包装纸盒计算机辅助设计系统研究与实现

包装纸盒计算机辅助设计系统研究与实现 河北农业大学 硕士学位论文 包装纸盒计算机辅助设计系统研究与实现 姓名:迟建 申请学位级别:硕士 专业:农业机械化工程 指导教师:高波 2009-06 摘要 纸盒设计软件不仅可以实现纸盒盒坯图参数化生成,以快速完成纸盒结构设 计、修改、输出等功能,而且还可以实现动态实体模拟、自动装潢设计等功能,是 包装企业重要的设计工具。国外纸盒设计软件与国内企业在生产原材料、设备、工 艺等方面存在差异,并且价格昂贵。国内有关高校和研发单位进行了相关方面的研 究,开发了具有盒型 CAD、CAM和屏幕 3D打样等功能的软件产品。但此类软件在 盒型的智能化输入、参数化实现、纸盒批处理等方面存在不足,未能广泛推 广使 用。现今,大多数国内纸盒包装企业,直接使用各种通用设计软件进行盒型设计, 盒型变化少,自动化程度低,不能满足快速生产中纸盒结构多样化的要求。 论文对包装纸盒计算机辅助设计系统进行研究,主要分析了纸盒结构设计原 则、盒坯图参数化设计方法和纸盒盒坯点阵图的矢量化算法。纸盒结构设计原则部 分对折叠纸盒按照成型特点进行分类,并分析了折叠线、作业线的设计和拼版与搭 桥等工艺对盒型的影响因素;针对传统纸盒尺寸计算方法过于复杂这一问题,从参 数化设计角度对纸盒成型过程中的尺寸变化进行研究,提出了便于计算和程序设计 的一种简化算法;纸盒盒坯图像的矢量化针对纸盒制造过程中过多的重复设计和制 造问题,采用反求技术,对盒坯点阵图的自动矢量化和人机交互矢量化两种模式进 行研究和设计。 论文以 AutoCAD为开发平台,以 VB.NET为二次开发工具,建立了纸盒计算机 辅助设计系统,实现了盒型库建立、盒坯零件库的替换,纸盒的参数化自动生成、 自动尺寸标注、纸盒折叠动态演示、纸盒实体渲染和纸盒点阵图的矢量化等 功能。 文中提出了一种纸盒参数化计算的简化方法,降低了传统计算方法的难度, 提 高准确率,且易于在计算机上实现;文中根据纸盒盒坯图特点设计的纸盒盒 坯点阵 图的自动矢量化系统和人机交互矢量化系统,拓宽了现有纸盒设计软件的功 能。 纸盒计算机辅助设计软件可以针对性地解决纸盒企业设计中的相关专业问 题, 论文中提出的纸盒盒坯图参数化简化算法和纸盒盒坯图的矢量化录入等方 法,对于 纸盒计算机辅助设计系统的开发具有借鉴作用。 关键词:纸盒;参数化设计;点阵图;矢量化Abstract The structural software of packaging carton, which can realize parameterized designing, entity rendering and automatic image attaching and so on, is an important design tool for package enterprises. The professional package structural software abroad is too expensive for majority local enterprises and has difference in the materials, equipments and technology. The domestic college and research units have developed some kinds of software products with the function of box-type CAD, CAM and 3D screen proofing and so on. But this software is hard to be widely used by local enterprises for its low intelligence and bad parameterized design. For most package enterprises, using kinds of general design software leads to few variation of packing carton and low-level automation, which is hard to meet the demand for the diversifications in the fast productionThe research of packaging carton design mainly consists of the design principles of packaging carton, the parameterized design ways and the image vectorization of the bitmaps. The part of packaging carton