基于SolidWorks的紙盒包裝快速設(shè)計(jì)

丁旭升

（廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

紙盒是世界上應(yīng)用最廣泛的銷售包裝，其結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同商品的特點(diǎn)和要求，采用適當(dāng)?shù)某叽?、適當(dāng)?shù)牟牧稀⒚烙^的造型來(lái)安全地保護(hù)商品，方便使用和促使銷售[1]。特別是折疊紙盒的結(jié)構(gòu)類型變化多，部件種類多，部件關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，且為空間活動(dòng)關(guān)系。在設(shè)計(jì)紙盒包裝時(shí)，如果繼續(xù)沿用以往的設(shè)計(jì)方式，缺乏三維可視化和參數(shù)技術(shù)的支撐，難度大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，也給設(shè)計(jì)者帶來(lái)繁重的工作量。

SolidWorks軟件是一種強(qiáng)大、全面、易于使用的產(chǎn)品3D設(shè)計(jì)解決方案，可以十分方便地完成零件、部件和總成的結(jié)構(gòu)、造型和裝潢設(shè)計(jì)后，對(duì)模型賦予材質(zhì)，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、仿真分析及效果渲染，接近真實(shí)產(chǎn)品的效果；如果結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則可重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)、造型和裝潢設(shè)計(jì)，直到滿意為止，確保一次性制造成功。與同類軟件相比，利用SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可快速設(shè)計(jì)出更好、更有吸引力、更有創(chuàng)新力的產(chǎn)品[2]。因此，本文提出基于SolidWorks的紙盒包裝快速設(shè)計(jì)方法，旨在避免以往的設(shè)計(jì)缺陷。以CTS-04PC超聲卡包裝盒設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程

1 建模及裝配

包裝盒必須能保護(hù)好CTS-04PC超聲卡，特別是防靜電保護(hù)；方便儲(chǔ)運(yùn)，還得盛放隨卡配附件，如：探頭線、同步線、配套光盤、說(shuō)明書、螺釘?shù)取４送庾鳛殇N售容器，還必須體現(xiàn)企業(yè)的營(yíng)銷戰(zhàn)略，包含企業(yè)名稱、標(biāo)志、商標(biāo)、品牌特色以及產(chǎn)品性能等商品說(shuō)明信息。綜合各方面要求，包裝盒結(jié)構(gòu)可由盒體、底托、墊座、內(nèi)襯墊和外襯墊這五部分組成。

盒體為上掀開式結(jié)構(gòu)，是用一張牛皮箱紙板裁切、折痕壓線后經(jīng)彎折、折疊、插鎖成型，閉合后蓋舌與盒唇再相互插別封合而制成的?？刹捎肧olidWorks的鈑金設(shè)計(jì)插件模塊來(lái)建模，快速將構(gòu)想付諸現(xiàn)實(shí)，建模過(guò)程如圖2所示。首先，在草圖界面中將盒底的內(nèi)尺寸繪制出來(lái)，再設(shè)置好參數(shù)，創(chuàng)建“基體法蘭”即生成包裝盒底板；接著，根據(jù)需要可利用已生成零件的邊線創(chuàng)建“邊線法蘭”，同時(shí)允許設(shè)計(jì)者事后再通過(guò)修改法蘭的草繪輪廓，來(lái)變更法蘭的輪廓，即可生成包裝盒的各種直角彎曲側(cè)壁。對(duì)于盒蓋、蓋舌和盒唇等可活動(dòng)部分，則根據(jù)其相連側(cè)壁邊線生成薄片，使用“草繪折彎”特征來(lái)為薄皮加入折彎線，這樣就實(shí)現(xiàn)盒蓋、蓋舌和盒唇等可活動(dòng)部分的折彎角度可調(diào)。若盒體模型存在干涉錯(cuò)誤，則需檢查并調(diào)整相關(guān)參數(shù)或輪廓，直到生成所需盒體實(shí)體為止。底托、墊座、內(nèi)襯墊和外襯墊的設(shè)計(jì)方法同上，其中所有參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置，且只要改變參數(shù)，軟件即會(huì)重新建模。

圖2 盒體建模過(guò)程

最后進(jìn)行包裝盒各零件模型的總體裝配，在裝配環(huán)境下加載盒體、底托、墊座、內(nèi)襯墊和外襯墊等零件并放置在合適的位置，通過(guò)適當(dāng)?shù)难b配條件（如重合、距離、距離約束等）完成裝配任務(wù)，這樣就可顯示包裝盒的總體造型效果，見圖3。利用SolidWorks軟件還可消除干涉，若裝配體之間存在碰撞、干涉和間隙等缺陷，則需調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以確保零部件正常工作。

