1 绪论1.1 本课题研究的背景仿真技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术。

仿真技术也是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验[1]。

仿真技术经过半个多世纪的发展，从研究简单系统到现在已经成为人们研究复杂系统的有力工具，大致经历了三个阶段。

发展阶段：二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展。

成熟阶段：在军事需求推动下，70年代中期，仿真技术不但在军事领域迅速发展，而且扩展到许多领域，20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(SimMlators Network)研究计划以及美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段[2]。

随着仿真技术的发展，仿真技术应用目的趋于多样化、全面化。

最初仿真技术是作为对实际系统进行试验的辅助工具而生的，而后又用于训练目的，现在仿真系统的应用包括：系统概念研究、系统的可行性研究、系统的分析与设计、系统开发、系统测试与评估、系统操作人员的培训、系统预测、系统的使用与维护等各个方面。

动态仿真的应用领域已经发展到军事以及与国民经济相关的各个重要领域。

在包装行业中，利用仿真技术的优势，可加快包装产品的研制、开发过程，缩短了设计、试制周期。

仿真在包装装潢方面也有重要的作用，可对包装产品的设计思想、理念、产品的设计创新、设计效果等进行仿真，并可随时进行修改，使计算机模拟出想要设计的精美画面[3]。

1.2 动态仿真技术的研究现状动态仿真技术的快速发展使得仿真技术在人类的生活和生产的各个方面都得到了重要的应用。

李伟等[4]对塔式起重机载荷摆振的仿真进行了研究，它可以帮助研究者在计算机上仿真塔机的起升、变幅、回转运动，动画显示载荷的摆动情况；仿真塔机的联锁保护功能，动态显示、打印实验数据和摆振的相轨迹供研究者使用。

通过并行接口接上按钮、转换开关以后也可以用于对塔机司机的操作训练。

黄苏融等[5]用直接数值解法进行机电一体化力矩电机调压调速时的动态仿真，采用a如坐标系下的电机数学模型，结合坐标轴转动法，通过多步积分法计算得到与实测结果相一致的仿真波形。

潘法周[6]对近区目标特征信号动态仿真进行了研究，利用数据采集和处理技术可以较精确地算出运动目标瞬时位五的RCS，动态仿真测试可以逼真模拟出弹目交会过程中的RCS。

吴晓蓓[7]采用动态仿真方法建立了一个简单机械手臂系统的模型。

方法简单，仿真结果表明该方法在栈线性系统建模中应用的可行性及可推广性。

黄克谨等[8]在综合了大量参考文献的基础上，较为全面地总结了精馏过程模型化及仿真技术的发展现状，系统地阐明了该领域的几大研究方向。

同时还从系统工程和控制论的观点出发，对精馏过程模型化及仿真技术的最新进展做了恰当的评价，指出了其不足之处，并就其未来的发展作了客观的预测。

王平等[9]编制了计算金属燃料钠冷快堆在超功率事故下的动态过程的仿真程序MFTOP，并用它对美国池式钠冷快堆EBR一I在启动和功率运行工况下的反应性引入事故瞬态进行了大量的分析计算，所得结果与国外大型程序NATDEMO的相应预测结果符合良好，本程序可用于其它钠冷快堆的超功率瞬态计算。

吴陈燕[10]对三爪卡盘三维建模与动态仿真提出了一种基于Pro/E的三维实体建模方法，可使抽象的问题直观化，还可以利用机构仿真来制作动画，它能实时录制三爪卡盘机构运动的全过程，从而增强了对三爪卡盘运动机构的理解。

虽然动态仿真技术的应用领域很广泛，但仿真技术在在包装行业的应用还不是很多，这方面的技术仍需不断的发展和进一步的成熟。

桂新军等[11]简要剖析了液态化学品灌装工艺流程及其灌装原理，应用物料平衡、气体状态方程和过程技术数据，通过微分方程法和动态补偿法等方法建立灌装过程动态仿真数学模型。

