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摘要
灌裝機是酒水、飲料類等食品加工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前正向著灌裝的高速化、精確化；以及智能化、多功能化方向發(fā)展。
本文針對傳統(tǒng)罐裝機性能比較單一、自動化程度低、通用性差，灌裝速度調(diào)整不方便，而且難以適用瓶形、液體物料及灌裝規(guī)格的變化等問題，結(jié)合全自動液體灌裝的工藝流程，分析了全自動液體灌裝機的工作過程及其主要部件的功能，重點介紹了全自動液體灌裝機關(guān)鍵工作環(huán)節(jié)的工作原理及控制要求。
全自動液體灌裝機實現(xiàn)了灌裝生產(chǎn)高速化、精確化、智能化、多功能化以及操作界面人性化的要求。對灌裝工作過程進(jìn)行實時監(jiān)控及動態(tài)管理，提高了液體灌裝的自動化水平，提高了生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：灌裝，包裝，灌裝機，供瓶系統(tǒng)
ABSTRACT
Liquid filling machine was one of critical equipments in the filed of food processing for beverages．At present，the development tendency of Liquid filling machine was high speed、accurate、intelligent and multifunction．
This paper compared the performance of traditional single．cylinder machine， the lower degree of automation，poor GM，filling speed of adjustment is not convenient，but difficult to apply a bottle—shaped，liquid filling materials and the changes in specifications and other issues，combined with fully automatic liquid filling process processes，analysis of the automatic liquid filling machine of the working process and its main functional parts，focuses on the automatic liquid
filling machine of the key aspects of the work of the working principle and control requirements。
Full-automatic liquid filling machine to achieve the filling of the production of high-speed，precision，intelligence，multi—functional as well as human interface requirements．Work on the filling process of real-time monitoring and dynamic management，increased automation level of liquid filling，increased production efficiency．
Key words：Filling，packaging，filling machine
第一章 引言
1.1課題研究的目的、意義
隨著食品工業(yè)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，食品的需求量和種類與日俱增，食品包裝也日漸突出。食品包裝機械是對食品進(jìn)行完成全部或部分包裝過程的機器。包裝過程包括充填、裹包、封口等主要包裝工序，以及與其相關(guān)的前后工序、計量等輔助設(shè)備。食品包裝機械是食品工業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)。發(fā)展食品
包裝機械化，可以提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約大量勞動力，可以降
低勞動強度，改善勞動條件，有利于食品衛(wèi)生，提高生產(chǎn)質(zhì)
量，還可以改善環(huán)境衛(wèi)生，節(jié)約原料。
灌裝機械是食品包裝機械中的一種，通常將液體產(chǎn)品充填到包裝容器內(nèi)的機器稱為灌裝機械。在自動灌裝機中，按照灌裝的工藝要求、速度、間距和狀態(tài)，準(zhǔn)確地將待灌瓶送入主轉(zhuǎn)盤升降托瓶臺上，是保證灌裝機正常而有序地工作的關(guān)鍵。常用的供送裝置有鏈帶式、動梁推進(jìn)式、螺桿和星型撥輪等。供瓶機構(gòu)是液體灌裝機的
必要組成部分，它在液體灌裝機中起到承上啟下的作用，完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證灌裝動作的順利完成，實現(xiàn)其自動化操作。
1.2國內(nèi)外液體灌裝機現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢
1.2.1國內(nèi)外液體灌裝機械的發(fā)展現(xiàn)狀
我國飲料灌裝機械制造業(yè)起步晚，建國后基本上采用的是手工灌裝，當(dāng)時國內(nèi)啤酒廠和汽水廠都是使用國外早期比較落后的設(shè)備，工藝落后，灌裝速度慢，而且在衛(wèi)生上也存在很大問題，嚴(yán)重影響了我國飲料行業(yè)的發(fā)展。改革開放后，隨著輕工業(yè)的迅速發(fā)展，一方面我國先后引進(jìn)了一些國外灌裝生產(chǎn)線，在改造一些飲料生產(chǎn)企業(yè)的同時，另一方面我國也在自行研制，這就促進(jìn)了我國的包裝機械行業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期， 開發(fā)出各種自動、半自動中小型的灌裝機械，提供給國內(nèi)大批飲料廠，促進(jìn)了我國飲料業(yè)的迅速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，我國采用技術(shù)貿(mào)易結(jié)合的方式，引進(jìn)德國SEN公
司20000瓶／小時的啤酒灌裝線和日本三菱公司18000瓶／d,時的含氣體飲料灌裝線的制造技術(shù)，到1991年又引進(jìn)了德國KHS公司36000瓶／d,時的啤酒灌裝線及生產(chǎn)技術(shù)。
這樣，我國不僅能夠生產(chǎn)中小型的灌裝機，而且開始生產(chǎn)大型灌裝機。我們參照國外全自動液體灌裝機的先進(jìn)機型，結(jié)合國內(nèi)液體灌裝的實際情況，獨立開發(fā)設(shè)計并制造新型全自動液體灌裝生產(chǎn)線，并根據(jù)測算，與國外同類產(chǎn)品相比，價格僅是進(jìn)口設(shè)備35％tn， 并且完全可以代替進(jìn)口同類產(chǎn)品，具有良好的價格性能比，同時技術(shù)水平也上了一個臺階，將我國液體灌裝設(shè)備制造業(yè)的整體水平提高到一個新的水平。我國的灌裝機械制造業(yè)，經(jīng)歷了仿制、引進(jìn)技術(shù)、消化吸收、創(chuàng)新、自主開發(fā)的過程，技術(shù)進(jìn)步及創(chuàng)新的速度很快，而且在不斷縮小與國外先進(jìn)技術(shù)之間的差距。國內(nèi)很多廠家生產(chǎn)的灌裝機比較
有代表性，能在模仿的基礎(chǔ)上發(fā)展出自己的特色，且能夠溶入高新技術(shù)，比如有灌裝時灌裝頭自動伸入瓶內(nèi)緩緩上升，使液體不向外溢，灌裝量通過PLC控制在熒屏顯示，適合有一定泡沫的藥液或化妝品的潛入式灌裝機；攻克了屋頂形包裝機不能熱灌裝、不能加蓋等難題。
1.1.2國內(nèi)外液體灌裝機械制造業(yè)的發(fā)展趨勢
