粘貼紙盒智能生產線虛擬仿真設計

■ 文/天津科技大學包裝與印刷工程學院 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，將生產線進行細化優化設計，將其與虛擬仿真設計相結合，給包裝生產線的設計帶來新的思考。以罩蓋式粘貼紙盒為主要研究對象，使用軟件設計出智能生產線，促進了虛擬仿真的多元化發展。

一、研究背景

（一）生產線虛擬仿真設計的背景及意義

虛擬仿真生產線自發展以來受到廣泛關注并且持續發展。這種技術使制造業更加先進，大幅度提高了商品生產的效率，也能夠減少生產成本，這使得工業生產出現柔性化、自動化的進步。生產線是企業生產的核心，一條完善的生產線對空間、時間、流程的把控都有十分高的標準。設計一條完善的生產線需要虛擬仿真技術作為一項重要的輔助工具來進行。

基于虛擬現實的仿真生產線在工業設計和教育教學方面都有著十分顯著的意義，它不僅可以對生產線進行先前驗證以改進工程師思路，也可以驗證生產線流程改動的合理性，以此來減少生產風險；同時它在教育教學領域也有著很大的作用。虛擬教學與實驗平臺很好地滿足了高校的需要。

（二）國內外研究現狀

虛擬仿真技術自1993年出現以來，西方國家如雨后春筍般成立了一大批虛擬仿真研究機構。美國航空航天局采用虛擬仿真技術研究了飛行器在進入不同軌道時的工作過程，保證了計劃的成功；波音公司的777飛機采用全數字化的設計，使用三維數字化的定義方式，首次實現了整機數字化設計、數字化制造和數字化協調。國外的虛擬仿真技術已經在軍事、航空航天、汽車等領域有了不少成功的案例，國內也進行了一系列的虛擬仿真領域工作。

北京航空航天大學計算機系著重研究了虛擬仿真系統中物體物理特性的表示與處理，實現了分布式虛擬環境網絡設計，可以提供實時三維動態數據庫、虛擬現實演示環境、用于飛行員訓練的虛擬現實系統、虛擬現實實施系統的平臺等，進行交互操作，產生身臨其境的感覺[1]。目前，雖然虛擬仿真技術在我國得到了廣泛的應用，但主要集中在科研院所和企業，高校應用較少[2]。

二、粘貼紙盒智能生產線

（一）粘貼紙盒分類

粘貼紙盒又稱固定紙盒，是使用貼面材料對內襯基材實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實施運輸和儲存。根據固定紙盒基本造型結構的特點，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）粘貼紙盒生產工藝

粘貼紙盒的生產工藝流程一般為半自動式，這里討論盤式粘貼紙盒的工藝流程。生產工藝主要由以下流程組成[4]：

切新壓痕→開角→盒角補強→被貼成盒→面紙切斷→開角

（三）優化生產線

在進行調研和一系列分析調查后，總結優化細化出以下生產線流程。

1.生產工藝

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

A. 紙板生產工藝流程

（1）裁切

棱邊折疊成型處使用開槽機在折現處開槽，但不進行切斷操作，使紙盒成型更加平直。

（2）模切

上版→調整壓力→確定規矩→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開動模切機前進行排刀，安裝模切刀和壓痕刀。

