模块化包装机械的设计仿真与优化思考

石鸿鹏

摘 要 文章对包装机械模块化设计的结构原理进行了分析，并阐述了模块化包装机械建模仿真的可行思路;从运动性能与静态性能两个角度出发，提出了行之有效的优化建议。

关键词 模块化设计;包装机;建模仿真

1模块化包装机械的结构设计

简单来讲，所谓“模块化设计”，就是利用多种功能模块搭建出子流程、子程序、主程序的软件框架，并对不同模块之间的逻辑关系、结构配置进行定义与调试，最终形成非线性、系统化的程序设计体系。这一技术方法在很大程度上打破了传统中逐条录入指令、逐层反馈动作的程序编制模式，可在不影响程序体系整体结构的基础上，实现单一子功能、子模块的增删或调整，从而达到降低程序复杂性、提高维护便捷性、强化设计发展性的积极目的。在包装机械的生产控制系统设计中，主要应采取柔性的模块化设计方式，即对各类功能模块的主要特征进行参数化处理，从而获得可体现包装机械典型结构的模型产物，以此实现柔性模块的生成[1]。

从原理上看，柔性的模块化设计具有明显层次性，其以模块化产品族为顶层结构，依照GMi柔性模块、GMii柔性子模块、VMi虚拟模块与USi元结构的顺序，逐层向下分化，以实现各类子功能、子任务的精细分离。同时，每个层次当中的模块都可独立成集，即总体系中包含有产品集、柔性模块集、柔性子模块集、虚拟模块集和元结构集。其中，元结构以外的各个集合均可表现为参数化模型，且能在设计完成后转化为定制产物。

例如，在某开箱机器的模块化设计中，可将开箱机整体视为产品层。在此体系下，先设计出“纸箱进给”、“纸箱成型”、“内外折页”以及“成型输送”四个柔性模块。其后，再结合各模块的机构特点、功能需求，分别进行柔性子模块的设计，如“纸箱进给”模块下设“导轨”、“传动”、“挡板”等控制模块、“纸箱成型”模块下设“真空吸盘”、“传动”、“斜齿”等控制模块等。最后，为了实现子模块机构的能源供应与动作调整，还需进行电路、程序等方面的针对设计。这样一来，便可在各模块的功能支持下，搭建起纸箱板片由进料、加工、折叠、封底到最终成型的生产框架。基于此框架对各模块的传统方式、挡板方向、动作模式进行适宜性调整，即可满足产品包装与用户定制的生产需求，达到可调可控的灵活化包装处理效果。

2模块化包装机械的建模仿真

模块化包装机械的数字模型构建，需要经历“模块划分→功能分析/结构分析→图纸分析→参数提取→模塊创建→接口标准化处理→生成模型结构→检验结构合理性→建立模块库”的流程环节。其中，在包装机械模块的分析阶段，相关人员必须要将企业真实的图纸资料、生产条件、生产需求作为参考，并在综合分析后确定是沿用既有图纸还是重新制图;在模块、模型的创建阶段，当前主要以CAD建模软件作为平台工具，可达到良好的参数运算与模型生成效果;在模型结构合理性的检验阶段，相关人员应从静态、动态两个角度入手进行仿真检验。若检验结果不合格，则应退回“参数提取”环节进行流程优化与模型重建。

在模型建立后的仿真检验阶段，相关人员要明确包装机械的系统化运行特点，进而实施出由原材料供给到包装产出的全过程动态模拟。在此过程中，一方面要基于这一公式，对包装机械的运行效率进行仿真分析。其中，Q为生产率，单位为件/h;Tk为基本包装时间，单位为h;Tf为辅助时间，单位为h;ΣTn为循环外损失时间，单位为h。以此为依据，在动态模拟中以降低Tk为目的进行设计改良，即可达到提升包装生产线运行效率的优化效果;另一方面，要基于“调整时间增量→预估积分值→求解运动方程→求解雅可比矩阵→求解Newton-Raphson线性方程→更新变量→评估积分误差→确定误差值→重新选择步长及阶数→调整时间增量”的循环流程，利用Newton-Raphson算法进行模型参数的逻辑运算，直至获得最佳的参数结果，并终止仿真活动。此外，还需将包装机械各模块机构的材质参数输入到模型当中，随动态仿真过程进行对比分析，以此选定最终的包装机械生产材质。例如，现阶段常见的包装机斜齿轮材质有黄铜、钢材两种，其密度、弹性模量与泊松比参数分别为8545kg/m3、1.06E+11N/m2、0.324和7800kg/m3、2.07E+11N/m2和0.3。将两组参数输入到CAD软件当中，即可直观了解两种金属材质在包装机运行中的应用效果。

除动态仿真以外，相关人员还需对包装机械的数字模型进行静态模拟，了解其系统中各类模块机构的受力特点，以确保包装机设计产出后各模块实体可充分承载自重、气缸冲击力、电机简谐力的作用影响。

3模块化包装机械的优化路径

在模块化设计的背景下，相关人员需要结合数字模型及其仿真模拟，进行包装机械动态、静态缺陷问题的优化改良。

在动态方面，主要应对各模块机构的材质、尺寸、元件数量、结构布局等参数进行优化，以此消除模块本身的运行冲突，提高上层模块、生产线体系的运行效率。例如，在包装机的建模仿真中发现，传动模块是影响包装机链式生产效率的主要因素，且问题集中在齿轮、螺距两个子模块上。此时，相关人员就需要对齿轮的尺寸、齿距、齿数进行设计调整，并确保上升件螺距与齿轮参数之间的动态匹配，从而提高包装机的纸箱加工效率。

在静态方面，主要应通过力学试验对机械模型的受力阈值、形变情况进行分析，并与电机、气缸等应力作用的实际水平进行比对。其后，再根据比对结果，对机械结构进行静态调整。例如，在包装机的建模仿真中发现，包装机的架体自重较大，在长期应用下存在形变隐患，不利于包装箱的标准产出。此时，便可在架体上端增设金属横梁，以此在增大架体强度与刚性的同时，提高应力分布的均匀水平。

4结束语

总而言之，将模块化技术运用到包装机械的系统设计中，可有效提高包装机械的运行质量，为包装生产线的效率提升做出支持。在设计实践中，相关人员应坚持趋优性的设计原则，在确立设计目标后对包装机械数字模型的各类模块机构进行针对性优化，以便获得细节优质、整体高效的设计成果。

参考文献

[1] 周亮.包装机械设计中模块化设计应用策略[J].南方农机，2018， 49（18）：58.