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关于食品加工中机械输送系统的设计和制造的一项研究

摘要: 本文通过介绍一项研究的成果，用来制定改进输送机的方法和技术,这种 机械输送系统的制造和装配用于食品和饮料业，将减少设计、制造和装配的成本和时间。这种用于输送机组件的设计和生产的改进方法是基于其材料，零件数量和成本的最小化，其采用了面向生产制造的设计原则和面向装配的设计原则。利用改进的技术于输送系统测试验证了这种技术所取得的良好成果。与传统方法相比，材料整体成本减少了19%，装配整体成本减少了20%。

关键词：装配；降低成本；设计；DFA；DFM；机械传送

1 前言

应用于食品和饮料工业的输送机系统是由许多零部件构成的高度自动化的定制机构，其设计用于快速的生产和装配线中的产品输送，如食品箱、饮料瓶和罐状体等。大部分食品和饮料的加工和包装需要连续作业，这个过程中的集箱，瓶体和罐状体需要以一个被控制的速度移动而进行填充和装配作业。他们的操作需要高效率和高度可靠的机械输送装置，其范围涉及到从整体类型到架空类型地面链条到滚子或皮带驱动的输送系统。

近年来，基于客户对低成本，高效率的机械输送系统需求的巨大压力，输送装置制造商不得不检讨他们目前的设计和组装方法，并寻找一种替代方法可以为他们的客户生产制造更加经济和可靠的传送装置。如今，大多数物料搬运设备，无论是硬件还是软件，都具有高度专业化、无弹性和昂贵的配置、安装和维修费。输送机根据他们的位置固定在指定地点，输送带则根据他们的综合速度固定，这使得更换输送带系统非常困难和昂贵。在现今急剧变化的工业市场条件下，有必要实施一套新的制造策略，制定一个新的系统作战原则和树立一个新的系统控制软、硬件发展观，以便可以应用在开放和灵活的新一代物料处理系统的设计中。Ho和Ranky 围绕一个基于CIM-OSA（开放系统体系结构）模型的开放可重构的软件体系结构，提出了一种新的模块化、可重构的二维和三维输送系统，其中包括一个开放的可重构软件体系。值得注意的是，在饮料行业中使用的输送系统的改进的研究领域是非常有限的。大部分的出版研究都直接指向于努力改善输送系统的运作以及集成系统和高度精密的软件和硬件。

本文研究目的是，提出改善目前应用在设计制造和楼层装配中使用展开链驱动机械传送带的技术和做法，以减少制造输送带的时间及成本。运用目前制造业和整体装配设计的并行工程和设计原则的理念，对几个关键零件进行调查，调查其在整个输送系统中功能、材料适宜性、强度准则和成本和组装的便捷性。对关键部件一部分在形状和几何方面进行了改良和重新设计，一部分对其材料进行改良。改进的设计方法和新的传送部件的功能被放在使用新的改良部件设计、制造和装配的一台新的测试传送系统设备上进行验证和测试。

2 制造和装配设计（DFMA）

近年来，制造和装配设计方面的研究已成为制造企业非常有用的帮手，他们正考虑利用这些研究来改善他们的设施和制造的方法。不过，一直很少有涉及在输送机方面的研究，特别是越来越多的基于传统设计方法的图纸数据和输送机设计过程的重复设计问题。大量的已经调查了有关DFMA的论文和应用了各式方法为了让被测试公司达到经济、高效和成本效益的成果的论文已经发表。

DFMA知识的主要分类可以被认定为通用准则、特定公司的最佳实践或过程和特定资源的约束。通用准则指的是通常适用的经验法则，涉及到设计者应该知道的制造范围。下列原则已编制为DFMA的指引：

• 零件数量最少化设计
• 开发模块化设计
• 零件变化的最小化
• 设计零件多功能
• 设计零件多用途
• 设计零件易于制造
• 避免单独紧固件
• 兼容性最大化：设计便于组装
• 减少设计和处理时间
• 评估有效的装配方法
• 消除调整
• 避免灵活的组成部分：它们很难操作处理
• 使用已知能力的部件
• 允许零件的最大的不容忍现象
• 使用已知的和经过验证的厂商和供应商
• 以无边界过应力降压值使用部件
• 最小化子组件
• 强调标准化
• 使用最简单可靠的操作
• 使用已知能力的操作
• 尽量减少设置和干预
• 分批进行工程变更