②進行上版操作，同時調整壓力，確定規矩。

③粘貼基材輔料，進行試壓模切。

④試壓模切沒有問題后開始正式模切壓痕，清廢，將廢料收卷或切張成片。

（3）盒角補強

①打開電源。

②設定前段加熱（膠帶預熱）溫度。

③設定后段加熱（膠帶預熱）溫度。

④打開控制電箱，調整時間繼電器的旋鈕，提示時間就是貼合頭下壓紙盒并且在貼合時所停留的時間。

⑤根據紙盒大小，調節貼合膠帶貼合長短和貼合三角鐵塊長短。

⑥等到貼合頭的溫度到達設定溫度，將已預成型的粘貼紙盒放在貼合的三角鐵之上。

⑦機器開始工作，進行盒角補強。

B. 貼面紙生產工藝流程

（1）印刷

①粘貼紙盒外部裱貼使用銅版紙或特種紙，根據實際用料進行版面設計。

②粘貼紙盒配有內襯等附件時，被粘貼遮擋的地方可以不進行印刷，但要設置出血，貼紙印刷應提前完成。

（2）裁切

①用紙板分切機分切紙板，解決紙板分切截面不垂直現象。

②棱邊折疊成型處使用開槽機在折現處開槽，但不進行切斷操作，使紙盒成型更加平直。

（3）覆膜

①打開覆膜機，涂布粘合劑，烘干溶劑，留下黏合劑的固體含量。

②調整溫度、壓力和覆膜速率，進行覆膜。

（4）裝飾

此步可根據實際情況進行調整，根據產品的包裝要求進行燙金、軋凸、局部UV等裝飾性加工的操作步驟。

（5）模切

①開動機器前進行排刀工序，安裝模切刀和壓痕刀。

②打開連接點，用砂輪磨削開連接點。

③粘貼海綿膠帶，防止模切時粘住紙張。

④開機器，切墊板，模切機開始工作。

⑤模切后應將廢料抖落。

（6）過膠

①打開過膠機，設定和調節適宜的溫度，加入適量水，將膠水進行間接加熱。

②根據要涂膠紙張的厚度和寬度，安裝刮刀，并調整刮刀位置。

③調整膠厚和上膠的膠量。

④開動機器，貼面紙傳送過來即可開始工作。

C. 定位組裝流程

（1）定位

①調整水平位置，打開紅外線，將貼面紙四角位置進行位置設定。

②面紙達到設定位置后傳動帶停止，內盒落下進行定位。

③按壓內盒，將內盒底部和貼面紙進行粘貼固定。

（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進行雙封邊操作。

③進行單封邊操作。

三、粘貼紙盒虛擬仿真設計

（一）設計需求

1.總體需求

首先提供包裝流水線的生產要求，然后才可以設計生產線。根據需求設計的虛擬仿真包裝流水線主要分為6個部分：物料、傳送帶、裁切、模切機構、轉移機構以及四邊成型機。

工廠流水線3條傳送帶設計分為3個部分，貼面紙放置在傳送帶1上，灰紙板放置在傳送帶2上。兩個傳送帶速度大小不相同，貼面紙和灰紙板同時開始被傳輸。在傳送帶1上，貼面紙到達工位1時完成裁切工序，到達工位2時完成模切工序。在傳送帶2上，灰紙板到達工位1時在滾動式工作臺面上完成全自動化切割，到達工位2時觸發模切操作工序，到達工位3時完成紙板成型貼四角工序。2條傳送帶完成各自工位活動后，物料會被轉移到傳送帶3上，在工位1上完成四邊裱貼工序，最后在傳送帶3上將成品運走。如圖2所示。

圖2 罩蓋式紙盒生產流程

2.功能設計需求

（1）物料

根據紙盒的尺寸，先在Visual One建模環境下建立粘貼紙盒模型。質量屬性設定為剛體，為了能夠一直監控物料，將紙盒設置為對象源[5]。

（2）傳送帶1

根據粘貼紙盒尺寸需求和傳送帶1能夠承受最大壓力，在Visual One環境下建立傳送帶仿真模型，并將紙盒放置于傳送帶開始傳輸的位置，在軟件程序設計環境中添加傳送帶的速度大小和方向，將貼面紙從起始段運送至定位處，在運輸過程中，使用裁切刀代替裁切機進行裁切，減少空間浪費。

（3）傳送帶2

依據粘貼紙盒排放的參數、傳送帶2參數以及傳送帶2和3之間的位置要求，在建模環境下對粘貼紙盒生產線構建傳送帶2模型，傳送帶之間設置紙盒中轉的區域，控制傳送帶停止與啟動。粘貼紙盒在傳送帶2上完成紙板裁切之后，在中轉區域進行定位。

（4）傳送帶3

根據傳送帶3參數要求，在Visual One環境下創建傳送帶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之間的距離長度大，定位后的粘貼紙盒在傳送帶3的引導下進行地面黏合和四面黏合。

（5）機械手

在進行紙盒粘貼時，考慮使用機械手進行四面黏合。根據機械手的尺寸進行參數設置，在Visual One建模環境下建立虛擬仿真模型，合理地安排機械手裝置的開始進行底面黏合的位置。根據粘貼紙盒的運動和速度要求，在Visual One程序中定義機械手的交互信息。利用貼面紙和硬紙板的位置關系，測量出機械手移動的極限位置。根據時間然后計算出機械手的速度大小。與此同時，還要為機械手和機械臂定義執行機構。在上述建立的機構中添加零組件，以流水線為節點，在以每個模塊為節點，為機械手在粘貼紙盒時添加對應的功能。

（二）工廠空間設置

根據物品流通特性，人工操作以及設備物品的放置方法進行工廠控件最適設計。紙盒生產工廠是生產現場，但是實際在生產的空間也就是生產設備配置空間只占30%。設備配置以外的空間設計是必要的，通道帶以及物品置場的設計也是十分必要的。如圖3所示。

圖3 工廠空間面積分布

通過合理設計及計算，可設置：通道面積占總面積的20%；模具等置場面積占總面積的8%；制品置場面積占總面積的25%；檢查保全部分面積占總面積的8%；生產部分面積占總面積的30%，其他配置面積占總面積的9%。

（三）系統測試與驗證

本次模型仿真測試基于Visual One軟件，在Visual One軟件中完成了對粘貼紙盒包裝流水線虛擬仿真模型的構建、紙盒物理屬性定義、紙盒運動屬性的定義以及流水線仿真序列定義，通過仿真序列和模型的運動狀態對包裝流水線仿真測試。啟動模型仿真狀態控制開關，完成自動包裝流程。

Visual One軟件系統中的三維仿真場景的PLC驗證功能，可以直接連接PLC程序或通過OPC服務器進行連接，可以使用PLC程序控制仿真場景進行三維虛擬驗證，相當于外部控制器與生產設備實時連接的邏輯驗證。開放的通用接口可直接導入由各種CAD軟件建立的機器人與生產線組件三維模型，進行CAD數據格式轉換，為模型庫中沒有的非標機構創建自定義組件，對自創組件加入運動學與動力學分析算法，賦予其屬性和行為。單擊程序序列中的第一條語句，使機器人回復到初始位置。在視圖區上方的“仿真控制器”中單擊“播放”按鈕，就可以觀察到機器人的運動過程，單擊“重置”按鈕可使仿真退回到初始狀態。

在P1位置點語句上右擊選擇“復制”命令，再次右擊選擇“粘貼”命令可復制該語句。將復制的語句拖動到程序序列的最后位置，可使機器人手臂運動依次經過各點位后回到初始位置點。最終完成三維虛擬測試。

四、總 結

本文對粘貼紙盒生產線的虛擬仿真進行了初步研究，設計優化出了一條罩蓋式的粘貼紙盒生產線，并將其進行虛擬仿真設計。由于我國早期沒有大量研發智能生產線的基礎，智能生產線的研發環節還略顯薄弱。然而，由于隨著現代化制造業的企業轉型，智能生產線出色的工作質量和效率已被越來越多的行業使用。同時隨著市場上越來越多的批量、多種類的需求的增加，這種需求會使得智能生產線在智能化制造中越來越重要，以后的前景也會更加廣闊。