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

紙盒是世界上應用最廣泛的銷售包裝，其結構需要根據(jù)不同商品的特點和要求，采用適當?shù)某叽纭⑦m當?shù)牟牧?、美觀的造型來安全地保護商品，方便使用和促使銷售[1]。特別是折疊紙盒的結構類型變化多，部件種類多，部件關聯(lián)性強，且為空間活動關系。在設計紙盒包裝時，如果繼續(xù)沿用以往的設計方式，缺乏三維可視化和參數(shù)技術的支撐，難度大，設計周期長，也給設計者帶來繁重的工作量。

SolidWorks軟件是一種強大、全面、易于使用的產(chǎn)品3D設計解決方案，可以十分方便地完成零件、部件和總成的結構、造型和裝潢設計后，對模型賦予材質(zhì)，進行參數(shù)計算、仿真分析及效果渲染，接近真實產(chǎn)品的效果；如果結果不符合設計要求則可重新進行結構、造型和裝潢設計，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進行產(chǎn)品設計，設計者可快速設計出更好、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的紙盒包裝快速設計方法，旨在避免以往的設計缺陷。以CTS-04PC超聲卡包裝盒設計為例，其設計流程如圖1所示。

圖1 總體設計流程

1 建模及裝配

包裝盒必須能保護好CTS-04PC超聲卡，特別是防靜電保護；方便儲運，還得盛放隨卡配附件，如：探頭線、同步線、配套光盤、說明書、螺釘?shù)?。此外作為銷售容器，還必須體現(xiàn)企業(yè)的營銷戰(zhàn)略，包含企業(yè)名稱、標志、商標、品牌特色以及產(chǎn)品性能等商品說明信息。綜合各方面要求，包裝盒結構可由盒體、底托、墊座、內(nèi)襯墊和外襯墊這五部分組成。

盒體為上掀開式結構，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。可采用SolidWorks的鈑金設計插件模塊來建模，快速將構想付諸現(xiàn)實，建模過程如圖2所示。首先，在草圖界面中將盒底的內(nèi)尺寸繪制出來，再設置好參數(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”，同時允許設計者事后再通過修改法蘭的草繪輪廓，來變更法蘭的輪廓，即可生成包裝盒的各種直角彎曲側壁。對于盒蓋、蓋舌和盒唇等可活動部分，則根據(jù)其相連側壁邊線生成薄片，使用“草繪折彎”特征來為薄皮加入折彎線，這樣就實現(xiàn)盒蓋、蓋舌和盒唇等可活動部分的折彎角度可調(diào)。若盒體模型存在干涉錯誤，則需檢查并調(diào)整相關參數(shù)或輪廓，直到生成所需盒體實體為止。底托、墊座、內(nèi)襯墊和外襯墊的設計方法同上，其中所有參數(shù)可根據(jù)實際需要進行設置，且只要改變參數(shù)，軟件即會重新建模。

圖2 盒體建模過程

最后進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，通過適當?shù)难b配條件（如重合、距離、距離約束等）完成裝配任務，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)計算

利用SolidWorks軟件進行參數(shù)計算，進入上工具欄區(qū)的評估選項卡，可對包裝盒各項數(shù)據(jù)進行查詢和計算。選中所要查看的零部件或?qū)嶓w，運行“質(zhì)量屬性”命令，就會彈出一個如圖4所示的窗口，上面報告了所有信息；不選中零部件或?qū)嶓w，系統(tǒng)將報告整個裝配體的質(zhì)量特征[3]。同理，可運行“截面屬性”命令，計算平行面中的多個面和草圖的剖面屬性。此外，也可運行“測量”命令，對想要知道的距離進行測量等。

3 渲染及動畫

隨著科學技術的發(fā)展，人們對產(chǎn)品設計要求的提高，產(chǎn)品設計過程中的視覺效果及外觀造型越來越重要。然而，在以往，當一個新產(chǎn)品設計成型后，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)出來之前是不得而知的[4]?，F(xiàn)在則不同，設計者只需使用SolidWorks里提供的PhotoView 360插件模塊就可以快速創(chuàng)建模型照片級逼真的圖像和動畫，全方位展示產(chǎn)品的結構及裝潢設計。

圖4 質(zhì)量特性窗口

設計者在對包裝盒進行設計時，可通過對其組成零部件進行材質(zhì)賦予，而對于需要進行裝潢設計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），從而制作出具真實質(zhì)感視覺效果的圖片，見圖6。還可以制作走查、飛越和裝配體等動畫或是錄制視頻，真實呈現(xiàn)和清楚傳達設計者的設計意圖。由此可見，利用SolidWorks軟件進行產(chǎn)品設計，不僅可快捷、清晰、直觀地展現(xiàn)設計作品在設計者及客戶面前，而且與過去制作實體模型及樣件的做法相比，減少了大量的時間和費用，達到了有效節(jié)約資源，縮短產(chǎn)品面世時間的目的。