design principles analyzes the classification of the cartons by carton forming characteristics, the design of working and folded lines analysis, and the patching up and bypass of cartons. The part of parameter design draws a simple way to calculate the dimension of cartons by analyzing the dimension change when a carton was folded. The part of image vectorization consists of automatic vector module and human-computer interaction moduleIn this article, a carton computer-aided design system is founded based on the platform AutoCAD and the secondary development tool Visual Basic.NET. It realized parameterized drawing, automatic dimension marking, and dynamic demonstration of folding cartons, entity rendering, and image vectorization and so onA simple algorithm of parameterized design was put forward, which could not only make it easy to correctly calculate in the traditional way, but also easy to be realized on computer. An automatic vector algorithm based on the analysis of the characteristics of flatted carton had been presented, and human-computer interaction module is put forward too, which broadens the structure of the existing design softwareThe software of packaging carton, with pertinence characters, can resolve the professional problem of package enterprises. The simple algorithm of parameterized design and the way of image vectorization have successful experiences to the system of computer aided design of packaging carton for othersKeywords: carton; parameterized design; dot-matrix graphics; image vectorization独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 河北农业大学 或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北农业大学 有关保留、使用学位论文的规定, 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借 阅。本人授权河北农业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位:电话: 通讯地址:邮编:包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 1 引言 1.1 系统研究背景 包装纸盒具有加工成本低、储运方便、适于印刷、便于销售和陈列、适于自动 [1] 包装、回收利用性好、有利于环境保护等诸多特点 ,在食品、药品、日用百货、 饮料、洗涤用品、文教用品、小五金制品等产品上得到了广泛应用。同时,为了保 护产品、方便储运、促进销售,折叠纸盒不断发展出各种各样的功能结构,如开 窗、提手、防盗撕裂线、作业线等,结构形式日趋复杂。