杜巧連， 陳旭輝， 舒柏和

（1.浙江師范大學(xué)行知學(xué)院，浙江 金華 321004；2.浙江金華市技師學(xué)院，浙江 金華 321000；3.金華漢生機(jī)電控制工程有限公司，浙江 金華 321000）

引言

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，給包裝機(jī)械行業(yè)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。調(diào)查資料表明，隨著包裝機(jī)械需求量的不斷提升，全球的包裝機(jī)械需求每年以5.3%的速度在增長［1］，同時市場競爭也日益激烈。包裝機(jī)械行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須在技術(shù)水平上有所創(chuàng)新。從國內(nèi)外包裝機(jī)械現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看［2］，國外包裝機(jī)械行業(yè)根據(jù)商品包裝多樣性的需求，充分利用現(xiàn)代化科技與應(yīng)用相關(guān)高新技術(shù)，已生產(chǎn)出多品種、小批量的通用包裝機(jī)械，并且開發(fā)出專用包裝機(jī)械。近年來，我國包裝機(jī)械有了高速發(fā)展，但在數(shù)量、質(zhì)量方面和國外發(fā)達(dá)國家相比，產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)、性能質(zhì)量、可靠性等方面仍存在很大差距。欲縮短相關(guān)差距，不僅要有優(yōu)秀的設(shè)計方案，還需要有先進(jìn)的制造工藝，只有從設(shè)計與制造兩方面入手，才能制造出性能良好的包裝機(jī)械。而設(shè)計方法在很大程度上決定了設(shè)計的優(yōu)劣，因此，研究包裝機(jī)械的設(shè)計方法極其重要。本文以高速創(chuàng)可貼生產(chǎn)包裝機(jī)械為例，從研究包裝機(jī)械的設(shè)計方法入手，分析了自動包裝機(jī)械模塊化設(shè)計的基本方法，并在設(shè)計方法層面上提出了創(chuàng)新思路，以實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械的自動化、柔性化和智能化。

1 創(chuàng)可貼包裝機(jī)械的設(shè)計特點(diǎn)

創(chuàng)可貼包裝機(jī)械的一般生產(chǎn)工藝為：涂布－分切－復(fù)合－包裝－滅菌，核心在于復(fù)合－包裝這一段，不同的廠家有不同的設(shè)備去處理。目前，大多數(shù)國內(nèi)廠家采用三步法設(shè)備。第一步：復(fù)合。常采用三聯(lián)復(fù)合方式，將藥棉墊、醫(yī)用膠帶、復(fù)膜紙復(fù)合。第二步：沖片。用三個工位滾切刀將復(fù)合好的基材沖切成創(chuàng)可貼片。第三步：包裝。將創(chuàng)可貼片置于雙層冷封紙內(nèi)壓合、切斷、包裝。這種 “三步法”設(shè)備投資少，工藝簡單。但由于效率低，消耗人工多，已不能適應(yīng)廠家生產(chǎn)創(chuàng)可貼的自動化要求，為此，將三步并一步的創(chuàng)可貼復(fù)合包裝機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新型運(yùn)動控制系統(tǒng)是創(chuàng)可貼包裝機(jī)的核心。為適應(yīng)創(chuàng)可貼機(jī)械的自動化要求，需對原運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。如：將原有單一電機(jī)驅(qū)動改為多個獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動以提高高速運(yùn)行時的控制精度；采用運(yùn)動控制器進(jìn)行多軸控制編程以提高設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性；使用新的代碼編寫程序減少了產(chǎn)品換型時間等。創(chuàng)可貼包裝機(jī)械由7～14軸伺服軸傳動控制，運(yùn)行中，各軸之間位置以及速度相對應(yīng)關(guān)系十分重要，分別控制包裝紙、膠布、復(fù)膜紙、藥棉等部分。在整個系統(tǒng)中，包括三個小包裝系統(tǒng)，由三個工位組成。通過三個工位配合動作，最終把藥棉、膠布、復(fù)膜紙、包裝紙組合成創(chuàng)可貼。

