■ 文/天津科技大學(xué)包裝與印刷工程學(xué)院 蘇萌晗，孫彬青，張麗雅，趙曉茹，劉慧華，查嬌，蔡文源

本文從粘貼紙盒工藝流程出發(fā)，將生產(chǎn)線進(jìn)行細(xì)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其與虛擬仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合，給包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的思考。以罩蓋式粘貼紙盒為主要研究對(duì)象，使用軟件設(shè)計(jì)出智能生產(chǎn)線，促進(jìn)了虛擬仿真的多元化發(fā)展。

一、研究背景

（一）生產(chǎn)線虛擬仿真設(shè)計(jì)的背景及意義

虛擬仿真生產(chǎn)線自發(fā)展以來(lái)受到廣泛關(guān)注并且持續(xù)發(fā)展。這種技術(shù)使制造業(yè)更加先進(jìn)，大幅度提高了商品生產(chǎn)的效率，也能夠減少生產(chǎn)成本，這使得工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)柔性化、自動(dòng)化的進(jìn)步。生產(chǎn)線是企業(yè)生產(chǎn)的核心，一條完善的生產(chǎn)線對(duì)空間、時(shí)間、流程的把控都有十分高的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)一條完善的生產(chǎn)線需要虛擬仿真技術(shù)作為一項(xiàng)重要的輔助工具來(lái)進(jìn)行。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真生產(chǎn)線在工業(yè)設(shè)計(jì)和教育教學(xué)方面都有著十分顯著的意義，它不僅可以對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行先前驗(yàn)證以改進(jìn)工程師思路，也可以驗(yàn)證生產(chǎn)線流程改動(dòng)的合理性，以此來(lái)減少生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)它在教育教學(xué)領(lǐng)域也有著很大的作用。虛擬教學(xué)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很好地滿足了高校的需要。

（二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)自1993年出現(xiàn)以來(lái)，西方國(guó)家如雨后春筍般成立了一大批虛擬仿真研究機(jī)構(gòu)。美國(guó)航空航天局采用虛擬仿真技術(shù)研究了飛行器在進(jìn)入不同軌道時(shí)的工作過(guò)程，保證了計(jì)劃的成功；波音公司的777飛機(jī)采用全數(shù)字化的設(shè)計(jì)，使用三維數(shù)字化的定義方式，首次實(shí)現(xiàn)了整機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造和數(shù)字化協(xié)調(diào)。國(guó)外的虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在軍事、航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域有了不少成功的案例，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了一系列的虛擬仿真領(lǐng)域工作。

北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系著重研究了虛擬仿真系統(tǒng)中物體物理特性的表示與處理，實(shí)現(xiàn)了分布式虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可以提供實(shí)時(shí)三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)演示環(huán)境、用于飛行員訓(xùn)練的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)施系統(tǒng)的平臺(tái)等，進(jìn)行交互操作，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)[1]。目前，雖然虛擬仿真技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，但主要集中在科研院所和企業(yè)，高校應(yīng)用較少[2]。

二、粘貼紙盒智能生產(chǎn)線

（一）粘貼紙盒分類

粘貼紙盒又稱固定紙盒，是使用貼面材料對(duì)內(nèi)襯基材實(shí)施裱糊和裝飾的一種紙包裝容器[3]，在成型后不能像折疊紙盒那樣以平板狀態(tài)實(shí)施運(yùn)輸和儲(chǔ)存。根據(jù)固定紙盒基本造型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把固定紙盒的基本盒型分為了連體式、分體式與異體式3大種，具體如圖1所示。