纸盒包装行业正朝着功能 [2] 多样化、结构造型科学 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化,加工设备自动、高速、多功能化发展 。 为了提高设计效率和设计质量,缩短产品的开发周期,提高产品的市场竞争 力,满足自动化包装及出口商品包装对折叠纸盒的要求,必须在包装企业中普及和 推广纸盒 CAD/CAM新工艺,要求纸盒结构设计软件除具有交互式图形软件的基本 图形操作功能外,还可满足纸盒设计的特殊要求,如实现纸盒盒坯图的参数化绘 图、自动尺寸标注,显示纸盒的开闭过程和纸盒立体图的渲染效果,输出纸盒模切 [3] 排样图以及纸盒盒坯图的矢量化录入等 。 纸盒参数化绘图即根据纸盒各盒片间的位置约束关系由纸盒的基本尺寸(长、 宽、高和纸板厚度等)自动计算纸盒的制造尺寸,并绘制盒坯图。纸盒盒坯图的矢 量化录入即采用反求技术,将生产过程中的成型产品通过某种方式用统一的数据方 式存储起来,以便再次生产时可简单编辑后使用,甚至可以不经过编辑直接使用 目前,在企业生产中,对于盒型结构一致、尺寸不同的纸盒和根据顾客提供的 点阵图或纸盒样品进行生产的纸盒,多需要进行重复设计,既浪费了人力物力,又 降低了生产效率。国外已有相应软件产品,但价格按昂贵,并且与国内企业生 产原 材料、生产设备、生产工艺不符,国内也开发出了相应的软件产品,但多数产品对 [4] 于企业的需求考虑不足,软件多以交互绘图作为开发的主要功能 ,而且多数软件 只停留在理论研究阶段,未能推广应用。因此,结合企业现有设备,开发满足企业 设计和生产的专业化需求的纸盒设计软件,使科研成果转化为实际生产,对于提高 我国的纸盒制造水平有着举足轻重的作用。 1.2 国内外技术发展现状 1.2.1 国内外研究现状 自从 1879年美国包装印刷商罗伯特?盖尔发明制造了折叠纸盒的模切压痕机和 1888年法国人路易斯?埃伯朗实现了折叠纸盒的联机生产至今,随着纸盒制造业的不 断发展,在包装纸盒 CAD/CAM系统开发方面,国外专家学者分别从纸板强度、结 构分类、作业线设计、盒片拼合方法、开发语言、排料加工设备等方面作了大量研 究。文献[5~6]讨论了纸盒结构设计中纸板的强度计算方法;文献[7]讨论了 纸盒 1 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 CAD设计中管式盒、非管非盘式盒、多间壁盘式折叠纸盒作业线working score的 设计原则,分析了设计新线做作业线的方法以及作业线对纸盒结构的影响;文献 [8~9]开发了基于拼合法的折叠纸盒结构设计 CAD系统。 国内学者也展开了相关的研究工作,研究内容主要包括纸盒的分类、纸板的纹 向与作业线设计、面向成本设计、软件开发原则与 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 、参数化设计与数学模型建 立、虚拟设计与网络化、盒型拓扑结构与排样等。 在纸盒结构设计分类方面:文献[10]将纸盒分为 18种基本盒型和近百种实用盒 型;文献[11]分析了固定纸盒基本造型结构的关系和规律,将固定纸盒分为连体 式、分体式、异体式三大类;文献[12]将常用的纸盒包装从结构上分为直线式、抽 屉式、书本式、开窗式、手提式、异形盒式、组合式及集合式等,在包装形态构成 上视为平面立体、曲面立体、组合体及其异形体包括仿生物、仿用具、仿建 筑等 以及组合切割体;文献[13] 从提高使用灵活性入手采用拼合的方法构成纸盒结构设 计图,解决了分离纸盒功能面的问题;文献[14~15] 分析了基于正棱柱变异型纸盒的 结构特点,结合造型设计尺寸与投影视图尺寸,对异型折叠纸盒进行结构分析和构 型设计,通过数学建模和公式推导解决了相关结构尺寸的设计计算。 在作业线与模切、压痕线方面:文献[16]论述了折叠纸盒纸板纹向设计的基本规 律;文献[17~19]分析了作业线Working Score的样式和功能,作业线对纸盒相关部 分如盒盖、盒底、间壁板结构的设计的影响,并根据功能型折叠纸盒的结构特点,提 出了针对纸盒间壁形式、涂胶位置、纸盒尺寸、印刷装饰效果设计作业线的方法; 文献[20~21] 分析了在折叠纸盒模切版设计中,纸板厚度、纸纹方向、压痕线宽度、 让刀位及糊盒等后工序对模切质量的影响,提出了提高折叠纸盒质量的相应方法; 文献[22] 讨论了包装纸盒 CAD系统中常用的尺寸标注形式及所用到的字符,用求点 画线和图形变换的方法建立了直线、角度和圆弧尺寸标注以及常用字符的数学模 型。 在纸盒软件设计原则与流程方面:文献[23] 从我国包装工业的现状、各生产工艺 流程的关联性等方面分析了纸盒软件开发的难点及软件开发应具有继承性,开放 性;文献[24] 设计了软件的运行流程,依次为:选择设计方式 、选择纸盒类型、选 择造型方式 、选择盒盖、选择盒底、选择开窗方式、选定规格尺寸类型、输入规格 尺寸、选择纸盒材料、确定纸板厚度、选择印刷方式、选择输出结果。 