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模塊化設(shè)計的概念在20世紀(jì)50年代由歐美一些國家正式提出，隨后得到越來越廣泛的關(guān)注和研究?？芍貥?gòu)是由美國某大學(xué)Lee在1997年定義的，其含義為以低成本和短周期重組制造系統(tǒng)。中國清華大學(xué)的羅振璧教授認(rèn)為可重構(gòu)技術(shù)是一個廣泛的概念，它不僅適用制造系統(tǒng)，也適用其它產(chǎn)品和軟硬件系統(tǒng)〔七可重構(gòu)模塊化技術(shù)是面向客戶定制的一種技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的主要特點是產(chǎn)品具有模塊化結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)能力，即能夠通過對機器部件或模塊的重組與更替，調(diào)整其加工功能和某些性能，及時、高效地滿足產(chǎn)品的各種需求，實現(xiàn)一機多用口。
目前可重構(gòu)模塊化技術(shù)在機床和機器人領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在包裝機械領(lǐng)域應(yīng)用極少，而立式袋包裝機在國內(nèi)外應(yīng)用最多，因此本文研究了立式袋包裝機可重構(gòu)模塊化設(shè)計問題。
1可重構(gòu)模塊化設(shè)計
傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計在包裝機領(lǐng)域的應(yīng)用并不陌生，但是其重組的能力有限，一般情況下并不能完成產(chǎn)品的重構(gòu)，只是便于包裝機械產(chǎn)品的設(shè)計與制造。而可重構(gòu)模塊化設(shè)計是一種即面向產(chǎn)品使用者又面向產(chǎn)品制造者的設(shè)計方法，其主要通過模塊結(jié)構(gòu)的重組與更替達到一定的使用要求，實現(xiàn)功能和性能的調(diào)整。
因此其在設(shè)計概念、設(shè)計原理到具體設(shè)計方法與傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法都有所區(qū)別，是模塊化設(shè)計的延伸與發(fā)展。
2我國立式袋包裝機的功能與結(jié)構(gòu)
制袋充填包裝機的類型有多種多樣。按總體布局分為立式和臥式；按執(zhí)行部分的運動形式分為連續(xù)式和間歇式。其中立式分為兩邊封、三邊封和四邊封。立式袋包裝機體積小、操作簡單、維修方便,且連續(xù)工作，生產(chǎn)效率高，因此應(yīng)用普遍。
無論是三邊封袋包裝機還是四邊封袋包裝機都能實現(xiàn)制袋、計量、充填、封合、切斷等功能，完成袋包裝。三邊封與四邊封的區(qū)別之一就是對包材的要求不同。當(dāng)封合寬度比較寬，而且袋型比較小時，適合三邊封；當(dāng)封合寬度比較窄，袋型比較大時適合四邊封。另外，當(dāng)包材韌性比較差時，不能用三邊封，只能用四邊封。三邊封與四邊封的區(qū)別之二就是四邊封可實現(xiàn)多條袋包裝，而三邊封為單條袋包裝。由于三邊封與四邊封各具特點，因此應(yīng)用都非常廣泛。如果能將三邊封與四邊封立式袋包裝機以模塊的形式組合在一臺設(shè)備上，并具有可重構(gòu)性，可將在滿足快速設(shè)計，變換功能和性能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一機多用，降低成本，減少占地面積。

3立式三四邊封袋包裝機的模塊劃分研究
3.1模塊劃分方法
模塊劃分通常分為面向設(shè)計、面向制造、面向裝配的三種模塊劃分方法⑶。面向設(shè)計的模塊劃分方法最主要的目的是便于新產(chǎn)品的設(shè)計，提高產(chǎn)品的研發(fā)效率，所以在對產(chǎn)品進行模塊劃分時首先應(yīng)該考慮產(chǎn)品使用功能方面的因素，對于那些在以后使用功能上發(fā)生變化的產(chǎn)品，應(yīng)該盡可能把發(fā)生變化的那部分功能所對應(yīng)的模塊進行獨立設(shè)計，把相關(guān)、相近的功能所對應(yīng)的部分劃分到一個獨立的模塊當(dāng)中，這樣滿足了該模塊在整個產(chǎn)品組成當(dāng)中的獨立性。因此，面向設(shè)計的模塊劃分方法最大程度地提高了產(chǎn)品的研發(fā)速度，最大限度地利用了現(xiàn)有資源，降低了工作強度，提高了生產(chǎn)效率。
面向制造的模塊劃分方法主要目的是對產(chǎn)品的加工方法而言，便于加工過程的調(diào)整。通常按照加工方法的不同對產(chǎn)品進行模塊劃分。應(yīng)盡量把加工中聯(lián)系比較緊密的部分劃分到一個模塊當(dāng)中，使得該模塊具有獨立的加工方法。這樣劃分有利于一個模塊的加工過程或方式發(fā)生變化時不會影響到其它模塊的加工。
面向裝配的模塊劃分主要是從用戶的角度考慮。當(dāng)產(chǎn)品的使用功能發(fā)生變化時，要對產(chǎn)品進行重新組合。而面向裝配的模塊劃分使得模塊間的接口盡可能的簡易，使用戶能夠方便快捷地對產(chǎn)品的某個功能模塊進行拆裝。這樣的劃分也使得裝配過程變得簡單易行。為了實現(xiàn)這些目的必須把產(chǎn)品經(jīng)常需要拆卸或者替換的模塊獨立出來，從而方便模塊的裝配或更換。
3.2模塊劃分
本文從便于設(shè)計和裝配的角度出發(fā)，將立式三四邊封袋包裝機分為供料模塊、成型器模塊、封合模塊、切斷模塊、輸送帶模塊、卷帶根模塊、卷帶調(diào)整模塊、動力模塊、機架模塊及電控檢測系統(tǒng)十大功能模塊，稱為一級模塊，如圖1,2所示。