隨著食品工業(yè)的發(fā)展，在飲料灌裝、包裝設(shè)備方面也不斷的向高的方向發(fā)展。目前在這方面的發(fā)展水平還是體現(xiàn)在美國、德國、意大利、英國和日本等國家，我國也不斷在向這個方向發(fā)展。其主要表現(xiàn)為：生產(chǎn)的高速化、設(shè)備結(jié)構(gòu)合理化、設(shè)備的多功能化、控制的智能化，以及設(shè)備的綠色化等。
①生產(chǎn)的高速化。為了迎合市場發(fā)展的需求，獲取大的經(jīng)濟利益，提高生產(chǎn)速度似乎已經(jīng)成為生產(chǎn)控制中的一個重要因素。在一定程度上講，提高生產(chǎn)速度在不增加勞動力的情況下，唯一的方法就是改進(jìn)設(shè)備，用同樣的時間和同樣的勞動力去操縱高效率的機器，以生產(chǎn)出相對多的產(chǎn)品。因此在這方面，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力就成為重中之重。目前，在碳酸飲料灌裝中，灌裝機的灌裝速度最高可達(dá)2000罐／分，灌裝閥頭數(shù)也分別達(dá)到140頭、160 頭、180頭；非碳酸飲料灌裝機的灌裝閥頭數(shù)也達(dá)到50,--,100頭【91。在灌裝速度上，灌裝速度最高可達(dá)1000瓶／分，最高的已經(jīng)超過1500瓶／分【Iol。
②結(jié)構(gòu)的合理化。國內(nèi)外灌裝機械制造商都在致力于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不斷的在對老產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化的同時開發(fā)出新的產(chǎn)品以適合市場的變化。一方面是零部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)備可靠性的提高， 另一方面則圍繞設(shè)備成本降低，以及操作方便和可維護(hù)性進(jìn)行研究。例如，德國KRONES 公司貼標(biāo)機的轉(zhuǎn)換部件大大減少，貼標(biāo)的功能及數(shù)量反而增加。有的“沖一灌一封一一體機全部采用瓶頸夾持輸送裝置，省去了輸瓶導(dǎo)板、導(dǎo)軌、底板等轉(zhuǎn)換部件，不論PET 瓶體積大小如何均不需要調(diào)整灌裝機和封口機的高度，在各種生產(chǎn)時速和各種灌裝方
式中都能夠高速、平穩(wěn)地輸送包裝容器。
③設(shè)備多功能化。設(shè)備在不斷的向多功能化方向發(fā)展，早期的灌裝設(shè)備，功能單一，只適應(yīng)一種容器或一種液體的灌裝，而且灌裝量調(diào)節(jié)范圍比較小，不能夠適應(yīng)用戶改變包裝容器、改變灌裝液體及灌裝量的變化。而新型的灌裝設(shè)備是由幾臺可以獨立工作的設(shè)備經(jīng)過智能組合，按用戶的要求組成的不同形式的生產(chǎn)線，用戶只需在更換小的部件的情況下就能完全滿足對不同容器、不同液體的灌裝，而且灌速度調(diào)節(jié)自如，這樣就可以滿足用戶的不同灌裝要求。
④控制的智能化。早期的灌裝設(shè)備都是通過機構(gòu)的功能來進(jìn)行機械操作，使得設(shè)備龐大，運轉(zhuǎn)不靈活， 而且可控制性差，誤差大等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種功能的傳感器和可編程控制器普遍應(yīng)用于灌裝機的控制系統(tǒng)中，而且大型設(shè)備更是采用計算機控制，人機界面，故障自我診斷等，實現(xiàn)了設(shè)備運行的智能化。現(xiàn)代灌裝技術(shù)的目標(biāo)是精確、高效、自動化。精確的灌裝量、灌裝過程的高速、減少盡量小的液損、整條生產(chǎn)線的最優(yōu)化控制，都由于電子技術(shù)的實際應(yīng)用而成為可能。
1.3我國液體灌裝機的發(fā)展趨勢
我國液體灌裝機要知足包裝行業(yè)疾速開展的需求，并積極參加國際競爭，就必需打破“小而散”的行業(yè)態(tài)勢，在“高精尖”的偏向上不時進(jìn)步。業(yè)界人士以為，將來液體灌裝機將共同財產(chǎn)主動化趨向，在技能開展上朝著機械功用多元化，構(gòu)造設(shè)計規(guī)范化、模組化，節(jié)制智能化，構(gòu)造高精度化等幾個偏向開展液體。因而灌裝機的開展為食物、藥品的現(xiàn)代化加工和多量量出產(chǎn)供應(yīng)了需要的包管。然后再一次證實了液體灌裝機的開展市場潛力宏大。
灌裝機首要是包裝機中的一小類產(chǎn)物,從對物料的包裝角度可分為液體灌裝機,膏體灌裝機,粉劑灌裝機,顆粒灌裝機;從出產(chǎn)的主動化水平來講分為半主動灌裝機和全主動灌裝出產(chǎn)線.灌裝分類按包裝物類別首要有三大類：袋、軟管和瓶，灌裝機的選用與包裝物有親密關(guān)系。
跟著我國酒業(yè)的疾速開展,啤酒、葡萄酒、黃酒、白酒等酒類產(chǎn)量繼續(xù)增進(jìn)，我國飲料酒（不含果露酒、發(fā)酵酒精）總產(chǎn)量已達(dá)2878萬千升,同比增進(jìn)8.2%。有關(guān)專家指出，我國飲料行業(yè)是高生長性的行業(yè)，成熟飲品增進(jìn)不變，新的熱點和增進(jìn)點不時涌現(xiàn)，新興飲品的增進(jìn)更快。還，中國包裝機械已開展成世界液態(tài)食物行業(yè)中有嚴(yán)重影響和極大市場據(jù)有率行業(yè)。因而，液體灌裝機市場開展?jié)摿甏蟆?
當(dāng)今的液體灌裝機械，尤其是飲料、啤酒灌裝機械和食品包裝機械，具有高速、成套、自動化程度高和可靠性好等特點，也是目前灌裝機械行業(yè)發(fā)展趨勢走向。同一臺設(shè)備，可進(jìn)行茶飲料、咖啡飲料、豆乳飲料和果汁飲料等多種飲料的熱灌裝;均可進(jìn)行玻璃瓶與聚酯瓶的灌裝。速度、高產(chǎn)量碳酸飲料灌裝機的灌裝速度最高達(dá)2000罐/分，德國KHS公司、SEN公司、KRONES公司，其灌裝機的灌裝閥分別達(dá)到165頭、144頭、178頭。非碳酸飲料灌裝機的灌裝閥50—100頭，灌裝速度最高達(dá)1500罐/分。
全線的自控水平和全線效率高。在線檢測裝置和計量裝置配套完備，能自動檢測各項參數(shù)，計量精確。集機、電、氣、光、磁為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。如一條飲料灌裝線，由微電腦件、控制軟件、灌裝封蓋配套組合，現(xiàn)實生產(chǎn)力與理論科技相結(jié)合。供貨商可以為用戶提供工程設(shè)計、安裝、調(diào)試，最后交用戶驗收。比如：沈陽東泰包裝機械設(shè)計是將普遍使用仿真設(shè)計技術(shù)把各種機器單元以數(shù)據(jù)庫形式存入計算機，把圖紙數(shù)字化后輸入計算機，再把實際生產(chǎn)的指標(biāo)和數(shù)據(jù)、可能發(fā)生的故障等輸入計算機，再由工程師依照實際工作情況進(jìn)行操作，演示出生產(chǎn)能力、廢品率、生產(chǎn)環(huán)節(jié)匹配、生產(chǎn)線瓶頸在何處等，還可根據(jù)用戶意見進(jìn)行修改模型直到用戶滿意。
當(dāng)前灌裝機械技術(shù)在食品、飲料包裝上的開發(fā)、設(shè)計和制造過程中廣泛應(yīng)用。當(dāng)前灌裝機械的發(fā)展趨勢是不斷提高單機的自動化程度，改善整條包裝生產(chǎn)線的自動化控制水平、生產(chǎn)能力，可以大大改善食品飲料包裝生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量，提高其國內(nèi)、國際競爭能力。灌裝機主要是包裝機中的一小類產(chǎn)品,從對物料的包裝角度可分為液體灌裝機,膏體灌裝機,粉劑灌裝機,顆粒灌裝機;從生產(chǎn)的自動化程度來講分為半自動灌裝機和全自動灌裝生產(chǎn)線.灌裝分類按包裝物類別主要有三大類：袋、軟管和瓶，灌裝機的選用與包裝物有密切關(guān)系。
隨著我國酒業(yè)的快速發(fā)展,啤酒、葡萄酒、黃酒、白酒等酒類產(chǎn)量持續(xù)增長，我國飲料酒(不含果露酒、發(fā)酵酒精)總產(chǎn)量已達(dá)2878萬千升,同比增長8.2%。有關(guān)專家指出，我國飲料行業(yè)是高成長性的行業(yè)，成熟飲品增長穩(wěn)定，新的熱點和增長點不斷涌現(xiàn)，新興飲品的增長更快。同時，中國包裝機械已發(fā)展成世界液態(tài)食品行業(yè)中有重大影響和極大市場占有率行業(yè)。因此，液體灌裝機市場發(fā)展?jié)摿薮蟆?
