1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 SolidWorks 的六棱柱型纸盒盒型结构设计 0 引言 包括纸箱纸盒在内的各种纸包装制品已广泛应用于产品的运输包装和销售包装，在物资流通中深受人们的青睐，其用量之大、适用范围之广、发展之快，充分显示了其旺盛的生命力。综观纸包装制品的现状，展望其发展之未来，大力开发纸包装制品，已成为现代包装中不容忽视的重要一环。 包装是一个国家经济和文化发展水平的标志之一。但包装处理不当却会给环境带来负面影响欧美国家在包装机械的设计与生产中与环境相结合，而我们在这方面还远未得到重 视。特别是建材之类的物资，缺乏包装及包装设备一直是困扰城市环境的因素，这也是值得
2、深人研究的包装问题 1 。 我们的包装工业及包装机械行业应加紧对先进技术的吸收与应用。重点放在技术创新上，瞄准当令世界上最新包装技术，提高产品技术含量，将产业做强、产品做精、以便在激烈的市场竞争中有自己的一席之地。 1 纸包装制品的现状 1.1 纸包装的功能与地位 纸包装能够较充分地体现包装对产品的保护功能、宣传促销功能、方便储运和使用功能，和其它材质的包装相比，又具有以下优点 : (1)原材料丰富、价格低廉 ; (2)纸包装无毒、无味、卫生安全、有较好的耐热性，可进行高温、高压灭菌处理 ; (3)纸包装容器质量较轻，能折叠，可节约贮运空间，降低运输费用 ; (4)纸容器有一定的刚度和强度，又
3、有较好的弹性和韧性，对内装物有良好的保护作用 ; 1 (5)纸容器易加工成型，结构多样，印刷装演性好，包装适应性强 ; (6)纸包装无环境污染，易回收利用。 因此，纸包装在现代包装中始终处于主导地位，为适应被包装产品多样化的特点，不断开发各种新的纸包装制品一直受到人们的重视 2 。 纸制品包装行业约占 38，占整个包装行业 1/3 强。目前纸制品包装产量名列世界第二位，仅低于美国，超过日本。 “十一五 ”计划是中国经济高速发展的重要时期，将会带来纸包装的发展，有望赶上美国跃居世界第一位。纸制品包装行业是以瓦楞纸箱、纸盒运输、销售包装为主体，及其它纸制品（包括蜂窝纸板、纸袋、纸管、纸角条、纸板等
4、）。 瓦楞纸箱、纸盒是瓦楞纸板制成的包装运输纸箱和销售纸盒，是家电、电子、食品、医药、日化、纺织、烟酒、轻工等行业必不可少的包装容器。由于瓦楞纸箱、纸盒既轻便又牢固，能起到便于运输保护商品的作用， 不污染环境属于绿色环保产品，可回收利用再生产，还可发展成以纸代木、以纸代塑、以纸代玻璃、以纸代金属等，因此，纸包装得到快速发展，得以广泛应用。 随着商品市场的发展，多年来纸制品数量逐年快速递增，就上海市纸容器行业来看， 1990 年纸包装销售额近 10 亿元，到 2002 年增长到 60 亿元， 2006 年达到 160 亿元， 2007 年将近 200 亿元，平均增长率为 30左右。 我国瓦楞纸箱
5、、纸盒行业的快速发展带动了造纸工业、纸制品其它加工业以及纸箱机械行业和相关行业的发展。在 “ 九五 ” 计划时期，我国经济的快速发展，促进了纸 包装企业上规模、产品上档次、包装上水平。 “ 三资 ” 企业数量飞速增长，同时也引进了不少外国先进技术装备和先进管理理念，从而提高了产品的质量和数量，使出口商品和内需商品包装的配套率有明显增长。 1.2 纸包装制品具有广阔的市场 改革开放以来，我国纸箱 (盒 )行业的规模和产量增长很快，新兴的纸浆模、蜂窝纸板制造业也从无到有，发展迅速，但和发达国家相比仍有较大差距。目前我国人均年消耗的瓦楞纸板只有 2 2m ，日本是 70 2m ，美国为 100 2m