在纸盒参数化设计方面:文献[25] 讨论了纸盒结构参数化设计的意义、方法,以 及加工中的让刀问题;文献[26]讨论通过立体顶点坐标的数值变换,输出图形比例系 数的合理确定以及尺寸标注程序的正确设计等措施提高纸盒程序库的质量;文献[27] 用数学解析法研究了矩形底直四棱台折叠纸盒实现自动锁底成型的必要几何条件并 建立数学模型。 在纸盒后序加工与成本核算方面:文献[28]通过对现有的几种常见的主流算 法分 析比较,选出适用于包装纸盒排板的优化排样方法,并改进方案,以针对不规则形状进 2 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 行排样优化排样;文献 [29]分析了主要包装物生命周期成本Life Cycle Cost, LCC构 成,提出了产品包装设计系统中的面向向成本设计DFC的方法。 1.2.2 国内外纸盒软件产品 [30] 德国、美国等国家在 70年代初期就开始研制纸盒计算机辅助设计系统 ,以缩 短产品包装的周期,提高折叠纸盒的设计和加工精度,满足自动化包装对折叠纸盒 的要求。美国的 ATLASSTEELRULEDIE公司和德国的 ELCEDE、DOSSMANN公 司等率先进行了“包装纸盒 CAD系统”的研究,80年代瑞士 ERPA公司推出了可 以输出纸盒立体图的纸盒 CAD系统,日本的三菱公司研究开发了瓦楞纸板 CAD系 统。2000年 5月在 DRUPA2000国际印刷及媒体展览会上,德国的 MARBACH公 司、ELCEDE等公司展示的纸盒 CAD系统,可实现纸盒盒片结构、排料方案、 印刷 图案等的设计;可调用盒片图形库,打印纸盒平面展开图,输出模切排料图,印刷 轮廓图及背衬加工图;可设计特殊盒形;可动态展示纸盒的开闭过程,能将设计图 形和数据传送给模切版和背衬加工设备,以保证与印版的一致性,提高纸盒的设计 [31] 精度和加工精度 。 [32] 同时,也有一些国外学者基于理论研究开发了相应的纸盒软件产品,Sabin M [33] 等人分析并设计采用 Java程序语言实现纸盒盒型数据库;Helmut Berger 等用 CAD软件设计纸盒盒片结构及排料图、用 Boardeater设备直接加工纸盒样品或批量 生产纸盒盒片,即设计了用 Boardeater折叠纸盒激光加工设备的生产工艺,这种生 产工艺在加工小批量标准纸盒时能大大降低成本。 国外纸盒软件产品大多隐藏技术细节,实现方式封闭且价格昂贵。虽然国产纸 [34] 盒包装软件尚处于初步发展阶段 ,虽然其市场化程度及市场营销力度均无法与国 外巨头相比,但由于国内企业对纸盒设计软件的要求更趋向于小而专,强调实用性 和性价比,所以国产软件仍有着广阔的生存空间,且必会获得更大的发展。基于这 一点,我国包装科研部门、高等院校先后开发了一些功能较好,实用性较强的包装 CAD软件,软件产品包括天津轻工业学院(现天津科技大学)开发的 TUL-SKH折 叠纸盒结构/模版设计软件、西北轻工业学院(现陕西科技大学)开发的对话式纸盒 [35] 自动设计系统 WCH软件、北大方正的 Founder Pack系统等 。其中,Founder Pack 系统是我国第一个自己开发的基于中文平台的专业包装设计系统,系统将印前的平 面设计和制作与印后的加工连接起来,具有纸盒结构设计、装潢设计和彩色印刷等 功能。 同时,还有许多国内专家学者基于理论研究,采用不同的工具,进行了纸盒结 构设计系统的开发:如采用 VisualLISP二次开发 AutoCAD,ObjectARX二次 开发 AutoCAD,CAI技术、OPenGL图形库,VC语言,Pro/ToolKIT二次开发 Pro/E, EskoArtiosCAD函数语句,基于 Web,在虚拟环境下应用 VRML, Java和 XML技 3 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 术,VC++等各种工具,实现了包装盒二维平面图和三维立体图参数化设计,三维模 [36~47] 型的建立、贴图、模切、充填、封口的三维成型效果、盒型远程实现等功能 。 以上研究通过不同的设计原理、开发工具和解决方式,实现了纸盒结构设计中 的某些方面的功能,但现有的折叠纸盒 CAD 系统大多数借鉴已有的通用型 CAD系 统的设计经验,多数 CAD系统没有充分考虑模切、压痕等具体环节以及企业的生产 设备、生产工艺等实际情况,导致此类折叠纸盒 CAD系统的灵活性不足,未能得到 较好的推广使用;同时,对于已有盒型及图表、图像等形式的纸盒的重复生产,没 有考虑采用反求等技术以快速实现,缺少对生产及数据存储管理的支持。 1.2.3 CAD二次开发 计算机辅助设计CAD,Computer Aided Design是利用计算机进行辅助产品设计 与分析的理论和方法,应用 CAD技术可以缩短产品设计周期,显著提高产品设计质 [48] 量和开发新品的成功率 。 