圖2為立式袋包裝機三四邊封組合機型各模塊。

這種劃分方法滿足了模塊的劃分原則，即：實用原則——盡量少的模塊組成盡量多的產(chǎn)品；可擴充原則一塊與模塊之間可以增加其它模塊；通用件原則——將通用的部分獨立出來；包容性原則——將縱橫封化為一個模塊等，是因為它們之間有緊密的配合關(guān)系；統(tǒng)一性原則——如供料模塊是由料斗部分、下料部分、計量部分組成。料斗部分為載體，其與下料部分、計量部分有緊密的裝配關(guān)系,屬于物料供給部分；標(biāo)準(zhǔn)化原則一個模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)化接口連接，如圖3所示。
本文又從便于設(shè)計和制造的角度將供料模塊分為料斗模塊、上料管模塊、下料管模塊、計量模塊：將封合模塊分為縱封模塊、橫封模塊和打印模塊；將切斷模塊分為縱切模塊、橫切模塊、斷裂線模塊。此部分為二級模塊圖1中的(a)和(b)是基于可重構(gòu)模塊化的立式三四邊封袋包裝機。(a)和(b)的區(qū)別為組裝的模塊不同。其中四邊封機型的供料模塊與封合模塊之間有一個空模塊，此部分在三邊封機型中為成型器模塊，即包裝袋袋成型部分；另外，四邊封機型與三邊封機型中的封合模塊不同。三邊封時，可同時封合兩條袋，縱封輾只需兩個封合環(huán)；再有，三邊封機型中的切斷模塊無縱切輻，如圖1(b)所示

4標(biāo)準(zhǔn)化接口研究
一級模塊之間的連接釆用標(biāo)準(zhǔn)L型接口，使用兩個釵制孔螺栓定位和普通螺栓連接，如圖3所示
二級模塊通過標(biāo)準(zhǔn)軸徑、標(biāo)準(zhǔn)軸承、標(biāo)準(zhǔn)軸承座、標(biāo)準(zhǔn)機架定位槽、標(biāo)準(zhǔn)軸端和標(biāo)準(zhǔn)齒輪內(nèi)孔實現(xiàn)連接，如圖3所示。
5立式三四邊封袋包裝機的可重構(gòu)性研究
立式三四邊封袋包裝機的變化分為機型變化、參數(shù)變化和功能變化。
機型變化為：三邊封和四邊封；參數(shù)變化主要為：袋的尺寸變化，封袋列數(shù)變化，生產(chǎn)率變化。三邊封功能變化主要為：袋成型、縱橫封、供料、打碼和單袋橫切；袋成型、縱橫封、供料、打碼、斷裂線。四邊封功能變化主要為：縱橫封、供料、打碼、縱切和單袋橫切；縱橫封、供料、打碼、縱切和多袋橫切；縱橫封、供料、打碼、斷裂線和縱切。本文研究的立式袋包裝機的機架是通用的，各模塊的支承板是通用的，軸承是通用的，支承板安裝軸承座的定位槽是通用的，軸承座是通用的，電機是通用的等等。當(dāng)機型、參數(shù)和功能發(fā)生變化時,可改變一級模塊和二級模塊實現(xiàn)改變。如當(dāng)袋的尺寸變化或封袋列數(shù)變化時，可改變各輻的軸向尺寸，同時調(diào)節(jié)兩支承板之間的距離，改變料斗尺寸和下料管數(shù)量；當(dāng)生產(chǎn)率變化時，可改變電機轉(zhuǎn)速;當(dāng)功能變化時，可通過改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)多袋橫切或電機靜止實現(xiàn)不橫切等。
本文的可重構(gòu)性為兩方面：一是設(shè)計的可重構(gòu)性，另一個是應(yīng)用的可重構(gòu)性。設(shè)計的可重構(gòu)性為:通過重新設(shè)計某一級模塊或二級模塊，就可改變某功能或某參數(shù)尺寸，這樣大大地縮短了設(shè)計周期。應(yīng)用的可重構(gòu)性為：當(dāng)封合邊數(shù)變化時，改變某一級模塊或二級模塊即可；當(dāng)袋的尺寸或封袋列數(shù)變化時，可將滿足要求的料斗、下料管、縱橫封輻和切斷相等換上，調(diào)整支承間距即可；其通用的零部件正常使用，縮短了制造和安裝周期。
6立式三四邊封袋包裝機動力研究
為了實現(xiàn)立式三四邊封袋包裝機的可重構(gòu)模[3]通過控制程序可實現(xiàn)各執(zhí)行部分的同步以及生產(chǎn)率的變化。
7結(jié)束語
本文研究的立式三四邊封袋包裝機可重構(gòu)模塊化設(shè)計方法便于設(shè)計、制造和裝配，也便于產(chǎn)品的變形和功能的改變。它為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，使產(chǎn)品快速適應(yīng)市場變化奠定了基礎(chǔ)，也為其它包裝機械的可重構(gòu)模塊化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

作者：黃健,李志明,尚銳,張禎

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