6、 。为了进一步提高人民生活的质量，我国已将绿色包装列为今后发展的重点。 2000 年全国纸制品产量为 1320 万吨， 2010 年预计超过 2700 万吨以上，可见纸包装制品的市场潜力很大。 2 1.3 纸箱 纸箱主要用于家电、食品、医药、日化、交通工具、烟酒等商品的外包装，近年来由于运输条件，搬运方式的改善，出现了从运输包装向销售包装倾斜的趋 势，这种变化意味着要求纸包装强度要高，重量要轻。同时印刷图文清晰，色彩 要鲜艳，造型也要新颖美观。这一点北方要向南方学习，尤其要向广东 沿海等省 市学习。这就对原纸及纸板质量，纸包装容器加工，印刷提出了新的要求。随着我国加入了 WTO，及国际贸易量的
7、增长，果蔬类，冻肉类需保鲜，冷冻冷藏食品对纸包装容器有其特殊的要求 3 。根据目前纸箱，纸盒生产的发展，对相关机械设备的要求越来越高，应进一步向高速，高档，高效的箱、盒机械发展。 2 纸包装制品的发展趋势 2.1 纸包装制品向功能多样化发展 随着科学技术的高速发展和人类文明的不断进步，社会产品向多品种、小批量、轻量、小型化的变化趋势决定了销售包装要多 样化、个性化，运输包装要集装化、无公害化。纸包装制品在未来的包装中要继续保持主导地位，必须积极采 用新材料、新工艺、新技术，并使纸容器结构科学化、标准化，以实现纸包装更加方便、适用、美观和多功能化。 2.2 纸制品材料向高性能、多用途方向发展 未
8、来的纸包装制品将面临社会产品种类多、物理、化学性质差异大的问题。要适应这种形势，从纸制品材料上考虑，一方面要针对产品的特点，利用涂布、浸渍、复合等加工技术，分别开发出高阻隔、耐酸、耐碱、耐高低温、防水、防油、防火、防静电、抗电磁等特殊用途的纸包装材料，另一方面 还要大力开发低克重、高强度、多功能、高档次的包装用纸 4 。 2.3 纸盒包装的艺术设计要适应现代消费观念 在未来的社会里 ,丰富多采的精神生活是人们执意追求的主要目标之一。包装产品在很大程度上是一种艺术品 ,含有大量的知识和智慧的价值。彩盒包装的艺术设计要追求外观多样、造型简单新颖、色彩单纯、突出个性。还可以利用光、3 声、电技术营造
9、一定的氛围 ,以满足消费者的“舒适感”、“轻松感”和求新、求实、求美的购买心理动机 ,提高宣传促销的效果。 纸盒包装要适应现代包装的发展要求 ,必须充分采用高科技成果 ,纸盒材料向高性能、多用途方向发展 ,纸盒结构向科学化、标准化发展 ,纸盒生产工艺与设备向高速化、全自动化、多功能化发展 ,其包装功能向多样化、个性化和精神化发展 ,只有这样才能在激烈的竞争中立于不败之地 ,在销售包装中保持不可动摇的重要地位 3 。 3 结构设计要素 纸箱纸盒是目前国内外包装中使用最多、最广泛的一种装演形式其原因是纸材料普遍易取、花色品种繁多、规格齐全、加工方便。另一个原因是纸箱纸盒设计便于销毁、容易回收并能保
10、证成品质量稳定、价格合 理、便于加工因而受到社会的广泛欢迎。 纸箱纸盒按几何形态分类有方形、圆形、圆柱形、三角形、菱形、梯形、球形等包装。按模拟形态分有扇形、桃形、桔子形、金鱼形、模拟汽车和飞机等诸多自然形态的包装。 随着纸包装工艺水平不断提升 ,大批结构新颖 ,装潢美观的纸盒不断涌现 ,深受消费者的欢迎 ;但同时也给包装生产厂家提出一系列新的课题 ,例如 :有些纸盒设计难以实现包装的自动化 ,而且占据过多的仓储空间 ,导致包装运输的成本的增加。另外 ,随着人们生活水平的提高 ,对日用品包装使用时的舒适性和方便性也提出了更高的要求 ,因此包装生产厂家在进 行折叠纸盒设计制作的时候 ,还要充分考
11、虑人体工效学 5 。 3.1包装材料 当前 ,我国经济在飞速发展 ,但是随之而来的环境问题亦令人担忧。根据有关资料得知 ,我国每年因环境问题造成的经济损失已超过千亿元 ,其中包装废弃物正以每年 10%的速度增加 ,其中城市垃圾占到 25%。这在倡导科学发展观 ,实现可持续发展 ,打造环境友好性、资源节约型社会的今天 ,引起全国上下的高度重视 ,越来越多的人意识到了自然资源的重要性 ,商品采用绿色包装的呼声日渐高涨 ,我国纸包装行业也纷纷转变“高投入、高 消耗、高污染、低产出” (三高一低 )的模式 ,走绿 色发展道路。比如随着人们环保意识的增强及生活的实际需要 .一次性纸制快餐4 盒等包装制品