我國液體灌裝機要滿足包裝行業(yè)快速發(fā)展的需求，并積極參與國際競爭，就必須打破“小而散”的行業(yè)態(tài)勢，在“高精尖”的方向上不斷前進(jìn)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，未來液體灌裝機將配合產(chǎn)業(yè)自動化趨勢，在技術(shù)發(fā)展上朝著機械功能多元化，結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、模組化，控制智能化，結(jié)構(gòu)高精度化等幾個方向發(fā)展液體。因此灌裝機的發(fā)展為食品、藥品的現(xiàn)代化加工和大批量生產(chǎn)提供了必要的保證。 從而再一次證明了液體灌裝機的發(fā)展市場潛力巨大。
第二章 液體液體灌裝機簡介
2.1全自動液體灌裝線概述
全自動液體灌裝機的使用和需求日益增長，已經(jīng)逐步代替手工灌裝或半自動灌裝，并將發(fā)展成為液體灌裝行業(yè)所必備的設(shè)備。目前，市場上對全自液體灌裝機沒有明確的定義和劃分，大多只對能進(jìn)行自動計量或某部分機構(gòu)能實現(xiàn)自動控制。
在全自動灌裝、包裝生產(chǎn)線中，液體灌裝機是包裝機械的重要組成部分之一，其主要用在食品、化工等輕工行業(yè)中。在食品行業(yè)中的用途則尤為重要，例如：酒水、飲料、乳品、油脂以及調(diào)味品等與日常生活息息相關(guān)產(chǎn)品的包裝。另外是在化工行業(yè)中包括洗滌類、日化、礦物油和農(nóng)藥等化工類液體產(chǎn)品的灌裝。然而，由于我國灌裝行業(yè)起步較晚，灌裝、包裝的自動化水平較底，市場自動化灌裝設(shè)置要求很高?；诖?，本文作者選擇采用可編程控制器結(jié)合上位機軟件進(jìn)行控制的全自動液體灌裝機作為討論的主題進(jìn)行研究和設(shè)計。
灌裝生產(chǎn)線定義：
全自動包裝生產(chǎn)線是由數(shù)臺自動包裝機械經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，并按各自的功能完成一定任務(wù)進(jìn)行順序、連續(xù)生產(chǎn)包裝的一系列機器的組合。組成自動包裝生產(chǎn)線的過程是按照產(chǎn)品包裝的工藝順序，將若干臺自動包裝機械按一定的工藝要求組成一條生產(chǎn)線，并將包裝物料和被包裝的物料經(jīng)輸送裝置、自動控制設(shè)備、檢測設(shè)備及各種輔助設(shè)備按相應(yīng)工藝要求進(jìn)行連續(xù)輸入、定量、包裝、以及輸出成品的一個自動化過程。
其特點是：高速性、連續(xù)性。
灌裝生產(chǎn)線也稱包裝線，主要用于包裝啤酒、飲料、液體藥品、食品油脂等。一條灌裝生產(chǎn)線配套有多臺機械，如配套自動吹瓶機、理瓶機、自動洗瓶機、烘干機、自動灌裝機、封蓋機、打包機等。采用自動化包裝過程既可以使包裝工序緊湊，提高工作效率，又可以降低工人的勞動強度。
2.2 液體灌裝基本原理
灌裝就是將一定量的液體物料注入到包裝容器中的過程IUl。這種液體物料主要是指具有低粘度的可流動型液體物料，如酒類、汽水、果汁等。它們可以依靠自重以一定速度流入到包裝容器中。另外還可灌裝一些中等粘稠液體物料和一些高粘度物料，如果醬、油脂，牙膏及黃油等。對這些物料的灌裝依靠重力是不能使其按要求流動的，因此需要施加一定的壓力將其擠入或壓入到包裝容器中。由于液體種類很多，其性能不一，如粘度、起沫性、含氣性、揮發(fā)性等各不相同，所以采用的灌裝方法不一樣，其次液料的包裝容器也不同，有玻璃瓶、金屬罐、塑料瓶、復(fù)合紙盒等，所以，依據(jù)不同的包裝容器、包裝物料及不同的灌裝工藝，灌裝機的灌裝方法也是不相同的。
2.3液體灌裝方式
由于液體物料性能不同，灌裝方式多種多樣。根據(jù)灌裝壓力的不同可分為常壓灌裝、壓力灌裝、等壓灌裝、負(fù)壓灌裝等舊。
1.常壓灌裝
常壓灌裝，又稱重力灌裝，即在常壓下，利用液體自身的重力將其灌入包裝容器內(nèi)， 其整個系統(tǒng)處于敞開狀態(tài)下工作，該灌裝方法是最原始的灌裝方法。至今仍被用在流動性很好的液體灌裝中，這各方法比較適用于流動性好、不含氣、不易揮發(fā)的液體中。如礦泉水、白酒、醬油、牛奶等。
2.負(fù)壓灌裝
負(fù)壓灌裝是先將包裝容器抽氣形成負(fù)壓，再將液體物料灌入包裝容器內(nèi)。這種灌裝方法不但能提高灌裝速度，而且能減少包裝容器內(nèi)殘存的空氣，防止液體物料氧化變質(zhì)，可延長產(chǎn)品的保存期。此外，還能限制毒性液體的逸散，并可以避免灌裝有裂紋或缺口的容器，減少浪費，適用于不含氣體，且怕接觸空氣而氧化變質(zhì)的粘度稍大的液體物料，以及有毒的液體物料。如果汁、果醬、糖漿、油類、農(nóng)藥、藥水等。這種灌裝分為二種形式：一是重力式負(fù)壓灌裝，即貯液缸與包裝容器具有相等的真空度，液體是在真空等壓狀態(tài)下以重力流動方式完成灌裝的；二是壓差式負(fù)壓灌裝，即包裝容器的真空度大于貯液缸的真空度(貯液缸處于常壓狀態(tài)、只對包裝容器抽氣)，液體是在壓差狀態(tài)下完成灌裝的。重力負(fù)壓灌裝是低真空(10---16kPa)下的重力灌裝。其灌裝方法基本與重力灌裝相同，但比重力灌裝速度快，可以避免灌裝有裂紋或有缺口的容器，還可以防止液體的滴漏。壓差式負(fù)壓灌裝(純真空灌裝)，灌裝系統(tǒng)內(nèi)的壓力應(yīng)低于大氣壓力。灌裝閥密封塊抵住容器的同時開啟閥門，由于與真空室相通的容器內(nèi)處于真空，液體可被迅速抽進(jìn)容器中，直至灌裝到預(yù)定液位。最后會有相當(dāng)量的液體被抽到排出管中，進(jìn)入溢流槽后被回收再循環(huán)。純真空灌裝的真空度一般保持在6"-7kPa。真空法可提高灌裝速度，減少產(chǎn)品與空氣的接觸，有利于延長產(chǎn)品的保存期，其全封閉狀態(tài)還限制了產(chǎn)品
中有效成分的逸散。壓差式負(fù)壓灌裝尤其適用于不宜多暴露于空氣中的含維生素的液料， 如蔬菜汁、果汁以及有毒的液體(如農(nóng)藥、化學(xué)藥水)等。
3.等壓灌裝
等壓灌裝，即先向包裝容器內(nèi)充氣，使容器內(nèi)壓力與貯液缸內(nèi)壓力相等，再將貯液缸的液體物料灌入包裝容器內(nèi)。等壓灌裝又稱壓力重力灌裝、氣體壓力灌裝。這種灌裝方法只適用于含氣飲料，如啤酒、汽水、香檳等。
4.壓力灌裝
壓力灌裝，是借助外界壓力將液體物料壓入包裝容器。外界壓力有機械壓力、氣壓、液壓等。壓力灌裝主要適用于粘度較大，流動性較差的薪稠物料的灌裝，可以提高灌裝速度。壓力法灌裝與真空法正好相反，灌裝密封系統(tǒng)處于高于大氣壓力的狀態(tài)中，將正壓力加于產(chǎn)品上。壓力法對于不能抽真空的產(chǎn)品是很理想的，如酒精類飲料(酒精含量會隨真空度增加減少)，熱飲料(90。C的果汁，抽真空可引起液料迅速蒸發(fā))，如果采用常壓灌裝液管道比較細(xì)，阻力大，效率低，為了提高灌裝速度，可采用壓力灌裝等。壓力法可在產(chǎn)品和排氣兩端保持高于大氣壓的壓力，且產(chǎn)品端壓力更高，這樣的系統(tǒng)有利于控
