基于SolidWorks的纸盒包装快速设计

2014-02-07丁旭升

机电工程技术 2014年6期

丁旭升

（广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司，广东汕头 515041）

0 引言

纸盒是世界上应用最广泛的销售包装，其结构需要根据不同商品的特点和要求，采用适当的尺寸、适当的材料、美观的造型来安全地保护商品，方便使用和促使销售[1]。特别是折叠纸盒的结构类型变化多，部件种类多，部件关联性强，且为空间活动关系。在设计纸盒包装时，如果继续沿用以往的设计方式，缺乏三维可视化和参数技术的支撑，难度大，设计周期长，也给设计者带来繁重的工作量。

SolidWorks软件是一种强大、全面、易于使用的产品3D设计解决方案，可以十分方便地完成零件、部件和总成的结构、造型和装潢设计后，对模型赋予材质，进行参数计算、仿真分析及效果渲染，接近真实产品的效果；如果结果不符合设计要求则可重新进行结构、造型和装潢设计，直到满意为止，确保一次性制造成功。与同类软件相比，利用SolidWorks进行产品设计，设计者可快速设计出更好、更有吸引力、更有创新力的产品[2]。因此，本文提出基于SolidWorks的纸盒包装快速设计方法，旨在避免以往的设计缺陷。以CTS-04PC超声卡包装盒设计为例，其设计流程如图1所示。

图1 总体设计流程

1 建模及装配

包装盒必须能保护好CTS-04PC超声卡，特别是防静电保护；方便储运，还得盛放随卡配附件，如：探头线、同步线、配套光盘、说明书、螺钉等。此外作为销售容器，还必须体现企业的营销战略，包含企业名称、标志、商标、品牌特色以及产品性能等商品说明信息。综合各方面要求，包装盒结构可由盒体、底托、垫座、内衬垫和外衬垫这五部分组成。

盒体为上掀开式结构，是用一张牛皮箱纸板裁切、折痕压线后经弯折、折叠、插锁成型，闭合后盖舌与盒唇再相互插别封合而制成的。可采用SolidWorks的钣金设计插件模块来建模，快速将构想付诸现实，建模过程如图2所示。首先，在草图界面中将盒底的内尺寸绘制出来，再设置好参数，创建“基体法兰”即生成包装盒底板；接着，根据需要可利用已生成零件的边线创建“边线法兰”，同时允许设计者事后再通过修改法兰的草绘轮廓，来变更法兰的轮廓，即可生成包装盒的各种直角弯曲侧壁。对于盒盖、盖舌和盒唇等可活动部分，则根据其相连侧壁边线生成薄片，使用“草绘折弯”特征来为薄皮加入折弯线，这样就实现盒盖、盖舌和盒唇等可活动部分的折弯角度可调。若盒体模型存在干涉错误，则需检查并调整相关参数或轮廓，直到生成所需盒体实体为止。底托、垫座、内衬垫和外衬垫的设计方法同上，其中所有参数可根据实际需要进行设置，且只要改变参数，软件即会重新建模。

图2 盒体建模过程

最后进行包装盒各零件模型的总体装配，在装配环境下加载盒体、底托、垫座、内衬垫和外衬垫等零件并放置在合适的位置，通过适当的装配条件（如重合、距离、距离约束等）完成装配任务，这样就可显示包装盒的总体造型效果，见图3。利用SolidWorks软件还可消除干涉，若装配体之间存在碰撞、干涉和间隙等缺陷，则需调整相关参数，以确保零部件正常工作。

图3 包装盒策划

2 参数计算

利用SolidWorks软件进行参数计算，进入上工具栏区的评估选项卡，可对包装盒各项数据进行查询和计算。选中所要查看的零部件或实体，运行“质量属性”命令，就会弹出一个如图4所示的窗口，上面报告了所有信息；不选中零部件或实体，系统将报告整个装配体的质量特征[3]。同理，可运行“截面属性”命令，计算平行面中的多个面和草图的剖面属性。此外，也可运行“测量”命令，对想要知道的距离进行测量等。

3 渲染及动画

随着科学技术的发展，人们对产品设计要求的提高，产品设计过程中的视觉效果及外观造型越来越重要。然而，在以往，当一个新产品设计成型后，它的造型、尺寸及装潢是否能得到用户喜欢，在产品生产出来之前是不得而知的[4]。现在则不同，设计者只需使用SolidWorks里提供的PhotoView 360插件模块就可以快速创建模型照片级逼真的图像和动画，全方位展示产品的结构及装潢设计。

图4 质量特性窗口

设计者在对包装盒进行设计时，可通过对其组成零部件进行材质赋予，而对于需要进行装潢设计的部位则可采用材料贴图法，把装潢的信息图片添加到产品外观（见图5），从而制作出具真实质感视觉效果的图片，见图6。还可以制作走查、飞越和装配体等动画或是录制视频，真实呈现和清楚传达设计者的设计意图。由此可见，利用SolidWorks软件进行产品设计，不仅可快捷、清晰、直观地展现设计作品在设计者及客户面前，而且与过去制作实体模型及样件的做法相比，减少了大量的时间和费用，达到了有效节约资源，缩短产品面世时间的目的。

图5 外观设置界面

4 虚拟测试及优化

完成包装盒的建模后，需要进行虚拟测试验证其设计性能，以消除创新风险，减少物理样机的数量，从而节约资金并缩短产品完成时间。通过SolidWorks软件，建立三维钣金模型，进行线性静态仿真，得出在环境和承载时出现的最大应力应变值和最大位移值及部位，如果计算的结果不符合预期，那么设计者就需再次设计和再次分析，修正模型，直到可接受的设计值为止，进而帮助设计者筛选出最合理的纸盒包装设计方案[5]。

图6 渲染效果

先设置好参数，利用SolidWorks软件的CAE插件Simulation软件包对模型进行线性静态仿真，依据分析结果对模型进行调整。正常情况下，纸盒在储存、运输时常采取堆码的方式，堆码时底部包装盒承受上部货物压力。根据受力情况，对包装盒进行静压力分析，结果如图7所示。包装盒在上压力作用下，最容易破损的地方是盒体后侧壁四个边角，其次是后侧壁与上盖过渡的地方。而且通过改进包装盒的壁厚，会发现包装盒壁厚越大，其力学性能越好。但是也不能一味为了追求力学性能而把纸厚设计得太厚，这不仅浪费材料，而且还会减少包装盒的容积。针对这种情况，SolidWorks软件提供了模型优化功能，可供有需要的设计者使用。

图7 应力云图

5 二维工程图的生成

目前，三维软件正在普及，但在大部分企业里，二维工程图仍是技术交流及指导生产的重要手段，因此，完成三维模型后，还须将其转化为二维工程图[6]。SolidWorks提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。能自动生成所需的工程图视图、视图更新、标注尺寸、材料明细表、注解等。比较简便有效的方法是采用“从零件/装配体制作工程图”，直接在视图调色板上将所需的视图拖放到工程图图纸中，并可根据图纸的大小缩放视图的比例，生成二维工程图。二维工程图与三维模型可进行实时双向更新，当修改图纸时，产品的其他设计即会相应自动修正，例如三维模型、各个视图、装配体都会自动更新，省去了用户对产品一一更改的烦恼，还能使产品设计工程中出错的机会减少，确保产品设计的精确，从而最终确保了产品设计过程中各种数据的统一[7]。利用这些功能，用户可更加快速、准确地完成各种复杂模型的二维图纸绘制和修改。本设计利用SolidWorks软件设计生成的简易工程图如图8所示。