包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

韋佳蔚　陳亮

摘 要：模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中有很廣泛的應(yīng)用，它對(duì)提升機(jī)械的整體性能有重要作用。該文從包裝機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與特點(diǎn)入手，首先分析了模塊的劃分和接口，然后以貼標(biāo)機(jī)為例研究了模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用和包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的其他優(yōu)化方案，為包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究提供了可參考的意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：包裝機(jī)械 模塊化設(shè)計(jì) 應(yīng)用 前景

中圖分類(lèi)號(hào)：TB846 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（c）-0076-03

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化提出了更高的要求。包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)也受到了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的沖擊，需要從縮減成本、加快開(kāi)發(fā)和個(gè)性化設(shè)計(jì)等多個(gè)方面考慮自身的改變。傳統(tǒng)的包裝機(jī)械生產(chǎn)的批量較大、成本較高、品種較少，這已經(jīng)適應(yīng)不了市場(chǎng)的需求，必須加快自身改革的腳步。模塊化設(shè)計(jì)是一種用功能決定包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的手段，它可以最大化滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化。因此，將模塊化設(shè)計(jì)加在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，也是包裝機(jī)械緩解當(dāng)前困境的措施。

1 包裝機(jī)械模塊化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵與特點(diǎn)

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

模塊化設(shè)計(jì)是建立在分析產(chǎn)品功能基礎(chǔ)上的，在選擇前需要商家根據(jù)自身的需求選擇模塊。因此，模塊需要根據(jù)種類(lèi)作出劃分，以方便客戶(hù)的選擇。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以選擇模塊的組合來(lái)決定產(chǎn)品的性能，以此來(lái)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的快速變化。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)也減緩了包裝機(jī)械更新?lián)Q代的速度，用類(lèi)似半智能化的設(shè)計(jì)手段來(lái)促進(jìn)包裝機(jī)械的發(fā)展。

模塊化包裝機(jī)械的模塊有多種分類(lèi)，根據(jù)功能和性能的分類(lèi)大致有以下4種基本類(lèi)型。

（1）橫向類(lèi)型。橫向類(lèi)型的模塊化設(shè)計(jì)是指不改變產(chǎn)品的主參數(shù)，利用模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的變形，以此來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。這種類(lèi)型較為穩(wěn)定，模塊設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單，是較為常見(jiàn)的一種模塊類(lèi)型。

（2）縱向類(lèi)型?？v向類(lèi)型的模塊化設(shè)計(jì)是指在同一類(lèi)型的前提下，對(duì)不同規(guī)格的產(chǎn)品做定向修改。這種類(lèi)型的模塊可以使產(chǎn)品更加多樣化，生產(chǎn)更多種類(lèi)的產(chǎn)品，相比橫向類(lèi)型較為復(fù)雜。

（3）跨系列類(lèi)型?？珙?lèi)型的模塊設(shè)計(jì)是指在一定范圍內(nèi)改變模塊的某些性能，從而得到其他類(lèi)型的產(chǎn)品。這種類(lèi)型的模塊設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足多種用戶(hù)需求，但是投入和復(fù)雜程度都較高。

（4）全系列類(lèi)型。全系列類(lèi)型的模塊設(shè)計(jì)是一種綜合體，它既包括了橫向類(lèi)型的模塊化設(shè)計(jì)，也包括了縱向類(lèi)型的模塊化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能最大化的一種模塊設(shè)計(jì)類(lèi)型。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

模塊設(shè)計(jì)是建立在機(jī)械系統(tǒng)基礎(chǔ)上，同時(shí)它也結(jié)合了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和智能化系統(tǒng)，它的特點(diǎn)主要有以下幾種。

（1）簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要從多個(gè)需求入手，然后分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能，最后綜合機(jī)械設(shè)計(jì)的原則和指標(biāo)，完成包裝機(jī)械的整個(gè)設(shè)計(jì)。但是模塊化的設(shè)計(jì)卻可以極大程度地簡(jiǎn)化包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程，原本的模塊是固定的，只要根據(jù)功能需求選擇相應(yīng)的模塊，然后綜合在一起，就可以基本完成整個(gè)設(shè)計(jì)。

（2）產(chǎn)品柔性程度高。模塊設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)不同，它可以獨(dú)立地存在，隨時(shí)將最新的技術(shù)應(yīng)用在自身。因此，模塊化設(shè)計(jì)的更新?lián)Q代是極快的。在此基礎(chǔ)上，生產(chǎn)商可以通過(guò)模塊設(shè)計(jì)來(lái)替代原本的產(chǎn)品功能，可以符合多種需求，有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)柔性。