制某些飲料保持較高的二氧化碳含量。
5.虹吸法
利用虹吸原理完成的灌裝方法。此種方法出現(xiàn)最早，人們最容易接受，原理比較簡單，現(xiàn)在很少使用。
上述幾種灌裝方法的正確選擇，除考慮液體本身的工藝性能如粘度、重度、含氣性、揮發(fā)性外，還必須考慮產(chǎn)品的工藝要求、灌裝機的機械結(jié)構(gòu)等綜合因素。對于一般不含氣的食用液料如瓶裝牛奶、瓶裝酒類等，可以采用常壓法，亦可采用真空法，為了減少灌裝時液料中的含氧氣量，以便延長產(chǎn)品的保質(zhì)期，采用較大的真空度的真空法更有利。
2．3影響灌裝的因素
被灌裝的液體物料涉及面很廣、種類很多，其物理、化學(xué)性質(zhì)差異很大，因此，對灌裝的要求也各不相同。影響灌裝的主要因素是液體的粘度，其次是液體內(nèi)是否溶有氣體、固體顆粒等。
一般液體按粘度可分為三類：
第一類為流體：在自身重力作用下即可以按一定速度流過圓管的任何液體。流速主要是受流體粘度和壓力影響，一般粘度范圍規(guī)定為1～100厘泊，流動性好的稀薄液體物料，如酒類、果汁、牛奶、醬油等。這些物料粘度小、流動性好，在管道中流動阻力小， 對灌裝設(shè)備要求也小。
第二類為半流體：在大于自身重力的壓力作用下才能在圓管中流動的液體叫半流體， 粘度范圍為100．-一1000厘泊，其屬于流動性比較差的粘稠液體物料，如番茄醬、油脂等物料，這些物料在容器和管道中流動時阻力比較大，一般需要施加一定的壓力才能達(dá)到
預(yù)定要求。粘滯流體：產(chǎn)品粘度超過10000厘泊的液流動性差的粘糊狀液體物科，需要借助比較大的外力才能使其流動。如：果醬、牙膏、漿糊、高粘度油脂等物料。這些物料一般在小的管道中很難流動，必須施加外力才能推動其流動。因此，這類物料在包裝中對設(shè)備有較高的要求。另外，對于低粘度液料，根據(jù)液體中是否含有二氧化碳?xì)怏w，可分為不含氣(如白酒、礦泉水等)和含氣(如啤酒、汽酒、香檳、汽水等)兩類；對于是否含有酒精成份又可分為軟飲料(不含酒精)和硬飲料(含有酒精)。流體的流動特性還會受溫度、粘度、固體粒子的含量、分解性、表面張力或起泡特性等因素的影響，所以灌裝時，要對這些因素加以控制。
2．4灌裝的定量方法
準(zhǔn)確的定量灌裝不但與產(chǎn)品的成本有著直接的關(guān)系，同時也影響產(chǎn)品在消費者心中的信譽。包裝物品的定量一般有重量定量和容積定量兩種。重量定量由于要增添秤等計量衡器，所以機器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于比重經(jīng)常變化的固體物料，且往往要配置一套電路用以機電配合；容積定量機器的定量結(jié)構(gòu)比較簡單，一般不需電路配合。液體產(chǎn)品一般易采用容積式定量，常見的有三種方法：液位控制定量法、定量杯定量法、定量泵定量法。
2.5液體灌裝機的一般工作流程的敘述
液體灌裝機的流程一般為：裝有空瓶的箱子堆放在托盤上，由輸送帶送到卸托盤機，將托盤逐個卸下，箱子隨輸送帶送到卸箱機中，將空瓶從箱子中取出，空箱經(jīng)輸送帶送到洗箱機，經(jīng)清洗干凈，再輸送到裝箱機旁，以便將盛有飲料的瓶子裝入其中。從卸箱機取出的空瓶，由另一條輸送帶送入洗瓶機消毒和清洗，經(jīng)瓶子檢驗機檢驗，符合清潔標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入灌裝機和封蓋機。飲料由灌裝機裝入瓶中。裝好飲料的瓶子經(jīng)封蓋機加蓋封住并輸送到貼標(biāo)機貼標(biāo)，貼好標(biāo)簽后送至裝箱機裝入箱中再送到堆托盤機堆放在托盤上送入倉庫。液體灌裝機主要用于洗液、護(hù)理液、口服液、消毒液、洗眼液、營養(yǎng)液、酒水、注射液、農(nóng)藥、醫(yī)藥、香水、食用油、潤滑油及特殊行業(yè)的液體灌裝。
第三章 灌裝機供瓶機構(gòu)設(shè)計
在本次設(shè)計中灌裝機供瓶機構(gòu)主要由三個部分組成：理瓶機構(gòu)、滑軌機構(gòu)、間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)。下面對供瓶機構(gòu)的三個部分做簡單的設(shè)計說明
3.1理瓶機構(gòu)
3.1.1理瓶方式的選擇
理瓶機按進(jìn)瓶方式分有轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶、螺桿進(jìn)瓶、撥盤進(jìn)瓶等多種方式，各種進(jìn)瓶方式在原理上差別不大，各有各和優(yōu)點，選擇合理的進(jìn)行方式，能夠給自動化生產(chǎn)線帶來更好的平滑性。
1.轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶方式
轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶方式就是將上個工序出來的瓶子(干凈的擺放無序的瓶子)用轉(zhuǎn)盤作為傳送機構(gòu)一個一個列隊送到傳送帶上。簡單的說其作用就是對瓶子進(jìn)行整理、擺放作用， 為下一個工序理順瓶子做好準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)盤式理瓶機的工作原理。它由兩個旋轉(zhuǎn)盤組成，兩個旋轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動。從入口傳輸設(shè)備送來的瓶子被輸送到理瓶機前，經(jīng)過與理瓶機切入被輸出到理瓶機后端，并按一定的間隔、速度和方向傳入到下一級輸送帶上。理瓶機在中間的主要作用就是用來控制輸出瓶子的間隔和速度。因此，在整個灌裝系統(tǒng)中，理瓶機的工作能力也會對整個自動化生產(chǎn)線起到影響作用，它直接影響灌裝線的運作速度。理瓶機的傳送方式一般多為連續(xù)性轉(zhuǎn)動，這種進(jìn)瓶方式多用于連續(xù)式灌裝生產(chǎn)線。依據(jù)其原理圖，容易發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)瓶端可能會出現(xiàn)兩個或多個瓶子同時切入到兩個旋轉(zhuǎn)盤的凹槽中，引起旋轉(zhuǎn)盤的卡阻情況或瓶子碰撞等情況。因此在轉(zhuǎn)盤方式進(jìn)瓶設(shè)計中必須在其外輪廓圓周上設(shè)計一個阻檔板，以保證每次只能有一個瓶子與兩個轉(zhuǎn)輪的凹槽相切。轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶的優(yōu)點是，傳輸速度快，瓶子擺放整齊、間隔均勻等。但是也存在
