引言

隨著科學技術的發展及市場競爭的加劇，客戶的需求也越來越高，產品更新換代的周期已越來越短。因此要求包裝機械具有良好的柔性和靈活性，使包裝機械的壽命遠大于產品的壽命周期，這樣才能符合經濟性。這種要求還體現在以下幾個方面：一是提高生產效率，二是適應產品更新變化的需求，三是能進行遠程診斷服務，四是基于環境保護，噪聲低、粉塵和廢棄物少，五是設備購置投資盡可能少，價格盡可能低。利用拓撲結構設計，為包裝機的設計及創新提供了科學、可靠的方法。

1、拓撲結構設計

設計理念上，應該以用戶的需求為設計的目標，并結合柔性設計、模塊化設計的理念，一機多用，或更換少量的零、部件就可以完成不同的功能；通過拓撲結構設計，實現機構創新，滿足不同產品的包裝需求。

1．1概述

拓撲（Topology）是將各種物體的位置表示成抽象位置。拓撲不關心事物的細節也不在乎什么相互的比例關系，只將討論范圍內的事物之間的相互關系表示出來，將這些事物之間的關系通過圖表示出來。并以一定的結構方式進行連接實現互聯。這種連接方式就叫做“拓撲結構”。

引入此概念，從包裝機整體功能出發，進行機構拓撲結構設計。拓撲結構設計不僅需要考慮機構的運動學要求，如運動確定性、運動輸出特征等，也要考慮控制系統、驅動系統的要求，如控制解耦、驅動器位置可選擇性等。在深入、系統地揭示機構拓撲結構與功能之間的內在聯系與規律性基礎上，建立了機構拓撲設計的數理模式，減少設計中的經驗性因素，開拓了以功能為導向的創造新機構的系統理論與方法。

1．2拓撲結構設計的分類

拓撲結構創新設計分為兩類：機構集成創新和原始機構創新。機構集成創新是指通過對已知基本機構（元機構）及其元功能進行重組，以實現較復雜機構系統的整體功能與原理創新，已知元機構及其子功能是機構集成創新知識庫的基礎。機構原始創新是發現具有特定功能的新基本機構，可直接開發為新產品，又可作為機構集成創新的元機構，擴大了知識庫中元機構空間。

對自動包裝機而言，這里的元機構指機構的各功能模塊，具有一定的獨立性，能完成包裝過程的某一動作的機構。狹義的講，機構集成創新可以看作在對一定范圍內的不同功能或陽同功能不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過模塊的優化選擇和組合來構成不同產品以滿足市場不同需求的一種設計和制造方法。

從廣義的范疇來講，機構集成創新不僅僅局限于通過元機構的重組，快速實現包裝變化的要求，還在于可以實現較復雜機構系統的整體功能與原理創新，構造出其數學模型，為開發出更先進的包裝及提供了可靠的依據。

1．3拓撲結構設計過程

對于具體的設計任務，我們需要選擇合理的模型進行求解。綜合目前國內外在拓撲機構設計方面的應用情況，提出了拓撲結構設計過程的3個層次，即產品元機構分解（模塊化分解）、模塊系列設計及新產品的配置與組裝。

（1）模塊化分解

包裝機械成套設備是一個復雜的機械系統，對其模塊的劃分必須把握一定的度。若把模塊分得過細，其通用性雖高，但失去了模塊化分解的意義；若把模塊劃分得過粗，其功能綜合程度雖高，卻影響模塊拼裝時的柔性，功能相對獨立性也不能充分體現。因此在劃分模塊時，既要考慮模塊間的分離和組合，又要保證模塊在功能上有一定的獨立性和完整性；盡量簡化模塊自身的復雜程度，以避免模塊組合時產生混亂，降低系統的可靠性。

（2）模塊系列設計

模塊系列設計要從包裝機的整體功能出發，通常包裝機械設備的設計時一定要考慮其柔性和靈活性，具體表現在以下三個方面：

一是量的靈活性，既能包裝單個產品，也能包裝不同批量產品；

二是構造的靈活性，整臺設備采用單元組成，換用一個或幾個單元，即可適應產品的變化；

三是供貨的靈活性，可采用單元組合，將各單元組合在一起供貨。

因此模塊化系列設計要基于標準化、專業化的原則，為包裝機的組裝提供豐富的資源庫，使得各模塊執行件的動作協調配合。標準化可以使大批量生產成為可能，并大大降低產品的生產成本，模塊化則是標準化的新形式。國際包裝界十分重視提高包裝機械加工和整個包裝系統的通用能力，所以包裝機械零部件生產專業化、標準化是發展的必然趨勢。

（3）產品配置與組裝

在設計開發新的包裝設備時，首先綜合考慮包裝對象，根據要求完成的操作選擇不同用途和性能的基本模塊以構成所需模型機構。同時選擇和組合適當的機構運動原理，充分實現待定運動所需機構。如連桿機構、凸輪機構等。設計過程中應盡量減少不確定性因素造成的影響，使機構趨于平穩。設汁時仍要對機構進行動力學分析，以提升機械運行速度和平穩性。除機構設計外，還應該考慮各功能另外的實現途徑，可以參考各類包裝機的長處，以期最優組合該產品。

模塊化組合的設備，其優點顯而易見，靈活的模塊化結構使機器的功能和適應性得以擴展，使設備實現自我診斷，快速確定故障點，維修調整更容易，而且具有明確針對性，不牽涉和影響正常模塊。