目前,国际上应用于制造业的 CAD软件产品已兼并成五大主导谱系,即: IBM/Dassau,UG Solutions,SDRC,PTC和 Autodesk。其中,最具代表性的是 IBM 的 Solidworks,UG的 SolidEdge和 Autodesk的 MDT。产品广泛应用于机械、电 [49] 子、土木、建筑、航空、航天、轻工、纺织等专业 。 我国自主版权的 CAD软件有清华同方的 Open CAD和 MDS 2000,北航海尔的 CAXA/EB,浙大大天 GS-2DDS,武汉天喻的 InteCAD和凯图 CAD,基于画法几 何的开目 CAD等。当前,国产 CAD软件普遍存在开放性不够、三维技术还未定型 等问题,基础算法和体系结构仍需不断改进。 现代 CAD技术,能使设计工作实现集成化、网络化和智能化,以达到产品(或 [49] 工程)设计质量高、成本低和周期短的目标 。CAD系统一般具备基于特征的三维 参数化实体建模,二组参数化及变量化设计,复杂曲面设计,装配设计,文档管理 和工作流控制等功能,并从整体上满足从产品整个生命周期出发的概念设计、协同 设计、并行设计和虚拟设计等的要求。CAD平台已达到基本的集成开放环境,表现 为:平台各功能模块间有统一的数据库或数据转换接口,保证各模块的集成运行; 有众多的增值软件,设计环境更加完善;可实现合作软件的无缝集成;具有良好的 系统开发性,可提供多种接口和手段,方便用户做深入的二次开发。 CAD通用软件综合考虑各行业、各地区用户的综合需求,而非针对某一领域甚 至某种产品。因此用它来完成某一具体产品的设计时效率并不高。在原始 CAD系统 基础上,根据本企业或行业的常规性产品或工程设计的实际需要,将本企业或行业 多年来的设计经验总结出来,形成有特色的设计规范、设计方法、典型结构、标 准、通用零部件、功能模块,并相应地在 CAD系统内建立起数据库、图形库、方法 [50] 库、知识库及其应用程序 ,从而发挥 CAD系统的效用和优越性。CAD二次开发 4 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 的意义不仅在于提高设计效率,而且还是提高产品设计质量的重要途径,是提升 CAD应用水平的重要手段。 1.2.4 反求技术 20世纪 90年代国外开始发展“快速原型制造技术”和“反求(或逆向)工程技 术”,我国于开始于 90年代末,在机械设计制造中首先得到应用。反求工程RE,[51] Reverse Engineering ,亦称逆向工程,是相对于传统正向工程而言的。传统的产 品开发过程遵从正向设计的思维进行,即从市场需求抽象出产品的概念描述,据此 建立产品的 CAD模型,然后对其进行数控编程和数控加工,最后得到产品的实物原 型。广义的“反求工程”包括形状几何反求、工艺反求和材料反求等诸多方面, [52] 是一个复杂的系统工程 。 [53] 反求工程在实际中有着广泛的应用,主要表现为以下方面 : 1、将缺乏二维设计图纸或者原始设计参数的实物零件转化为计算机表达的 CAD模型,以便充分利用现有的计算机辅助分析CAE、计算机辅助制造CAM等 技术,进行再创新设计。 2、有较高的美学、空气动力学要求的零件,难以在计算机上直接造型。设计时 首先制作勃土或者油泥的比例模型,然后进行各种实验,如风洞实验、水池实验 等。一旦外形确定,则使用反求工程技术将其转化为 CAD模型。 3、需要经过多次修改的零件,如在模具制造中,需要通过反复试冲和修改模具 型面,方可得到最终符合要求的模具。反求工程成为制造一检验一修正一建模一制 造这一环节中重要的快速建模手段。 4、在生物医学工程领域,采用反求工程技术,摆脱原来的以手工或者按标准制 定为主的落后制造方法。.通过定制人工关节和人工骨骼,保证重构的人工骨骼在植 入人体后无不良影响。在牙齿矫正中,根据个人制作牙模,然后转化为 CAD模型, 经过有限元计算矫正方案,大大提高矫正成功率和效率。通过建立数字化人体几何 模型,可以根据个人定制特种服装,如宇航服,头盔等。 5、应用反求工程技术,还可以对工艺品、文物等进行复制;可以方便的生成基 于实物模型的计算机动画等。 反求工程在复杂外形产品的建模和新产品开发中有着不可替代的重要作用。充 分利用反求工程技术,并将其和其他先进设计和制造技术相结合,能够提高产品设 计水平和效率,加快产品创新步伐,提高企业的市场竞争能力,为企业带来活力和 显著的经济价值。 目前,比较成熟的商业软件有 EDS公司的 Imageware,ParaForm公司的 ParaForm,DELCAM公司的 CopyCAD,CISIGRAPH公司的 STRIM100,ICEM公 [54] 司的 ICEM Surf以及国内浙江大学的 RE-SOFT等 。 5 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 反求的主要内容包括数据采集、数据预处理、数据分块、曲面重构及 CAD模型 重建。