圖1 粘貼紙盒分類

（二）粘貼紙盒生產(chǎn)工藝

粘貼紙盒的生產(chǎn)工藝流程一般為半自動(dòng)式，這里討論盤(pán)式粘貼紙盒的工藝流程。生產(chǎn)工藝主要由以下流程組成[4]：

切新壓痕→開(kāi)角→盒角補(bǔ)強(qiáng)→被貼成盒→面紙切斷→開(kāi)角

（三）優(yōu)化生產(chǎn)線

在進(jìn)行調(diào)研和一系列分析調(diào)查后，總結(jié)優(yōu)化細(xì)化出以下生產(chǎn)線流程。

1.生產(chǎn)工藝

粘貼紙盒需要將貼面紙和硬紙板分別進(jìn)行加工，加工后進(jìn)行定位黏合。所以將生產(chǎn)工藝流程分為紙板、貼面紙和定位后的工藝三部分。

A. 紙板生產(chǎn)工藝流程

（1）裁切

棱邊折疊成型處使用開(kāi)槽機(jī)在折現(xiàn)處開(kāi)槽，但不進(jìn)行切斷操作，使紙盒成型更加平直。

（2）模切

上版→調(diào)整壓力→確定規(guī)矩→粘貼基材輔料→試壓模切→正式模切壓痕→清廢→成品收卷或切張成片

①開(kāi)動(dòng)模切機(jī)前進(jìn)行排刀，安裝模切刀和壓痕刀。

②進(jìn)行上版操作，同時(shí)調(diào)整壓力，確定規(guī)矩。

③粘貼基材輔料，進(jìn)行試壓模切。

④試壓模切沒(méi)有問(wèn)題后開(kāi)始正式模切壓痕，清廢，將廢料收卷或切張成片。

（3）盒角補(bǔ)強(qiáng)

①打開(kāi)電源。

②設(shè)定前段加熱（膠帶預(yù)熱）溫度。

③設(shè)定后段加熱（膠帶預(yù)熱）溫度。

④打開(kāi)控制電箱，調(diào)整時(shí)間繼電器的旋鈕，提示時(shí)間就是貼合頭下壓紙盒并且在貼合時(shí)所停留的時(shí)間。

⑤根據(jù)紙盒大小，調(diào)節(jié)貼合膠帶貼合長(zhǎng)短和貼合三角鐵塊長(zhǎng)短。

⑥等到貼合頭的溫度到達(dá)設(shè)定溫度，將已預(yù)成型的粘貼紙盒放在貼合的三角鐵之上。

⑦機(jī)器開(kāi)始工作，進(jìn)行盒角補(bǔ)強(qiáng)。

B. 貼面紙生產(chǎn)工藝流程

（1）印刷

①粘貼紙盒外部裱貼使用銅版紙或特種紙，根據(jù)實(shí)際用料進(jìn)行版面設(shè)計(jì)。

②粘貼紙盒配有內(nèi)襯等附件時(shí)，被粘貼遮擋的地方可以不進(jìn)行印刷，但要設(shè)置出血，貼紙印刷應(yīng)提前完成。

（2）裁切

①用紙板分切機(jī)分切紙板，解決紙板分切截面不垂直現(xiàn)象。

②棱邊折疊成型處使用開(kāi)槽機(jī)在折現(xiàn)處開(kāi)槽，但不進(jìn)行切斷操作，使紙盒成型更加平直。

（3）覆膜

①打開(kāi)覆膜機(jī)，涂布粘合劑，烘干溶劑，留下黏合劑的固體含量。

②調(diào)整溫度、壓力和覆膜速率，進(jìn)行覆膜。

（4）裝飾

此步可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)產(chǎn)品的包裝要求進(jìn)行燙金、軋凸、局部UV等裝飾性加工的操作步驟。