这些设计准则应被看作是“最理想的建议”。它们通常会产生一个高品质、低成本和可制造性的设计。当然，偶尔做出妥协也是必须的。在这种情况下，如果一项指针不符合市场营销或业绩的要求, 则应选择下一个最佳方案。

通常在很长一段时间内，个体公司的最佳实践是指一个公司开发的设计师被期待去遵守的内部设计准则。这些设计准则是由公司确定，通过识别特定流程和设计决策之间的整体关系来提高质量和效率。公司使用这些准则作为给需要大量手工装配或维修的产品的设计师们培训的一部分。值得注意的是无论是快速、简单地启动，还是更加的正式和定量，大部分的方法是好的。例如，Boothroyd和Dewhurst的关于DFA的指引就被视为定量和系统化。而DFMA的指导准则，只是来自有经验的专业人士的经验法则，有着更多的定性和不正式性。

3 传统输送系统的设计

输送机系统的设计和制造是一个非常复杂的时间消耗过程。因为每一个输送系统都是一个定制的产品，所以每个项目在规模，产品和布局方面都不同与其它项目。该系统是基于客户的要求和产品的规格而设计的。而且，该系统的布局应适应公司所提供的空间。设计输送系统布局的过程中涉及修改的时间可能是从几天到几个月或者几年，主要看其与最低成本和最大客户适应性能够最大可能的得到批准。

图1展示了一个安装在塑料瓶贴标生产线上的典型的输送系统示意图布局。传送系统的不同部分由专用的技术名称确定，这通常被用在相似的工业应用中。其中，“单独路线”部分使产品从多线形成一条单行线；一旦产品退出灌装机和贴标机等，“减速台”就降低产品速度。“高速流”部分是用来保持高速度过程的，例如：填料、贴标等过程。“转换台”用来改变产品流动的方向。因此，这些不同的输送部分的功能是通过不同的加工机器来控制产品流动。

一个应用于食品和饮料行业的典型的机械输送系统由超过200个取决于系统规模的机械和电子零件组成。传送系统中一些可以被标准化和不断家族化的常见的额但又必不可少的组成部分有：侧架、间隔条、端板、盖板、内弯曲板、外弯曲板、弯曲的轨道槽和轴（激励、跟踪和从动）。这些部件的尺寸和数量根据输送部分的长度和所需链条的宽度和类型相一致的轨道数量不同而变化。目前，机械输送装置的设计、制造和装配的问题和缺点是各式各样的，但包括：

• 部分部件的重复设计
• 部分组件成本过高
• 涉及装配和维修的时间过长
• 非标准零件的使用

图1 贴塑料瓶传送系统的布局

4 改进的地方

为了查明已降低材料和劳工成本的领域，进行一次所有主要的输送部件的花费分析，以评估与所有这样部件的总花费相关的每个部件所占的百分比。进行这样分析的目的是确定关键零部件，这些关键零部件与输送装置不断增加的成本有关。由此，寻找减低这类零部件成本的途径。

如表1所示的是一个50节输送系统的成本分析。分析表明,15个零部件中有12个构成其中输送系统总的材料成本的79%。在这个系统中，进一步在设计方面进行改良以降低成本是有可能的。其中，七个部分被确定为关键零件（表1中的星号表示），其在数量上包括了组件的大部分，在总的材料成本上占了超过71%的比重。在这其中可以发现，三个组件（腿组，侧架和支撑通道）占总输送装置材料成本的50%。对这12个零部件中的每一个进行详细的分析，可以发现每一个案例的发展都涉及到并行工程原则、面向制造的设计、面向装配的设计和新改进的设计。一些被挑选的主要部件在设计方面进行改进的细节如下所示:

表1 基于零件成本分析的输送装置的关键部分

注：带*为关键零部件

5 腿部装配的重新设计

在一个输送系统中，腿部安装在侧架上以保持整个输送系统脱离地面。现有的设计输送腿工作，制造费用昂贵，存在稳定性问题，会造成交货延误。有些零部件是从海外进口，而它们的不能准时交货通常会导致延误。输送腿部要满足的关键要求有:

• 输送负荷
• 稳定性
• 易于装配
• 灵活性（对于高度的调整）

如图2所示为现有的输送机腿设计的所有部分。所指明的数字是表2中所描述的零件号，这也显示了成本分析的完整性和装配一套完整的腿所需的劳动时间。现有的腿部安装由从

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