模塊化包裝機械的設計仿真與優化思考

石鴻鵬

摘 要 文章對包裝機械模塊化設計的結構原理進行了分析，并闡述了模塊化包裝機械建模仿真的可行思路;從運動性能與靜態性能兩個角度出發，提出了行之有效的優化建議。

關鍵詞 模塊化設計;包裝機;建模仿真

1模塊化包裝機械的結構設計

簡單來講，所謂“模塊化設計”，就是利用多種功能模塊搭建出子流程、子程序、主程序的軟件框架，并對不同模塊之間的邏輯關系、結構配置進行定義與調試，最終形成非線性、系統化的程序設計體系。這一技術方法在很大程度上打破了傳統中逐條錄入指令、逐層反饋動作的程序編制模式，可在不影響程序體系整體結構的基礎上，實現單一子功能、子模塊的增刪或調整，從而達到降低程序復雜性、提高維護便捷性、強化設計發展性的積極目的。在包裝機械的生產控制系統設計中，主要應采取柔性的模塊化設計方式，即對各類功能模塊的主要特征進行參數化處理，從而獲得可體現包裝機械典型結構的模型產物，以此實現柔性模塊的生成[1]。

從原理上看，柔性的模塊化設計具有明顯層次性，其以模塊化產品族為頂層結構，依照GMi柔性模塊、GMii柔性子模塊、VMi虛擬模塊與USi元結構的順序，逐層向下分化，以實現各類子功能、子任務的精細分離。同時，每個層次當中的模塊都可獨立成集，即總體系中包含有產品集、柔性模塊集、柔性子模塊集、虛擬模塊集和元結構集。其中，元結構以外的各個集合均可表現為參數化模型，且能在設計完成后轉化為定制產物。

例如，在某開箱機器的模塊化設計中，可將開箱機整體視為產品層。在此體系下，先設計出“紙箱進給”、“紙箱成型”、“內外折頁”以及“成型輸送”四個柔性模塊。其后，再結合各模塊的機構特點、功能需求，分別進行柔性子模塊的設計，如“紙箱進給”模塊下設“導軌”、“傳動”、“擋板”等控制模塊、“紙箱成型”模塊下設“真空吸盤”、“傳動”、“斜齒”等控制模塊等。最后，為了實現子模塊機構的能源供應與動作調整，還需進行電路、程序等方面的針對設計。這樣一來，便可在各模塊的功能支持下，搭建起紙箱板片由進料、加工、折疊、封底到最終成型的生產框架。基于此框架對各模塊的傳統方式、擋板方向、動作模式進行適宜性調整，即可滿足產品包裝與用戶定制的生產需求，達到可調可控的靈活化包裝處理效果。

2模塊化包裝機械的建模仿真

模塊化包裝機械的數字模型構建，需要經歷“模塊劃分→功能分析/結構分析→圖紙分析→參數提取→模塊創建→接口標準化處理→生成模型結構→檢驗結構合理性→建立模塊庫”的流程環節。其中，在包裝機械模塊的分析階段，相關人員必須要將企業真實的圖紙資料、生產條件、生產需求作為參考，并在綜合分析后確定是沿用既有圖紙還是重新制圖;在模塊、模型的創建階段，當前主要以CAD建模軟件作為平臺工具，可達到良好的參數運算與模型生成效果;在模型結構合理性的檢驗階段，相關人員應從靜態、動態兩個角度入手進行仿真檢驗。若檢驗結果不合格，則應退回“參數提取”環節進行流程優化與模型重建。

在模型建立后的仿真檢驗階段，相關人員要明確包裝機械的系統化運行特點，進而實施出由原材料供給到包裝產出的全過程動態模擬。在此過程中，一方面要基于這一公式，對包裝機械的運行效率進行仿真分析。其中，Q為生產率，單位為件/h;Tk為基本包裝時間，單位為h;Tf為輔助時間，單位為h;ΣTn為循環外損失時間，單位為h。以此為依據，在動態模擬中以降低Tk為目的進行設計改良，即可達到提升包裝生產線運行效率的優化效果;另一方面，要基于“調整時間增量→預估積分值→求解運動方程→求解雅可比矩陣→求解Newton-Raphson線性方程→更新變量→評估積分誤差→確定誤差值→重新選擇步長及階數→調整時間增量”的循環流程，利用Newton-Raphson算法進行模型參數的邏輯運算，直至獲得最佳的參數結果，并終止仿真活動。此外，還需將包裝機械各模塊機構的材質參數輸入到模型當中，隨動態仿真過程進行對比分析，以此選定最終的包裝機械生產材質。例如，現階段常見的包裝機斜齒輪材質有黃銅、鋼材兩種，其密度、彈性模量與泊松比參數分別為8545kg/m3、1.06E+11N/m2、0.324和7800kg/m3、2.07E+11N/m2和0.3。將兩組參數輸入到CAD軟件當中，即可直觀了解兩種金屬材質在包裝機運行中的應用效果。

除動態仿真以外，相關人員還需對包裝機械的數字模型進行靜態模擬，了解其系統中各類模塊機構的受力特點，以確保包裝機設計產出后各模塊實體可充分承載自重、氣缸沖擊力、電機簡諧力的作用影響。

3模塊化包裝機械的優化路徑

在模塊化設計的背景下，相關人員需要結合數字模型及其仿真模擬，進行包裝機械動態、靜態缺陷問題的優化改良。

在動態方面，主要應對各模塊機構的材質、尺寸、元件數量、結構布局等參數進行優化，以此消除模塊本身的運行沖突，提高上層模塊、生產線體系的運行效率。例如，在包裝機的建模仿真中發現，傳動模塊是影響包裝機鏈式生產效率的主要因素，且問題集中在齒輪、螺距兩個子模塊上。此時，相關人員就需要對齒輪的尺寸、齒距、齒數進行設計調整，并確保上升件螺距與齒輪參數之間的動態匹配，從而提高包裝機的紙箱加工效率。

在靜態方面，主要應通過力學試驗對機械模型的受力閾值、形變情況進行分析，并與電機、氣缸等應力作用的實際水平進行比對。其后，再根據比對結果，對機械結構進行靜態調整。例如，在包裝機的建模仿真中發現，包裝機的架體自重較大，在長期應用下存在形變隱患，不利于包裝箱的標準產出。此時，便可在架體上端增設金屬橫梁，以此在增大架體強度與剛性的同時，提高應力分布的均勻水平。

4結束語

總而言之，將模塊化技術運用到包裝機械的系統設計中，可有效提高包裝機械的運行質量，為包裝生產線的效率提升做出支持。在設計實踐中，相關人員應堅持趨優性的設計原則，在確立設計目標后對包裝機械數字模型的各類模塊機構進行針對性優化，以便獲得細節優質、整體高效的設計成果。

參考文獻

[1] 周亮.包裝機械設計中模塊化設計應用策略[J].南方農機，2018， 49（18）：58.