著一定的缺點，轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶工作在高速時，由于拔盤的相對于瓶子的速度很高，在與瓶子接觸時會發(fā)生碰撞(接觸之間會存在小的間隙)，因此會出現(xiàn)碎瓶、缺瓶等現(xiàn)象，這就要求必須有個檢測裝置對瓶子好壞進(jìn)行判斷。所以在設(shè)計中采用常規(guī)的轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶方式進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r，需要在轉(zhuǎn)盤后方加了一個識別裝置，由它負(fù)責(zé)對瓶子進(jìn)行判斷。判斷的主要以據(jù)為：瓶口完整、瓶身無裂紋、無碎瓶。以上判斷不合格的，由機械手對其進(jìn)行清理。
2．螺桿進(jìn)瓶方式
螺桿進(jìn)瓶方式是將排列好的瓶子用螺桿(與轉(zhuǎn)盤進(jìn)瓶方式不同之處在于此)作為傳送機構(gòu)將瓶子按一定的速度和間隔送出嘲。該種進(jìn)瓶方式適用范圍較廣，無論是直線式灌裝機還是回轉(zhuǎn)式灌裝機大都采用螺桿進(jìn)瓶的方式。螺桿進(jìn)瓶也會出現(xiàn)碎瓶、缺瓶等現(xiàn)象，這與螺桿本身的設(shè)計有關(guān)，如傾角大小、螺距長短、螺旋線形狀等等，在進(jìn)瓶時采取等螺距以便于瓶子的平穩(wěn)進(jìn)入。為了加工及進(jìn)瓶方便，設(shè)計時把進(jìn)口端設(shè)計為錐形，螺紋深度也由淺至深，便于瓶子能逐步平穩(wěn)進(jìn)入。一般螺桿設(shè)計并無問題，但碎瓶率、缺瓶率卻依然較高，原因有兩種：經(jīng)過傳輸設(shè)備送入的瓶子在進(jìn)入理瓶機入口處，都有一個向前的速度，在到達(dá)螺桿時瓶子的運動方向產(chǎn)生突變，沖擊力很大，如果前面的瓶子沒有及時被螺桿帶走，在螺桿處就易產(chǎn)生碎瓶現(xiàn)象；無論模制瓶還是管制瓶，瓶壁都比較光滑，經(jīng)過清洗烘干消毒后，瓶身的摩擦力迅速增加，由于摩擦力和沖擊力的作用，進(jìn)瓶螺桿經(jīng)過一段時間工作后溫度升高，螺桿表面粘度增加，使瓶子爬行運動，產(chǎn)生粘瓶
現(xiàn)象，導(dǎo)致瓶子進(jìn)不了螺旋槽并相互擠壓，從而出現(xiàn)碎瓶、缺瓶現(xiàn)象。
3．轉(zhuǎn)盤與螺桿相結(jié)合
轉(zhuǎn)盤與螺桿相結(jié)合的進(jìn)瓶方式是通過將兩者的優(yōu)點相結(jié)合而設(shè)計的一種進(jìn)瓶方式。其中最常用的是轉(zhuǎn)盤與螺桿相結(jié)合進(jìn)瓶。轉(zhuǎn)盤與螺桿相結(jié)合的進(jìn)瓶方式就是在螺桿之前安裝1個轉(zhuǎn)盤，由轉(zhuǎn)盤將瓶送進(jìn)螺桿后再由螺桿傳送。這種進(jìn)瓶方式運行平穩(wěn)可靠，在送瓶過程中瓶子的接觸壓應(yīng)力由轉(zhuǎn)盤承擔(dān)，瓶子進(jìn)轉(zhuǎn)盤所受應(yīng)力比瓶子進(jìn)螺桿所受應(yīng)力要小得多，有了螺桿的存在，進(jìn)瓶處可留出充足的操作位置，既解決了螺桿所受應(yīng)力問題又解決了轉(zhuǎn)盤的位置局限性。同時還起到理瓶作用，在進(jìn)螺桿時瓶子已經(jīng)不再具有沖擊力并逐一排好了隊，自然就不容易出現(xiàn)碎瓶、缺瓶的現(xiàn)象了。因此， 從理論上講這種進(jìn)瓶方式的可靠性更高。對于灌裝機方面，為了提高灌裝速度的常采用多頭灌裝設(shè)計，這就要求理瓶機要有相應(yīng)的速度，然而理瓶機一次只能傳輸一個瓶子，這就嚴(yán)重的制約了整個灌裝生產(chǎn)線的速度，為了解決這一矛盾，采用多個理瓶機同時進(jìn)行傳輸工作來滿足。本文采用兩臺理瓶機共同工作來滿足灌裝機的需求。在兩條傳輸線中間再設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)式理瓶機，其作用主要是將來自兩條線路的瓶子進(jìn)行合并。由于理瓶機的速度限制，單臺理瓶機不能滿足多頭灌裝機的速度要，因此需要多臺理瓶子機共同工作來完成，這種設(shè)計方法可以適應(yīng)高速灌裝傳輸速度的要求。
3.2理瓶機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.2.1理瓶機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成
理瓶機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：
（ a ）
（ b ）
1- 瓶 2- 彈片 3- 托盤 4- 中心軸 5-托架 6-底座
圖3-1 理瓶機構(gòu)
其中瓶的大小結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：
圖3-2 灌裝瓶結(jié)構(gòu)圖
托盤的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：
圖3-3 托盤
3.2.2理瓶機構(gòu)的工作原理
理瓶機構(gòu)的工作原理由圖3-1可知。電機通過帶輪傳動帶動心軸旋轉(zhuǎn)。
彈片和托架固定在一起，再把托架通過支架固定在底座上面，托架與軸的連接不是固定連接，即心軸的旋轉(zhuǎn)不能帶動托架和彈片的旋轉(zhuǎn)，彈片在沒接觸到瓶時處于靜止?fàn)顟B(tài)。
托盤通過鍵固定在心軸上，托盤可以隨著心軸一起旋轉(zhuǎn)。由于生產(chǎn)過程中將瓶放在托盤上，因此瓶也會隨著托盤一起旋轉(zhuǎn)。底座上面安裝有檔欄，檔欄就安裝在托盤外面可以保證瓶在旋轉(zhuǎn)過程中不會掉落。
同時瓶在隨著托盤轉(zhuǎn)動的過程中碰到彈片，在彈片力的作用下瓶就回向外移動，最后一起運動到檔欄上的引導(dǎo)部分，這樣就可以將瓶全部按順序引入滑軌
3.3滑軌機構(gòu)
3.3.1 滑軌的結(jié)構(gòu)
滑軌的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示
圖3-4 滑軌
滑軌的作用：連接理瓶機構(gòu)與間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)
滑軌的固定：滑軌的固定一頭固定在理瓶機構(gòu)的底座上，一頭固定在間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的底座上。中間用了兩個托架支撐，這樣可以改善滑軌結(jié)構(gòu)的受力情況。
3.3.2滑軌的工作原理
