轻（小）型包装方案自动设计的可行性简析

■ 文/上海新通联包装股份有限公司 曹 华

1 RPA与包装方案自动设计概念简析

机器人流程自动化（Robotic Process Automation，RPA）是通过模仿最终用户在电脑的手动操作方式，提供了另一种方式实现最终用户手动操作流程的自动化。

如果过程、规则或者经验可以被自然语言归纳描述为具体对象的话，那么随着人工智能技术的发展，上述归纳对象用代码来实现的能力就会越来越强，而重复性、标准化的工作也会实现智能自动化运行，如常规文职类工作[1]。

办公流程自动化领域一家头部供应商公开的一个案例：在4周的时间内，实现了22个工作流程自动化，年释放1250人天，工作效率提升5倍，工作准确率达到100%。RPA的实际效益非常明显。

通常认为，设计类工种比较难以实现智能自动运行，但是轻（小）型包装方案设计类工种目前已经具备了智能自动设计的可能。

轻（小）型包装主要用于电子电器、消费品等产品，以外部纸箱配套内部缓冲材料为基本形式，设计过程通常遵循缓冲包装设计六步法：流通环境的确定、确定产品特性、产品的重新设计、选择缓冲材料、包装设计与制作原型样品、包装件的试验[2]。

设计过程概括起来，主要由信息输入、方案设计、结果输出三个步骤组成，当前工作的大致过程：第一步，信息输入中的信息收集、存储、判断等都是在人的大脑里完成，然后输出一个大致判断确定方案设计的大致方向；第二步，方案设计，即综合运用当前的各类软件工具，手工操作完成方案的具体设计工作；第三步，手动操作软件输出工程图纸、工艺流程、报价文件等，将这个过程中的人工操作、经验判断等替换为机器（电脑）自动操作，以实现智能自动设计。

2 包装方案自动设计过程简析

2.1 信息输入

信息输入主要是涉及以下环节：流通环境的确定、确定产品特性；包装防护与流通环境紧密相连，根据从外向内对包装方案的要求，主要对外箱的强度（受力）和规格（尺寸）进行分析；确定产品特性根据从内向外对包装方案的要求，主要对缓冲保护（脆值G）和生化防护（保质）进行分析。

输入信息大致按如下设计开发信息表的式样进行，如表1所示。

表1 设计开发信息表

表1中，“序号1” “所属类别”的作用是将常见包装标的通用包装要求的类别和数据进行分类归纳，形成一个样板库，同时对应着样板包装方案，有利于提高自动设计的准确率。“序号4” “G值”特别重要，目前已经形成了相对可靠的参考数据，在无法获得具体G值时就可以采用经验数据，并且可以对比判断给出的G值是否合理，是否需要重新设计产品，如表2、表3所示[2]。

表3 中国机械标准化研究所推荐的产品脆值范围

模板数据是基于一定时期条件下的测试统计数据，当技术进步影响了材料、工艺等基础条件时，对应的防护要求数据也会有变化，所以这个数据模板需要根据实际情况进行数据更新。

依靠手工输入这个开发信息表，同时对某些参数赋予关键参数权重比值，如果集装箱装载率为第一关键要素，那么后续的自动设计时就会将这个要素放在首位。

有了上述信息，具体设计时还缺少尺寸要素，产品尺寸和装载数量决定了外箱的尺寸，但是这个尺寸一般难以用简单的几个数据描述出来，如果有产品的原始3D图纸就可以解决了；如果没有3D图纸，手工设计时就要手动建立产品3D模型，还可以对样品实施逆向工程获得3D模型。

逆向工程是一种能根据现有的物理部件通过如CMMs、激光扫描仪、结构光源转换仪或X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量生成具有坐标信息的数据点集，之后通过CAD、CAM、CAE或其他软件依据点集信息构筑3D虚拟模型的方法[10-11]（见图1），常用的软件有Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm。