数据采集方法包括接触式测量、非接触式测量和层析法;数据处理包 括噪 [55] 声、异常点非均匀网格 、三角网格等方法进过滤及数据平滑、数据压缩、数据补 缺、多视拼合等内容;数据分块可以分为基于边和基于面两种分类方法;反求工程 CAD建模主要采用:三角平面片、三角 Bezier曲面、四边域曲面三种建模方式。 国内外众多学者进行了反求技术的研究:文献[56]按照曲线光顺和是高斯滤波 的方法去除噪声;文献[57]利用复合二次插值Hardy插值函数实现对“点云”数据 的平滑;对散乱点采用随机采样、均匀网格、非均匀网格、三角形网格等方法进行 处理;文献[58]对线和多边形点云采用间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等 方法处理;文献[59]对网格化点云等采用等分布密度法和最小包围区域法处理;文 献[60]利用神经网络技术的数据分块方法;文献[61]提出基于边和基于面的数据分块 混合技术;Hoppe及其合作者用切平面线性逼近待重建曲面的局部形状,利用等值 面抽取的 Maerhingcube算法输出三角化模型;柯映林提出的将三角 Bezier曲面模型 [62] 应用于反求工程的方法等 。 针对图像的反求技术主要包括:噪声去除、数据平滑、数据压缩、特征建模等 [62] 内容 。对于海量数据的噪声处理常采用如程序判断滤波、N点平均滤波以及预测 误差递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波等,还有文献提出如“曲线检查 [63] 法”或者叫做“管道法”、“弦高法”、“角度判断法等反求技术 。 采用反求技术,不仅可以实现纸盒点阵图的矢量化还原,以在线性设备上快速 制造、或者在矢量软件中做二次改进设计;还可以对还原的矢量图分解、归类添加 至已有数据库中,以实现已有数据库的智能扩展。 1.3 现状分析及工作目标 深入纸盒包装企业进行调研,从企业需求入手,确定论文研究的目标。经过调 研发现的问题包括:当前的包装纸盒设计软件多以交互绘图作为其功能重点,主要 解决了人工手绘的问题,即用计算机代替了人工绘图,而设计产品的质量主要依赖 设计人员本身; 软件开发没有密切结合对企业现有生产设备、生产工艺,而导致参 数化生成的纸盒盒坯图与实际需求不符;同时,针对企业现存的较普遍的重复性设 计、制造问题,在所查资料中,均没有采用反求等技术予以解决。 针对现存问题,提出系统的功能目标为:改进纸盒参数化算法;研究纸盒盒坯 点阵图的矢量化还原方法;依赖现有条件,利用各种已有技术进行合理设计,提高 软件性价比,开发符合国内企业生产材料、设备、工艺要求,能够实现盒型的结构 设计、装潢设计、打样校正与拼版输出等功能的纸盒计算机辅助设计系统。 1.4 内容安排 根据已确定的工作目标,进行内容安排: 6 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 第二章确定系统的功能目标、开发平台和开发工具。 第三章研究纸盒结构设计原则,包括纸盒的分类,纸盒的作业线、制造尺寸、 拼版与搭桥等内容,重点分析纸盒盒坯尺寸的参数化实现方法。 第四章对纸盒盒坯图的矢量化实现进行研究,讨论实现自动矢量化和人机交互 矢量化两种模式。 第五章对系统进行实施,实现参数化绘图、盒坯图矢量化等主要内容,同时实 现自动尺寸标注、盒坯部件替换、三维成型演示与渲染等功能。 第六章对系统进行性能测试和效果分析,并加以该进。 第七章对研究内容进行总结。 图 1为论文内容的技术路线图 国内外现状分析系统总体设计 系统设计原则 纸盒矢量化算法 系统实施系统效果分析 结论图 1 系统内容的技术路线图 Fig.1 The technolgy roadmap of the system 7 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 2 PC_CAD系统的总体设计与开发环境 论文中将包装纸盒计算机辅助设计系统Computer Aided Design System of Packaging Carton 记作 PC_CAD系统。 2.1 系统功能分析 应用软件是在系统软件支持下,为实现某个应用领域内特定任务而编写的软 件,具有一定的专业性,一般由用户结合特定应用目标自行研制开发。应用软 件开 [65] 发应注意采用结构化、模块化、规范化和面向对象的设计方法 。这样有利 于提高 软件开发的质量和效率。 软件的功能先以条目的方式概括,进而以功能模块的形式明确其主要内容及与 其他模块间的关系,然后设计实现该功能的流程框图,进而用开发工具或语言具体 [66] 的指令或语句编排相应的程序模块 ,最后通过软件接口完成与系统的集成。 