Первый уровень состоит в выборе технической идеи или принципа действия создаваемой упаковочной техники. На втором уровне осуществляется поиск наилучшей структуры техники в рамках выбранного принципа действия. Третий уровень заключается в установлении оптимальных значений параметров для выбранной структуры.
     Задачи первого уровня обычно решаются эвристическими методами и заключаются в построении допустимого множества (каталога) принципиально возможных типов, входящих в состав создаваемой упаковочной техники элементов. Ведущее место в сфере упаковочной техники занимают машины для упаковки сыпучих продуктов - преимущественно вертикальные фасовочно-упаковочные автоматы и полуавтоматы.
     На основе исследования достижений науки и техники в области упаковочного машиностроения были предложены принципиально новые решения, запатентованные автором [1], обоснованы главный и ограничительные критерии.
     Структурой фасовочно-упаковочного автомата является набор составляющих его элементов и связей между ними. Структурный синтез или структурная оптимизация связаны с варьированием этих элементов. Задача структурного синтеза (второго уровня) заключается в поиске оптимальной структуры фасовочно-упаковочного автомата для реализации заданных функций. В формализованном виде она заключается в нахождении независимых переменных. Последние характеризуют структуру создаваемой техники и могут иметь различную интерпретацию: количество узлов каждого типа, геометрические размеры, включение или невключение того или иного узла в конструкцию. Структура фасовочно-упаковочных автоматов, в свою очередь, определяется природой входящих в их состав элементов и физической реализацией связей между ними. Она определяет устройство автомата, его основные части и их связи между собой.
     Фасовочно-упаковочный автомат, как и любая производственная машина, состоит из следующих основных частей: двигательного органа, передаточного механизма, исполнительных механизмов, управляющего устройства.
     Двигательный орган как источник движения и источник силы может быть выполнен в виде вращающегося с постоянной угловой скоростью вала или цилиндра с поршнем, на который действует давление, обеспечивающее постоянное усилие независимо от подключенной нагрузки. К первому виду относятся электрические двигатели, ко второму - гидро- и пневмоприводы.
     Передаточные механизмы в автомате могут быть представлены тремя типами звеньев: инерционные, упругие и трения, в которых связь между силой и перемещением описывается соответствующими аналитическими выражениями.
     Основными структурными элементами упаковочных автоматов являются исполнительные механизмы, посредством которых выполняются заданные операции технологического процесса. Эти механизмы различаются по следующим видам: рабочие, загрузочные, установочные, транспортные и съемные. В соответствии с этим делением в исходной структуре вертикального фасовочно-упаковочного автомата на рисунке выделены следующие структурные элементы: 1 - бункер с загрузоч- ным транспортером; 2 - дозатор; 3 - устройство формирования рукава из упаковочного материала; 4 - устройство сварки продольного шва; 5 - устройство сварки поперечных швов; 6 - механизм образования пакета; 7 - механизм отрезания пакета; 8 - механизм прижима рукава к стволу; 9 - механизм протягивания рукава; 10 - устройство размотки рулона пленки; 11 - датчик метки; 12 - переключатель режима работы; 13 - блок контроля; 14 - распределитель; 15 - вход энергоносителя; 16 - блок управления и регулирования.
     Задача синтеза оптимальной структуры упаковочной техники нового поколения отличается значительной сложностью в силу множественности технико-эксплуатационных требований и большой размерности при условии высокой степени детализации. Это обусловливает неопределенность математического описания структуры. Кроме того, некоторые показатели, такие, как надежность, точность дозирования, качество упаковочного материала, являются стохастическими величинами.
     Для решения задач оптимального структурного синтеза применяются так называемые универсальные методы, учитывающие только комбинаторный характер формирования вариантов. Это "полный перебор", "сокращенный перебор", "дискретное программирование", а также последовательные методы, основанные на направленной генерации множества вариантов с целью выбора наилучшего путем последовательного отсеивания неперспективных.
     "Полный перебор" предполагает предварительный синтез всех возможных вариантов комбинаций элементов. Генерация множества возможных вариантов осуществляется на основе критического анализа существующих аналогов, морфологическим методом, с помощью таблиц фрагментов. Затем для каждого варианта рассчитываются значения переменных показателей и проводится выбор оптимального варианта структуры.
     Положительной особенностью "полного перебора" является просмотр всех возможных комбинаций, что обеспечивает высокую надежность принятого оптимального решения. Метод "полного перебора" оказался вполне приемлемым и эффективным при структурном синтезе термоусадочных машин, представляющих собой объекты небольшой сложности и допускающих построение полного множества допустимых вариантов их структуры.
     При синтезе достаточно сложных фасовочно-упаковочных автоматов "полный перебор" затруднителен из-за очень большого набора возможных вариантов структуры.
     "Сокращенный перебор" предусматривает просмотр локальных областей пространства варьируемых вариантов. Локализация областей просмотра осуществляется путем априорного сокращения определяющих характеристик оптимизируемого автомата. По принципу выборки и организации поиска методы "сокращенного перебора" подразделяются на случайные и детерминированные. Первые основаны на случайном выборе варианта из множества возможных. К детерминированным относятся методы ветвей и границ, градиентный и его модификации. Эти методы в литературе изложены достаточно подробно [2].