（3）便于維修。機(jī)械產(chǎn)品存在問(wèn)題之一就是維修和保養(yǎng)困難，有時(shí)機(jī)械設(shè)備的維修和保養(yǎng)花銷(xiāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)備本身的價(jià)值。包裝機(jī)械也是如此，面對(duì)著維修困難的局面。模塊化設(shè)計(jì)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，使不同模塊可以獨(dú)立地存在，在維修時(shí)只需要選擇相應(yīng)的模塊就可以，方便了維修的過(guò)程。

（4）成本較低。模塊化的包裝機(jī)械在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中都可以通過(guò)選用相應(yīng)的模塊來(lái)完成，再加上設(shè)計(jì)的柔性較高，可以實(shí)現(xiàn)小批量的生產(chǎn)，降低了包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)制造成本。

2 模塊的劃分和接口

2.1 模塊的劃分

模塊化設(shè)計(jì)是應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中的，它不僅要符合自身模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)，還要考慮到機(jī)械設(shè)計(jì)中的要求和指標(biāo)。所以，在一定程度上，模塊的劃分要滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)計(jì)的互換性原則，即模塊配合補(bǔ)位的尺寸是有固定的標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)相同模塊的互換。作為系統(tǒng)的一部分，模塊的劃分在一定程度上決定著機(jī)械系統(tǒng)能否正常運(yùn)作。因此，模塊的劃分要有很強(qiáng)的靈活性，照顧到管理的方便。同時(shí)，還要考慮到產(chǎn)品的發(fā)展和變形，為實(shí)現(xiàn)其柔性奠定基礎(chǔ)。在具體的模塊劃分中，要注意以下幾點(diǎn)。

（1）滿(mǎn)足模塊多變性的需求。模塊在劃分的時(shí)候要從功能入手，力求用最少的模塊可以組成功能最多的產(chǎn)品。

（2）滿(mǎn)足模塊獨(dú)立性的需求。模塊在加入系統(tǒng)之后雖然是整體的一部分，但是要能夠獨(dú)立存在，使其功能和結(jié)構(gòu)在獨(dú)立的情況下完整。

（3）結(jié)合部位的靈活。模塊是要加入系統(tǒng)中的，并且可以隨時(shí)拆卸。所以，模塊的結(jié)合部位要便于結(jié)合與分離。

2.2 模塊的接口

模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是能夠獨(dú)立的存在且應(yīng)用于整個(gè)包裝機(jī)械的系統(tǒng)，所以模塊的結(jié)合是模塊最重要的部分，結(jié)合的補(bǔ)位也稱(chēng)為接口。模塊的接口在一定程度上決定著不同模塊之間的互換性和可組合性。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，模塊的性能60%以上決定于其接口。因此，接口的重要性可見(jiàn)一斑。

對(duì)于包裝機(jī)械來(lái)說(shuō)，雖然其生產(chǎn)時(shí)的工藝力較小，不需要較多的依靠接口處的阻尼力。但是接口的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化也決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能，這關(guān)乎到模塊能否在包裝機(jī)械的系統(tǒng)中發(fā)揮相應(yīng)的作用。因此，接口的設(shè)計(jì)一定要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，保證模塊組合的有效性。

3 模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用——以貼標(biāo)機(jī)為例

3.1 貼標(biāo)機(jī)現(xiàn)狀

貼標(biāo)機(jī)是包裝機(jī)械中最常用的一種，它用于對(duì)包裝成品做最后的加工，給產(chǎn)品貼上標(biāo)簽。經(jīng)濟(jì)在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，人們?cè)谶x擇商品的時(shí)候希望從商標(biāo)中得到更多的信息，以此給自身的選擇提供參考數(shù)據(jù)。而且市場(chǎng)的需求的是多樣的，所以產(chǎn)品也必須具備多樣性的特點(diǎn)，這就給貼標(biāo)機(jī)提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的貼標(biāo)機(jī)是一對(duì)一形式的，一種標(biāo)簽對(duì)應(yīng)一種機(jī)械。這種貼標(biāo)機(jī)不僅提高了產(chǎn)品的成本，降低了商家的競(jìng)爭(zhēng)力，還阻礙了產(chǎn)品的多樣化發(fā)展。所以，模塊化設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)用在了貼標(biāo)機(jī)中。將模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用在貼標(biāo)機(jī)后，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（1）降低生產(chǎn)的成本。貼標(biāo)機(jī)在應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)后，可以實(shí)現(xiàn)多種標(biāo)簽的標(biāo)記，在需要的時(shí)候更換相應(yīng)的貼標(biāo)模塊即可。這就極大降低了生產(chǎn)的成本，提高了商家的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）促進(jìn)商品的多樣化。市場(chǎng)的需求變化是很快的，產(chǎn)品想要滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，必須加快自身的變化速度。產(chǎn)品的變化，相應(yīng)的標(biāo)簽也將變化。因此，模塊的設(shè)計(jì)可以讓商家忽略產(chǎn)品變化對(duì)貼標(biāo)機(jī)的壓力，從而加快產(chǎn)品多樣化的發(fā)展。