圖3 包裝盒策劃

2 參數(shù)計(jì)算

利用SolidWorks軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，進(jìn)入上工具欄區(qū)的評(píng)估選項(xiàng)卡，可對(duì)包裝盒各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和計(jì)算。選中所要查看的零部件或?qū)嶓w，運(yùn)行“質(zhì)量屬性”命令，就會(huì)彈出一個(gè)如圖4所示的窗口，上面報(bào)告了所有信息；不選中零部件或?qū)嶓w，系統(tǒng)將報(bào)告整個(gè)裝配體的質(zhì)量特征[3]。同理，可運(yùn)行“截面屬性”命令，計(jì)算平行面中的多個(gè)面和草圖的剖面屬性。此外，也可運(yùn)行“測(cè)量”命令，對(duì)想要知道的距離進(jìn)行測(cè)量等。

3 渲染及動(dòng)畫

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的提高，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的視覺(jué)效果及外觀造型越來(lái)越重要。然而，在以往，當(dāng)一個(gè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)成型后，它的造型、尺寸及裝潢是否能得到用戶喜歡，在產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)之前是不得而知的[4]。現(xiàn)在則不同，設(shè)計(jì)者只需使用SolidWorks里提供的PhotoView 360插件模塊就可以快速創(chuàng)建模型照片級(jí)逼真的圖像和動(dòng)畫，全方位展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及裝潢設(shè)計(jì)。

圖4 質(zhì)量特性窗口

設(shè)計(jì)者在對(duì)包裝盒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)對(duì)其組成零部件進(jìn)行材質(zhì)賦予，而對(duì)于需要進(jìn)行裝潢設(shè)計(jì)的部位則可采用材料貼圖法，把裝潢的信息圖片添加到產(chǎn)品外觀（見圖5），從而制作出具真實(shí)質(zhì)感視覺(jué)效果的圖片，見圖6。還可以制作走查、飛越和裝配體等動(dòng)畫或是錄制視頻，真實(shí)呈現(xiàn)和清楚傳達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。由此可見，利用SolidWorks軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅可快捷、清晰、直觀地展現(xiàn)設(shè)計(jì)作品在設(shè)計(jì)者及客戶面前，而且與過(guò)去制作實(shí)體模型及樣件的做法相比，減少了大量的時(shí)間和費(fèi)用，達(dá)到了有效節(jié)約資源，縮短產(chǎn)品面世時(shí)間的目的。

圖5 外觀設(shè)置界面

4 虛擬測(cè)試及優(yōu)化

完成包裝盒的建模后，需要進(jìn)行虛擬測(cè)試驗(yàn)證其設(shè)計(jì)性能，以消除創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)，減少物理樣機(jī)的數(shù)量，從而節(jié)約資金并縮短產(chǎn)品完成時(shí)間。通過(guò)SolidWorks軟件，建立三維鈑金模型，進(jìn)行線性靜態(tài)仿真，得出在環(huán)境和承載時(shí)出現(xiàn)的最大應(yīng)力應(yīng)變值和最大位移值及部位，如果計(jì)算的結(jié)果不符合預(yù)期，那么設(shè)計(jì)者就需再次設(shè)計(jì)和再次分析，修正模型，直到可接受的設(shè)計(jì)值為止，進(jìn)而幫助設(shè)計(jì)者篩選出最合理的紙盒包裝設(shè)計(jì)方案[5]。

圖6 渲染效果

先設(shè)置好參數(shù)，利用SolidWorks軟件的CAE插件Simulation軟件包對(duì)模型進(jìn)行線性靜態(tài)仿真，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。正常情況下，紙盒在儲(chǔ)存、運(yùn)輸時(shí)常采取堆碼的方式，堆碼時(shí)底部包裝盒承受上部貨物壓力。根據(jù)受力情況，對(duì)包裝盒進(jìn)行靜壓力分析，結(jié)果如圖7所示。包裝盒在上壓力作用下，最容易破損的地方是盒體后側(cè)壁四個(gè)邊角，其次是后側(cè)壁與上蓋過(guò)渡的地方。而且通過(guò)改進(jìn)包裝盒的壁厚，會(huì)發(fā)現(xiàn)包裝盒壁厚越大，其力學(xué)性能越好。但是也不能一味為了追求力學(xué)性能而把紙厚設(shè)計(jì)得太厚，這不僅浪費(fèi)材料，而且還會(huì)減少包裝盒的容積。針對(duì)這種情況，SolidWorks軟件提供了模型優(yōu)化功能，可供有需要的設(shè)計(jì)者使用。