2 包裝機(jī)械自動化產(chǎn)品模塊設(shè)計

2.1 包裝機(jī)械模塊化設(shè)計特點(diǎn)

自動化技術(shù)的應(yīng)用改變著包裝機(jī)械行業(yè)的設(shè)計與制造方法，要研究創(chuàng)可貼包裝機(jī)械的設(shè)計方法，必須先從包裝機(jī)械的特點(diǎn)入手，包裝機(jī)械的設(shè)計應(yīng)綜合運(yùn)用機(jī)、電、光、氣一體化技術(shù)提高自動化水平，以實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械自動化，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)代包裝機(jī)械設(shè)計時，模塊化設(shè)計是一種先進(jìn)的設(shè)計方法，核心思想是根據(jù)功能劃分成多個模塊進(jìn)行設(shè)計，然后通過模塊設(shè)計的不同組合，使相應(yīng)的包裝機(jī)械設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化和功能化。

模塊化設(shè)計有以下特點(diǎn)［3］：

1）有利于產(chǎn)品柔性化水平的提高。采用模塊化設(shè)計，由實(shí)現(xiàn)不同功能的各模塊組成產(chǎn)品，可使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能有更好的適應(yīng)性。

2）有利于小批量、多品種生產(chǎn)。采用模塊化設(shè)計，針對用戶的要求，只需設(shè)計或更換個別模塊，實(shí)現(xiàn)適合小批量、多品種、多功能機(jī)器的制造生產(chǎn)，還可縮短設(shè)計周期。

3）有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。采用模塊化設(shè)計，有利于先進(jìn)加工制造技術(shù)的應(yīng)用。由于一些零部件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使產(chǎn)品具有良好的性能和較高的可靠性。

4）有利于降低成本。采用模塊化設(shè)計可使大多數(shù)零部件由單個、小批量生產(chǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)，有利于降低成本。

2.2 包裝機(jī)械自動化產(chǎn)品模塊設(shè)計研究

在包裝機(jī)械上使用的自動化產(chǎn)品按功能分主要有控制、傳動、運(yùn)動控制、人機(jī)界面、電器元件、傳感器以及機(jī)器視覺［4］。下面以高速創(chuàng)可貼生產(chǎn)包裝機(jī)械為例，分別介紹傳動系統(tǒng)模塊設(shè)計、人機(jī)界面模塊設(shè)計、運(yùn)動控制模塊設(shè)計和控制系統(tǒng)模塊的設(shè)計。

1）傳動系統(tǒng)模塊設(shè)計。在高速創(chuàng)可貼包裝機(jī)械傳動系統(tǒng)模塊設(shè)計時，傳動系統(tǒng)在包裝機(jī)械上的使用主要是為了調(diào)整主工藝速度以及控制電機(jī)在生產(chǎn)過程中速度的周期性變化。傳動系統(tǒng)模塊由多個伺服軸進(jìn)行傳動控制，分別控制包裝紙、膠布、復(fù)膜紙、藥棉等部分的傳動。在整個傳動系統(tǒng)中，包括三個小包裝系統(tǒng)，由三個工位組成。通過三個工位配合動作，最終把藥棉、膠布、復(fù)膜紙、包裝紙組合成創(chuàng)可貼。三個工位滾切刀采用單獨(dú)伺服電機(jī)驅(qū)動控制，各部件牽引單獨(dú)伺服電機(jī)驅(qū)動。運(yùn)行中，各軸之間位置以及速度相對應(yīng)關(guān)系十分重要。為了克服轉(zhuǎn)動慣量對定位及速度同步控制的影響，各伺服電機(jī)都增加了伺服減速機(jī)。高速創(chuàng)可貼包裝機(jī)械的總線型運(yùn)動控制器內(nèi)含PLC模塊和運(yùn)動控制模塊，運(yùn)動控制模塊可對伺服運(yùn)動軸進(jìn)行精密控制，以完成用戶期望的速度控制及位置控制。同時傳動系統(tǒng)模塊可擴(kuò)展以太網(wǎng)模塊以及其他總線模塊。總線型運(yùn)動控制器運(yùn)行速度快，接口豐富，可以滿足高速創(chuàng)可貼包裝機(jī)應(yīng)用要求。

