輕（小）型包裝方案自動設(shè)計的可行性簡析

■ 文/上海新通聯(lián)包裝股份有限公司 曹 華

1 RPA與包裝方案自動設(shè)計概念簡析

機器人流程自動化（Robotic Process Automation，RPA）是通過模仿最終用戶在電腦的手動操作方式，提供了另一種方式實現(xiàn)最終用戶手動操作流程的自動化。

如果過程、規(guī)則或者經(jīng)驗可以被自然語言歸納描述為具體對象的話，那么隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，上述歸納對象用代碼來實現(xiàn)的能力就會越來越強，而重復(fù)性、標(biāo)準化的工作也會實現(xiàn)智能自動化運行，如常規(guī)文職類工作[1]。

辦公流程自動化領(lǐng)域一家頭部供應(yīng)商公開的一個案例：在4周的時間內(nèi)，實現(xiàn)了22個工作流程自動化，年釋放1250人天，工作效率提升5倍，工作準確率達到100%。RPA的實際效益非常明顯。

通常認為，設(shè)計類工種比較難以實現(xiàn)智能自動運行，但是輕（?。┬桶b方案設(shè)計類工種目前已經(jīng)具備了智能自動設(shè)計的可能。

輕（?。┬桶b主要用于電子電器、消費品等產(chǎn)品，以外部紙箱配套內(nèi)部緩沖材料為基本形式，設(shè)計過程通常遵循緩沖包裝設(shè)計六步法：流通環(huán)境的確定、確定產(chǎn)品特性、產(chǎn)品的重新設(shè)計、選擇緩沖材料、包裝設(shè)計與制作原型樣品、包裝件的試驗[2]。

設(shè)計過程概括起來，主要由信息輸入、方案設(shè)計、結(jié)果輸出三個步驟組成，當(dāng)前工作的大致過程：第一步，信息輸入中的信息收集、存儲、判斷等都是在人的大腦里完成，然后輸出一個大致判斷確定方案設(shè)計的大致方向；第二步，方案設(shè)計，即綜合運用當(dāng)前的各類軟件工具，手工操作完成方案的具體設(shè)計工作；第三步，手動操作軟件輸出工程圖紙、工藝流程、報價文件等，將這個過程中的人工操作、經(jīng)驗判斷等替換為機器（電腦）自動操作，以實現(xiàn)智能自動設(shè)計。

2 包裝方案自動設(shè)計過程簡析

2.1 信息輸入

信息輸入主要是涉及以下環(huán)節(jié)：流通環(huán)境的確定、確定產(chǎn)品特性；包裝防護與流通環(huán)境緊密相連，根據(jù)從外向內(nèi)對包裝方案的要求，主要對外箱的強度（受力）和規(guī)格（尺寸）進行分析；確定產(chǎn)品特性根據(jù)從內(nèi)向外對包裝方案的要求，主要對緩沖保護（脆值G）和生化防護（保質(zhì)）進行分析。

輸入信息大致按如下設(shè)計開發(fā)信息表的式樣進行，如表1所示。

表1 設(shè)計開發(fā)信息表

表1中，“序號1” “所屬類別”的作用是將常見包裝標(biāo)的通用包裝要求的類別和數(shù)據(jù)進行分類歸納，形成一個樣板庫，同時對應(yīng)著樣板包裝方案，有利于提高自動設(shè)計的準確率?！靶蛱?” “G值”特別重要，目前已經(jīng)形成了相對可靠的參考數(shù)據(jù)，在無法獲得具體G值時就可以采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并且可以對比判斷給出的G值是否合理，是否需要重新設(shè)計產(chǎn)品，如表2、表3所示[2]。

表3 中國機械標(biāo)準化研究所推薦的產(chǎn)品脆值范圍

模板數(shù)據(jù)是基于一定時期條件下的測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當(dāng)技術(shù)進步影響了材料、工藝等基礎(chǔ)條件時，對應(yīng)的防護要求數(shù)據(jù)也會有變化，所以這個數(shù)據(jù)模板需要根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)更新。