圖7 應(yīng)力云圖

5 二維工程圖的生成

目前，三維軟件正在普及，但在大部分企業(yè)里，二維工程圖仍是技術(shù)交流及指導(dǎo)生產(chǎn)的重要手段，因此，完成三維模型后，還須將其轉(zhuǎn)化為二維工程圖[6]。SolidWorks提供了生成完整的、車間認(rèn)可的詳細(xì)工程圖的工具。能自動(dòng)生成所需的工程圖視圖、視圖更新、標(biāo)注尺寸、材料明細(xì)表、注解等。比較簡(jiǎn)便有效的方法是采用“從零件/裝配體制作工程圖”，直接在視圖調(diào)色板上將所需的視圖拖放到工程圖圖紙中，并可根據(jù)圖紙的大小縮放視圖的比例，生成二維工程圖。二維工程圖與三維模型可進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向更新，當(dāng)修改圖紙時(shí)，產(chǎn)品的其他設(shè)計(jì)即會(huì)相應(yīng)自動(dòng)修正，例如三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新，省去了用戶對(duì)產(chǎn)品一一更改的煩惱，還能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程中出錯(cuò)的機(jī)會(huì)減少，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精確，從而最終確保了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一[7]。利用這些功能，用戶可更加快速、準(zhǔn)確地完成各種復(fù)雜模型的二維圖紙繪制和修改。本設(shè)計(jì)利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)生成的簡(jiǎn)易工程圖如圖8所示。

6 結(jié)論

本文以包裝盒設(shè)計(jì)為例，介紹了SolidWorks在紙類包裝容器快速設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。按照設(shè)計(jì)流程，從產(chǎn)品包裝要求品到零件建模、總體裝配、參數(shù)計(jì)算、高級(jí)渲染、虛擬測(cè)試以及二維工程圖生成等功能做了詳細(xì)的介紹和分析。實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明：SolidWorks軟件在紙類包裝容器產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)中具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

（1）使用SolidWorks軟件進(jìn)行紙盒包裝設(shè)計(jì)，可將3D模型用作設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)，快速地將構(gòu)想付諸現(xiàn)實(shí)，并可與他人共享CAD數(shù)據(jù)，快速、輕松地合作完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。從而大大降低新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)成本，以及縮短投放市場(chǎng)的周期。

（2）利用SolidWorks軟件強(qiáng)大的裝配功能可十分方便地將紙盒包裝設(shè)計(jì)中多個(gè)組成零部件進(jìn)行裝配，并能演示裝配步驟。軟件還提供了消除干涉功能，可檢查零部件之間是否存在干涉、碰撞和間隙等缺陷，并可自動(dòng)檢查公差對(duì)零件和裝配體的影響，確保零部件在裝配時(shí)統(tǒng)一配合到位，從而加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度并減少制造錯(cuò)誤。

（3）在紙盒包裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)各組成零部件進(jìn)行材質(zhì)賦予、裝潢設(shè)計(jì)并渲染，制作出照片級(jí)逼真的圖像和動(dòng)畫，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更快捷、更清晰、更直觀地呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員及客戶面前，從而能快速反應(yīng)客戶需求，提高訂單獲取能力。

（4） SolidWorks的仿真工具能很方便地進(jìn)行紙盒包裝的虛擬測(cè)試并驗(yàn)證設(shè)計(jì)性能，消除創(chuàng)新風(fēng)險(xiǎn)，使產(chǎn)品的質(zhì)量更可控，還可以一次形成多種設(shè)計(jì)概念，方便從中挑選出最好的，從而節(jié)約資金并縮短產(chǎn)品的完成時(shí)間。

（5）采用鈑金設(shè)計(jì)模塊來(lái)進(jìn)行紙盒包裝設(shè)計(jì)，能快速創(chuàng)建可直接用于生產(chǎn)的二維工程圖，清楚地傳達(dá)設(shè)計(jì)的制造方法和裝配方法，這一設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)紙、塑料、玻漓及金屬包裝容器的包裝快速設(shè)計(jì)有著很大的借鑒作用。

圖8 二維工程圖

［1］謝琪.紙盒包裝設(shè)計(jì)［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2008.

［2］康士廷，胡仁喜，劉昌麗，等.SolidWorks 2009中文版機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］二代龍震工作室.SolidWorks 2009基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：第2版［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［4］李楊，陳曲.基于SolidWorks的包裝容器快速設(shè)計(jì)—以紅酒瓶設(shè)計(jì)為例［J］.包裝學(xué)報(bào)，2012，4（1）：53-56.

［5］余堅(jiān)勇，郝利民，錢平，等.基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（2）：94-97.

［6］聶志鎮(zhèn).SolidWorks在09-32搗固裝置國(guó)產(chǎn)化研制中的應(yīng)用［J］.機(jī)車車輛工藝，2003（5）：27-29.

［7］王崢，史智斌.Pro/Engineer在剛性塑料包裝容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.包裝工程，2010，31（23）：73-76.