根據(jù)上述的分析，可以很明顯地看出模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，也正因?yàn)槿绱?，?dāng)前的包裝機(jī)械大多采用模塊化設(shè)計(jì)的方式。例如，德國(guó)的krones集團(tuán)是全球領(lǐng)先的包裝機(jī)械設(shè)計(jì)廠家，它們重視模塊化設(shè)計(jì)和包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)合，優(yōu)化了包裝機(jī)械的性能，使自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 模塊設(shè)計(jì)在貼標(biāo)機(jī)中的應(yīng)用

模塊化設(shè)計(jì)可以改進(jìn)包裝機(jī)械的性能，這是由于模塊的多樣性對(duì)包裝機(jī)械功能的提升。首先，模塊設(shè)計(jì)有自身的種類(lèi)劃分，根據(jù)上文的分析，模塊的劃分在一定程度上決定著機(jī)械系統(tǒng)能否正常運(yùn)作，因此需要滿(mǎn)足模塊多變性的需求、模塊獨(dú)立性的需求和結(jié)合部位的靈活等設(shè)計(jì)要求。在貼標(biāo)機(jī)中也是如此，它可以分為冷膠貼標(biāo)模塊、自粘貼標(biāo)模塊、標(biāo)簽滾壓模塊、基本模塊和傳送模塊等。

不同的模塊決定不同的性能，產(chǎn)品在制造的時(shí)候就可以根據(jù)需求選擇相應(yīng)的模塊，然后組裝完成貼標(biāo)機(jī)。而且，這種選擇的方案是不受限制的，客戶(hù)可以最大化地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化，同時(shí)貼標(biāo)簽的位置也可以隨意指定，將貼標(biāo)機(jī)的功能再次提升。

在2005年的德國(guó)慕尼黑食品技術(shù)博覽會(huì)上，krones公司展示了最新的高速貼標(biāo)機(jī)，這種貼標(biāo)機(jī)將商標(biāo)的長(zhǎng)度定在了240～600 mm之間，并且有一套通用的商標(biāo)模塊，可以實(shí)現(xiàn)多種商標(biāo)的互換。而且這種貼標(biāo)機(jī)更換模塊的速度也較快，能靈活地滿(mǎn)足商家的各種需求。因此，krones公司的貼標(biāo)機(jī)迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，將模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用完美詮釋給了世人。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中應(yīng)用的問(wèn)題和前景

模塊化設(shè)計(jì)雖然有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，提升包裝機(jī)械的性能，但是也有自身的限制因素存在，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)上。

（1）開(kāi)發(fā)的周期較長(zhǎng)。模塊化設(shè)計(jì)滿(mǎn)足的功能較多，所以其在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮多種問(wèn)題，這就增加了模塊化設(shè)計(jì)的難度，延長(zhǎng)了模塊化設(shè)計(jì)的周期。而且，模塊化的設(shè)計(jì)還要考慮各部分之間的配合問(wèn)題，這就導(dǎo)致了一個(gè)修改導(dǎo)致整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的修改。因此，模塊化設(shè)計(jì)的前期設(shè)計(jì)工作任務(wù)量較大，需要從模塊的自身問(wèn)題入手，分別探討不同的功過(guò)環(huán)境、不同的應(yīng)用設(shè)備對(duì)整個(gè)模塊的影響。基于這些原因，模塊化設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，消耗的時(shí)間往往是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的幾倍之多。

（2）開(kāi)發(fā)過(guò)程復(fù)雜。模塊化設(shè)計(jì)需要兼顧多種模塊的協(xié)同運(yùn)作，還要考慮模塊在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)作。所以，開(kāi)發(fā)的過(guò)程比較復(fù)雜。而且，模塊化設(shè)計(jì)還需要考慮電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在其中的應(yīng)用，在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中要協(xié)調(diào)多種技術(shù)之間的配合關(guān)系。特別是為了實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的智能化，各種傳感器和PLC等軟件和程序都需要加在其中，使整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程較為復(fù)雜，增加了模塊化設(shè)計(jì)的難度。

