新時(shí)代下的包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

■ 文/彭國勛、王作雨、姜文劍

（1、陜西科技大學(xué)；2、青島科力特信息技術(shù)有限公司；3、北京策運(yùn)包裝科技有限公司）

進(jìn)入新時(shí)代的包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)，企業(yè)當(dāng)前急需解決的最迫切問題可歸納為六個(gè)字：成本、質(zhì)量、綠色。《中國制造2025》中對示范企業(yè)提出的成本、質(zhì)量、和綠色具體要求是：在2020年時(shí)，運(yùn)營成本要比2015年降低30%；2050年時(shí)，運(yùn)營成本要降低50%。制造業(yè)質(zhì)量競爭力指數(shù)12項(xiàng)指標(biāo)要比2015年，提升1至2個(gè)百分點(diǎn)。綠色發(fā)展各項(xiàng)指標(biāo)要大幅度改善。大數(shù)據(jù)、先進(jìn)算法、和云計(jì)算為解決這些問題創(chuàng)造了條件。要實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)絕非易事，需要在包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)充分采用最先進(jìn)的仿真分析技術(shù)、三維二維優(yōu)化技術(shù)、智能數(shù)據(jù)庫和柔性計(jì)算技術(shù)等等，進(jìn)行大量計(jì)算和綜合評價(jià)，找到更合理的解決方案。

《緩沖包裝動(dòng)力學(xué)》、《物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)》、《瓦楞包裝設(shè)計(jì)》、《機(jī)電產(chǎn)品木包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等參考文獻(xiàn)已經(jīng)從理論基礎(chǔ)上對包裝的成本、質(zhì)量、和綠色等的數(shù)據(jù)與算法等問題做了系統(tǒng)闡述，但現(xiàn)場包裝技術(shù)人員更加迫切希望有能解決包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成熟軟件，可以快速而高水平的解決企業(yè)目前最急需解決的問題。

筆者在為多家包裝企業(yè)（涉及紙箱、泡沫制品、塑料制品及木制品）及物流企業(yè)擔(dān)任顧問期間，根據(jù)企業(yè)眾多產(chǎn)品的需求，陸續(xù)合作開發(fā)出由多個(gè)獨(dú)立模塊組成的《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》，如圖1所示。目前已經(jīng)相繼開發(fā)出的模塊已經(jīng)有15個(gè)，并且在一些企業(yè)得到成功應(yīng)用。

圖1 整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)三維包裝圖樣

軟件的平臺選用帶有限元分析模塊的Solidedge或UG的先進(jìn)三維造型軟件，可輸出按《GB/T 13385-2008 包裝圖樣要求》的三維裝配圖樣，如圖2所示。便于判別組成包裝系統(tǒng)的內(nèi)裝物、內(nèi)包裝、包裝容器、和捆扎帶等是否相互干涉或間隙過大，實(shí)現(xiàn)尺寸優(yōu)化；三維圖形又為后續(xù)的有限元強(qiáng)度與剛度分析提供了前提，滿足包裝系統(tǒng)最大程度降低運(yùn)營成本、符合客戶貨損、以及評估綠色環(huán)保指標(biāo)等的定量分析要求。目前市場上常用的繪制二維圖的CAD軟件，難以滿足上述全部要求。

《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》中的外包裝，包括托盤、圍板箱、常用木箱、快裝箱、和卡扣箱等5個(gè)模塊，是根據(jù)無錫前程工業(yè)包裝有限公司現(xiàn)有產(chǎn)品的需求聯(lián)合開發(fā)的，并申請了知識產(chǎn)權(quán)。該系統(tǒng)只需輸入產(chǎn)品的外形尺寸要求與構(gòu)件尺寸，便可以快速生成客戶與生產(chǎn)所需的木包裝系統(tǒng)的三維圖、二維工程圖、BOM表、工藝單、下料單、和核價(jià)單等。例如，圖3(a)表示當(dāng)輸入快裝箱的基本參數(shù)后，馬上便可便可自動(dòng)按標(biāo)準(zhǔn)要求生成包含舌片位置與鋼邊尺寸等在內(nèi)的三維圖與工程圖，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)為生產(chǎn)線提供了數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確無誤與高質(zhì)量。需要時(shí)也可進(jìn)行有限元分析，獲得成本最低的設(shè)計(jì)。圖3(b)是一個(gè)快裝箱的堆碼、起吊、叉舉等有限元分析案例。

