新时代下的包装设计系统开发

■ 文/彭国勋、王作雨、姜文剑

（1、陕西科技大学；2、青岛科力特信息技术有限公司；3、北京策运包装科技有限公司）

进入新时代的包装设计系统开发，企业当前急需解决的最迫切问题可归纳为六个字：成本、质量、绿色。《中国制造2025》中对示范企业提出的成本、质量、和绿色具体要求是：在2020年时，运营成本要比2015年降低30%；2050年时，运营成本要降低50%。制造业质量竞争力指数12项指标要比2015年，提升1至2个百分点。绿色发展各项指标要大幅度改善。大数据、先进算法、和云计算为解决这些问题创造了条件。要实现这些指标绝非易事，需要在包装系统设计的各个环节充分采用最先进的仿真分析技术、三维二维优化技术、智能数据库和柔性计算技术等等，进行大量计算和综合评价，找到更合理的解决方案。

《缓冲包装动力学》、《物流运输包装设计》、《瓦楞包装设计》、《机电产品木包装系统设计》等参考文献已经从理论基础上对包装的成本、质量、和绿色等的数据与算法等问题做了系统阐述，但现场包装技术人员更加迫切希望有能解决包装系统设计的成熟软件，可以快速而高水平的解决企业目前最急需解决的问题。

笔者在为多家包装企业（涉及纸箱、泡沫制品、塑料制品及木制品）及物流企业担任顾问期间，根据企业众多产品的需求，陆续合作开发出由多个独立模块组成的《整体包装设计系统》，如图1所示。目前已经相继开发出的模块已经有15个，并且在一些企业得到成功应用。

图1 整体包装设计系统

图2 标准三维包装图样

软件的平台选用带有限元分析模块的Solidedge或UG的先进三维造型软件，可输出按《GB/T 13385-2008 包装图样要求》的三维装配图样，如图2所示。便于判别组成包装系统的内装物、内包装、包装容器、和捆扎带等是否相互干涉或间隙过大，实现尺寸优化；三维图形又为后续的有限元强度与刚度分析提供了前提，满足包装系统最大程度降低运营成本、符合客户货损、以及评估绿色环保指标等的定量分析要求。目前市场上常用的绘制二维图的CAD软件，难以满足上述全部要求。

《整体包装设计系统》中的外包装，包括托盘、围板箱、常用木箱、快装箱、和卡扣箱等5个模块，是根据无锡前程工业包装有限公司现有产品的需求联合开发的，并申请了知识产权。该系统只需输入产品的外形尺寸要求与构件尺寸，便可以快速生成客户与生产所需的木包装系统的三维图、二维工程图、BOM表、工艺单、下料单、和核价单等。例如，图3(a)表示当输入快装箱的基本参数后，马上便可便可自动按标准要求生成包含舌片位置与钢边尺寸等在内的三维图与工程图，大大节约了设计时间，同时为生产线提供了数据，保证设计的准确无误与高质量。需要时也可进行有限元分析，获得成本最低的设计。图3(b)是一个快装箱的堆码、起吊、叉举等有限元分析案例。

中国包装联合会曾在北戴河举办过中日韩共同制定的《包装用框架木箱亚洲统一标准：2007》的培训班。该标准内装物的质量可达60吨。亚洲标准基本参考日本标准《JIS Z1403-2012 枠組箱の構造》，共计79页，约40万字，利用梁弯曲与压杆稳定性欧拉公式等结构力学公式和长期的工程经验数据，给出了木板封闭箱1A、胶合板封闭箱2A、花格箱3A等三种类型的全部构件的尺寸计算方法、数据、和图表。经培训后的包装技术人员，可以在几天内完成一种工况框架木箱的构件尺寸计算、框架木箱的工程图绘制与BOM表编制等工作。该标准的算法基本满足一般工程设计需要，具有较大实用意义。最近参考亚洲标准修改的《GB/T 7284-2016 框架木箱》内装物的质量是40吨。但是，这些标准的堆码载荷假定为3种均布载荷，枕木均匀分布，不能进行起吊分析计算，有些构件仍然是经验数据，计算与绘图时间较长，难以进行优化分析等等。《整体包装设计系统》中的框架木箱模块图4（a），给出了严格按《包装用框架木箱亚洲统一标准：2007》开发的框架木箱设计软件和算法与数据库，解决了框架木箱设计能在几秒钟即可完成计算与设计问题，而且不会出错。某物流企业前不久曾接到烟台的一家企业的任务，要求在一周之内把335台大型设备框架木箱设计出来，并给出报价。这一看似在如此短时间内无法完成的任务，某物流企业利用图4（a）所示框架木箱设计软件模块，不到两天就向客户提交了几百套框架木箱图纸及报价，赢得数百万的订单。框架木箱设计软件模块输出的三维模型，也可以完成各种有限元分析，弥补了亚洲标准的上述不足。图4(b)就是框架木箱多层堆码的一个分析案例，该软件为进一步优化设计创造了条件。

