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基于可重构理论的自动包装机设计
刘志辉，李梦琪，陈志刚，
邵阳大学机械与能源工程系 中国湖南
摘要——针对专用自动包装机通用性差、效率低的特点，将可重构自动包装机基于可重构理论的可重构模块分为可重构基本模块和可重构自动包装机模块。本文研究了适用于各种产品包装的可重构基本模块和可变模块。相同的基本模块，包括硬件和软件，具有不同的可变模块，可以重新配置成不同用途的专用包装机。研制了适用于脐橙、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
1.介绍
用于脐橙、苹果、糖果、螺杆、牛奶或豆奶包装的包装机属于一种特殊的包装机。如果制造商需要包装上述几种产品(不同时包装这些产品)，则需要购买相应的包装机[1]，这无疑增加了硬件成本和人工成本，换装不同的包装线更是降低了生产效率，这是厂家所不愿意看到的。在机械制造方面，模块化设计包括两个阶段。首先设计人员在进行了充分的市场预测和功能分析之后，划分并设计出一系列通用的功能模块。随后根据客户的需求，对这些通用的功能模块进行选择和组合，最终形成一个具有特点功能和性能的产品。模块化设计根据选择组合方式的不同又分为衡系列模块化设计、纵系列模块化设计、全系列模块化设计等多种设计方式。模块化设计理念一经推出就在机械制造领域得到广泛应用，它从根本上解决了用户多样化需求同生产专业化之间的矛盾，同时大大提高了机械制造企业的效益。
我们利用可重构理论，对于相似的形状可以采用相同的原理，基于此成功地设计了可重构的自动包装机。可重构包装机在初始设计中采用模块化设计方法，这其中包括基本模块和一些可变模块。同一基本模块具有不同的可变模块，可以通过标准接口重新配置成不同的包装机，继而实现不同产品的封装，达到降低成本和提高生产效率的目的。
- 可重构理论
目前的专用和灵活的制造系统无法满足不可预测的市场变化所产生的需求。21世纪的制造业公司必须拥有符合成本效益和对所有这些市场变化非常敏感的新型制造系统，以应对日益激烈多变的国际市场竞争。可重构制造系统(RMS） [2]是这种新制造系统的基石，M.G.Mehrabi给出了RMS的定义。他指出，RMS旨在通过重新安排或组合它的组件来快速调整生产能力和功能，以适应新的环境和功能要求，RMS的一个关键特征是模块化。在过去的几年里，关于这个问题有大量的文献资料可供研究查阅[3]。
可重构机器(Rms)是实现RMS的重要组件。RMS分为可重构机床、可重构夹具系统、可重构装配系统、可重构检验或校准系统、可重构材料-装卸系统这五个单元模块。
当其设计遵循下面所述的原理时，机器可被分类定义为可重新配置机器(RM)。它是围绕一个特定的零件系列产品而设计的，只为定制的灵活性而设计。为了方便和快速的可转换性，可伸缩性：允许添加和删除提高生产力或操作效率的元素。以允许重新配置后的机器在生产线上的不同几个地点操作，能够在不同的地点执行不同的任务，使用相同的基本结构，并应用模块化概念，即使用公共的“构建快”和公共接口[4]。
可重构机床在初始设计中采用模块化设计方法，包括基本模块和一些可变模块。相同的基本模块和不同的可变模块，可以通过标准接口重新配置到不同的机器上[5]，这样就可以根据生产时的不同需求调整机床配置，达到机床的柔性生产目的，提高生产效率的同时降低成本。
此00篇论文重点介绍了用于苹果或脐橙包装的可再配置式包装机的设计，其设计过程完全符合上述RM原则。
模块化设计的特点 1)维修效率高.基于模块化设计理念设计的机械设备由 多个标准化模块组成,当某个部分出现故障时,可以直接更 换该模块,减少产品维护和修理的费用,提高维护修理的效率, 有助于提高企业的生产效率. 2)缩小产品生产周期.由于不同功能的机械设备主要由 标准化模块组成,而不是一个个单一的零件.因此工厂只需 要适当增减不同的模块就可以实现产品功能的调整,设备的 生产周期更短,能够满足市场的要求. 3)有利于开发新产品.随着社会经济的发展,包装机械 生产市场的竞争越来越激烈,企业要想在市场站稳脚跟,必 须以市场需求为出发点进行产品创新.而模块化的设计理念 为企业创新提供了强有力的理论支撑,技术人员只需要通过 新技术革新旧模块就能够大大改善机械设备的性能,提高创 新效率,使机械生产市场永葆活力.
