重构检查或校准系统，以及可重构的材料处理系统[3]。
如果一台机器的设计遵循以下原则，它便可以被归类为可重构机器（RM）：围绕一个特定的产品系列而设计，具有定制灵活性、方便快速的可变换性，可伸缩性；允许添加和移除提高生产率或操作效率的元素；允许重新配置机器以便在生产线上不同位置运作，执行不同的任务；在不同的位置使用相同的基本结构，并应用模块化概念；使用公共的“构建块”和公共接口[4]。
可重构机器在初步设计中应用了模块化设计方法，包括基本模块和一些可变模块。同一基本模块通过标准接口配置不同的可变模块，可重新配置成不同的包装机器[5]。
本文重点研究了用于苹果或脐橙包装的可重构包装机的设计。其设计完全遵循上述RM的原则。
- 可重构包装机
- 模块分区和可重构特性
一体化专用包装机的结构一般包括自动装填机构、自动分拣机构、铺膜机构、封口机构和控制设备，自动装填机构和自动分拣机构可根据项目不同而更换。如图1、2所示，对可重构包装机的模块进行划分时将铺膜机构、封口机构、控制设备设置为基本模块，自动装填机构设计为可变模块1，自动分拣机构设计为可变模块2。相同的基本模块，配置不同的可变模块1和可变模块2，就可以重新配置成适合不同类型产品的不同包装机。
可重构自动包装机有以下特点： 1.可包装脐橙、苹果、糖果、螺丝、牛奶、
豆浆等多种产品；2用户可以选择适合自己的基本模块和可变模块来快速自定义自动包装机；3.用户可以通过改变可变模块1和可变模块2来改变包装机的功能；4.通过标准接口，可以快速构建包装机。
- 基本模块
基本模块不仅包括硬件，还包括软件。
- 基本模块的硬件主要由铺膜机构、密封机构、驱动和控制设备等组成。其工作原理如下：铺膜机构将膜纸拉下一个包装袋长度（长度可调整），包装机运行时，密封机构将矩形袋沿三个方向密封（底部、左侧和右侧）。然后将一个脐橙装到袋子里，再把膜纸拉下一个袋长，密封机构密封第二袋时，可同时密封第一袋的顶部和第二袋的底部，并将第一袋分离到成品盒中，水平方向密封通过粘接和切割两个步骤完成。
- 铺膜机构由伺服电机单独驱动。
- 密封机构结构如图3，有两个气缸。当两个气缸的活塞被向外推时，热密封件互相接触将袋子密封。此外，热密封件可以分离。
- 有三个应该注意的地方。
1）两个水平密封接触的地方应对准料筒的中心线。两个气缸固定在上方，通过调整板来调整密封线。
2）密封辊上的硅应定期检查并及时更换。
3）不同的包装材料需要不同的密封辊。
- 密封机构的热量由控制设备控制。
- 控制设备采用中国制造的西门子可编程控制器（PLC）。采用新的触摸屏技术，用户可以方便地操作机器。重新配置自动包装机时，无需更换控制设备，只需要重新开发控制系统的软件。
图3 密封机构
- 可变模块1
可变模块1实际上是自动装填机构，结构图如图4所示。图4的第一部分固定在电机主轴上，为双排驱动链轮。第二部分和第三部分，也是双排驱动链轮，通过链条传动由第一部分驱动。第五部分，也是一个驱动链轮，由第三部分驱动。第四部分为软塑膜辊，直径约20mm，间隔3-5毫米，主轴固定在链条上。当马达运转时，软塑料薄膜滚轮可以在其轴上旋转，并与链条同步运动，储仓中的脐橙（那些与软塑料薄膜滚轮接触的）将被运送到倾斜的吊装机构。吊装机构实际上是皮带输送机，其中驱动轴是由电机驱动的。机构设有挡板，等距地固定在皮图4 自动装填机构
1-驱动链轮 2-驱动链轮 3-驱动链轮 4-软塑膜辊 5-驱动链轮
带上，将脐橙吊到高处。当电机运行时，储仓中的脐橙被输送到皮带输送机上，皮带输送机将新橙子提升高处。
关于自动装填机构的一些说明如下。
- 包装机运行时，会启动自动装填机构。沿着自动分拣机构有两个光电传感器分别固定在两个支架上。当左光传感器检测到橙色时，自动装填机构将立即停止，当右光传感器（靠近出口）不检测到橙色时，自动装填机构将再次启动。
- 带式输送机倾斜角度可通过螺杆调节，以改变出口高度。
- 皮带输送机上有红色急停按钮，一旦机器运行出现情况，可以按下按钮，立即停止系统。
- 可变模块2
可变模块2为自动分拣机构，如图5所示。第一部分是过渡框架，功能是确保脐橙是否可以进入包装袋包装。第二部分和第三个部分是气缸。第四部分是一个带有刷子的轴。第五部分是马达，第六部分和第七部分为链轮。机构上有两个轴，与一个小倾斜角度平行，并由电机驱动。他们组成一个沟槽，用来对脐橙进行整理和分类。轴的两轴的距离约为90mm，两轴的直径为75mm。当两轴旋转时，沟槽入口的脐橙被皮带输送机吊起，移动到出口处并且排成一排。当第二部分的活塞被推出，第三部分的活塞被推进去，沟槽内的脐橙将被固定住，保持原有的排列，有序的进入包装袋进行包装。相反，当第二部分的活塞被推进去，第三部分的活塞被推出，距离出口最近的一个脐橙可以进入包装袋，其他脐橙则借由第三部分的活塞运动而被固定不动。在第二部分和第三部分的工作下，机构每次都能够准确地挑出一个脐橙进行打包。