研制了一套完备的动态仿真系统，实现了灌装工艺过程的全面动态仿真。

朱慧等[12]为方便教师生动教学，提高学生感性认识，应用3DS MAX5、Swift3D、Photoshop、Flash等软件，通过贴体包装产品制作、贴体包装设备制作、贴体包装动态过程制作，完成了贴体包装工艺的动态模拟。

高博[13]研究了瓦楞纸箱成型过程仿真。

针对压痕与折叠过程中容易出现纸板卷曲或压线破裂等故障现象，采用ANSYS参数化设计语言就瓦楞纸板机械方向和正交方向运用接触分析技术建立了压痕与折叠工艺的3维有限元模型并对瓦楞纸板的压痕及折叠过程进行了仿真，仿真结果表明经压痕后的瓦楞纸板的强度、压痕力与折叠力矩基本随纸板变形增大而增加但呈非线性变化。

屈俭[14]研究了液体灌区动态建模与仿真平台的建立及其应用，液体灌区是一个广泛存在的重要工业流程。

文章首先对罐区流程进行了功能模块的可组装划分，建立了功能模块的严格机理模型，然后借助Simulink的图形建模及微分方程求解功能，建立了一套可用于有温度变化的多组分液体罐区建模与仿真的软件工具。

应用本文的建模与仿真软件工具,论文分别开发了白酒罐区和油品罐区仿真系统，验证了本文开发的软件工具的有效性和应用价值。

蔡潇[15]研究装载机变速箱仿真设计。

为改变工程机械传统设计计算与绘图的繁复和难以形式化的不足及其设计、制造依赖二维工程图的落后现状,以铲土运输机械典型机种—轮式装载机为例，进行了工程机械变速箱技术形态计算机辅助仿真设计研究，为实现工程机械快速自动化设计与制造作了实际探讨和研究。

1.3 灌装机和灌装工艺1.3.1 灌装机的概述将液体产品充填到包装容器内的机械通常称为灌装机械。

一般灌装机是所有包装机中的一中很小的分类产品，常规来讲从对物料的包装方面来看可以分为液体灌装机，粉剂灌装机，膏体灌装机，颗粒灌装机，如果要从自动化的程度来讲的话，一般分为半自动的和全自动的灌装机[16]。