- 可重构包装机
- 模块划分和可重构特性整体式特种自动包装机一般包括自动装料机构、自动分拣机构、胶卷拉纸机构、密封机构及控制装置。而不同的特种包装机具有相同的拆膜、封控设备的功能，其结构、加载机构和控制装置都是相同的。这样一来根据不同的对象可以有不同的排序机制以达到不同的目的。如图1和图2所示，薄膜拉纸机构、密封机构和控制设备被封装为基本模块，当所述可重构包装机的模块被划分时。自动加载机构设计为可变模块1，自动分选机构设计为可变模块2。相同的基本模块，具有不同的可变模块1和可变模块2，可以重新配置成适合不同种类产品包装的不同包装机。输瓶带的下方有两台伺服电机驱动四条滚子链顺时针运动! 每台电机带动两条链条作为一组! 共分两组! 它们各自以不同的速度运动! 每组链条又带动两组分瓶运动! 所以一共有四组分瓶指! 但都是以快)慢)快)慢的周期运行' 与前一种系统类似的是每组分瓶指均可沿椭圆状的轨迹运动! 但是它们的方向由链节间的距离来控制'分瓶指的位置在两条输瓶带之间! 且在平行于输瓶带方向的平面上' 始终保持至少有一组分瓶指挡住来的瓶子! 分瓶时! 有两组分瓶指插在瓶子之间的间隙中! 并且它们的距离刚好等于一组瓶子的总长度' 由于输瓶带的速度始终大于分瓶指的线速度! 这样前面和后面的瓶子就拉开了一段距离! 每条链条运动一周!该系统就可以分出四组瓶子' 由于伺服电机程序控制的可变性! 使得该系统具有更好的可调节性))可以根据用户的瓶子直径和包装形式的不同! 灵活地变换相关程序即可快速实现其更替。
设计师需要对包装机械设备的工作流程有深入了解, 通过收集资料了解机械设备的工作需求,并在此基础上对机 械设备总体分割为若干模块.模块化设计要求模块是可以进 行更换和调整的,因此在模块划分的过程中需要满足互换性 原则,同一位置不同功能的模块配合部位的尺寸是固定的. 此外为保障机械设备的正常运行,要求模块的划分具有较强 的灵活性,以提高设备运转效率. 2)设计模块化部件之间的连接方式.模块接口的设计是 机械设备能否发挥正常功能的关键,需要遵循互换性和可组 合性原则,实现不同模块的良好对接.同时接口是两个模块 之间联系的纽带,为了提高机械设备运行的效率,接口处的 阻力应当经可能小,以减少模块之间的相互牵连. 3)模块化部件的统筹.设计人员根据不同模块的功能和 位置完成整个机械设备的组装使之成为一个整体.不同模块 之间的统筹性越强,设备的整体性能就越好.因此需要统筹 设计不同模块之间的连接,优化设备工作效率.
可重构自动包装机具有以下特点：1.可包装脐橙、苹果、糖果、螺杆、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，快速定制自动包装机；3.用户可以通过改变可变模块1和可变模块2来转换包装机的功能；4、采用标准接口，可快速构建包装机。
- 基本单元
基本模块不仅包括硬件模块，还包括软件模块。基本模块的硬件主要由胶卷拉纸机构、封接机构、封口机构和控制设备等组成。基本模块的工作原则如下所示：拉膜机构将薄膜拉下一个袋长，当然这个长度是可以进行调整的。当包装机运行的瞬间，密封机构可以将矩形袋的三个方向都封住(底部、左侧和右侧)。然后，当一个脐橙被摘进袋子里，拉膜装置就将薄膜拉下一个脐橙所需的袋子长度。当密封机构密封第二袋时，它可以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。水平密封是通过粘合和切割两步完成的。
薄膜拉膜机构由伺服电机单独驱动.
密封机构的结构如图3所示，有两个气瓶。当两个钢瓶的活塞被推向外时，热密封就可以被碰在一起来密封袋子。相反的，热密封是可以分离的。在这一环节有以下三个注意点：
- 两个水平密封接触的位置应该对齐装料桶的中心线。而密封线可以通过调整板来调整，两个钢瓶都应该被固定在板上。.
