包裝機械設計中模塊化設計的應用

韋佳蔚　陳亮

摘 要：模塊化設計在包裝機械中有很廣泛的應用，它對提升機械的整體性能有重要作用。該文從包裝機械模塊化設計的內涵與特點入手，首先分析了模塊的劃分和接口，然后以貼標機為例研究了模塊化設計在包裝機械中的應用和包裝機械設計中的其他優化方案，為包裝機械設計中模塊化設計的應用研究提供了可參考的意見。

關鍵詞：包裝機械 模塊化設計 應用 前景

中圖分類號：TB846 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0076-03

隨著社會經濟的發展，用戶對產品的個性化提出了更高的要求。包裝機械的設計也受到了市場經濟的沖擊，需要從縮減成本、加快開發和個性化設計等多個方面考慮自身的改變。傳統的包裝機械生產的批量較大、成本較高、品種較少，這已經適應不了市場的需求，必須加快自身改革的腳步。模塊化設計是一種用功能決定包裝機械設計的手段，它可以最大化滿足客戶的需求，應對市場的變化。因此，將模塊化設計加在包裝機械設計中是時代發展的趨勢，也是包裝機械緩解當前困境的措施。

1 包裝機械模塊化設計的內涵與特點

1.1 模塊化設計的內涵

模塊化設計是建立在分析產品功能基礎上的，在選擇前需要商家根據自身的需求選擇模塊。因此，模塊需要根據種類作出劃分，以方便客戶的選擇。通過這種設計，用戶可以選擇模塊的組合來決定產品的性能，以此來應對市場的快速變化。同時，這種設計也減緩了包裝機械更新換代的速度，用類似半智能化的設計手段來促進包裝機械的發展。

模塊化包裝機械的模塊有多種分類，根據功能和性能的分類大致有以下4種基本類型。

（1）橫向類型。橫向類型的模塊化設計是指不改變產品的主參數，利用模塊來實現產品的變形，以此來滿足用戶的需求。這種類型較為穩定，模塊設計也較為簡單，是較為常見的一種模塊類型。

（2）縱向類型。縱向類型的模塊化設計是指在同一類型的前提下，對不同規格的產品做定向修改。這種類型的模塊可以使產品更加多樣化，生產更多種類的產品，相比橫向類型較為復雜。

（3）跨系列類型。跨類型的模塊設計是指在一定范圍內改變模塊的某些性能，從而得到其他類型的產品。這種類型的模塊設計可以滿足多種用戶需求，但是投入和復雜程度都較高。

（4）全系列類型。全系列類型的模塊設計是一種綜合體，它既包括了橫向類型的模塊化設計，也包括了縱向類型的模塊化設計，是實現產品功能最大化的一種模塊設計類型。

1.2 模塊化設計的特點

模塊設計是建立在機械系統基礎上，同時它也結合了計算機系統和智能化系統，它的特點主要有以下幾種。

（1）簡化設計。包裝機械的設計是一個復雜的過程，需要從多個需求入手，然后分別設計相應的功能，最后綜合機械設計的原則和指標，完成包裝機械的整個設計。但是模塊化的設計卻可以極大程度地簡化包裝機械的設計過程，原本的模塊是固定的，只要根據功能需求選擇相應的模塊，然后綜合在一起，就可以基本完成整個設計。

（2）產品柔性程度高。模塊設計和機械設計不同，它可以獨立地存在，隨時將最新的技術應用在自身。因此，模塊化設計的更新換代是極快的。在此基礎上，生產商可以通過模塊設計來替代原本的產品功能，可以符合多種需求，有很強的設計柔性。

（3）便于維修。機械產品存在問題之一就是維修和保養困難，有時機械設備的維修和保養花銷遠遠超過了設備本身的價值。包裝機械也是如此，面對著維修困難的局面。模塊化設計很好地解決了這個問題，使不同模塊可以獨立地存在，在維修時只需要選擇相應的模塊就可以，方便了維修的過程。

