李 靜，劉 暢，劉 靜

（邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 056005）

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）用于設(shè)計(jì)對(duì)象的軟件解決方案。CAD系統(tǒng)可以為包裝設(shè)計(jì)服務(wù)。采用CAD技術(shù)可以構(gòu)造多種藝術(shù)形象（如圖案、紋飾、包裝造型設(shè)計(jì)等），同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)合理的顏色配置，為產(chǎn)品的塑料包裝設(shè)計(jì)現(xiàn)代化提供了更多、更好、更快的選擇［1-4］。本文對(duì)近年來CAD在產(chǎn)品包裝領(lǐng)域的新進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 CAD在生態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前，可生物降解材料是合成高分子材料的研究熱點(diǎn)，以聚乳酸為代表的生物高分子材料的生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)很大。世界上每年產(chǎn)生的一次性塑料包裝垃圾高達(dá)上億噸，僅我國每年食品塑料包裝產(chǎn)生的垃圾就達(dá)數(shù)百萬噸，且呈不斷上升之勢。美國食品藥品監(jiān)督管理局規(guī)定，只有可生物降解塑料和極少數(shù)水降解塑料可用于食品包裝材料，光降解塑料或光、生物雙降解塑料都不能作為食品包裝材料［5］。

包裝的綠色化、資源化、減量化、再利用是包裝設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向，生態(tài)設(shè)計(jì)是一切包裝設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，也是CAD的重要發(fā)展方向。鮮果的包裝對(duì)鮮果的長期儲(chǔ)存及升值具有重要作用。段華偉［6］提出了鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)理念，將對(duì)果蔬氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)影響最大的8個(gè)關(guān)鍵參數(shù)組成4對(duì)關(guān)鍵參數(shù)比，采用關(guān)鍵參數(shù)比例法氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)方法及分級(jí)設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，構(gòu)建了鮮果氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)流程；用Matlab軟件開發(fā)了具有氣體濃度動(dòng)態(tài)模擬功能的CAD軟件，用于番石榴氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，氣調(diào)包裝番石榴的保質(zhì)期為30～35 d，較未包裝的延長了1倍多。王作雨等［7］將CAD/計(jì)算機(jī)輔助工程、有限元仿真分析等技術(shù)用于軍品物流包裝的生態(tài)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的軍品物流包裝符合減量化、資源化、再利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)及綠色化理念。曹菲［8］利用Matlab GUI軟件開發(fā)了果蔬氣調(diào)包裝CAD系統(tǒng)，結(jié)果表明，可根據(jù)產(chǎn)品的理想氣調(diào)環(huán)境參數(shù)選擇合適的薄膜材料，計(jì)算有利于氣體交換的塑料薄膜面積或厚度，可快速進(jìn)行常見果蔬產(chǎn)品的氣調(diào)包裝設(shè)計(jì)，極大提高了設(shè)計(jì)效率和結(jié)果可靠度。欒志福［9］采用類似方法建立了果蔬氣調(diào)包裝CAD方法，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程。

對(duì)于濕敏性商品（如茶葉），通常采用防潮包裝。防潮包裝、產(chǎn)品及周圍環(huán)境即構(gòu)成了一個(gè)整體。王鵬［10］通過分析三者之間的相互關(guān)系，建構(gòu)了濕敏性產(chǎn)品的包裝儲(chǔ)存期模擬圖。以茶葉的吸濕特性、包裝薄膜透濕率、各種薄膜在不同溫度條件下的K值（K值表示與包裝材料和環(huán)境溫度有關(guān)的系數(shù)［11］）及包裝內(nèi)外濕度等因素的運(yùn)算關(guān)系為基礎(chǔ)，采用Matlab軟件擬合茶葉的吸濕特性曲線，得到儲(chǔ)存期間茶葉包裝內(nèi)的相對(duì)濕度、平衡含水量與時(shí)間的關(guān)系式，進(jìn)而得到茶葉包裝儲(chǔ)存期預(yù)測模型公式。結(jié)果表明，該模型得到的結(jié)果可信，可提高茶葉儲(chǔ)存期、保證茶葉質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 CAD在異型包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 折疊片設(shè)計(jì)