（5）模切

①開(kāi)動(dòng)機(jī)器前進(jìn)行排刀工序，安裝模切刀和壓痕刀。

②打開(kāi)連接點(diǎn)，用砂輪磨削開(kāi)連接點(diǎn)。

③粘貼海綿膠帶，防止模切時(shí)粘住紙張。

④開(kāi)機(jī)器，切墊板，模切機(jī)開(kāi)始工作。

⑤模切后應(yīng)將廢料抖落。

（6）過(guò)膠

①打開(kāi)過(guò)膠機(jī)，設(shè)定和調(diào)節(jié)適宜的溫度，加入適量水，將膠水進(jìn)行間接加熱。

②根據(jù)要涂膠紙張的厚度和寬度，安裝刮刀，并調(diào)整刮刀位置。

③調(diào)整膠厚和上膠的膠量。

④開(kāi)動(dòng)機(jī)器，貼面紙傳送過(guò)來(lái)即可開(kāi)始工作。

C. 定位組裝流程

（1）定位

①調(diào)整水平位置，打開(kāi)紅外線，將貼面紙四角位置進(jìn)行位置設(shè)定。

②面紙達(dá)到設(shè)定位置后傳動(dòng)帶停止，內(nèi)盒落下進(jìn)行定位。

③按壓內(nèi)盒，將內(nèi)盒底部和貼面紙進(jìn)行粘貼固定。

（2）四周黏合

①輸送帶將底部固定好的未完成紙盒輸送帶四周裱貼部。

②進(jìn)行雙封邊操作。

③進(jìn)行單封邊操作。

三、粘貼紙盒虛擬仿真設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)需求

1.總體需求

首先提供包裝流水線的生產(chǎn)要求，然后才可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)線。根據(jù)需求設(shè)計(jì)的虛擬仿真包裝流水線主要分為6個(gè)部分：物料、傳送帶、裁切、模切機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)以及四邊成型機(jī)。

工廠流水線3條傳送帶設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分，貼面紙放置在傳送帶1上，灰紙板放置在傳送帶2上。兩個(gè)傳送帶速度大小不相同，貼面紙和灰紙板同時(shí)開(kāi)始被傳輸。在傳送帶1上，貼面紙到達(dá)工位1時(shí)完成裁切工序，到達(dá)工位2時(shí)完成模切工序。在傳送帶2上，灰紙板到達(dá)工位1時(shí)在滾動(dòng)式工作臺(tái)面上完成全自動(dòng)化切割，到達(dá)工位2時(shí)觸發(fā)模切操作工序，到達(dá)工位3時(shí)完成紙板成型貼四角工序。2條傳送帶完成各自工位活動(dòng)后，物料會(huì)被轉(zhuǎn)移到傳送帶3上，在工位1上完成四邊裱貼工序，最后在傳送帶3上將成品運(yùn)走。如圖2所示。

圖2 罩蓋式紙盒生產(chǎn)流程

2.功能設(shè)計(jì)需求

（1）物料

根據(jù)紙盒的尺寸，先在Visual One建模環(huán)境下建立粘貼紙盒模型。質(zhì)量屬性設(shè)定為剛體，為了能夠一直監(jiān)控物料，將紙盒設(shè)置為對(duì)象源[5]。

（2）傳送帶1

根據(jù)粘貼紙盒尺寸需求和傳送帶1能夠承受最大壓力，在Visual One環(huán)境下建立傳送帶仿真模型，并將紙盒放置于傳送帶開(kāi)始傳輸?shù)奈恢?，在軟件程序設(shè)計(jì)環(huán)境中添加傳送帶的速度大小和方向，將貼面紙從起始段運(yùn)送至定位處，在運(yùn)輸過(guò)程中，使用裁切刀代替裁切機(jī)進(jìn)行裁切，減少空間浪費(fèi)。

（3）傳送帶2

依據(jù)粘貼紙盒排放的參數(shù)、傳送帶2參數(shù)以及傳送帶2和3之間的位置要求，在建模環(huán)境下對(duì)粘貼紙盒生產(chǎn)線構(gòu)建傳送帶2模型，傳送帶之間設(shè)置紙盒中轉(zhuǎn)的區(qū)域，控制傳送帶停止與啟動(dòng)。粘貼紙盒在傳送帶2上完成紙板裁切之后，在中轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行定位。

（4）傳送帶3

根據(jù)傳送帶3參數(shù)要求，在Visual One環(huán)境下創(chuàng)建傳送帶3的虛擬仿真模型，傳送帶3和傳送帶1方向相同。傳送帶1和3之間的距離長(zhǎng)度大，定位后的粘貼紙盒在傳送帶3的引導(dǎo)下進(jìn)行地面黏合和四面黏合。

（5）機(jī)械手

在進(jìn)行紙盒粘貼時(shí)，考慮使用機(jī)械手進(jìn)行四面黏合。根據(jù)機(jī)械手的尺寸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在Visual One建模環(huán)境下建立虛擬仿真模型，合理地安排機(jī)械手裝置的開(kāi)始進(jìn)行底面黏合的位置。根據(jù)粘貼紙盒的運(yùn)動(dòng)和速度要求，在Visual One程序中定義機(jī)械手的交互信息。利用貼面紙和硬紙板的位置關(guān)系，測(cè)量出機(jī)械手移動(dòng)的極限位置。根據(jù)時(shí)間然后計(jì)算出機(jī)械手的速度大小。與此同時(shí)，還要為機(jī)械手和機(jī)械臂定義執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在上述建立的機(jī)構(gòu)中添加零組件，以流水線為節(jié)點(diǎn)，在以每個(gè)模塊為節(jié)點(diǎn)，為機(jī)械手在粘貼紙盒時(shí)添加對(duì)應(yīng)的功能。