图5 自动分拣机构
1 -过渡架 2，3-汽缸 4-轴 5-电机 6-驱动链轮 7-驱动链轮
两个配有刷子的轴的倾斜角可以通过调整电机下的螺丝进行调整（如图5所示）。
有两个光传感器分别沿着沟槽固定在两个支架上。当右侧的光传感器检测到里没有足够的脐橙时，皮带运输机就会吊起来立即将脐橙从储仓运入沟槽。当左边的光传感器（图4）检测到沟槽里有足够的脐橙时，皮带输送机立即停止运行。
- 讨论
集成式专用自动包装机的部件通用性差，效率低，如图6和图7所示。功能相同的部件（铺膜机构、密封机构和控制设备），需要反复设计，使得产品包装存在周期长、成本高的问题效率低，严重造成浪费。
图6 集成专用包装机1
图7 集成专用包装机2
如图1所示和图2所示，将铺膜机构、密封机构、控制设备封装为基本模块。当划分可重构包装机的模块时，自动装填机构设计为可变模块1，自动分拣机构设计为可变模块2。不同的可重构包装机具有相同的基本模块和不同的可变模块，不仅节省了大量的资源，而且提高了对新产品的开发效率。
- 个案研究
脐橙包装机就是一个可重构机器的案例，其实体产品照片如图8所示。图8中的标签1代表基本模块，标签2代表可变模块1，标签3代表多可变模块2。相同的基本模块，配置上不同的可变模块1和不同的可变模块2，可以重新配置成不同的自动包装机，适合不同种类的产品包装。
图8产品实物图
1-基本模块 2-可更改模块1，自动装填机构 3-可更改模块2、自动分拣机构
- 结论
针对集成专用包装机的不足，提出了可重构包装机，分析了包装机的可重构特性，成功研制了适合脐橙包装的可重构自动包装机。该包装机包含基本模块，可变模块1和可变模块2，并验证了重新配置的可行性。
参考文献
- Y. Koren, U. Heisel, F. Joveane, T. Morwaki, G. Pritschow, G. Ulsoy and H. Van Brussel: Annals of the CIRP Vol. 48(2) (1999), p.527
- M. G. Mehrabi, A. G.Ulsoy and Y. Koren: Journal of Intelligent Manufacturing Vol. 11 (2000), P4037
- Z. M. Bi, S. Y. T. Lang, M. Verner and P. Orban: Int J Adv Manuf Technol Vol. 39 (2008), p.122
- Reuven Katz: Int J Adv Manuf Technol Vol.34(2007):430-439
- Z.Q. Zhang, Z.H. Liu: Materials Science Forum Vols. 628-629 (2009), p.329.
包装机械设计中的控制技术探讨
Gang Qiao
1School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University of Industrial And Technology, 451100,
China
关键词：包装机械；设计；控制技术
摘要：随着我国经济的快速发展，各行各业的企业数量不断增加。不论是食品、日用品还是大型电器，任何物品出厂前都要进行包装。不同质量和性质的产品对包装有不同的要求。一些特殊性质的货物可能需要严格的包装要求。正是因为对包装的广泛需求，包装已经成为一个独立的行业，其地位在产品生产链中也越来越重要。良好的包装可以保护货物在运输和储存过程中不受损坏，避免不必要的经济损失。包装机械在包装过程中起着重要的作用。本文中对包装机械的核心内容——控制技术，进行了充分的讨论和研究，这将直接关系到包装的质量。
引语:包装机械是包装行业不可缺少的一部分。在工厂生产中，包装机械的质量是影响包装质量和包装效率的一个重要因素。中国包装业的发展比西方更落后。现有的包装技术和包装机械不能完全满足市场上对于包装类型、质量、性能和数量的要求。造成这种现象的原因之一是包装机械最重要的控制技术不是很发达。因此，包装行业可以通过满足市场对包装增加的需求以谋求更好地发展。相关企业应更加重视包装机控制技术改进的研究。
- 从控制技术对包装机进行分类
由于不同的产品需要不同类型的包装，包装机械往往有很多种，且常常与其他机器混合使用。所以有很多方法可以分类包装机械。可根据包装材料的物理性质和包装材料的不同进行分类。包装机械从包装
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