由圖3-4可知，由理瓶機構(gòu)引導(dǎo)過來的瓶在后一個瓶的擠壓推力下，瓶就進(jìn)入了滑軌機構(gòu)。
滑軌在加工過程中要保證其表面足夠光滑。
滑軌機構(gòu)由三段焊接而成。首先，瓶進(jìn)入滑軌做一段水平運動保證瓶的運動平穩(wěn)，但由于瓶的擠壓力有限為了減少過程中的摩擦力，瓶在運行一段時間后進(jìn)入一個斜坡角度為5°。這可以給瓶以一定的速速向前，給前面的瓶一個推力，從而可以使第三塊板上的瓶準(zhǔn)確的卡位。
3.4 間歇間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)
3.4.1 間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的組成
間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示：
（ a ）
（ b ）
圖3-5 間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)
間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)所包含的零部件如表3-1所示：
表3-1 間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)零部件匯總
其中轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)如圖3-6所示：
圖3-6 轉(zhuǎn)盤
襯套的結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：
圖3-7 襯套
不完全齒輪機構(gòu)如圖3-8所示：
圖3-8 不完全齒輪機構(gòu)
圖3-8 不完全齒輪機構(gòu)簡圖
不完全齒輪機構(gòu)原理：在主動齒輪只做出一個或幾個齒，根據(jù)運動時間和停歇時間的要求在從動輪上作出與主動輪相嚙合的輪齒。其余部分為鎖止圓弧。當(dāng)兩輪齒進(jìn)入嚙合時，與齒輪傳動一樣，無齒部分由鎖止圓弧定位使從動輪靜止。
不完全齒輪機構(gòu)的特點：不完全齒輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠，從動輪運動時間和靜止時間可在較大范圍內(nèi)變化。但是從動輪在開始進(jìn)入嚙合與脫離嚙合時有較大沖擊，故一般只用于低速，輕載場合。
3.4.2 間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的功能
間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)在整個機構(gòu)中的作用是使瓶在流水線上做間歇運動。當(dāng)瓶轉(zhuǎn)到加液處時自動停下一段時間，讓液體灌裝機的加液機構(gòu)給瓶中注入要灌裝的液體，同時加蓋機構(gòu)對上一步注好液的瓶加蓋。
取瓶機構(gòu)也可以利用這一段靜止的時間間歇實現(xiàn)取瓶操作
3.4.3 間歇轉(zhuǎn)盤機構(gòu)的工作原理
電機轉(zhuǎn)動帶動輪旋轉(zhuǎn)減低轉(zhuǎn)速，輪和心軸1之間用鍵連接，從而心軸1開始轉(zhuǎn)動，心軸1上連接有不完全齒輪機構(gòu)的小輪，小輪的轉(zhuǎn)動帶動大輪做間歇運動，又由于大輪安裝在軸2上，從而軸2也做間歇運動。
軸2做間歇運動那么安裝在軸2上的轉(zhuǎn)盤也做間歇運動，從而由由滑軌傳送過來的瓶由轉(zhuǎn)盤卡位后，也做間歇運動。從而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
結(jié)論
全自動液體灌裝機的應(yīng)用和市場需求在日益增長，無論是從計量的準(zhǔn)確性，還是從灌裝的速度方面，都對自動化的要求不斷提高。對灌裝速度和準(zhǔn)確性的要求，主要取決于設(shè)備的性能，設(shè)備的功能及搭配的合理性直接影響系統(tǒng)的灌裝速度。同時，檢測設(shè)備的技術(shù)水平將會進(jìn)一步表現(xiàn)在控制的準(zhǔn)確性上。
本文主要實現(xiàn)對全自動液體灌裝機進(jìn)行集中控制和實時數(shù)據(jù)采集、記錄和控制。與傳統(tǒng)的灌裝機的相比，在技術(shù)上的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在：灌裝機的自動化水平。通過對市場的了解和學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)，目前市面上的灌裝機還主要停留在灌裝這個部分，而很少是將其前面的供 瓶和后面的封蓋都作為一個灌裝的整體去考慮。
在實際設(shè)計過程中，也曾遇到過許多的問題，其中最難解決的也是本人在學(xué)習(xí)過程中所欠缺人一個知識點。在設(shè)計過程中使用了好多方法，查閱了大量文獻(xiàn)資料，然而關(guān)于這方面的通訊問題比較少，本文在設(shè)計中嘗試采用無線技術(shù)解決這一問題。由于本人知識有限，在這方面的實踐經(jīng)驗較少，所以采用這種通訊方式還在調(diào)研和試驗中，其可取性有待進(jìn)一步的了解深入。
對全自動液體灌裝機的控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，在本方案的設(shè)計中，有很多控制方法都是參考或借鑒其它控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計的，其中不免存在不適之處，這就需要不斷的研究改進(jìn)。
致謝
本論文從選題到完成是老師的悉心關(guān)心和指導(dǎo)下完成的。老師淵博的知識、豐富的經(jīng)驗、嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)作風(fēng)和忘我的敬業(yè)精神一直讓我深感敬佩；同時您謙虛坦誠、熱情、隨和的性格也讓我感到親切。在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)中，老師對我學(xué)業(yè)上的精心指導(dǎo)和言傳身教，使我的動手能力、分析能力和解決問題以及獨立思考的能力都得到了很大的提高；在工作上，從老師身上學(xué)到的愛崗敬業(yè)、無私奉獻(xiàn)的精神將
會使我受益終身。在此，向老師致以最誠摯的敬意和感謝!謝謝老師多年來對我的不倦教誨，我終生銘記!
在論文的完成過程中，還得到了其他老師，以及同學(xué)的熱情幫助，在此，對以上各位老師和同學(xué)表示忠心的感謝!
最后，感謝全體老師，感謝我學(xué)習(xí)和生活了四年的母校，祝愿母校的明天更加輝煌!