图3 快装箱的设计模块界面

图4 按《包装用框架木箱亚洲统一标准：2007》开发的框架木箱设计软件

国内曾引进了Artios、Kasemake等纸箱设计软件，主要用于电脑打样，均不具备进行强度设计等优化降本等功能。《整体包装设计系统》中的纸箱FEFCO设计模块不仅能完成一般软件的绘图等功能，如图5(a)所示，还能根据物流环境条件按图5 (b)所示进行强度分析，解决了经常出现的纸箱多层堆码踏垛等货损问题，可以做到成本最低。利用这一软件，解决降低运营成本10%～20%的问题不难，经过进一步努力和其它方案优化，有望解决解决降低运营成本30%～50%的问题。

异型包装结构和铁箱两个模块具备一些企业的特殊产品要求，通用化的开发还有待进一步与企业合作研究开发。

根据所顾问的企业的产品需求，《整体包装设计系统》中的内包装设计只开发了缓冲包装、防潮包装、和防锈包装等三个模块。

图5 纸箱FEFCO设计模块

图6 缓冲包装设计模块

缓冲包装对于家电包装系统的降本格外重要。图6给出了《缓冲包装》模块的界面，只需输入缓冲垫型式、厚度、跌落高度、缓冲材料动态缓冲性、产品尺寸、重量、和脆值等原始数据，便可自动算出6个跌落方向的冲击加速度。如果冲击加速度小于或等于脆值，缓冲垫尺寸即符合自由跌落要求。否则就需调整缓冲垫尺寸，进行反复计算。一般只需花几秒钟，即可反复计算几次，即能获得最佳缓冲垫尺寸。缓冲包装算法的核心是需要把缓冲材料动态缓冲性按能量法进行处理。

《防潮包装》模块界面如图7所示，其算法采用了《GB/T 5048-2017 防潮包装》中参考德国标准中的公式。软件使得防潮包装设计既快捷而又十分准确，可以大大节约包装成本。

图7 防潮包装模块界面

图8 防锈包装模块界面

图9 6种不同尺寸货物装COSCO 40集装箱时的结果

《防锈包装》模块界面如图8所示，其算法参考美国等有技术数据的防锈材料生产商的数据和准则。对于一个产品的不同被防锈表面，一般最好采用具有不同功能的不同的防锈材料。

包装企业下料损耗在运营成本中占有一定比例，因此，《整体包装设计系统》中专门开发了原材料《下料优化》模块。

为了与包装尺寸优化相配合，专门开发了《装柜（装车）优化》模块。图9表示多种不同尺寸货物装在COSCO 40集装箱内时的结果，体积利用率可达93.8%，可见采用软件可以大大减少运输成本。装车优化也是一样的计算，只是把货柜尺寸换成卡车尺寸即可。

《集合包装》模块是《装柜（装车）优化》的发展，货物尺寸不止矩形，还把圆柱形和袋形等；集装箱尺寸换成单元包装的尺寸。

当今世界，人们需要大量的计算能力和大量的数据，只有掌握了数据的企业，才能在竞争中赢得高效成长。数据是关键的企业资产。过去，我们用实物资产衡量企业的价值。现在，随着我们进入信息时代，大多数企业都意识到企业数据也是一项重要的资产。如果企业能够了解、信任并能够及时获取所需数据，就可以利用其数据资产进行更快、更好、更聪明地运营，从而在竞争中脱颖而出。能够实时把握企业产品生命周期所有环节的可视化数据的企业，就可以称之为数据驱动型企业。《整体包装设计系统》的开发，给包装行业注入了大量新的理念，但这只不过是万里长征迈出的一小步，任重道远。随着大数据与互联网+等技术的深入，软件系统将有长足的发展，任重道远，期待着与更多企业的合作。

[1]彭国勋等编，《缓冲包装动力学》。，湖南大学出版社出版，1989版

[2]彭国勋主编. 物流运输包装设计.全国包装工程专业统编教材，北京：印刷工业出版社,2006第一版，文化发展出版社，2012第二版.

[3]彭国勋编著.瓦楞包装设计. 北京：印刷工业出版社,2007第一版，2013第二版。彭国勋主编. 机电产品木包装系统设计.北京：印刷工业出版社

[4]彭国勋主编. 机电产品木包装系统设计.北京：印刷工业出版社,2014第一版