2）人機(jī)界面模塊設(shè)計。高速創(chuàng)可貼包裝機(jī)械人機(jī)界面模塊設(shè)計時，人機(jī)界面模塊采用大數(shù)據(jù)理念，對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障停機(jī)數(shù)據(jù)、故障原因記錄數(shù)據(jù)等進(jìn)行記錄。包裝機(jī)械的HMI以文本顯示器為主，人機(jī)界面模塊使用觸摸屏，采用配方管理功能，通常與PLC配合使用，用以設(shè)定生產(chǎn)工藝參數(shù)，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用戶更換產(chǎn)品時只需更換相應(yīng)的成型模具，其他機(jī)械傳動齒輪不需要按產(chǎn)品要求去更換，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶產(chǎn)品要求，在配方表中選擇，系統(tǒng)工藝參數(shù)自動更換。

3）運(yùn)動控制模塊設(shè)計。為使運(yùn)動控制模塊的設(shè)計滿足生產(chǎn)需求，運(yùn)動控制在包裝機(jī)上的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和嚴(yán)格的速度同步，由于伺服電機(jī)具有自動調(diào)整、響應(yīng)速度快、低振動等優(yōu)點(diǎn)，主要通過伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)可貼包裝機(jī)械整機(jī)運(yùn)動部件，包括膠布剝離、藥棉輸送、膠帶牽引、藥棉滾切、沖片牽引、沖片滾切、包裝牽引、包裝滾切等，都采用獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動，該運(yùn)動控制模塊控制方式靈活，可適應(yīng)不同產(chǎn)品加工生產(chǎn)要求。

創(chuàng)口貼包裝機(jī)上的運(yùn)動控制系統(tǒng)是整個設(shè)備的自動控制核心，設(shè)計時將原有單一電機(jī)驅(qū)動改為多個獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動，提高了高速運(yùn)行時的控制精度；采用運(yùn)動控制器進(jìn)行多軸控制編程，提高了設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性；使用新的代碼編寫程序，減少了產(chǎn)品換型時間等，這一系列的改變都大大提高了設(shè)備的工作效率。

4）控制系統(tǒng)模塊設(shè)計。PLC控制系統(tǒng)具有可靠性高、程序設(shè)計方便靈活、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，包裝機(jī)械的大部分控制系統(tǒng)選擇使用了PLC控制系統(tǒng)。創(chuàng)可貼包裝機(jī)械控制系統(tǒng)模塊設(shè)計采用多伺服軸同步控制技術(shù)。整機(jī)系統(tǒng)由一組獨(dú)立子系統(tǒng)一起工作來執(zhí)行一項任務(wù)，不但要考慮每個子系統(tǒng)的控制策略，還要綜合考慮子系統(tǒng)之間的合作、協(xié)調(diào)關(guān)系，即同步控制策略。系統(tǒng)的誤差是各參與軸合成運(yùn)動形成的，多軸的合成運(yùn)動反映在產(chǎn)品誤差上，直接影響最終產(chǎn)品的精度。

總線型運(yùn)動控制器與伺服傳動軸控制器通過CANopen總線控制，各軸都由一定的位置與速度關(guān)系組成。系統(tǒng)構(gòu)建一個虛軸作為一個基準(zhǔn)軸，各軸都會跟隨這個虛主軸來確定相應(yīng)的速度以及位置。整個系統(tǒng)運(yùn)行與停止都由虛軸決定，各軸通過電子齒輪與主軸構(gòu)建比例關(guān)系，以達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。在啟動包裝紙色標(biāo)以及膠布色標(biāo)時，需要進(jìn)行高速位置捕獲。設(shè)計時把伺服編碼器信號接到總線控制器編碼器接口，通過建立虛擬編碼器軸對該軸進(jìn)行位置捕獲，從而得到位置。各軸通過與虛主軸建立電子齒輪，以完成各軸的同步運(yùn)行，且通過編碼器虛軸捕獲位置，達(dá)到一個全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 包裝機(jī)械自動化創(chuàng)新設(shè)計的新思路