（4）成本較低。模塊化的包裝機械在設計和制造的過程中都可以通過選用相應的模塊來完成，再加上設計的柔性較高，可以實現小批量的生產，降低了包裝機械的設計制造成本。

2 模塊的劃分和接口

2.1 模塊的劃分

模塊化設計是應用在機械設計中的，它不僅要符合自身模塊的設計指標，還要考慮到機械設計中的要求和指標。所以，在一定程度上，模塊的劃分要滿足機械設計的互換性原則，即模塊配合補位的尺寸是有固定的標準，可以實現相同模塊的互換。作為系統的一部分，模塊的劃分在一定程度上決定著機械系統能否正常運作。因此，模塊的劃分要有很強的靈活性，照顧到管理的方便。同時，還要考慮到產品的發展和變形，為實現其柔性奠定基礎。在具體的模塊劃分中，要注意以下幾點。

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

（2）滿足模塊獨立性的需求。模塊在加入系統之后雖然是整體的一部分，但是要能夠獨立存在，使其功能和結構在獨立的情況下完整。

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

2.2 模塊的接口

模塊設計的基礎是能夠獨立的存在且應用于整個包裝機械的系統，所以模塊的結合是模塊最重要的部分，結合的補位也稱為接口。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。據有關數據表明，模塊的性能60%以上決定于其接口。因此，接口的重要性可見一斑。

對于包裝機械來說，雖然其生產時的工藝力較小，不需要較多的依靠接口處的阻尼力。但是接口的標準化和通用化也決定著整個系統的性能，這關乎到模塊能否在包裝機械的系統中發揮相應的作用。因此，接口的設計一定要按照統一的標準，保證模塊組合的有效性。

3 模塊化設計在包裝機械中的應用——以貼標機為例

3.1 貼標機現狀

貼標機是包裝機械中最常用的一種，它用于對包裝成品做最后的加工，給產品貼上標簽。經濟在發展，時代在進步，人們在選擇商品的時候希望從商標中得到更多的信息，以此給自身的選擇提供參考數據。而且市場的需求的是多樣的，所以產品也必須具備多樣性的特點，這就給貼標機提出了更高的要求。

傳統的貼標機是一對一形式的，一種標簽對應一種機械。這種貼標機不僅提高了產品的成本，降低了商家的競爭力，還阻礙了產品的多樣化發展。所以，模塊化設計創新應用在了貼標機中。將模塊化設計應用在貼標機后，有以下幾點優勢。

（1）降低生產的成本。貼標機在應用模塊化設計后，可以實現多種標簽的標記，在需要的時候更換相應的貼標模塊即可。這就極大降低了生產的成本，提高了商家的市場競爭力。

（2）促進商品的多樣化。市場的需求變化是很快的，產品想要滿足市場的需求，必須加快自身的變化速度。產品的變化，相應的標簽也將變化。因此，模塊的設計可以讓商家忽略產品變化對貼標機的壓力，從而加快產品多樣化的發展。

根據上述的分析，可以很明顯地看出模塊化設計在包裝機械中應用的優勢，也正因為如此，當前的包裝機械大多采用模塊化設計的方式。例如，德國的krones集團是全球領先的包裝機械設計廠家，它們重視模塊化設計和包裝機械設計的結合，優化了包裝機械的性能，使自己的產品在市場上更具競爭力。

3.2 模塊設計在貼標機中的應用

模塊化設計可以改進包裝機械的性能，這是由于模塊的多樣性對包裝機械功能的提升。首先，模塊設計有自身的種類劃分，根據上文的分析，模塊的劃分在一定程度上決定著機械系統能否正常運作，因此需要滿足模塊多變性的需求、模塊獨立性的需求和結合部位的靈活等設計要求。在貼標機中也是如此，它可以分為冷膠貼標模塊、自粘貼標模塊、標簽滾壓模塊、基本模塊和傳送模塊等。

不同的模塊決定不同的性能，產品在制造的時候就可以根據需求選擇相應的模塊，然后組裝完成貼標機。而且，這種選擇的方案是不受限制的，客戶可以最大化地實現產品的個性化，同時貼標簽的位置也可以隨意指定，將貼標機的功能再次提升。

在2005年的德國慕尼黑食品技術博覽會上，krones公司展示了最新的高速貼標機，這種貼標機將商標的長度定在了240～600 mm之間，并且有一套通用的商標模塊，可以實現多種商標的互換。而且這種貼標機更換模塊的速度也較快，能靈活地滿足商家的各種需求。因此，krones公司的貼標機迅速占領了市場，將模塊化設計在包裝機械中的應用完美詮釋給了世人。