根据软件使用用户的要求,即根据市场的需求,为开发出操作方便、使用快捷 的软件,纸盒设计系统的功能包括: 1 建立完备的标准盒型数据库; 2实现盒坯点阵位图的矢量化录入与编辑; 3实现纸盒盒坯图参数化设计; 4实现盒盖、盒底、盒体部件库的选择调用; 5实现纸盒盒坯图的拼版、搭桥等功能; 6实现纸盒盒坯图的自动尺寸标注、平面装潢等功能; 7实现纸盒成型过程的动画模拟演示; 8实现纸盒的实体渲染; 9 实现纸盒平面和实体的各状态的输出。 2.2 PC_CAD系统功能结构图 根据本系统的功能目标及各功能模块之间的关系,确定纸盒设计系统的功能结 构图如图所示。 8 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 管式盒 盒 盒盖 纸 数 盘式盒 部件更换 型 盒 盒底 据 数 管盘式盒 零 据 非管非盘式盒 件 库 盒体 库 异型盒 盒 型 库 录入模块 参数化计算 模块 尺寸标注 模块 二值化模块 盒坯图 自 输 噪声去除模块 动 出 矢 量 邻域扫描模块 设 纸 化 备 盒 模 线型判别模块 盒 块 矢量图绘制 坯 动态折叠演示 模块 图 模块 矢 信息录入模块 人 量 机 化 视图编辑模块 交 模 互 块 矢 位图捕捉模块 实体渲染 量 信息存储与 模块 化 提示模块 模 矢量图绘制 块 模块图 2 PC_CAD系统功能结构图 Fig.2 The construction drawing of PC_CAD system 2.3 系统主要功能分析 PC_CAD系统是基于 AutoCAD的二次开发,程序在 AutoCAD平台下运行,首 [67] 先通过程序建立 AutoCAD连接 ,以访问 AutoCAD对象库,调用对象。 系统默认从纸盒盒坯图的完整盒型库开始参数化绘图。由用户输入纸盒必备参 数,描述某一种纸盒至少需要输入四个参数:纸盒长度、宽度和高度以及纸板厚 度。部分具有特征结构的盒型,还需要用户输入自锁底角度、锁口位置等必要信 9 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 息。系统自动对参数进行检查,以判断数据是否合理。主要检查内容包括纸盒长 度、宽度、高度和纸板厚度是否为正值;参数关系是否合理,如纸盒长度应当不小 于宽度;纸板厚度是否符合工艺要求等。如果发现数据有错误,则弹出包含提示错 误信息的对话框提示用户重新输入。 盒坯图实现后,如果用户对整体盒型的局部部分不满意,则可以删除此部分结 构,然后调用相应纸盒零件库,进行替换。调用的过程实际上也是参数化绘图的过 程,只不过绘制的不是整体盒坯图而是某些部件。 为了便于用户直观选择各种盒型和纸盒部件,先将盒型库、盒盖、盒体和盒底 等的位图存档,运行时自动加载,并能直接快速预览选择,从而使系统应用简单、 直观,易于操作。为了满足纸盒包装企业需求,增强软件功能,还需开发尺寸标注 模块、动态折叠演示模块、实体渲染模块。 纸盒盒坯图的矢量化即对于已经存在的盒坯点阵位图,采用反求技术,将其直 接转化为矢量图,并在 AutoCAD中绘出。分自动矢量化和人机交互矢量化两个模 块,对于噪点少的位图,采用自动矢量化模块,可以充分节省时间,提高效率;对 于质量较差,噪点多的位图,采用人机交互系统,既能提高效率,又可以提高还原 [68] 的准确度 。 在完成纸盒设计后,系统将结果保存为矢量形式,以便在各种线性输出设备上 输出。也可以连接后端输出设备,直接输出单张样品或批量成型产品。 2.4 软件的开发平台及相关 2.4.1 开发平台与环境 AutoCAD提供了完备的、高性能的、开放的程序开发体系,它允许用户和开发 者采用高级编程语言对其进行扩充和修改,即二次开发,并为用户和开发者提供了 多种新的选择,使得对 AutoCAD二次开发和定制变得轻松而容易,能最大限度地满 足用户的特殊要求。 基于 AutoCAD的智能化、网络化、高度集成化及可视化的优点以及其体系开 [69] 放、结构完备、性能优异等特点 ,采用 AutoCAD作为二次开发平台,并在 Windows环境下进行开发。 2.4.2 二次开发工具的选择 AutoCAD虽然在其自身的领域具备强大的功能,但是在工程设计中,还需要结 合专业情况,对仅靠 AutoCAD自身不能或不易做到的功能进行二次开发。自 [70] AutoCAD v2.18版至 AutoCAD 2010版,相继推出了三代二次开发工具 。 1 第一代开发工具??AutoLISP 10 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 AutoLISP是 1986年随 AutoCAD v2.18提供的二次开发工具。它是一种人工智 能语言,是嵌入 AutoCAD内部的 COMMON LISP的一个子集。在 AutoCAD的二次 开发工具中,它是唯一的一种解释型语言。使用 AutoLISP可直接调用几乎所有的 AutoCAD命令。AutoLISP语言典型的应用是实现参数化绘图程序设计,包括尺寸驱 动程序和鼠标拖动程序等。 