圖5 外觀設置界面

4 虛擬測試及優(yōu)化

完成包裝盒的建模后，需要進行虛擬測試驗證其設計性能，以消除創(chuàng)新風險，減少物理樣機的數(shù)量，從而節(jié)約資金并縮短產(chǎn)品完成時間。通過SolidWorks軟件，建立三維鈑金模型，進行線性靜態(tài)仿真，得出在環(huán)境和承載時出現(xiàn)的最大應力應變值和最大位移值及部位，如果計算的結果不符合預期，那么設計者就需再次設計和再次分析，修正模型，直到可接受的設計值為止，進而幫助設計者篩選出最合理的紙盒包裝設計方案[5]。

圖6 渲染效果

先設置好參數(shù)，利用SolidWorks軟件的CAE插件Simulation軟件包對模型進行線性靜態(tài)仿真，依據(jù)分析結果對模型進行調(diào)整。正常情況下，紙盒在儲存、運輸時常采取堆碼的方式，堆碼時底部包裝盒承受上部貨物壓力。根據(jù)受力情況，對包裝盒進行靜壓力分析，結果如圖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壁四個邊角，其次是后側壁與上蓋過渡的地方。而且通過改進包裝盒的壁厚，會發(fā)現(xiàn)包裝盒壁厚越大，其力學性能越好。但是也不能一味為了追求力學性能而把紙厚設計得太厚，這不僅浪費材料，而且還會減少包裝盒的容積。針對這種情況，SolidWorks軟件提供了模型優(yōu)化功能，可供有需要的設計者使用。

圖7 應力云圖

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交流及指導生產(chǎn)的重要手段，因此，完成三維模型后，還須將其轉化為二維工程圖[6]。SolidWorks提供了生成完整的、車間認可的詳細工程圖的工具。能自動生成所需的工程圖視圖、視圖更新、標注尺寸、材料明細表、注解等。比較簡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行實時雙向更新，當修改圖紙時，產(chǎn)品的其他設計即會相應自動修正，例如三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新，省去了用戶對產(chǎn)品一一更改的煩惱，還能使產(chǎn)品設計工程中出錯的機會減少，確保產(chǎn)品設計的精確，從而最終確保了產(chǎn)品設計過程中各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一[7]。利用這些功能，用戶可更加快速、準確地完成各種復雜模型的二維圖紙繪制和修改。本設計利用SolidWorks軟件設計生成的簡易工程圖如圖8所示。

6 結論

本文以包裝盒設計為例，介紹了SolidWorks在紙類包裝容器快速設計中的應用。按照設計流程，從產(chǎn)品包裝要求品到零件建模、總體裝配、參數(shù)計算、高級渲染、虛擬測試以及二維工程圖生成等功能做了詳細的介紹和分析。實際應用的結果表明：SolidWorks軟件在紙類包裝容器產(chǎn)品快速設計中具有較強的優(yōu)越性。

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

（2）利用SolidWorks軟件強大的裝配功能可十分方便地將紙盒包裝設計中多個組成零部件進行裝配，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，并可自動檢查公差對零件和裝配體的影響，確保零部件在裝配時統(tǒng)一配合到位，從而加快產(chǎn)品設計速度并減少制造錯誤。

（3）在紙盒包裝設計過程中，可通過對各組成零部件進行材質(zhì)賦予、裝潢設計并渲染，制作出照片級逼真的圖像和動畫，使產(chǎn)品設計更快捷、更清晰、更直觀地呈現(xiàn)在設計人員及客戶面前，從而能快速反應客戶需求，提高訂單獲取能力。

（4） SolidWorks的仿真工具能很方便地進行紙盒包裝的虛擬測試并驗證設計性能，消除創(chuàng)新風險，使產(chǎn)品的質(zhì)量更可控，還可以一次形成多種設計概念，方便從中挑選出最好的，從而節(jié)約資金并縮短產(chǎn)品的完成時間。

（5）采用鈑金設計模塊來進行紙盒包裝設計，能快速創(chuàng)建可直接用于生產(chǎn)的二維工程圖，清楚地傳達設計的制造方法和裝配方法，這一設計技術對紙、塑料、玻漓及金屬包裝容器的包裝快速設計有著很大的借鑒作用。

圖8 二維工程圖

［1］謝琪.紙盒包裝設計［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中文版機械設計從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］二代龍震工作室.SolidWorks 2009基礎設計：第2版［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［4］李楊，陳曲.基于SolidWorks的包裝容器快速設計—以紅酒瓶設計為例［J］.包裝學報，2012，4（1）：53-56.

［5］余堅勇，郝利民，錢平，等.基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設計［J］.食品與機械，2011，27（2）：94-97.

［6］聶志鎮(zhèn).SolidWorks在09-32搗固裝置國產(chǎn)化研制中的應用［J］.機車車輛工藝，2003（5）：27-29.

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