3.3 模塊化設計在包裝機械中應用的問題和前景

模塊化設計雖然有著不可替代的優勢，提升包裝機械的性能，但是也有自身的限制因素存在，具體表現在以下幾點上。

（1）開發的周期較長。模塊化設計滿足的功能較多，所以其在設計的過程中需要考慮多種問題，這就增加了模塊化設計的難度，延長了模塊化設計的周期。而且，模塊化的設計還要考慮各部分之間的配合問題，這就導致了一個修改導致整體機構設計的修改。因此，模塊化設計的前期設計工作任務量較大，需要從模塊的自身問題入手，分別探討不同的功過環境、不同的應用設備對整個模塊的影響。基于這些原因，模塊化設計的開發周期比較長，消耗的時間往往是傳統設計方式的幾倍之多。

（2）開發過程復雜。模塊化設計需要兼顧多種模塊的協同運作，還要考慮模塊在整個系統中運作。所以，開發的過程比較復雜。而且，模塊化設計還需要考慮電子技術和計算機技術在其中的應用，在整個開發過程中要協調多種技術之間的配合關系。特別是為了實現模塊化設計的智能化，各種傳感器和PLC等軟件和程序都需要加在其中，使整個開發過程較為復雜，增加了模塊化設計的難度。

雖然模塊化設計有自身的限制因素存在，它的應用還是不可阻擋的。當前的機械已經向著自動化和智能化的方向發展，需要滿足多種需求。所以，必須從機械系統的整體劃分開始，利用模塊化設計來優化整個包裝機械的性能。再者，經濟的高速發展需要包裝機械生產的產品有一定的市場競爭力。因此，模塊化的設計應用在包裝機械設計中的腳步不可阻擋。就以目前的情況而言，我國的包裝機械應用模塊化設計的程度還不夠高，跟發達國家還有差距。但是市場經濟的壓力和國家對技術的重視都給模塊化設計在包裝機械中的應用提供了動力，它的前途必然是一片光明。

4 包裝機械設計中的其他優化方案

模塊化設計是包裝機械設計優化的一種方式，除此之外包裝機械設計優化的方法還有虛擬設計這種方式。虛擬設計是隨著計算機技術的發展而興起的，例如計算機的輔助繪圖軟件CAD和Solidworks等，它們可以實現在電腦上的三維繪圖，然后生成相應的技術指標和性能參數。這種方式不僅可以用來檢驗設計的故障與瑕疵，還可以簡化整個設計的過程。最重要的是，這種設計方式很方便修改，可以根據客戶的需求做出各種調整，直到客戶滿意為止。虛擬設計是在計算機基礎上發展起來的，所以它對計算機依賴的程度較高。但是這種依賴卻有利于包裝機械設計行業的發展，它不僅可以提高設計的速度，還可以將設計的成果進行模擬，檢驗其在特定環境下的工作狀況。虛擬設計是用現代的科技手段進行傳統的包裝機械設計。這是時代發展的趨勢，也給包裝機械設計行業提供了新的發展方向。

除虛擬設計之外，包裝機械設計方案的優化還有以市場需求為主的方式。需求決定市場，市場的需求方向即設計的優化方向。以目前的情況而言，包裝機械行業的市場需求主要有包裝機械的設計對環境的影響要小和設備購買的成本盡可能少。當前發展的是可持續的經濟，要求機械設備產生的污染物較少，產生的噪聲也要小，這就對包裝機械內含的科技提出了更高的要求。但是當前我國的包裝機械在這方面做得還不夠好，設計和生產的包裝機械還是以追求利益和生產為主，忽視了機械設備附屬的價值。包裝機械設備的競爭力在某種程度體現在價格上，客戶想用最低的價格購買性價比最高的產品。這種性價比更多體現在包裝機械設備的科技內涵上，包含的科技越高端，其本身的附屬價值就越高，同等資源消耗，可以用更快的速度和更高的質量產出更好的商品。

5 結語

時代的發展給包裝機械提出了更高的要求，需要從自身設計的柔性和符合市場需求等多方面做出調整，以滿足發展的需求。改革是動力，要實現包裝機械的發展，必須深化模塊化設計的應用。以目前的情況而言，我國的包裝機械行業和德國、美國和英國等國家相比存在一定的差距，模塊化設計的應用也趕不上發達國家的腳步。但是，這也為我們提供了更多發展的思路和方向，可以借鑒他人成功的經驗，最終實現模塊化設計在包裝機械設計中完美的應用。

參考文獻

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