图1 3D扫描快速建模

自动设计时，产品3D模型为必须输入的参数，系统会提示导入或者跳转开启3D扫描程序，直到完成逆向工程获得3D模型。

以上为比较传统的防护设计所需的主要输入信息，随着技术的发展，在数字、材料和结构等智能包装方面如跟踪、RFID、AR/VR、碳中和等逐渐成为必须考虑的因素，所以信息输入的模板需要有很好的扩展性[3][4]。

至此基本完成了信息输入。这里涉及两个软件开发需求：信息输入表、三维模型获取接口。

2.2 方案设计

方案设计主要涉及内衬和外箱，当前主要是利用输入的信息通过公式计算外箱的尺寸、强度和内部缓冲材料的尺寸和具体形状、用料材积。以外部为纸箱、内部为泡沫的常见形式，简单演示自动设计程序的实现过程。

2.2.1 内部泡沫的设计

首先是式样，概括来说就是用泡沫将产品包裹在内部，起到缓冲保护的作用，主要是防护产品的面、楞、角，与之对应的泡沫个数式样大体可以简化为四类五种：两个（上下、左右）、三个、四个、八个，如图2所示。

图2 防护式样四类五种

在这个基础上可以对细节细化为各类常见模板，比如平板状（笔记本电脑）产品的内部泡沫，如图3所示。

图3 板状产品泡沫防护图

式样模板设定好之后，就是尺寸的计算，主要涉及泡沫与产品接触的面积尺寸和泡沫各部件的厚度。

这两个尺寸的计算已经有相对成熟的计算方法，目前国内外普遍采用以下三种：缓冲系数与最大应力曲线C-σm；最大加速度与静应力曲线Gm-σs；应力应变曲线σ-ε。

这三种计算方法，一般都会遇到已知条件或者默认限制条件（这些信息大部分来自于第一步的信息输入），如厚度限制、所用材料已被指定等，会有多种可能的计算场景。

最常用的最大加速度与静应力曲线计算法如下。

已知产品质量W、脆值Gm、跌落高度H及缓冲材料的Gmax-σs曲线，对全面缓冲而言，由于缓冲面积A已经确定，只需求出厚度T。

具体设计步骤为： （1）计算静应力；（2）从相应跌落高度H下的某材料Gmax-σs曲线图中查取σs与指定产品Gmax的交点；（3）找出相应的曲线；（4）选定合适的衬垫厚度。

示例：质量为15.5 kg，脆值Gm=55的产品，拟用全面缓冲包装，装入底面积为25×25 cm2的包装箱内，设计跌落高度取60 cm，采用的聚苯乙烯（EPS）缓冲材料，图4是H=60 cm时Gmax-σs曲线，要求选定合适的衬垫厚度。

计算静应力：

从图4中查取σs=2.43 kPa与Gm=55的交点B；本例中B点正好落在T=5 cm的曲线上，则求选定缓冲衬垫的合适厚度T=5 cm。

三种途径进行缓冲设计，有时需用振动传递率曲线作防振包装的校核（一般来说不做理论防振校核，通常以振动台试验为验证）。无论采用哪种方法，对求得的面积和厚度都应进行校核，一般当求得的面积太小、厚度太大时，衬垫在产品冲击力作用下，会产生弯曲变形，因此要采用下列经验公式校核衬垫的稳定性：

以上在各种情况下的缓冲材料的理论计算，目前已经有材料或应用软件公司开发出来计算工具，如Pregis、kanekalc、PadCAD(Canadian Conservation Institute) 。此处关键工作不在于计算工具的软件开发，而在于缓冲材料的基础数据的实测统计，这需要花费大量的时间和精力，并且必须为后续生产出的材料匹配与测试的材料相同的标准[5]，目前国内公开可用的主要是EPS的静态缓冲曲线，这个数据也是比较陈旧的。其他如EPE、EVA等暂时没有相关的基础数据可以使用。