中國包裝聯(lián)合會曾在北戴河舉辦過中日韓共同制定的《包裝用框架木箱亞洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：2007》的培訓(xùn)班。該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)裝物的質(zhì)量可達(dá)60噸。亞洲標(biāo)準(zhǔn)基本參考日本標(biāo)準(zhǔn)《JIS Z1403-2012 枠組箱の構(gòu)造》，共計(jì)79頁，約40萬字，利用梁彎曲與壓桿穩(wěn)定性歐拉公式等結(jié)構(gòu)力學(xué)公式和長期的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了木板封閉箱1A、膠合板封閉箱2A、花格箱3A等三種類型的全部構(gòu)件的尺寸計(jì)算方法、數(shù)據(jù)、和圖表。經(jīng)培訓(xùn)后的包裝技術(shù)人員，可以在幾天內(nèi)完成一種工況框架木箱的構(gòu)件尺寸計(jì)算、框架木箱的工程圖繪制與BOM表編制等工作。該標(biāo)準(zhǔn)的算法基本滿足一般工程設(shè)計(jì)需要，具有較大實(shí)用意義。最近參考亞洲標(biāo)準(zhǔn)修改的《GB/T 7284-2016 框架木箱》內(nèi)裝物的質(zhì)量是40噸。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)的堆碼載荷假定為3種均布載荷，枕木均勻分布，不能進(jìn)行起吊分析計(jì)算，有些構(gòu)件仍然是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算與繪圖時(shí)間較長，難以進(jìn)行優(yōu)化分析等等。《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》中的框架木箱模塊圖4（a），給出了嚴(yán)格按《包裝用框架木箱亞洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：2007》開發(fā)的框架木箱設(shè)計(jì)軟件和算法與數(shù)據(jù)庫，解決了框架木箱設(shè)計(jì)能在幾秒鐘即可完成計(jì)算與設(shè)計(jì)問題，而且不會出錯(cuò)。某物流企業(yè)前不久曾接到煙臺的一家企業(yè)的任務(wù)，要求在一周之內(nèi)把335臺大型設(shè)備框架木箱設(shè)計(jì)出來，并給出報(bào)價(jià)。這一看似在如此短時(shí)間內(nèi)無法完成的任務(wù)，某物流企業(yè)利用圖4（a）所示框架木箱設(shè)計(jì)軟件模塊，不到兩天就向客戶提交了幾百套框架木箱圖紙及報(bào)價(jià)，贏得數(shù)百萬的訂單。框架木箱設(shè)計(jì)軟件模塊輸出的三維模型，也可以完成各種有限元分析，彌補(bǔ)了亞洲標(biāo)準(zhǔn)的上述不足。圖4(b)就是框架木箱多層堆碼的一個(gè)分析案例，該軟件為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。

圖3 快裝箱的設(shè)計(jì)模塊界面

圖4 按《包裝用框架木箱亞洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)：2007》開發(fā)的框架木箱設(shè)計(jì)軟件

國內(nèi)曾引進(jìn)了Artios、Kasemake等紙箱設(shè)計(jì)軟件，主要用于電腦打樣，均不具備進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)等優(yōu)化降本等功能。《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》中的紙箱FEFCO設(shè)計(jì)模塊不僅能完成一般軟件的繪圖等功能，如圖5(a)所示，還能根據(jù)物流環(huán)境條件按圖5 (b)所示進(jìn)行強(qiáng)度分析，解決了經(jīng)常出現(xiàn)的紙箱多層堆碼踏垛等貨損問題，可以做到成本最低。利用這一軟件，解決降低運(yùn)營成本10%～20%的問題不難，經(jīng)過進(jìn)一步努力和其它方案優(yōu)化，有望解決解決降低運(yùn)營成本30%～50%的問題。

異型包裝結(jié)構(gòu)和鐵箱兩個(gè)模塊具備一些企業(yè)的特殊產(chǎn)品要求，通用化的開發(fā)還有待進(jìn)一步與企業(yè)合作研究開發(fā)。

根據(jù)所顧問的企業(yè)的產(chǎn)品需求，《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》中的內(nèi)包裝設(shè)計(jì)只開發(fā)了緩沖包裝、防潮包裝、和防銹包裝等三個(gè)模塊。