塑料包裝以聚氯乙烯，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，聚苯乙烯，聚丙烯等為主要組分，依靠注塑、擠出或吹塑成型。包裝盒的壁厚通常不大于2.0 mm，在成型過程中易出現(xiàn)熔接痕、翹曲、缺料、氣孔等缺陷，因此，薄壁塑料包裝模具的設(shè)計(jì)要求精度更高，成型工藝參數(shù)更科學(xué)，控制更精確。達(dá)索系統(tǒng)公司［12］設(shè)計(jì)了一種包裝用折疊片：提供由彎折線分離的面板，面板包括形成循環(huán)并且由共點(diǎn)彎折線分離的至少4個(gè)相鄰面板，在連續(xù)的彎折線之間具有預(yù)定角度，以此確定鏈接循環(huán)的相鄰面板之間角度的控制規(guī)律。這種方法體現(xiàn)了CAD在處理復(fù)雜包裝設(shè)計(jì)圖案中的作用。該公司提供了一種用于固體物體包裝支撐結(jié)構(gòu)的方法［13］，包括多個(gè)線性支撐元件，其實(shí)現(xiàn)方法為：（1）將固體物體的三維模型輸入程序中；（2）計(jì)算固體物體的根據(jù)第一軸線的第一累積線性質(zhì)量密度分布；（3）使用第一累積線性質(zhì)量密度分布來確定多個(gè)線性支撐元件沿著第一軸線的位置，其使固體物體的質(zhì)量在多個(gè)線性支撐元件上均勻分布。該發(fā)明還提供了用于執(zhí)行這種方法的計(jì)算機(jī)程序、非易失性計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)和CAD系統(tǒng)，提供了根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)施方法設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)及其制造方法。

目前，缺陷檢測系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體塑料包裝缺陷位置的檢測能力較差。為此，Niu Zanyao［14］設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的半導(dǎo)體塑料包裝缺陷檢測系統(tǒng)。硬件方面，基于機(jī)器視覺技術(shù)，確定系統(tǒng)框架，選擇攝像機(jī)、鏡頭和光源模型，確定檢測目標(biāo)圖像采集參數(shù)。軟件方面，根據(jù)機(jī)器視覺技術(shù)獲取的目標(biāo)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、分割和特征提取，以識(shí)別和檢測目標(biāo)圖像，檢測半導(dǎo)體塑料包裝缺陷。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出半導(dǎo)體塑料包裝中的缺陷以及缺陷的位置。

2.2 異型盒或管設(shè)計(jì)

對(duì)于化妝品、洗滌用品、清潔用品等包裝，普遍采用塑料包裝。為了增加商品的市場競爭力，在包裝的設(shè)計(jì)上，除了要滿足功能性、安全及衛(wèi)生性、操作便利性以外，還要具有藝術(shù)美觀性，因此要開發(fā)異型盒或管式塑料包裝材料。

黃利強(qiáng)等［15-16］基于拼合法實(shí)現(xiàn)了對(duì)異型盒的參數(shù)化設(shè)計(jì)。采用OpenGL軟件開發(fā)了尺寸自動(dòng)標(biāo)注功能，以紙盒平面結(jié)構(gòu)模型為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)用圖形處理技術(shù)構(gòu)建了三維實(shí)體模型，開發(fā)了紙盒三維成型系統(tǒng)。鄭小利［17］將AutoCAD2010與Auto LISP程序結(jié)合，采用盒素庫技術(shù)與參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)合方案，完成了管式折疊塑料包裝的設(shè)計(jì)程序開發(fā)，模擬仿真實(shí)驗(yàn)表明，該程序可以滿足管式折疊塑料包裝的設(shè)計(jì)要求。天津科技大學(xué)［18］公開了一種包裝紙盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)主機(jī)中連接有盒型設(shè)計(jì)模塊、三維顯示模塊、三維變換模塊以及三維設(shè)置模塊。設(shè)計(jì)方法包括：基于拼合法，采用盒型庫和盒素庫技術(shù)的二維結(jié)構(gòu)圖形繪制；根據(jù)二維結(jié)構(gòu)圖形，通過三維顯示模塊、三維變換模塊及三維設(shè)置模塊進(jìn)行三維顯示。該發(fā)明進(jìn)行二維設(shè)計(jì)時(shí)就可檢驗(yàn)三維效果，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤，節(jié)約打樣成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了工作效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。馮嫦［19］建立了可重構(gòu)和模塊化劃分的四邊封立式袋裝機(jī)CAD技術(shù)及參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將單個(gè)裝置組合為四邊封立式袋裝機(jī)，在總體機(jī)架、電機(jī)和切割輥參數(shù)保持不變的情況下，袋裝機(jī)具有良好可靠性、較高的效率，完全滿足高質(zhì)量產(chǎn)品的加工需求。

2.3 緩沖包裝設(shè)計(jì)

泡沫塑料除了具有良好的緩沖性能和吸振性能，還具有質(zhì)量輕、易加工、價(jià)格低、易回收等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作緩沖包裝材料，常用的緩沖包裝塑料有發(fā)泡聚苯乙烯、發(fā)泡聚乙烯、聚氨酯泡沫等。由于緩沖材料靜壓試驗(yàn)獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有非線性、分段擬合時(shí)不易收斂的特性，因此對(duì)于緩沖包裝設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。徐紹虎等［20］以3次Bezier曲線分段擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線的方法，得到了緩沖系數(shù)-最大應(yīng)力參數(shù)方程，開發(fā)了基于3次Bezier曲線的緩沖包裝用CAD軟件，利用“已有材料”進(jìn)行緩沖包裝設(shè)計(jì)時(shí)，只需輸入等效跌落高度、產(chǎn)品脆值、產(chǎn)品質(zhì)量（或產(chǎn)品表面積）即可獲得緩沖襯墊的面積和厚度，可以高效完成計(jì)算機(jī)輔助的緩沖包裝設(shè)計(jì)。