图5所示的是PadCAD给出的计算数据。

图5 PadCAD 在线计算界面

图5 PadCAD 在线计算界面

当有了这个计算数据之后，在3 D 软件（如SolidWorks、Pro/e、NX、Catia等）软件里进行绘制泡沫的具体形状，然后再手动校对设计出的3D图纸在面积和厚度上是否与计算数据相符。如果用自动设计，首先计算出理论数据，然后选择使用的基本模板，以第一步信息输入获得的产品的3D模型为基准，根据计算出的数据自动调整细节尺寸，并给出最终的外形尺寸，用于后续的外箱设计。这里涉及两个软件开发需求：缓冲材料的面积和厚度的理论计算与校准。根据计算的数据自行构建泡沫三维模型。

2.2.2 外箱的设计

根据上述获得的纸箱内尺寸，按照第一步信息输入获得相关信息计算出纸箱用料，遵循结构设计方法在现有相对成熟的结构库里选择合适的盒型结构，之后从ArtiosCAD（见图6）中选择对应的标准盒形图模板生成纸箱设计图[6]。

纸箱用料主要由边压和耐破来决定，耐破可以根据标准材料表自动对应选择；边压需要两步计算得出[1]：

P＝｛W×(N- 1) +W1/X×(M- 1) ｝×S×9.81

P：纸箱的必要压缩强度（N）；

W：纸箱的总重量（kg）；

N：纸箱的装载层数N=（H－h1×M）/h2；

h1：托盘高度（mm）；

h2：纸箱高度（外部尺寸）（mm）；

H：最大装载高度（mm）；

W1：托盘重量（kg）；

X：托盘的平面装载数；

M：使用托盘数；

S：安全系数。

一般使用凯里卡特简易公式反推出纸板边压，再根据材料标准表对应出具体材料：

P：纸箱的压缩强度（N）；

β：与瓦楞纸板型号有关的常数；

Rx：使用原纸的压缩强度之和 （N/cm）

〔表面箱板纸的压缩强度＋瓦楞芯纸的压缩强度×瓦楞率+背面箱板纸的压缩强度〕 ；

Z：纸箱的四周长度（cm）。

外贸出口用纸箱占比很大，外箱尺寸的确定通常会受集装箱装载的影响，这时就要用到集装箱装载软件进行计算，cap truckfill、maxloadpro、CubeIQ4等[7]。

这里涉及的软件开发有三处：集成标准盒型库、集成装载率计算、内置边压、耐破计算工具

至此，外箱+内部泡沫的设计就完成了。随着硬件设备计算能力的提升和计算所需成本和时间的降低，还可以将以有限元分析为基础的力学分析[8]和以ISTA、ISTM、ISO、DN等为准绳的模拟测试[9]等功能添加进入自动设计环节。

2.3 信息输出

根据完成的设计方案（通常为3D图或设计图），通过标准模板自动输出设计工程图、工艺工程图，其中包含完整的标注、物料BOM等信息，并基于成本核算模块同步输出成本与售价核算明细。后续进入量产阶段，根据审批结果，与制造系统无缝对接进行信息推送与更新。

3 总 结

当前现有的理论计算工具和碎片化的绘图软件已经能够满足手动操作的所有需求，但是需要综合运用这些软件才能完成设计，并且需要前后呼应多方考虑，特别是多次修改重复计算，存在效率低和难以获得最优方案的缺陷。

按照RPA理念将这些分散的碎片化的绘图、计算软件集成到统一的环境下，按照信息输入、数据计算、信息输出的三个大模块重新布局设计，就可以实现轻（小）型包装方案自动设计。

依据上述理论基础，包装自动设计项目攻关团队将项目框架简化为一个简单的设计流程进行项目可行性效率测试，通过初步的对比测试发现自动设计具有非常大的效率优势，如表4所示。

表4 设计流程项目可行性效率测试

从以上数据可以看出，初次设计状态下自动设计可以提升6倍的效率，后续方案修改由于波及整个环节，效率提升的效果会更加明显。

依据类似的流程逻辑还可以扩展到重型包装方案的自动设计，甚至最难以被自动设计捕捉到的创意设计，由于其自身存在着一定的基本规则、经验和案例，通过深度学习技术，未来同样可能实现自动设计[12]。