12、深受欢迎。但纸制快餐盒的成本较高需要研发使用稻草、麦秸等农作物为原料的快餐盒 .使其在价格上更具竞争力而且使用后能降解养田沃土 .还可以作牲畜饲料使资源得到充分利用 . 6 。这就要求包装工作者在结构设计的过程中 ,必须想方设法节省包装材料 ,一方面节省资金和能源 ;另一方面减少废弃物。 3.2 机械操作的方便性 纸盒在手工打样的时候 ,按照一般的 结构图进行绘图、模切 ,然后手工折叠成型 ,是完全没有问题的。但是在全自动生产线上 ,就会出现机械抓手“无从下手”的局面 ,因此须在防尘襟片旁边开一个缺口 ,见图 1,方便机械装置控制纸盒的盒坯 , 易于实现包装的完全自动化生产。在包装联动机生产线
13、上生产的纸盒设计 ,还必须考虑印刷面 问题 7 。图 2 的展示盒 ,在盖板上可以实现单面印刷 ,而且保证纸盒的装潢性能很好。 5 3.3 人体工效学 人类工效学 (Ergonomics)又称人机工程学 ,是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素 ;研究人和机器 及环境的相互作用 ;研究在工作、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科 8 。根据人体工效学的研究 ,人体和物体之间需要一定的平衡协调关系 ,即产品必须适应人的解剖生理的需求。对于包装来说 ,要在满足基本性能的前提下 ,应该尽量使其轻便省力 ,易于开启 ,使用舒适 ,方便安全。
14、 3.4 包装成品的强度 强度是包装的本质因素 ,如果强度达不到要求 ,包装的保护性就无从体现。影响包装纸盒强度因素有纸板材料因素、纸盒结构因素、生产以及加工工艺因素、流通环 境因素。除了上述的几个要素外 ,纸盒设计还要考虑到被包装产品本身的性质、纸盒的回收利用等。从日本近几年申请的纸盒专利中可以看出，带有方便回收结构的专利越来越多。但很遗憾，在国内，类似的包装几乎没有，纸盒生产厂家似乎根本没有考虑废物的回收再利用，这是我们需要向国外学习的地方 9 。产品本身的性质如形态、用途、运输方式、销售方式等 ,这些方面应该针对具体的产品具体分析 10 。总之 ,在进行纸盒结构设计的时候 ,应遵循科学发
15、展观 ,根据设计的 具体情况做出适当的取舍 ,做到成本最低 ,达到效益最优。 3.5 具有变化性。 6 由于商品种类繁多，盒的造型变化也必然多种多样。盒型稍有变化就会给人以新颖感和美感，刺激消费者的选购欲望。但要切忌追求过度包装，要使包装变化与现代化和传统风格相协调与商品的身价相称，要有自己的特点与个性 7 。 4 结构设计尺寸 包装结构设计在整个包装设计体系中占有重要位置，可以说是包装设计的基础。设计出的包装的结构性能如何，将直接影响包装件的强度、刚度、稳定性和使用性，即包装结构在流通 过程中是否具有保护产品和方便运输、销售等各项功能。同时，结构设计还涉及到是否为造型设计和装演设计创造良好条
16、件的问题。 包装结构设计的原则可以概括为下列几点 :科学性、可靠性、美观性、经济性和绿色原则 11 。纸 (箱、盒 )包装设计主要包括三大部分的设计 :结构 (型式 )设计、尺寸设计、强度设计。这里主要叙述尺寸设计 12 。 1）内径尺寸设计计算公式 (以瓦楞纸箱为例 ): TKndnXX xxM A Xi )1( 式中 : iX 产内径尺寸 mm MAXX 二产内装物最大尺寸 mm xn 厂内装物在箱内某一方向的排列数 K一内径尺寸修正系数 mm T 一格衬或缓冲件总厚度 mm 单位包装时 1xn ，对于单件无格衬、无缓冲件则有 KXX MAXi (其中 T=0) 单件带格衬、带缓冲件则有
