粘贴纸盒智能生产线虚拟仿真设计

■ 文/天津科技大学包装与印刷工程学院 苏萌晗，孙彬青，张丽雅，赵晓茹，刘慧华，查娇，蔡文源

本文从粘贴纸盒工艺流程出发，将生产线进行细化优化设计，将其与虚拟仿真设计相结合，给包装生产线的设计带来新的思考。以罩盖式粘贴纸盒为主要研究对象，使用软件设计出智能生产线，促进了虚拟仿真的多元化发展。

一、研究背景

（一）生产线虚拟仿真设计的背景及意义

虚拟仿真生产线自发展以来受到广泛关注并且持续发展。这种技术使制造业更加先进，大幅度提高了商品生产的效率，也能够减少生产成本，这使得工业生产出现柔性化、自动化的进步。生产线是企业生产的核心，一条完善的生产线对空间、时间、流程的把控都有十分高的标准。设计一条完善的生产线需要虚拟仿真技术作为一项重要的辅助工具来进行。

基于虚拟现实的仿真生产线在工业设计和教育教学方面都有着十分显著的意义，它不仅可以对生产线进行先前验证以改进工程师思路，也可以验证生产线流程改动的合理性，以此来减少生产风险；同时它在教育教学领域也有着很大的作用。虚拟教学与实验平台很好地满足了高校的需要。

（二）国内外研究现状

虚拟仿真技术自1993年出现以来，西方国家如雨后春笋般成立了一大批虚拟仿真研究机构。美国航空航天局采用虚拟仿真技术研究了飞行器在进入不同轨道时的工作过程，保证了计划的成功；波音公司的777飞机采用全数字化的设计，使用三维数字化的定义方式，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。国外的虚拟仿真技术已经在军事、航空航天、汽车等领域有了不少成功的案例，国内也进行了一系列的虚拟仿真领域工作。

北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟仿真系统中物体物理特性的表示与处理，实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实实施系统的平台等，进行交互操作，产生身临其境的感觉[1]。目前，虽然虚拟仿真技术在我国得到了广泛的应用，但主要集中在科研院所和企业，高校应用较少[2]。

二、粘贴纸盒智能生产线

（一）粘贴纸盒分类

粘贴纸盒又称固定纸盒，是使用贴面材料对内衬基材实施裱糊和装饰的一种纸包装容器[3]，在成型后不能像折叠纸盒那样以平板状态实施运输和储存。根据固定纸盒基本造型结构的特点，把固定纸盒的基本盒型分为了连体式、分体式与异体式3大种，具体如图1所示。

