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        新時(shí)代下的包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

        2018-03-21 11:27:03彭國(guó)勛王作雨姜文劍
        上海包裝 2018年2期
        關(guān)鍵詞:木箱框架尺寸

        ■ 文/彭國(guó)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(kāi)發(fā),企業(yè)當(dāng)前急需解決的最迫切問(wèn)題可歸納為六個(gè)字:成本、質(zhì)量、綠色。《中國(guó)制造2025》中對(duì)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(yíng)成本要比2015年降低30%;2050年時(shí),運(yùn)營(yíng)成本要降低50%。制造業(yè)質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)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(kù)和柔性計(jì)算技術(shù)等等,進(jìn)行大量計(jì)算和綜合評(píng)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(duì)包裝的成本、質(zhì)量、和綠色等的數(shù)據(jù)與算法等問(wèn)題做了系統(tǒng)闡述,但現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)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(wèn)期間,根據(jù)企業(yè)眾多產(chǎn)品的需求,陸續(xù)合作開(kāi)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(kāi)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(tái)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(guò)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(yíng)成本、符合客戶貨損、以及評(píng)估綠色環(huán)保指標(biāo)等的定量分析要求。目前市場(chǎng)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(pán)、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(wú)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(kāi)發(fā)的,并申請(qǐng)了知識(shí)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(wú)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(guó)包裝聯(lián)合會(huì)曾在北戴河舉辦過(guò)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(yè),約40萬(wàn)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(zhǎng)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(lèi)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(zhǎng),難以進(jìn)行優(yōu)化分析等等?!墩w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(kāi)發(fā)的框架木箱設(shè)計(jì)軟件和算法與數(shù)據(jù)庫(kù),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(wèn)題,而且不會(huì)出錯(cuò)。某物流企業(yè)前不久曾接到煙臺(tái)的一家企業(yè)的任務(wù),要求在一周之內(nèi)把335臺(tái)大型設(shè)備框架木箱設(shè)計(jì)出來(lái),并給出報(bào)價(jià)。這一看似在如此短時(shí)間內(nèi)無(wú)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(wàn)的訂單??蚣苣鞠湓O(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(kāi)發(fā)的框架木箱設(shè)計(jì)軟件

        國(guó)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?!墩w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(wèn)題,可以做到成本最低。利用這一軟件,解決降低運(yùn)營(yíng)成本10%~20%的問(wèn)題不難,經(jīng)過(guò)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(yíng)成本30%~50%的問(wèn)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(kāi)發(fā)還有待進(jìn)一步與企業(yè)合作研究開(kāi)發(fā)。

        根據(jù)所顧問(wèn)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(kāi)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(duì)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(guó)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(guó)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(duì)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(yíng)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(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)發(fā)了《裝柜(裝車(chē))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(jiàn)采用軟件可以大大減少運(yùn)輸成本。裝車(chē)優(yōu)化也是一樣的計(jì)算,只是把貨柜尺寸換成卡車(chē)尺寸即可。

        《集合包裝》模塊是《裝柜(裝車(chē))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(jìng)爭(zhēng)中贏得高效成長(zhǎng)。數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的企業(yè)資產(chǎn)。過(guò)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(shí)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(yíng),從而在競(jìng)爭(zhēng)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)?!墩w包裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)》的開(kāi)發(fā),給包裝行業(yè)注入了大量新的理念,但這只不過(guò)是萬(wàn)里長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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(guó)勛主編. 物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì).全國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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

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