由于設(shè)計中很多技術(shù)和經(jīng)驗是本人在實習(xí)和實踐中從其它技術(shù)或設(shè)備上得到的，經(jīng)過研究進(jìn)行實驗、改進(jìn)后用于本次全自動液體灌裝機的供瓶機構(gòu)設(shè)計，不適之處常會有之，再加上本人學(xué)識淺薄，論文中肯定還存在很多不當(dāng)、甚至錯誤之處，敬請各位專家教授多多
指教。
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附錄I 外文文獻(xiàn)翻譯
估計導(dǎo)致工程幾何分析錯誤的一個正式理論
SankaraHariGopalakrishnan，KrishnanSuresh
機械工程系，威斯康辛大學(xué)，麥迪遜分校，2006年9月30日
摘要：幾何分析是著名的計算機輔助設(shè)計/計算機輔助工藝簡化 “小或無關(guān)特征”在CAD模型中的程序，如有限元分析。然而，幾何分析不可避免地會產(chǎn)生分析錯誤，在目前的理論框架實在不容易量化。
本文中，我們對快速計算處理這些幾何分析錯誤提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摗Ｓ绕?，我們集中力量解決地方的特點，被簡化的任意形狀和大小的區(qū)域。提出的理論采用伴隨矩陣制定邊值問題抵達(dá)嚴(yán)格界限幾何分析性分析錯誤。該理論通過數(shù)值例子說明。
關(guān)鍵詞:幾何分析;工程分析;誤差估計;計算機輔助設(shè)計/計算機輔助教學(xué)
1. 介紹
機械零件通常包含了許多幾何特征。不過，在工程分析中并不是所有的特征都是至關(guān)重要的。以前的分析中無關(guān)特征往往被忽略，從而提高自動化及運算速度。
舉例來說，考慮一個剎車轉(zhuǎn)子，如圖1(a)。轉(zhuǎn)子包含50多個不同的特征，但所有這些特征并不是都是相關(guān)的。就拿一個幾何化的剎車轉(zhuǎn)子的熱量分析來說，如圖1(b)。有限元分析的全功能的模型如圖1(a)，需要超過150,000度的自由度，幾何模型圖1(b)項要求小于25，000個自由度，從而導(dǎo)致非常緩慢的運算速度。
圖1(a)剎車轉(zhuǎn)子 圖1(b)其幾何分析版本
除了提高速度，通常還能增加自動化水平，這比較容易實現(xiàn)自動化的有限元網(wǎng)格幾何分析組成。內(nèi)存要求也跟著降低，而且條件數(shù)離散系統(tǒng)將得以改善;后者起著重要作用迭代線性系統(tǒng)。
但是，幾何分析還不是很普及。不穩(wěn)定性到底是“小而局部化”還是“大而擴展化”，這取決于各種因素。例如，對于一個熱問題，想刪除其中的一個特征，不穩(wěn)定性是一個局部問題:(1)凈熱通量邊界的特點是零。(2)特征簡化時沒有新的熱源產(chǎn)生; [4]對上述規(guī)則則例外。展示這些物理特征被稱為自我平衡。結(jié)果，同樣存在結(jié)構(gòu)上的問題。
從幾何分析角度看，如果特征遠(yuǎn)離該區(qū)域，則這種自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近該區(qū)域我們必須謹(jǐn)慎，。
從另一個角度看，非自我平衡的特征應(yīng)值得重視。這些特征的簡化理論上可以在系統(tǒng)任意位置被施用,但是會在系統(tǒng)分析上構(gòu)成重大的挑戰(zhàn)。
目前，尚無任何系統(tǒng)性的程序去估算幾何分析對上述兩個案例的潛在影響。這就必須依靠工程判斷和經(jīng)驗。
在這篇文章中，我們制定了理論估計幾何分析影響工程分析自動化的方式。任意形狀和大小的形體如何被簡化是本文重點要解決的地方。伴隨矩陣和單調(diào)分析這兩個數(shù)學(xué)概念被合并成一個統(tǒng)一的理論來解決雙方的自我平衡和非自我平衡的特點。數(shù)值例子涉及二階scalar偏微分方程，以證實他的理論。
本文還包含以下內(nèi)容。第二節(jié)中，我們就幾何分析總結(jié)以往的工作。在第三節(jié)中，我們解決幾何分析引起的錯誤分析，并討論了擬議的方法。第四部分從數(shù)值試驗提供結(jié)果。第五部分討論如何加快設(shè)計開發(fā)進(jìn)度。
2. 前期工作
幾何分析過程可分為三個階段:
識別:哪些特征應(yīng)該被簡化；
簡化：如何在一個自動化和幾何一致的方式中簡化特征；
分析:簡化的結(jié)果。
第一個階段的相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)很多。例如，企業(yè)的規(guī)模和相對位置這個特點，經(jīng)常被用來作為度量鑒定。此外，也有人提議以有意義的力學(xué)判據(jù)確定這種特征。
自動化幾何分析過程，事實上，已成熟到一個商業(yè)化幾何分析的地步。但我們注意到，這些商業(yè)軟件包僅提供一個純粹的幾何解決。因為沒有保證隨后進(jìn)行的分析錯誤，所以必須十分小心使用。另外，固有的幾何問題依然存在，并且還在研究當(dāng)中。
本文的重點是放在第三階段，即快速幾何分析。建立一個有系統(tǒng)的方法，通過幾何分析引起的誤差是可以計算出來的。再分析的目的是迅速估計改良系統(tǒng)的反應(yīng)。其中最著名的再分析理論是著名的謝爾曼-Morrison和woodbury公式。對于兩種有著相似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和剛度矩陣設(shè)計，再分析這種技術(shù)特別有效。然而，過程幾何分析在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的剛度矩陣會導(dǎo)致一個戲劇性的變化，這與再分析技術(shù)不太相關(guān)。
3. 擬議的方法
3.1問題闡述
我們把注意力放在這個文件中的工程問題，標(biāo)量二階偏微分方程式(pde):
許多工程技術(shù)問題，如熱，流體靜磁等問題，可能簡化為上述公式。
作為一個說明性例子，考慮散熱問題的二維模塊Ω如圖2所示。
圖2二維熱座裝配
熱量q從一個線圈置于下方位置列為Ωcoil。半導(dǎo)體裝置位于Ωdevice。這兩個地方都屬于Ω，有相同的材料屬性，其余Ω將在后面討論。特別令人感興趣的是數(shù)量，加權(quán)溫度Tdevice內(nèi)Ωdevice(見圖2)。一個時段，認(rèn)定為Ωslot縮進(jìn)如圖2，會受到抑制，其對Tdevice將予以研究。邊界的時段稱為Γslot其余的界線將稱為Γ。邊界溫度Γ假定為零。兩種可能的邊界條件Γslot被認(rèn)為是:(a)固定熱源，即(-kt)?n=q，(b)有一定溫度，即T=Tslot。兩種情況會導(dǎo)致兩種不同幾何分析引起的誤差的結(jié)果。
設(shè)T(x，y)是未知的溫度場和K導(dǎo)熱。然后，散熱問題可以通過泊松方程式表示:
其中H(x，y)是一些加權(quán)內(nèi)核?，F(xiàn)在考慮的問題是幾何分析簡化的插槽是簡化之前分析，如圖3所示。
圖3defeatured二維熱傳導(dǎo)裝配模塊
現(xiàn)在有一個不同的邊值問題，不同領(lǐng)域t(x，y):
觀察到的插槽的邊界條件為t(x，y)已經(jīng)消失了，因為槽已經(jīng)不存在了（關(guān)鍵性變化）!