3 CAD在特色產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

農(nóng)產(chǎn)品包裝普遍采用發(fā)泡塑料盒或塑料袋包裝，民族特色產(chǎn)品通常采用具有民族傳統(tǒng)特色圖案的塑料包裝。

曹宙［21］從色彩的民族特色和CAD色彩設(shè)計(jì)的表現(xiàn)手法兩方面研究農(nóng)產(chǎn)品包裝的色彩設(shè)計(jì)。制定了農(nóng)產(chǎn)品包裝CAD色彩設(shè)計(jì)的表現(xiàn)手法，搭建具有民族特色和地方特色的農(nóng)產(chǎn)品包裝色彩設(shè)計(jì)的理論框架，制作了“樂于種”種子系列包裝和櫻桃包裝。嚴(yán)葉聃睿［22］針對(duì)民族產(chǎn)品的織繡圖案特點(diǎn)，采用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)了系列民族產(chǎn)品刀版圖，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、元素裝飾技術(shù)、色彩提取技術(shù)為具有民族特色產(chǎn)品設(shè)計(jì)開辟了新的途徑。

4 CAD在提高包裝效率中的應(yīng)用

無論是軟包裝（包裝膜厚度小于0.25 mm）還是硬包裝，塑料包裝在食品、化妝品、潤滑油、防凍液等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用。包裝設(shè)計(jì)固然重要，在實(shí)施包裝過程中，提高包裝效率也十分重要。在食品包裝中，為杜絕食品安全問題并提高包裝效率，在糕點(diǎn)等全自動(dòng)包裝線上包裝盒的取盒比較關(guān)鍵，在通常情況下，包裝盒都處于未打開且相互疊置狀態(tài)，因此，需要專門的取盒裝置將包裝盒逐個(gè)取出再打開，才能保證產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行。

余斌等［23］在構(gòu)思開盒流程和機(jī)械原理的基礎(chǔ)上，將開盒流程分為上取盒、下接盒機(jī)構(gòu)和盒體輸送機(jī)構(gòu)三部分。利用CAD技術(shù)確定接盒初始角為17°，開盒對(duì)接角度為30°，最終完成了開盒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以通過各種網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議使開盒設(shè)備的可編程邏輯控制器和制造執(zhí)行系統(tǒng)建立連接，達(dá)到智能化生產(chǎn)的目的，極大提高了食品包裝效率。珠海格力電器股份有限公司［24］提供了一種待包裝對(duì)象的包裝方法及裝置。根據(jù)待包裝對(duì)象的特征信息生成三維模型，獲取三維對(duì)象模型所對(duì)應(yīng)的包裝物料模板，生成三維包裝物料模型，進(jìn)行可行性評(píng)估，在評(píng)估結(jié)果通過的情況下，確定三維包裝物料模型為目標(biāo)三維包裝物料模型，用于指示待包裝對(duì)象的包裝信息。該方法可以解決產(chǎn)品包裝效率較低的問題。焦作大學(xué)［25］提供了基于人工智能的包裝設(shè)計(jì)方法及裝置，包括：獲取包裝需求信息、獲取包裝材料信息。將二者通過包裝設(shè)計(jì)模型，生成包裝設(shè)計(jì)信息，根據(jù)包裝設(shè)計(jì)信息執(zhí)行設(shè)計(jì)操作。該發(fā)明大幅降低了包裝設(shè)計(jì)的人力成本，提高了包裝設(shè)計(jì)效率。劉雪飛［26］以Solid Edge三維實(shí)體造型CAD軟件為二次開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合Visual Basic編程語言和Microsoft Access數(shù)據(jù)管理工具，提出了CAD軟件二次開發(fā)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)?；谀K化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，建立了三維實(shí)體模具零件庫。在復(fù)合塑料包裝制品共擠出機(jī)頭CAD系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有可行性。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，為包裝設(shè)計(jì)專業(yè)CAD技術(shù)的進(jìn)步提供了更多可能。就軟件開發(fā)而言，不同的軟件各有優(yōu)勢和不足，在CAD設(shè)計(jì)時(shí)，需要將不同的軟件組合起來，整合不同軟件與包裝設(shè)計(jì)相關(guān)的功能，才能構(gòu)建更加科學(xué)、合理、完整的包裝設(shè)計(jì)理論體系；就軟件使用而言，為了滿足不同行業(yè)、不同領(lǐng)域、不同產(chǎn)品的包裝需求，在包裝設(shè)計(jì)時(shí)，既要貫徹生態(tài)設(shè)計(jì)理念，又要滿足人們對(duì)包裝形式美和內(nèi)容美的追求；就包裝效率而言，要根據(jù)包裝對(duì)象的不同，在追求包裝美的同時(shí)，還要追求包裝過程的高效、低碳和環(huán)保。