依靠手工輸入這個開發(fā)信息表，同時對某些參數(shù)賦予關(guān)鍵參數(shù)權(quán)重比值，如果集裝箱裝載率為第一關(guān)鍵要素，那么后續(xù)的自動設(shè)計時就會將這個要素放在首位。

有了上述信息，具體設(shè)計時還缺少尺寸要素，產(chǎn)品尺寸和裝載數(shù)量決定了外箱的尺寸，但是這個尺寸一般難以用簡單的幾個數(shù)據(jù)描述出來，如果有產(chǎn)品的原始3D圖紙就可以解決了；如果沒有3D圖紙，手工設(shè)計時就要手動建立產(chǎn)品3D模型，還可以對樣品實施逆向工程獲得3D模型。

逆向工程是一種能根據(jù)現(xiàn)有的物理部件通過如CMMs、激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光源轉(zhuǎn)換儀或X射線斷層成像這些3D掃描技術(shù)進行尺寸測量生成具有坐標(biāo)信息的數(shù)據(jù)點集，之后通過CAD、CAM、CAE或其他軟件依據(jù)點集信息構(gòu)筑3D虛擬模型的方法[10-11]（見圖1），常用的軟件有Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm。

圖1 3D掃描快速建模

自動設(shè)計時，產(chǎn)品3D模型為必須輸入的參數(shù)，系統(tǒng)會提示導(dǎo)入或者跳轉(zhuǎn)開啟3D掃描程序，直到完成逆向工程獲得3D模型。

以上為比較傳統(tǒng)的防護設(shè)計所需的主要輸入信息，隨著技術(shù)的發(fā)展，在數(shù)字、材料和結(jié)構(gòu)等智能包裝方面如跟蹤、RFID、AR/VR、碳中和等逐漸成為必須考慮的因素，所以信息輸入的模板需要有很好的擴展性[3][4]。

至此基本完成了信息輸入。這里涉及兩個軟件開發(fā)需求：信息輸入表、三維模型獲取接口。

2.2 方案設(shè)計

方案設(shè)計主要涉及內(nèi)襯和外箱，當(dāng)前主要是利用輸入的信息通過公式計算外箱的尺寸、強度和內(nèi)部緩沖材料的尺寸和具體形狀、用料材積。以外部為紙箱、內(nèi)部為泡沫的常見形式，簡單演示自動設(shè)計程序的實現(xiàn)過程。

2.2.1 內(nèi)部泡沫的設(shè)計

首先是式樣，概括來說就是用泡沫將產(chǎn)品包裹在內(nèi)部，起到緩沖保護的作用，主要是防護產(chǎn)品的面、楞、角，與之對應(yīng)的泡沫個數(shù)式樣大體可以簡化為四類五種：兩個（上下、左右）、三個、四個、八個，如圖2所示。

圖2 防護式樣四類五種

在這個基礎(chǔ)上可以對細節(jié)細化為各類常見模板，比如平板狀（筆記本電腦）產(chǎn)品的內(nèi)部泡沫，如圖3所示。

圖3 板狀產(chǎn)品泡沫防護圖

式樣模板設(shè)定好之后，就是尺寸的計算，主要涉及泡沫與產(chǎn)品接觸的面積尺寸和泡沫各部件的厚度。

這兩個尺寸的計算已經(jīng)有相對成熟的計算方法，目前國內(nèi)外普遍采用以下三種：緩沖系數(shù)與最大應(yīng)力曲線C-σm；最大加速度與靜應(yīng)力曲線Gm-σs；應(yīng)力應(yīng)變曲線σ-ε。