     Более удобным и эффективным синтез оптимальной структуры фасовочно-упаковочного автомата представляется методом "дискретного линейного программирования". Автором рассмотрены различные решения системы уравнений, которые принято считать возможными или допустимыми.
     Оптимальным оказалось решение, минимизирующее целевую функцию. Его можно найти путем перебора допустимых базисных решений. Вычислительную процедуру такого перебора представляет симплекс-метод, относящийся к универсальным методам решения задач линейного программирования. Вычислительный процесс симплекс-метода является итерационным. Подробное описание алгоритма и вычислительной процедуры симплекс-метода и его модификаций широко представлено в литературе.
     При создании сложной упаковочной техники удобны последовательные методы синтеза, основанные на направленной генерации множества вариантов с целью выбора наилучшего путем последовательного отсеивания неперспективных. Последовательные алгоритмы синтеза основаны на наращивании структуры путем добавления элементов к некоторому начальному элементу. В основу метода последовательного конструирования, анализа и отсеивания вариантов положена идея процесса принятия решения в виде многошаговой процедуры. В начале процедуры определяются признаки, которыми должен обладать искомый вариант. При этом из множества таких признаков сначала отбираются наиболее легко проверяемые и присущие одновременно возможно большему числу вариантов.
     В рамках многоальтернативного синтеза оптимальной структуры хорошие результаты дает процесс формирования структуры путем совместного разрешения альтернатив о соответствии конструкторских решений заданным требованиям. При этом в основу оптимального выбора положена так называемая дихотомическая редукция множеств. Она представляет собой процесс ограничения множества возможных вариантов путем последовательного деления его на две части и выбора одной из них в качестве исходной для следующего этапа деления. При этом постоянно выполняют прогностические оценки - количественные характеристики предпочтения рассматриваемых подмножеств в смысле удовлетворения заданным требованиям.
     Алгоритм последовательного анализа вариантов и синтеза структуры фасовочно-упаковочного автомата был предложен на основе процедуры динамического программирования, согласно которой решение очередной задачи оптимального синтеза структуры заменяется последовательным решением некоторого количества одномерных задач. Использование этой процедуры позволило получить оптимальную структуру автомата.
     К современным упаковочным машинам предъявляются жесткие требования по массово-габаритным характеристикам. Поэтому важным этапом структурного синтеза этих машин является компоновка элементов их структуры.
     Решение задачи компоновки сводится к выбору основных геометрических размеров, формы, массы и, таким образом, к созданию конструкторской архитектуры машины.
     В практике решения задач компоновки применяют различные методы. При создании аппаратуры управления используют аналитический, номограммный и аппликационный методы.
     Автором выполнена наиболее совершенная компьютерная компоновка вертикального фасовочно-упаковочного автомата в системе AutoCAD+ABASL. Достоинством этого способа является возможность автоматического поиска вариантов компоновки в заданном объеме пространства на основе введенной в память компьютера библиотеки элементов.
     Параметрический синтез упаковочного автомата заключается в определении наилучших значений параметров для выбранной структуры.
     Математическая модель упаковочного автомата как объекта параметрического синтеза характеризуется совокупностью числовых параметров, которые условно принято разделять на внутренние, внешние и выходные. К внутренним относятся параметры отдельных элементов, составляющих создаваемый автомат. Это могут быть, например, диаметр пневмоцилиндра, ход поршня, прочность упаковочного материала на растяжение и др. Внешние параметры характеризуют влияние внешней среды, например напряжение электрического тока, давление сжатого воздуха, температура окружающей среды, а также некоторые случайные факторы воздействия среды. Важнейшее значение при математическом описании упаковочного автомата имеют выходные параметры, отражающие его основные характеристики, такие, как энергопотребление, производительность, точность дозирования, стоимость и др.
     В результате выполненной автором оптимизации структуры и параметров создан вертикальный фасовочно-упаковочный автомат среднего класса ТПА-1200, характеризующийся следующими основными показателями: производительность 25 упаковок/мин; потребляемая мощность 0,5 кВт; габаритные размеры 650х2100х2450 мм; собственная масса 270 кг; давление сжатого воздуха 0,6 мПа; расход воздуха 360 л/ч.
     Применение в конструкции автомата современных пневматических устройств, простых и надежных средств автоматики обеспечило высокую надежность, удобство обслуживания, минимальное энергопотребление и позволило установить значительно меньшую по сравнению с аналогичными автоматами этого класса цену.

Литература
1. Феклин К.П. Патент на изобретение № 2129972. Фасовочно-упаковочный вертикальный аппарат, 10.05.1999.
2. Вермишев Ю.Х. Методы автоматического поиска решений при проектировании сложных технических систем. - М.: Радио и связь, 1982. - 152 с.
3. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. - М.: Наука, 1965. - 460 с.