17、TXX MAXi (其中 K =0、不需加 大 )。 2） .制造尺寸计算公式 X=Xi+t 式中 :X 一制造尺寸 (长、宽、高 )mm iX 内径尺寸 mm t 一纸板厚度 mm 上述公式在应用中，还需要加修正系数。另外，不同 箱型还需要有不同的特殊结构，故还需另作处理 (如接 头、对接摇盖等 )。具体可参照相关书籍 (纸加工设计资料 )。 7 3） .外径尺寸设计 外径尺寸计算公式 Xo=X+K 式中 : 0X 广纸箱外径尺寸 mm X 一纸箱制造尺寸 mm K 一纸箱外径尺寸修正系数 mm。 在上述尺寸计 算中，对于用瓦楞纸箱包装物品进行储运时，其所使用的计算方法以及箱面印刷所标箱体体
18、积均是以外径尺寸为依据的。因此，在设计时应计算出瓦楞纸箱的外径尺寸。一般确定纸箱的尺寸均是根据内径尺寸来确定制造尺寸，同时根据制造尺寸计算外径尺寸。以上为一般纸箱 (盒 )包装设计的简要内容与方法，由此可清楚知道纸包装设计的主要工作。 5 SolidWorks 制图软件的特点、应用、展望 SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，该系统在 1995-1999 年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名，从 1995 年至今，已经累计获得十七项国际大奖 第一个基于 Windows 平台的三维机械 CAD 软件 第一个创造了 FeatureManage
19、r 特征管理员的设计思想 第一个在 Windows 平台下实现的自顶向下的设计方法 第一个实现动态装配干涉检查的 CAD 软件 第一个实现智能化装配的 CAD 公司 第一个开发特征自动识别 FeatureWorks 的软件公司 第一个开发基于 Internet 的电子图板发布工具 (eDrawing)的 CAD 公司等等 。 由于 SolidWorks 出色的技术和市场表现，不仅成 为 CAD 行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在 1997 年由法国达索公司以三亿一 千万的高额市值将 SolidWorks 全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险投资，获
20、得了高额的回报，创造了 CAD 行业的世 界纪录。并购后的 SolidWorks 以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为 CAD 行业一家高素质的专业化公司 。由于使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、先进的 parasolid 内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，8 SolidWorks 成为全球 装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks 软件使用许可约 28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品 、 消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的约 3 万 1 千家企
21、业。在教育市场上，每年来自全球 4，300 所教育机构的近 145， 000 名学生通过 SolidWorks 的培训课程。 据世界上著名的人才网站 monster(http:/)检索，与其它 3D CAD 系统相比，与 SolidWorks 相关的招聘广告比其它软 件的总合还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用 SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks 人才。据统计，全世界用户每年使用 SolidWorks 的时间已达 5500 万小时。 在美国，包括麻省理工学院（ MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks 列为制造专业的必修课，国内的一些大