- 应定期检查密封辊上的硅。如果硅损坏，则应更换新的硅。
- 不同的包装材料需要不同的密封辊。
密封机构的热由控制装置控制。
图3
控制设备采用我国西门子公司的可编程控制器(PLC)。采用新的触摸屏技术，这样用户可以更加方便直接地操作机器。机器将会有更好的适用性和广告效果。当自动包装机被重新配置时，控制设备（硬件）不需要改变。唯一要做的就是重新开发控制系统的软件。
- 可变模块1
可变模块1实际上是自动加载机构。结构图如图3所示。图4中的第1部分，固定在电主轴上，是一个两排驱动的链轮.第二部分和第三部分也是双排链轮，是从动链轮。它们是由1号部分通过链传动驱动的。5号部分也是由3号部分驱动的驱动链轮。第四部分是软塑料薄膜滚筒，其直径为大约20毫米。软塑料薄膜辊，间隔3-5毫米，其中的主轴是固定在链条上的。电机运行时，软膜滚筒可绕轴旋转从而步进移动。链条，以及掩体中的脐橙(那些与软塑料薄膜滚筒接触的)将被运输到倾斜的提升机构内。起升机构实际上是带式输送机，其中驱动辊由电机驱动，带式输送机上设置有固定在皮带上的挡板，进而可以等距离地将新橙子吊到高处。当电机运转时，燃料仓中的新橙子被运输到传送带和皮带上。传送带通过这种方式把新的桔子吊到高处。
图4
1-驱动链轮2-驱动链轮3-驱动链轮4-软塑料膜辊5驱动链轮
有关自动加载机制的一些说明如下。
当包装机运行时，自动加载机构启动。有两个光敏元件分别沿着自动分选机构固定在两个托架上。当左边的光敏元件检测到橙色时，加载机制将完全停止，而当保证运行正常的光传感器(出口附近)并未检测到橙色，加载机制将再次启动。
皮带输送机的倾角可由螺杆调节，以改变出口高度。
传送带上有一个红色紧急停车按钮。一旦机器不正常运行，按下按钮就可以立即停止系统的运行。
- 可变单元2号
可变模块2是一种自动排 序机构。如图5所示，1号部分是过渡框架，当脐橙进入包装袋时，装置才能将其打包。第二部分和第三部分是钢瓶。第四部分是装有刷子的轴。5号是电机，6号部分和7号部分是链轮。有两个轴，平行于一个小的倾斜角，由马达驱动。它们组成一个用来排列和分类脐橙的机构。两轴的距离约为90 mm，轴径为75 mm。当两个轴开始旋转时，由传送带吊起的罐体入口的脐橙可以整齐移动到出口处并一排排有序排列。当2号部分的活塞被推开，3号的活塞被推入时，罐体中的脐橙就成了一排，它们中没有一个能从罐内进入包装袋。相反，当2号零件的活塞被推入，3号活塞被推开时，最接近出口的橙子可以进入包装袋，而其他的则被阻止移动。g由第3部分的活塞所作。在2号和3号的作用下，每次都能准确地选出一个脐橙来。
图5自动分选机构
- 过渡架2，3-气缸4-带刷5-马达6-驱动链轮7-驱动链轮
在图5中，装有刷子的两个轴的倾斜角可以通过电机下面的螺丝来调节。
有两个图像传感器分别沿罐体固定在两个托架。当光传感器检测到罐内没有足够的脐橙时，带式输送机就会吊起脐橙进入容器中。当图4中的左边光传感器检测到罐内有足够的脐橙时，传送带就会暂时停止运转。当图4中的左边光传感器检测到罐内有足够的脐橙时，传送带就会立即停止运转。
- 总结
集成的专用自动包装机组件通用性差，效率低。如图6和图7所示。具有相同功能的元件(薄膜拉纸机构、密封机构和控制设备)需要反复设计，存在开发周期长、成本高、效率低、浪费严重等问题。
图6综合专用包装机1号
图7综合专用包装机2号
如图1和图2所示，薄膜拉纸机构、密封机构和控制设备被封装为基本模块。可重构包装机模块在设计时，自动加载机构设计为可变模块1，自动分拣机构设计为可变模块2，这二者是分开设计的。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，这样做不仅节省了大量的资源，而且提高了新产品的开发效率，增加了商业价值。
- 个案研究
脐橙包装机是一种可重构的机器，其真实产品照片如图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代表可变模块2。相同的基本模块，不同的可变模块和不同的可变模块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真实产品图片
- 基本模块2-可变模块1，自动加载机构3-可变模块2，自动排序机制
- 结论
本论文针对集成专用包装机的不足，提出了可重构包装机的设计构思，并实地设计出来。分析了包装机的可重构特性，适用于脐橙包装的可配置自动包装机研制成功。它包括基本模块、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
[1] Y. Koren, U. Heisel, F. Joveane, T. Morwaki, G. Pritscho
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资料编号：[1872]
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