這三種計算方法，一般都會遇到已知條件或者默認限制條件（這些信息大部分來自于第一步的信息輸入），如厚度限制、所用材料已被指定等，會有多種可能的計算場景。

最常用的最大加速度與靜應(yīng)力曲線計算法如下。

已知產(chǎn)品質(zhì)量W、脆值Gm、跌落高度H及緩沖材料的Gmax-σs曲線，對全面緩沖而言，由于緩沖面積A已經(jīng)確定，只需求出厚度T。

具體設(shè)計步驟為： （1）計算靜應(yīng)力；（2）從相應(yīng)跌落高度H下的某材料Gmax-σs曲線圖中查取σs與指定產(chǎn)品Gmax的交點；（3）找出相應(yīng)的曲線；（4）選定合適的襯墊厚度。

示例：質(zhì)量為15.5 kg，脆值Gm=55的產(chǎn)品，擬用全面緩沖包裝，裝入底面積為25×25 cm2的包裝箱內(nèi)，設(shè)計跌落高度取60 cm，采用的聚苯乙烯（EPS）緩沖材料，圖4是H=60 cm時Gmax-σs曲線，要求選定合適的襯墊厚度。

計算靜應(yīng)力：

從圖4中查取σs=2.43 kPa與Gm=55的交點B；本例中B點正好落在T=5 cm的曲線上，則求選定緩沖襯墊的合適厚度T=5 cm。

三種途徑進行緩沖設(shè)計，有時需用振動傳遞率曲線作防振包裝的校核（一般來說不做理論防振校核，通常以振動臺試驗為驗證）。無論采用哪種方法，對求得的面積和厚度都應(yīng)進行校核，一般當(dāng)求得的面積太小、厚度太大時，襯墊在產(chǎn)品沖擊力作用下，會產(chǎn)生彎曲變形，因此要采用下列經(jīng)驗公式校核襯墊的穩(wěn)定性：

以上在各種情況下的緩沖材料的理論計算，目前已經(jīng)有材料或應(yīng)用軟件公司開發(fā)出來計算工具，如Pregis、kanekalc、PadCAD(Canadian Conservation Institute) 。此處關(guān)鍵工作不在于計算工具的軟件開發(fā)，而在于緩沖材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實測統(tǒng)計，這需要花費大量的時間和精力，并且必須為后續(xù)生產(chǎn)出的材料匹配與測試的材料相同的標(biāo)準[5]，目前國內(nèi)公開可用的主要是EPS的靜態(tài)緩沖曲線，這個數(shù)據(jù)也是比較陳舊的。其他如EPE、EVA等暫時沒有相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以使用。

圖5所示的是PadCAD給出的計算數(shù)據(jù)。

圖5 PadCAD 在線計算界面

圖5 PadCAD 在線計算界面

當(dāng)有了這個計算數(shù)據(jù)之后，在3 D 軟件（如SolidWorks、Pro/e、NX、Catia等）軟件里進行繪制泡沫的具體形狀，然后再手動校對設(shè)計出的3D圖紙在面積和厚度上是否與計算數(shù)據(jù)相符。如果用自動設(shè)計，首先計算出理論數(shù)據(jù)，然后選擇使用的基本模板，以第一步信息輸入獲得的產(chǎn)品的3D模型為基準，根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)自動調(diào)整細節(jié)尺寸，并給出最終的外形尺寸，用于后續(xù)的外箱設(shè)計。這里涉及兩個軟件開發(fā)需求：緩沖材料的面積和厚度的理論計算與校準。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)自行構(gòu)建泡沫三維模型。

2.2.2 外箱的設(shè)計

根據(jù)上述獲得的紙箱內(nèi)尺寸，按照第一步信息輸入獲得相關(guān)信息計算出紙箱用料，遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在現(xiàn)有相對成熟的結(jié)構(gòu)庫里選擇合適的盒型結(jié)構(gòu)，之后從ArtiosCAD（見圖6）中選擇對應(yīng)的標(biāo)準盒形圖模板生成紙箱設(shè)計圖[6]。