22、学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用 SolidWorks 进行教学。相信在未来的 58 年内， SolidWorks 将会成为与当今 AutoCAD 一样， 成为3D 普及型主流软件乃至于 CAD 的行业标准。 5.1 SolidWorks 软件的特点 Solidworks 是一个基于 Windows 操作平台的三维设计软件，是一个全参数化特征造型软件，可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配及生成工程图。图形界面友好，易学易用，用户上手快，因此在世界范围得到了广泛应用。利用 Solidworks 的拉伸、旋转、扫描、放样、倒角、抽壳、倒圆
23、等基于特征的三维实体造型工具，能够方便、快捷地创建任何复杂形状的实体。通过草图的几何约束和尺寸约束功能，能构造出尺寸十分精确的三维模 型。 Solidworks 的三维模型可以自动生成精确的二维工程图纸，包括基本视图、斜视图、剖视图及轴测图等，并可以在二维视图中显示尺寸和技术要求。在 Solidworks 中，同一产品的零件、装配体及工程图是互相链接的文件，对零件或装配体所作的任何更改都会导致工程图文件的相应变更，因此，二维视图和三维模型之间的双向关联功能使模型形状和尺寸的编辑更加容易，在设计过程中更改三维模型或任何一个二维视图的尺寸，会导致三维实体和所有的二维视图自动更新 13 。 5.2
24、SolidWorks 软件的应用 9 (1)在工业设计领域 SolidWorks 丰富的功能和特点使其在引领新时尚的工业设计中日益重要。常用的工业设计 (Industrial Design)中的步骤总要分为机械造型设计和机械工程设计两步 :造型设计采用 Photoshop、 3Dmax、 maya 等软件完成 ,然后用机械设计软件如 AUTOCAD、 ProE、 UG 等出工程图 ,由于两类软件存在中间转换的问题 ,设计思路过程被割裂为二 ,对于产品设计理念的体现存在极大地缺陷。而应用SolidWorks 软件后 ,艺术造型设计和机械工程设计都可以在一个软 件中完成 ,有效地将设计思路合为一体
25、。 (2)在机械设计领域 SolidWorks 软件广泛用于汽车、重工业、模具、离散制造、纺织机械等设计中。 (3)在教育领域 三维 CAD 教育已经成为主流 ,SolidWorks 以其 Windows 界面、完全汉化、易学易用、开放性的功能特点成为教育领域中的首选 CAD 教学软件。 5.3 发展前景 (1)智能化 为了使设计者以更快的速度、参阅更少的资料完成卓越的设计 ,SolidWorks必须不断的完善智能化的功能如智能装配、改错方案智能提示、设计思路智能提示等。 (2)协同化 为了使设计者能够多方合作、易地交流、协同一致地完成各种各样的设计 ,SolidWorks 必须不断地增强信息交流和协作平台、丰富资源库、完善产品数据库管理、提供更强大的输入输出接口等。 (3)虚拟现实化 2004 年推出的 SolidWorks2004,基于这个目标 ,增加了约 250 项新特性。这些新特性包括 :革命性的焊件环境 ,模拟设计师工作的真实环境 ;新的内存储管理技术 ,能够处理包含数千个零件的装配件 ;新的凹模和凸模命令使得两个主要模具零件设计自动化 ;过切分析在生产模具前自动检测潜在的问题 ;新的表面合模命令能够自动定 位和封闭凹模和凸模 ;新的表面功能提供一系列预先设置的装饰选项 ,使