雖然模塊化設(shè)計(jì)有自身的限制因素存在，它的應(yīng)用還是不可阻擋的。當(dāng)前的機(jī)械已經(jīng)向著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展，需要滿(mǎn)足多種需求。所以，必須從機(jī)械系統(tǒng)的整體劃分開(kāi)始，利用模塊化設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化整個(gè)包裝機(jī)械的性能。再者，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展需要包裝機(jī)械生產(chǎn)的產(chǎn)品有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，模塊化的設(shè)計(jì)應(yīng)用在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的腳步不可阻擋。就以目前的情況而言，我國(guó)的包裝機(jī)械應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)的程度還不夠高，跟發(fā)達(dá)國(guó)家還有差距。但是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的壓力和國(guó)家對(duì)技術(shù)的重視都給模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械中的應(yīng)用提供了動(dòng)力，它的前途必然是一片光明。

4 包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的其他優(yōu)化方案

模塊化設(shè)計(jì)是包裝機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化的一種方式，除此之外包裝機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法還有虛擬設(shè)計(jì)這種方式。虛擬設(shè)計(jì)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的，例如計(jì)算機(jī)的輔助繪圖軟件CAD和Solidworks等，它們可以實(shí)現(xiàn)在電腦上的三維繪圖，然后生成相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)。這種方式不僅可以用來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的故障與瑕疵，還可以簡(jiǎn)化整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程。最重要的是，這種設(shè)計(jì)方式很方便修改，可以根據(jù)客戶(hù)的需求做出各種調(diào)整，直到客戶(hù)滿(mǎn)意為止。虛擬設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以它對(duì)計(jì)算機(jī)依賴(lài)的程度較高。但是這種依賴(lài)卻有利于包裝機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，它不僅可以提高設(shè)計(jì)的速度，還可以將設(shè)計(jì)的成果進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)其在特定環(huán)境下的工作狀況。虛擬設(shè)計(jì)是用現(xiàn)代的科技手段進(jìn)行傳統(tǒng)的包裝機(jī)械設(shè)計(jì)。這是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，也給包裝機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)提供了新的發(fā)展方向。

除虛擬設(shè)計(jì)之外，包裝機(jī)械設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化還有以市場(chǎng)需求為主的方式。需求決定市場(chǎng)，市場(chǎng)的需求方向即設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向。以目前的情況而言，包裝機(jī)械行業(yè)的市場(chǎng)需求主要有包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境的影響要小和設(shè)備購(gòu)買(mǎi)的成本盡可能少。當(dāng)前發(fā)展的是可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)，要求機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的污染物較少，產(chǎn)生的噪聲也要小，這就對(duì)包裝機(jī)械內(nèi)含的科技提出了更高的要求。但是當(dāng)前我國(guó)的包裝機(jī)械在這方面做得還不夠好，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的包裝機(jī)械還是以追求利益和生產(chǎn)為主，忽視了機(jī)械設(shè)備附屬的價(jià)值。包裝機(jī)械設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力在某種程度體現(xiàn)在價(jià)格上，客戶(hù)想用最低的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)性?xún)r(jià)比最高的產(chǎn)品。這種性?xún)r(jià)比更多體現(xiàn)在包裝機(jī)械設(shè)備的科技內(nèi)涵上，包含的科技越高端，其本身的附屬價(jià)值就越高，同等資源消耗，可以用更快的速度和更高的質(zhì)量產(chǎn)出更好的商品。

5 結(jié)語(yǔ)

時(shí)代的發(fā)展給包裝機(jī)械提出了更高的要求，需要從自身設(shè)計(jì)的柔性和符合市場(chǎng)需求等多方面做出調(diào)整，以滿(mǎn)足發(fā)展的需求。改革是動(dòng)力，要實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械的發(fā)展，必須深化模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。以目前的情況而言，我國(guó)的包裝機(jī)械行業(yè)和德國(guó)、美國(guó)和英國(guó)等國(guó)家相比存在一定的差距，模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用也趕不上發(fā)達(dá)國(guó)家的腳步。但是，這也為我們提供了更多發(fā)展的思路和方向，可以借鑒他人成功的經(jīng)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)在包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中完美的應(yīng)用。

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