紙箱用料主要由邊壓和耐破來決定，耐破可以根據(jù)標(biāo)準材料表自動對應(yīng)選擇；邊壓需要兩步計算得出[1]：

P＝｛W×(N- 1) +W1/X×(M- 1) ｝×S×9.81

P：紙箱的必要壓縮強度（N）；

W：紙箱的總重量（kg）；

N：紙箱的裝載層數(shù)N=（H－h(huán)1×M）/h2；

h1：托盤高度（mm）；

h2：紙箱高度（外部尺寸）（mm）；

H：最大裝載高度（mm）；

W1：托盤重量（kg）；

X：托盤的平面裝載數(shù)；

M：使用托盤數(shù)；

S：安全系數(shù)。

一般使用凱里卡特簡易公式反推出紙板邊壓，再根據(jù)材料標(biāo)準表對應(yīng)出具體材料：

P：紙箱的壓縮強度（N）；

β：與瓦楞紙板型號有關(guān)的常數(shù)；

Rx：使用原紙的壓縮強度之和 （N/cm）

〔表面箱板紙的壓縮強度＋瓦楞芯紙的壓縮強度×瓦楞率+背面箱板紙的壓縮強度〕 ；

Z：紙箱的四周長度（cm）。

外貿(mào)出口用紙箱占比很大，外箱尺寸的確定通常會受集裝箱裝載的影響，這時就要用到集裝箱裝載軟件進行計算，cap truckfill、maxloadpro、CubeIQ4等[7]。

這里涉及的軟件開發(fā)有三處：集成標(biāo)準盒型庫、集成裝載率計算、內(nèi)置邊壓、耐破計算工具

至此，外箱+內(nèi)部泡沫的設(shè)計就完成了。隨著硬件設(shè)備計算能力的提升和計算所需成本和時間的降低，還可以將以有限元分析為基礎(chǔ)的力學(xué)分析[8]和以ISTA、ISTM、ISO、DN等為準繩的模擬測試[9]等功能添加進入自動設(shè)計環(huán)節(jié)。

2.3 信息輸出

根據(jù)完成的設(shè)計方案（通常為3D圖或設(shè)計圖），通過標(biāo)準模板自動輸出設(shè)計工程圖、工藝工程圖，其中包含完整的標(biāo)注、物料BOM等信息，并基于成本核算模塊同步輸出成本與售價核算明細。后續(xù)進入量產(chǎn)階段，根據(jù)審批結(jié)果，與制造系統(tǒng)無縫對接進行信息推送與更新。

3 總 結(jié)

當(dāng)前現(xiàn)有的理論計算工具和碎片化的繪圖軟件已經(jīng)能夠滿足手動操作的所有需求，但是需要綜合運用這些軟件才能完成設(shè)計，并且需要前后呼應(yīng)多方考慮，特別是多次修改重復(fù)計算，存在效率低和難以獲得最優(yōu)方案的缺陷。

按照RPA理念將這些分散的碎片化的繪圖、計算軟件集成到統(tǒng)一的環(huán)境下，按照信息輸入、數(shù)據(jù)計算、信息輸出的三個大模塊重新布局設(shè)計，就可以實現(xiàn)輕（?。┬桶b方案自動設(shè)計。

依據(jù)上述理論基礎(chǔ)，包裝自動設(shè)計項目攻關(guān)團隊將項目框架簡化為一個簡單的設(shè)計流程進行項目可行性效率測試，通過初步的對比測試發(fā)現(xiàn)自動設(shè)計具有非常大的效率優(yōu)勢，如表4所示。

表4 設(shè)計流程項目可行性效率測試

從以上數(shù)據(jù)可以看出，初次設(shè)計狀態(tài)下自動設(shè)計可以提升6倍的效率，后續(xù)方案修改由于波及整個環(huán)節(jié)，效率提升的效果會更加明顯。

依據(jù)類似的流程邏輯還可以擴展到重型包裝方案的自動設(shè)計，甚至最難以被自動設(shè)計捕捉到的創(chuàng)意設(shè)計，由于其自身存在著一定的基本規(guī)則、經(jīng)驗和案例，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，未來同樣可能實現(xiàn)自動設(shè)計[12]。