引 言

随着科学技术的发展及市场竞争的加剧, 客户的需求也越来越高，产品更新换代的周期 已越来越短"因此要求包装机械具有良好的柔 性和灵活性，使包装机械的寿命远大于产品的 寿命周期，这样才能符合经济性。这种要求还 体现在以下几个方面：一是提高生产效率，二 是适应产品更新变化的需求，三是能进行远程 诊断服务，四是基于环境保护，噪声低、粉尘 和废弃物少，五是设备购置投资尽可能少，价 格尽可能低"利用拓扑结构设计，为包装机的设计及创新提供了科学、可靠的方法"

1拓扑结构设计

设计理念上，应该以用户的需求为设计的 目标，并结合柔性设计、模块化设计的理念， 一机多用，或更换少量的零、部件就可以完成 不同的功能；通过拓扑结构设计，实现机构创 新，满足不同产品的包装需求"

1.1概述

拓扑（Topology）是将各种物体的位置表示成 抽象位置。拓扑不关心事物的细节也不在乎什么 相互的比例关系，只将讨论范围内的事物之间的 相互关系表示岀来，将这些事物之间的关系通过 图表示岀来。并以一定的结构方式进行连接实现 互联。这种连接方式就叫做“拓扑结构”。

引入此概念，从包装机整体功能岀发，进 行机构拓扑结构设计。拓扑结构设计不仅需要 考虑机构的运动学要求，如运动确定性、运动 输岀特征等，也要考虑控制系统、驱动系统的 要求，如控制解耦、驱动器位置可选择性等。 在深入、系统地揭示机构拓扑结构与功能之间 的内在联系与规律性基础上，建立了机构拓扑 设计的数理模式，减少设计中的经验性因素， 开拓了以功能为导向的创造新机构的系统理论 与方法。

1.2 拓扑结构设计的分类

拓扑结构创新设计分为两类：机构集成创 新和原始机构创新。机构集成创新是指通过对 已知基本机构(元机构)及其元功能进行重组， 以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创新， 已知元机构及其子功能是机构集成创新知识库 的基础。机构原始创新是发现具有特定功能的 新基本机构，可直接开发为新产品，又可作为 机构集成创新的元机构，扩大了知识库中元机 构空间。

对自动包装机而言，这里的元机构指机构 的各功能模块，具有一定的独立性，能完成包 装过程的某一动作的机构。狭义的讲，机构集 成创新可以看作在对一定范围内的不同功能或 相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能 分析的基础上，划分并设计岀一系列功能模块， 通过模块的优化选择和组合来构成不同产品以 满足市场不同需求的一种设计和制造方法。

从广义的范畴来讲，机构集成创新不仅仅 局限于通过元机构的重组，快速实现包装变化 的要求，还在于可以实现较复杂机构系统的整 体功能与原理创新，构造岀其数学模型，为开 发岀更先进的包装及提供了可靠的依据。

1.3拓扑结构设计过程

对于具体的设计任务，我们需要选择合理 的模型进行求解。综合目前国内外在拓扑机构 设计方面的应用情况，提出了拓扑结构设计过 程的3个层次，即产品元机构分解(模块化分 解)、模块系列设计及新产品的配置与组装。

1. 模块化分解

包装机械成套设备是一个复杂的机械系统， 对其模块的划分必须把握一定的度。若把模块 划分得过细，其通用性虽高，但失去了模块化 分解的意义；若把模块划分得过粗，其功能综 合程度虽高，却影响模块拼装时的柔性，功能 相对独立性也不能充分体现。因此在划分模块 时，既要考虑模块间的分离和组合，又要保证模 块在功能上有一定的独立性和完整性；尽量简 化模块自身的复杂程度，以避免模块组合时产 生混乱，降低系统的可靠性。