颗粒灌装机是对那些流动性较好的粉粒状物料的灌装机械。

颗粒灌装机适用于医药、食品、化工、农药等方面的小袋包装。

适合生产颗粒类药品、砂糖、咖啡、果珍、茶、味精、盐、种子、干燥剂等生产细颗粒物厂家[17]。

胶囊剂在中药固体制剂中占居较大比例，由于多颗粒释药理念及服用的方便性，其越来越多地受到消费者的青睐[18]。

目前，国内灌装机生产厂家并不是很多，从设备的机型来看大多停留在国外20 世纪90 年代中期的产品档次。

国内产品以多列、价格便宜取胜，但产品跟国外设备相比存在着较大差距。

设备装量不稳，偏差较大；加热系统设计不合理，热封合效果不理想，漏气率偏高；单列灌装速度较慢；设备细节考虑不够（跟材料工艺都有很大的关系）；人机安全性差。

总体来说，国产颗粒袋包装机要达到进口机器的性能水平还有很长的路要走，但只要生产厂家时刻关注使用厂家的建议，多多了解生产一线员工的操作情况。

并对进口设备进行分析，抓住国外设备设计的细节，增强创新思维，变仿造为创造。

国产设备的发展速度才会更快，毕竟国产机在市场竞争上是有着很大的优势的[19]。

1.3.2 灌装工艺液体物料包括低粘性液体，如酒类、果汁、牛奶等;也包括粘稠性液体，如冷霜、牙膏、胶糊等。

液体物料的灌装工艺方法可包括按重量定量、体积定量和控制液位定量等，而颗料灌装方法基本与液体灌装基本相似。

重力灌装法是灌装容器到预定的液位。

来自贮液箱的液体流经一个弹簧充填阀，该阀是由阀下容器打开，液体由于自重流入被密封的容器。

容器内的空气经高出贮液箱液面的排气管排出。

当容器内的液位上升到比排气管的下口略高时，灌装停止。

同压力灌装和真空灌装一样，这种灌装方法不会有液体溢出，液体中渗气很少，灌装液位高度一致、灌装方法比较简单、易于掌握。

它可以用于大规模的无菌灌装,灌装各种不含气的液体。

计时流液灌装法这是一种计量液体容积的方法。

它比较新颖，从字面上理解，即液流进入一个容器时被“计时”。

输送到容器的液体体积是靠时间的量来控制的,时间是指液体被允许流过液管的时间。

在压力的作用下，液流从外部的液泵流到一个固定的圆盘，圆盘上有一个输送液体的长孔，通过以一定的转速转动计量圆盘到固定的液管，计量和计时产生。

圆盘转动的速度确定在这个灌装长孔下是多长的灌装口，这些决定了输送到容器的液体体积。

另外，也可以靠改变液体流向计量长孔的流速的方法,来使灌装体积增加或减少。

通过使用一个以上的计量长孔，可以完成在同一容器中不同产品的多级充填。

薄膜容积计量灌装法这种方法灌装预定容积的液体进入容器。

它是近年来发展的成果，是一个不同于容积计量灌装的概念，这种灌装法精确、卫生，并且速度较高。

液阀被安装在回转灌装机上面的贮液箱上，液阀连接贮液箱和一个容积腔。

贮液箱保持液面上的压力达0.1Mpa，这个压力履行容积腔卸料后再回填的任务。

如果没有待灌容器存在，容积腔就不会卸料[20]。

针对颗粒式灌装工艺所处的对象，可知计量式颗粒灌装首先要解决的问题便是物料的计量方式问题。

如何高效，均匀，精确地进行产品包装的计量显得尤为重要。

而包装计量方式一般分为如下三种：方案一：计数法是用来测定每一规定批次的产品数量的方法在条状、块状、片状、颗粒状产品包装中广泛应用。

计数装置由三个基本功能系统组成：内装物件数检测；内装物件数显示、产品的递送。

方案二：定容法对于密度较稳定的粉末、细颗粒、膏状物料等，采用定容积的计量方法较合适。

定容法律计量装置有量杯式、螺杆式、活塞式等不同类型定容法构造简单造价低，计量速度快，但精度稍低。

方案三：有许多物料常易受潮而结块，使颗粒大小不均、密度变化幅度较大，此类产品适合采用称重法计量以保证精度。

经分析可知，对于一般性颗粒密度较稳定和流动性的特点优先选用定容法计量方式对产品进行灌装。

为了求取较优越的工艺操作控制条件，减少实物灌装试验的次数，提高灌装过程的研究和设计效率及其自动化生产的程度，减小研究研究过程的复杂程度，有必要建立灌装过程仿真系统,进行灌装过程的原理性仿真试验和仿真操作与控制试验[21]。

1.4 本课题的研究内容本课题研究内容包括：掌握颗粒灌装机的组成、工作原理和相关工序流程；熟练应用图形处理和动态仿真软件；利用动态仿真软件对颗粒灌装机工作过程中涉及到的各个元件进行建模、装配和动态仿真，在这个设计里本人使用的是solidworks仿真运动软件。

本次运动仿真的颗粒灌装机为浙江葆春包装机械有限公司生产的HP-100系列颗粒灌装机。

整机由主传动、调速、拉袋、供纸、袋成型、光电自动对标、计量、热封、成品输送和电器控制等机构组成。

本次设计初步完成对主传动部件的动态仿真，然后进行计量盘的动态模拟，接着进行横封纵封装置的仿真，最后进行对传送带等运动的模拟，装配完整后保存整机各个角度各元件的仿真运动视频。