解決的問題是:
設(shè)定tdevice和t(x，y)的值，估計Tdevice。
這是一個較難的問題，是我們尚未解決的。在這篇文章中，我們將從上限和下限分析Tdevice。這些方向是明確被俘引理3、4和3、6。至于其余的這一節(jié)，我們將發(fā)展基本概念和理論，建立這兩個引理。值得注意的是，只要它不重疊，定位槽與相關(guān)的裝置或熱源沒有任何限制。上下界的Tdevice將取決于它們的相對位置。
3.2伴隨矩陣方法
我們需要的第一個概念是，伴隨矩陣公式表達(dá)法。應(yīng)用伴隨矩陣論點的微分積分方程，包括其應(yīng)用的控制理論，形狀優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化等。我們對這一概念歸納如下。
相關(guān)的問題都可以定義為一個伴隨矩陣的問題，控制伴隨矩陣t_(x，y)，必須符合下列公式計算〔23〕:
伴隨場t_(x，y)基本上是一個預(yù)定量，即加權(quán)裝置溫度控制的應(yīng)用熱源?？梢杂^察到，伴隨問題的解決是復(fù)雜的原始問題;控制方程是相同的;這些問題就是所謂的自身伴隨矩陣。大部分工程技術(shù)問題的實際利益，是自身伴隨矩陣，就很容易計算伴隨矩陣。
另一方面，在幾何分析問題中，伴隨矩陣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。表現(xiàn)為以下引理綜述:
引理3.1已知和未知裝置溫度的區(qū)別，即(Tdevice-tdevice)可以歸納為以下的邊界積分比幾何分析插槽:
在上述引理中有兩點值得注意:
1、積分只牽涉到邊界гslot;這是令人鼓舞的。或許，處理剛剛過去的被簡化信息特點可以計算誤差。
2、右側(cè)牽涉到的未知區(qū)域T(x，y)的全功能的問題。特別是第一周期涉及的差異，在正常的梯度，即涉及[-k(T-t)] ?n;這是一個已知數(shù)量邊界條件[-kt]?n所指定的時段，未知狄里克萊條件作出規(guī)定[-kt]?n可以評估。在另一方面，在第二個周期內(nèi)涉及的差異，在這兩個領(lǐng)域，即T管; 因為t可以評價，這是一個已知數(shù)量邊界條件T指定的時段。因此。
引理3.2、差額(tdevice-tdevice)不等式
然而，伴隨矩陣技術(shù)不能完全消除未知區(qū)域T(x，y)。為了消除T(x，y)我們把重點轉(zhuǎn)向單調(diào)分析。
3.3單調(diào)性分析
單調(diào)性分析是由數(shù)學(xué)家在19世紀(jì)和20世紀(jì)前建立的各種邊值問題。例如，一個單調(diào)定理:
"添加幾何約束到一個結(jié)構(gòu)性問題，是指在位移(某些)邊界不減少"。
觀察發(fā)現(xiàn)，上述理論提供了一個定性的措施以解決邊值問題。
后來，工程師利用之前的“計算機時代”上限或下限同樣的定理，解決了具有挑戰(zhàn)性的問題。當(dāng)然，隨著計算機時代的到來，這些相當(dāng)復(fù)雜的直接求解方法已經(jīng)不為人所用。但是，在當(dāng)前的幾何分析，我們證明這些定理采取更為有力的作用，尤其應(yīng)當(dāng)配合使用伴隨理論。
我們現(xiàn)在利用一些單調(diào)定理，以消除上述引理T(x，y)。遵守先前規(guī)定，右邊是區(qū)別已知和未知的領(lǐng)域，即T(x，y)-t(x，y)。因此，讓我們在界定一個領(lǐng)域E(x，y)在區(qū)域為:
e(x，y)=t(x，y)-t(x，y)。
據(jù)悉，T(x，y)和T(x，y)都是明確的界定，所以是e(x，y)。事實上，從公式(1)和(3)，我們可以推斷，e(x，y)的正式滿足邊值問題:
解決上述問題就能解決所有問題。但是，如果我們能計算區(qū)域e(x，y)與正常的坡度超過插槽，以有效的方式，然后(Tdevice-tdevice)，就評價表示e(X，Y)的效率，我們現(xiàn)在考慮在上述方程兩種可能的情況如(a)及(b)。
例(a)邊界條件較第一插槽，審議本案時槽原本指定一個邊界條件。為了估算e(x，y)，考慮以下問題:
因為只取決于縫隙，不討論域，以上問題計算較簡單。經(jīng)典邊界積分/邊界元方法可以引用。關(guān)鍵是計算機領(lǐng)域e1(x，y)和未知領(lǐng)域的e(x，y)透過引理3.3。這兩個領(lǐng)域e1(x，y)和e(x，y)滿足以下單調(diào)關(guān)系:
把它們綜合在一起，我們有以下結(jié)論引理。
引理3.4未知的裝置溫度Tdevice，當(dāng)插槽具有邊界條件，東至以下限額的計算，只要求:(1)原始及伴隨場T和隔熱與幾何分析域(2)解決e1的一項問題涉及插槽:
觀察到兩個方向的右側(cè)，雙方都是獨立的未知區(qū)域T(x，y)。
例(b) 插槽Dirichlet邊界條件
我們假定插槽都維持在定溫Tslot?？紤]任何領(lǐng)域，即包含域和插槽。界定一個區(qū)域e(x，y)在滿足:
現(xiàn)在建立一個結(jié)果與e-(x，y)及e(x，y)。
引理3.5
注意到，公式(7)的計算較為簡單。這是我們最終要的結(jié)果。
引理3.6 未知的裝置溫度Tdevice，當(dāng)插槽有Dirichlet邊界條件，東至以下限額的計算，只要求:(1)原始及伴隨場T和隔熱與幾何分析。(2) 圍繞插槽解決失敗了的邊界問題，:
再次觀察這兩個方向都是獨立的未知領(lǐng)域T(x，y)。
4. 數(shù)值例子說明
我們的理論發(fā)展，在上一節(jié)中，通過數(shù)值例子。設(shè)
k = 5W/m?C, Q = 10 W/m3 and H = 。
表1:結(jié)果表
表1給出了不同時段的邊界條件。第一裝置溫度欄的共同溫度為所有幾何分析模式(這不取決于插槽邊界條件及插槽幾何分析)。接下來兩欄的上下界說明引理3.4和3.6。最后一欄是實際的裝置溫度所得的全功能模式(前幾何分析)，是列在這里比較前列的。在全部例子中，我們可以看到最后一欄則是介于第二和第三列。T Tdevice T
對于絕緣插槽來說，Dirichlet邊界條件指出，觀察到的各種預(yù)測為零。不同之處在于這個事實:在第一個例子，一個零Neumann邊界條件的時段，導(dǎo)致一個自我平衡的特點，因此，其對裝置基本沒什么影響。另一方面，有Dirichlet邊界條件的插槽結(jié)果在一個非自我平衡的特點，其缺失可能導(dǎo)致器件溫度的大變化在。
不過，固定非零槽溫度預(yù)測范圍為20度到0度。這可以歸因于插槽溫度接近于裝置的溫度，因此，將其刪除少了影響。
的確，人們不難計算上限和下限的不同Dirichlet條件插槽。圖4說明了變化的實際裝置的溫度和計算式。
預(yù)測的上限和下限的實際溫度裝置表明理論是正確的。另外，跟預(yù)期結(jié)果一樣，限制槽溫度大約等于裝置的溫度。
5. 快速分析設(shè)計的情景
我們認(rèn)為對所提出的理論分析"什么-如果"的設(shè)計方案，現(xiàn)在有著廣泛的影響。研究顯示設(shè)計如圖5，現(xiàn)在由兩個具有單一熱量能源的器件。如預(yù)期結(jié)果兩設(shè)備將不會有相同的平均溫度。由于其相對靠近熱源，該裝置的左邊將處在一個較高的溫度，。
圖4估計式versus插槽溫度圖
圖5雙熱器座
圖6正確特征可能性位置
為了消除這種不平衡狀況，加上一個小孔，固定直徑;五個可能的位置見圖6。兩者的平均溫度在這兩個地區(qū)最低。
強制進(jìn)行有限元分析每個配置。這是一個耗時的過程。另一種方法是把該孔作為一個特征，并研究其影響，作為后處理步驟。換言之，這是一個特殊的“幾何分析”例子，而擬議的方法同樣適用于這種情況。我們可以解決原始和伴隨矩陣的問題，原來的配置(無孔)和使用的理論發(fā)展在前兩節(jié)學(xué)習(xí)效果加孔在每個位置是我們的目標(biāo)。目