圖5 紙箱FEFCO設(shè)計(jì)模塊

圖6 緩沖包裝設(shè)計(jì)模塊

緩沖包裝對于家電包裝系統(tǒng)的降本格外重要。圖6給出了《緩沖包裝》模塊的界面，只需輸入緩沖墊型式、厚度、跌落高度、緩沖材料動(dòng)態(tài)緩沖性、產(chǎn)品尺寸、重量、和脆值等原始數(shù)據(jù)，便可自動(dòng)算出6個(gè)跌落方向的沖擊加速度。如果沖擊加速度小于或等于脆值，緩沖墊尺寸即符合自由跌落要求。否則就需調(diào)整緩沖墊尺寸，進(jìn)行反復(fù)計(jì)算。一般只需花幾秒鐘，即可反復(fù)計(jì)算幾次，即能獲得最佳緩沖墊尺寸。緩沖包裝算法的核心是需要把緩沖材料動(dòng)態(tài)緩沖性按能量法進(jìn)行處理。

《防潮包裝》模塊界面如圖7所示，其算法采用了《GB/T 5048-2017 防潮包裝》中參考德國標(biāo)準(zhǔn)中的公式。軟件使得防潮包裝設(shè)計(jì)既快捷而又十分準(zhǔn)確，可以大大節(jié)約包裝成本。

圖7 防潮包裝模塊界面

圖8 防銹包裝模塊界面

圖9 6種不同尺寸貨物裝COSCO 40集裝箱時(shí)的結(jié)果

《防銹包裝》模塊界面如圖8所示，其算法參考美國等有技術(shù)數(shù)據(jù)的防銹材料生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)和準(zhǔn)則。對于一個(gè)產(chǎn)品的不同被防銹表面，一般最好采用具有不同功能的不同的防銹材料。

包裝企業(yè)下料損耗在運(yùn)營成本中占有一定比例，因此，《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》中專門開發(fā)了原材料《下料優(yōu)化》模塊。

為了與包裝尺寸優(yōu)化相配合，專門開發(fā)了《裝柜（裝車）優(yōu)化》模塊。圖9表示多種不同尺寸貨物裝在COSCO 40集裝箱內(nèi)時(shí)的結(jié)果，體積利用率可達(dá)93.8%，可見采用軟件可以大大減少運(yùn)輸成本。裝車優(yōu)化也是一樣的計(jì)算，只是把貨柜尺寸換成卡車尺寸即可。

《集合包裝》模塊是《裝柜（裝車）優(yōu)化》的發(fā)展，貨物尺寸不止矩形，還把圓柱形和袋形等；集裝箱尺寸換成單元包裝的尺寸。

當(dāng)今世界，人們需要大量的計(jì)算能力和大量的數(shù)據(jù)，只有掌握了數(shù)據(jù)的企業(yè)，才能在競爭中贏得高效成長。數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的企業(yè)資產(chǎn)。過去，我們用實(shí)物資產(chǎn)衡量企業(yè)的價(jià)值。現(xiàn)在，隨著我們進(jìn)入信息時(shí)代，大多數(shù)企業(yè)都意識到企業(yè)數(shù)據(jù)也是一項(xiàng)重要的資產(chǎn)。如果企業(yè)能夠了解、信任并能夠及時(shí)獲取所需數(shù)據(jù)，就可以利用其數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行更快、更好、更聰明地運(yùn)營，從而在競爭中脫穎而出。能夠?qū)崟r(shí)把握企業(yè)產(chǎn)品生命周期所有環(huán)節(jié)的可視化數(shù)據(jù)的企業(yè)，就可以稱之為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型企業(yè)。《整體包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》的開發(fā)，給包裝行業(yè)注入了大量新的理念，但這只不過是萬里長征邁出的一小步，任重道遠(yuǎn)。隨著大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)的深入，軟件系統(tǒng)將有長足的發(fā)展，任重道遠(yuǎn)，期待著與更多企業(yè)的合作。

[1]彭國勛等編，《緩沖包裝動(dòng)力學(xué)》。，湖南大學(xué)出版社出版，1989版

[2]彭國勛主編. 物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì).全國包裝工程專業(yè)統(tǒng)編教材，北京：印刷工業(yè)出版社,2006第一版，文化發(fā)展出版社，2012第二版.

[3]彭國勛編著.瓦楞包裝設(shè)計(jì). 北京：印刷工業(yè)出版社,2007第一版，2013第二版。彭國勛主編. 機(jī)電產(chǎn)品木包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：印刷工業(yè)出版社

[4]彭國勛主編. 機(jī)電產(chǎn)品木包裝系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：印刷工業(yè)出版社,2014第一版