2. 模块系列设计

模块系列设计要从包装机的整体功能岀发， 通常包装机械设备的设计时一定要考虑其柔性 和灵活性，具体表现在以下三个方面：

一是量的灵活性，既能包装单个产品，也 能包装不同批量产品。

二是构造的灵活性，整台设备釆用单元组 成，换用一个或几个单元，即可适应产品的变 化。

三是供货的灵活性，可采用单元组合，将 各单元组合在一起供货。

因此模块化系列设计要基于标准化、专业 化的原则，为包装机的组装提供丰富的资源库， 使得各模块执行件的动作协调配合。标准化可 以使大批量生产成为可能，并大大降低产品的 生产成本，模块化则是标准化的新形式。国际 包装界十分重视提高包装机械加工和整个包装 系统的通用能力，所以包装机械零部件生产专 业化、标准化是发展的必然趋势。

3. 产品配置与组装

在设计开发新的包装设备时，首先综合考虑 包装对象，根据要求完成的操作选择不同用途和 性能的基本模块以构成所需模型机构。同时选 择和组合适当的机构运动原理，充分实现待定 运动所需机构。如连杆机构、凸轮机构等。设 计过程中应尽量减少不确定性因素造成的影响， 使机构趋于平稳。设计时仍要对机构进行动力 学分析，以提升机械运行速度和平稳性。除机 构设计外，还应该考虑各功能另外的实现途径， 可以参考各类包装机的长处，以期最优组合该 产品！

模块化组合的设备，其优点显而易见，灵 活的模块化结构使机器的功能和适应性得以扩 展，使设备实现自我诊断，快速确定故障点， 维修调整更容易，而且具有明确针对性，不牵 涉和影响正常模块。

2自动包装机的建模

对包装机进行元机构分解，掌握各基本机 构的功能特性，根据客户要求对原包装机进行 重组设计，同时可以对包装机进行改进创新得 到可实现多功能复杂操作的模型机。

随着机械自动化的发展，对包装机的要求 也越来越高。其发展趋于垄断化，零部件生产

冋行性分析I
両能分析I
I功能,分析I I功能'创新I

I , I

^计目标

I实现功能的基本工作原理

I工作原理选择与组合I

I执行机构系统方案构思I
艺动作构思

I工艺动作的分解I

I执行机构系统'方案设计探索I

I各子系统的方案设计I
F优选设计文案

专业化，并向智能化发展。拓扑结构设计的方 法为包装机模型的研究提供了广阔的平台，通 过模块重组、创新，并对机构进行运动学等的 考虑，使得模型可靠性更高。

3自动包装机国内外发展情况

国内大多以生产单机为主，而国外大多为 成套生产线，很少单机销售。我国的食品和包 装机械单机多、成套少，通用机型多、满足特 殊要求、特殊物料的设备少；技术含量低的多， 高技术附加值、高生产率的产品少；智能化设 备还处于研制阶段。

德国与美国、日本、意大利均为世界包装 机械大国，在包装机械设计、制造、技术性能 等方面居于领先地位。德国包装机械的设计是 依据市场调研及市场分析结果进行的，其目标 是努力为客户，尤其是为大型企业服务。为满 足客户要求，德国包装机械制造厂商和设计部 门采取了诸多措施：

1. 工艺流程自动化程度越来越高，以提 高生产率和设备的柔性及灵活性。
2. 提高生产效率，降低生产成本，最大 限度地满足生产要求。
3. 使产品机械和包装机械一体化。许多 产品要求生产之后直接进行包装，以提高生产 效率。
4. 适应产制品变化，具有良好的柔性和 灵活性。
5. 普遍使用计算机仿真设计技术。大大 缩短了包装机械的开发设计周期。

借鉴国外先进技术可以拓宽我们在进行拓 扑结构设计建模思路。就提高生产效率为例， 除了提高转速外，还可从另外的渠道设法解决: 一是采用连续工作或多头工作方式。二是降低 废品率，提供故障分析系统。三是使产品生产 机械和包装机械一体化。这些为全面分析设计 包装机模型提供了更多的信息。

除了考虑上述因素外，还应该注意，现代 包装机设计应该满足“绿色设计” ,即人性化设 计的要求。它是面向质量设计、装配设计、制 造设计、维修设计、可靠性设计的综合设计。 要考虑到安全性等各方面的因素，充分体现原 理优化、结构优化、制造优化、造型优化。

4结 论

运用拓扑结构设计简化了包装机模型设计过 程，缩短设计制造周期，增强可靠性；便于实现 标准化、系列化、通用化、集成化和开放化。

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