图1 粘贴纸盒分类

（二）粘贴纸盒生产工艺

粘贴纸盒的生产工艺流程一般为半自动式，这里讨论盘式粘贴纸盒的工艺流程。生产工艺主要由以下流程组成[4]：

切新压痕→开角→盒角补强→被贴成盒→面纸切断→开角

（三）优化生产线

在进行调研和一系列分析调查后，总结优化细化出以下生产线流程。

1.生产工艺

粘贴纸盒需要将贴面纸和硬纸板分别进行加工，加工后进行定位黏合。所以将生产工艺流程分为纸板、贴面纸和定位后的工艺三部分。

A. 纸板生产工艺流程

（1）裁切

棱边折叠成型处使用开槽机在折现处开槽，但不进行切断操作，使纸盒成型更加平直。

（2）模切

上版→调整压力→确定规矩→粘贴基材辅料→试压模切→正式模切压痕→清废→成品收卷或切张成片

①开动模切机前进行排刀，安装模切刀和压痕刀。

②进行上版操作，同时调整压力，确定规矩。

③粘贴基材辅料，进行试压模切。

④试压模切没有问题后开始正式模切压痕，清废，将废料收卷或切张成片。

（3）盒角补强

①打开电源。

②设定前段加热（胶带预热）温度。

③设定后段加热（胶带预热）温度。

④打开控制电箱，调整时间继电器的旋钮，提示时间就是贴合头下压纸盒并且在贴合时所停留的时间。

⑤根据纸盒大小，调节贴合胶带贴合长短和贴合三角铁块长短。

⑥等到贴合头的温度到达设定温度，将已预成型的粘贴纸盒放在贴合的三角铁之上。

⑦机器开始工作，进行盒角补强。

B. 贴面纸生产工艺流程

（1）印刷

①粘贴纸盒外部裱贴使用铜版纸或特种纸，根据实际用料进行版面设计。

②粘贴纸盒配有内衬等附件时，被粘贴遮挡的地方可以不进行印刷，但要设置出血，贴纸印刷应提前完成。

（2）裁切

①用纸板分切机分切纸板，解决纸板分切截面不垂直现象。

②棱边折叠成型处使用开槽机在折现处开槽，但不进行切断操作，使纸盒成型更加平直。

（3）覆膜

①打开覆膜机，涂布粘合剂，烘干溶剂，留下黏合剂的固体含量。

②调整温度、压力和覆膜速率，进行覆膜。

（4）装饰

此步可根据实际情况进行调整，根据产品的包装要求进行烫金、轧凸、局部UV等装饰性加工的操作步骤。

（5）模切

①开动机器前进行排刀工序，安装模切刀和压痕刀。

②打开连接点，用砂轮磨削开连接点。

③粘贴海绵胶带，防止模切时粘住纸张。

④开机器，切垫板，模切机开始工作。

⑤模切后应将废料抖落。

（6）过胶

①打开过胶机，设定和调节适宜的温度，加入适量水，将胶水进行间接加热。

②根据要涂胶纸张的厚度和宽度，安装刮刀，并调整刮刀位置。

③调整胶厚和上胶的胶量。

④开动机器，贴面纸传送过来即可开始工作。

C. 定位组装流程

（1）定位

①调整水平位置，打开红外线，将贴面纸四角位置进行位置设定。

②面纸达到设定位置后传动带停止，内盒落下进行定位。

③按压内盒，将内盒底部和贴面纸进行粘贴固定。

（2）四周黏合

①输送带将底部固定好的未完成纸盒输送带四周裱贴部。

②进行双封边操作。

③进行单封边操作。

三、粘贴纸盒虚拟仿真设计

（一）设计需求

1.总体需求

首先提供包装流水线的生产要求，然后才可以设计生产线。根据需求设计的虚拟仿真包装流水线主要分为6个部分：物料、传送带、裁切、模切机构、转移机构以及四边成型机。

工厂流水线3条传送带设计分为3个部分，贴面纸放置在传送带1上，灰纸板放置在传送带2上。两个传送带速度大小不相同，贴面纸和灰纸板同时开始被传输。在传送带1上，贴面纸到达工位1时完成裁切工序，到达工位2时完成模切工序。在传送带2上，灰纸板到达工位1时在滚动式工作台面上完成全自动化切割，到达工位2时触发模切操作工序，到达工位3时完成纸板成型贴四角工序。2条传送带完成各自工位活动后，物料会被转移到传送带3上，在工位1上完成四边裱贴工序，最后在传送带3上将成品运走。如图2所示。

图2 罩盖式纸盒生产流程

2.功能设计需求

（1）物料

根据纸盒的尺寸，先在Visual One建模环境下建立粘贴纸盒模型。质量属性设定为刚体，为了能够一直监控物料，将纸盒设置为对象源[5]。

（2）传送带1

根据粘贴纸盒尺寸需求和传送带1能够承受最大压力，在Visual One环境下建立传送带仿真模型，并将纸盒放置于传送带开始传输的位置，在软件程序设计环境中添加传送带的速度大小和方向，将贴面纸从起始段运送至定位处，在运输过程中，使用裁切刀代替裁切机进行裁切，减少空间浪费。

（3）传送带2

依据粘贴纸盒排放的参数、传送带2参数以及传送带2和3之间的位置要求，在建模环境下对粘贴纸盒生产线构建传送带2模型，传送带之间设置纸盒中转的区域，控制传送带停止与启动。粘贴纸盒在传送带2上完成纸板裁切之后，在中转区域进行定位。

（4）传送带3

根据传送带3参数要求，在Visual One环境下创建传送带3的虚拟仿真模型，传送带3和传送带1方向相同。传送带1和3之间的距离长度大，定位后的粘贴纸盒在传送带3的引导下进行地面黏合和四面黏合。

（5）机械手

在进行纸盒粘贴时，考虑使用机械手进行四面黏合。根据机械手的尺寸进行参数设置，在Visual One建模环境下建立虚拟仿真模型，合理地安排机械手装置的开始进行底面黏合的位置。根据粘贴纸盒的运动和速度要求，在Visual One程序中定义机械手的交互信息。利用贴面纸和硬纸板的位置关系，测量出机械手移动的极限位置。根据时间然后计算出机械手的速度大小。与此同时，还要为机械手和机械臂定义执行机构。在上述建立的机构中添加零组件，以流水线为节点，在以每个模块为节点，为机械手在粘贴纸盒时添加对应的功能。

（二）工厂空间设置

根据物品流通特性，人工操作以及设备物品的放置方法进行工厂控件最适设计。纸盒生产工厂是生产现场，但是实际在生产的空间也就是生产设备配置空间只占30%。设备配置以外的空间设计是必要的，通道带以及物品置场的设计也是十分必要的。如图3所示。

图3 工厂空间面积分布

通过合理设计及计算，可设置：通道面积占总面积的20%；模具等置场面积占总面积的8%；制品置场面积占总面积的25%；检查保全部分面积占总面积的8%；生产部分面积占总面积的30%，其他配置面积占总面积的9%。

（三）系统测试与验证

本次模型仿真测试基于Visual One软件，在Visual One软件中完成了对粘贴纸盒包装流水线虚拟仿真模型的构建、纸盒物理属性定义、纸盒运动属性的定义以及流水线仿真序列定义，通过仿真序列和模型的运动状态对包装流水线仿真测试。启动模型仿真状态控制开关，完成自动包装流程。

Visual One软件系统中的三维仿真场景的PLC验证功能，可以直接连接PLC程序或通过OPC服务器进行连接，可以使用PLC程序控制仿真场景进行三维虚拟验证，相当于外部控制器与生产设备实时连接的逻辑验证。开放的通用接口可直接导入由各种CAD软件建立的机器人与生产线组件三维模型，进行CAD数据格式转换，为模型库中没有的非标机构创建自定义组件，对自创组件加入运动学与动力学分析算法，赋予其属性和行为。单击程序序列中的第一条语句，使机器人回复到初始位置。在视图区上方的“仿真控制器”中单击“播放”按钮，就可以观察到机器人的运动过程，单击“重置”按钮可使仿真退回到初始状态。

在P1位置点语句上右击选择“复制”命令，再次右击选择“粘贴”命令可复制该语句。将复制的语句拖动到程序序列的最后位置，可使机器人手臂运动依次经过各点位后回到初始位置点。最终完成三维虚拟测试。

四、总 结

本文对粘贴纸盒生产线的虚拟仿真进行了初步研究，设计优化出了一条罩盖式的粘贴纸盒生产线，并将其进行虚拟仿真设计。由于我国早期没有大量研发智能生产线的基础，智能生产线的研发环节还略显薄弱。然而，由于随着现代化制造业的企业转型，智能生产线出色的工作质量和效率已被越来越多的行业使用。同时随着市场上越来越多的批量、多种类的需求的增加，这种需求会使得智能生产线在智能化制造中越来越重要，以后的前景也会更加广阔。