新型自動化包裝機(jī)械往往是機(jī)、電、氣一體化的設(shè)備［5］。采用多伺服電機(jī)拖動的同步控制技術(shù)是包裝機(jī)械自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一。自動化包裝機(jī)設(shè)計時應(yīng)充分利用產(chǎn)品的最新成果與信息技術(shù)，簡化整機(jī)的結(jié)構(gòu)，縮短傳動鏈，提高工作精度和速度?，F(xiàn)階段，包裝機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的新思路為［6］：

1）提高工藝流程自動化。新型包裝機(jī)械采用機(jī)械手完成復(fù)雜的動作，自動化程度越來越高，以提高生產(chǎn)率和設(shè)備的柔性及靈活性。自動化技術(shù)只占包裝機(jī)械設(shè)計的50%以上，大量使用了微電腦設(shè)計和機(jī)電一體化控制。

2）使產(chǎn)品機(jī)械和包裝機(jī)械一體化。兩者的一體化，包裝機(jī)械往往成為生產(chǎn)的“瓶頸”，關(guān)鍵是要解決好生產(chǎn)能力相互匹配的問題。因此要尋求提高生產(chǎn)率途徑，以降低工藝流程成本。

3）新型包裝機(jī)械應(yīng)具有良好的柔性和靈活性。由于市場的激烈競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期越來越短，因此要求新型包裝機(jī)械具有良好的柔性和靈活性以適應(yīng)產(chǎn)品變化，才能符合經(jīng)濟(jì)性的要求。

4）使用計算機(jī)仿真設(shè)計技術(shù)。隨著新產(chǎn)品開發(fā)速度不斷加快，包裝機(jī)械設(shè)計普遍采用了計算機(jī)仿真設(shè)計技術(shù)，對包裝機(jī)中常用機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，大大縮短了包裝機(jī)械的開發(fā)設(shè)計周期。

總之，包裝機(jī)械設(shè)計不僅實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械的自動化、柔性化和智能化，還要重視生產(chǎn)效率，注重經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

包裝機(jī)械行業(yè)屬于現(xiàn)代工業(yè)的配套行業(yè)，涉及到國民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，是正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的中國經(jīng)濟(jì)，要想讓自己的產(chǎn)品提高產(chǎn)品附加值，提高產(chǎn)品的國際市場競爭力，必須努力發(fā)展科技，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時還需努力發(fā)展包裝機(jī)械行業(yè)，改變目前包裝機(jī)械落后的局面。國外包裝機(jī)械的總體趨勢是“三高”——高速、高效、高質(zhì)量。要想縮小我國與歐美國家之間的差距，就必須將自動化技術(shù)引入到包裝機(jī)械，實(shí)現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)、低耗和安全生產(chǎn)。

［1］ 王柳瑩.就我國實(shí)現(xiàn)全面包裝機(jī)械自動化的相關(guān)探討［J］.包裝世界，2013（5）：24－25.

［2］ 朱建萍，王鵬.包裝機(jī)械設(shè)計方法研究［J］.包裝工程，2007，28（7）：89－91.

［3］ 高德.包裝機(jī)械設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］ 韓占華，郭飛.自動化在包裝機(jī)械中的應(yīng)用和展望［J］.包裝與食品機(jī)械，2011，29（3）：45－52.

［5］ 劉守謙.改進(jìn)包裝機(jī)械設(shè)計方法的新思路［J］.輕工機(jī)械，2005，23（4）：1－3.

［6］ 鐘功望.德國包裝機(jī)械自動化［J］.中國包裝工業(yè)，2006（9）：21－22.