（二）工廠空間設(shè)置

根據(jù)物品流通特性，人工操作以及設(shè)備物品的放置方法進(jìn)行工廠控件最適設(shè)計(jì)。紙盒生產(chǎn)工廠是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，但是實(shí)際在生產(chǎn)的空間也就是生產(chǎn)設(shè)備配置空間只占30%。設(shè)備配置以外的空間設(shè)計(jì)是必要的，通道帶以及物品置場(chǎng)的設(shè)計(jì)也是十分必要的。如圖3所示。

圖3 工廠空間面積分布

通過(guò)合理設(shè)計(jì)及計(jì)算，可設(shè)置：通道面積占總面積的20%；模具等置場(chǎng)面積占總面積的8%；制品置場(chǎng)面積占總面積的25%；檢查保全部分面積占總面積的8%；生產(chǎn)部分面積占總面積的30%，其他配置面積占總面積的9%。

（三）系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

本次模型仿真測(cè)試基于Visual One軟件，在Visual One軟件中完成了對(duì)粘貼紙盒包裝流水線虛擬仿真模型的構(gòu)建、紙盒物理屬性定義、紙盒運(yùn)動(dòng)屬性的定義以及流水線仿真序列定義，通過(guò)仿真序列和模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)包裝流水線仿真測(cè)試。啟動(dòng)模型仿真狀態(tài)控制開(kāi)關(guān)，完成自動(dòng)包裝流程。

Visual One軟件系統(tǒng)中的三維仿真場(chǎng)景的PLC驗(yàn)證功能，可以直接連接PLC程序或通過(guò)OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，可以使用PLC程序控制仿真場(chǎng)景進(jìn)行三維虛擬驗(yàn)證，相當(dāng)于外部控制器與生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)連接的邏輯驗(yàn)證。開(kāi)放的通用接口可直接導(dǎo)入由各種CAD軟件建立的機(jī)器人與生產(chǎn)線組件三維模型，進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，為模型庫(kù)中沒(méi)有的非標(biāo)機(jī)構(gòu)創(chuàng)建自定義組件，對(duì)自創(chuàng)組件加入運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析算法，賦予其屬性和行為。單擊程序序列中的第一條語(yǔ)句，使機(jī)器人回復(fù)到初始位置。在視圖區(qū)上方的“仿真控制器”中單擊“播放”按鈕，就可以觀察到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，單擊“重置”按鈕可使仿真退回到初始狀態(tài)。

在P1位置點(diǎn)語(yǔ)句上右擊選擇“復(fù)制”命令，再次右擊選擇“粘貼”命令可復(fù)制該語(yǔ)句。將復(fù)制的語(yǔ)句拖動(dòng)到程序序列的最后位置，可使機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)依次經(jīng)過(guò)各點(diǎn)位后回到初始位置點(diǎn)。最終完成三維虛擬測(cè)試。

四、總 結(jié)

本文對(duì)粘貼紙盒生產(chǎn)線的虛擬仿真進(jìn)行了初步研究，設(shè)計(jì)優(yōu)化出了一條罩蓋式的粘貼紙盒生產(chǎn)線，并將其進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。由于我國(guó)早期沒(méi)有大量研發(fā)智能生產(chǎn)線的基礎(chǔ)，智能生產(chǎn)線的研發(fā)環(huán)節(jié)還略顯薄弱。然而，由于隨著現(xiàn)代化制造業(yè)的企業(yè)轉(zhuǎn)型，智能生產(chǎn)線出色的工作質(zhì)量和效率已被越來(lái)越多的行業(yè)使用。同時(shí)隨著市場(chǎng)上越來(lái)越多的批量、多種類的需求的增加，這種需求會(huì)使得智能生產(chǎn)線在智能化制造中越來(lái)越重要，以后的前景也會(huì)更加廣闊。