AutoLISP语言规则简单,易学易用;直接针对 AutoCAD,易于交互;解释执 行。但是它功能单一,综合处理能力差;解释执行,程序运行速度慢;缺乏很好的 保护机制,源程序保密性差;用表来描述,不符合人的思维方式;不能直接访问硬 [71] 件设备、进行二进制文件的读写 。AutoLISP的这些特点,使其仅适合于有能力的 终端用户完成一些自己的开发任务。 2 第二代开发工具??ADS ADS(AutoCAD Development System)是 AutoCAD R11开始支持的一种基于 C 语言的灵活的开发环境。ADS可直接利用用户熟悉的 C编译器,将应用程序编译成 可执行文件后在 AutoCAD环境下运行,既利用了 AutoCAD环境的强大功能,又利 [72] 用了 C语言的结构化编程、运行效率高的优势 。 与 AutoLISP 相比,ADS: (1)具备错综复杂的大规模处理能力; (2)编译成机器代码后执行速度快; (3)编译时可以检查出程序设计语言的逻辑错误; (4)程序源代码的可读性好于 AutoLISP。但 ADS程序的隐藏错误往往导致 AutoCAD乃至操作系统的崩溃,并且需要编 译才能运行,不易见到代码的效果。 3 第三代开发工具??Visual LISP,ARX及基于 ActiveX Automation技术的 VBA等。 1Visual LISPVLISP VLISP是 AutoLISP的换代产品。它与 AutoLISP完全兼容,并提供它所有的功 能。VLISP对语言进行了扩展,可以通过 Microsoft ActiveX Automation 接口与对象 交互。同时,通过实现反应器函数,还扩展了 AutoLISP响应事件的能力。作为开发 工具,VLISP提供了一个完整的集成开发环境(IDE),包括编译器、调试器和其 [73] 他工具,可以提高二次开发的效率 。另外,VLISP还提供了工具用于发布独立的 应用程序。 2ARX ARX(AutoCAD Runtime Extension)是 AutoCAD R13之后推出的一个以 C++ 语言为基础的面向对象的开发环境和应用程序接口。ARX程序本质上为 Windows动 11 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 [74] 态链接库(DLL)程序 ,与 AutoCAD共享地址空间,直接调用 AutoCAD的核心 函数,可直接访问 AutoCAD数据库的核心数据结构和代码,以便能够在运行期间扩 展 AutoCAD固有的类及其功能,创建能够全面享受 AutoCAD固有命令特权的新命 令。ARX程序,尽管其运算速度快,功能比以上两种工具更强大,但程序中的 错误 [75] 造成的危险也大,同时开发 ARX程序对开发人员要求更高 。3基于 Active Automation 技术的 VBA等开发工具 ActiveX Automation是一套微软标准,也称为 OLE Automation技术。该标准允 许通过外显的对象由一个 Windows应用程序控制另一个 Windows应用程序。 AutoCAD从 R14开始增加了作为 ActiveX Automation服务器应用程序的功能,使得 许多面向对象编译语言和应用程序可以通过 ActiveX与 AutoCAD进行通信,并操纵 [76] AutoCAD的许多功能 。 VB.NET是 Visual Studio.NET开发平台中的核心语言之一,是一个完全的面向 对象的语言,它的功能包括继承、接口和重载等,它还支持结构化异常处理和自定 义属性,并且还支持多线程处理,同时,基于网络程序的开发功能也大大增强了。论文中以 AutoCAD为开发平台,选用 VB.NET为二次开发工具,进行程序的设 计、开发。VB.NET二次开发 AutoCAD,是基于 ActiveX自动化界面技术(ActiveX Automation Interface)的,ActiveX技术使得 可以通过 AutoCAD显示出来的信息, 通过其他计算机编程语言,从 AutoCAD内部或者外部来控制、操纵它们。同时,用 [77] VB.NET二次开发 AutoCAD,可以用较少量的劳动投入,获得较为可观的成果 。 12 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 3 PC_CAD系统领域问题分析 折叠纸盒可以实现自动化高速生产,并且在运输中可以折叠为平板状以节省空 间,而且具有充填方便、快捷等功能,所以工业化生产的纸盒主要是包装纸盒(即 折叠纸盒)。 折叠纸盒的设计需要遵循一定的原则,如纸盒要满足在成型后方便消费者使用 右手由前向后开启盒盖,同时要满足消费者正视包装纸盒时,不会观察到粘合襟片 接缝而引起外观缺陷。在生产工艺工艺方面,还要考虑作业线的设计,拼版的设计 等内容。 3.1 折叠纸盒结构设计原则 折叠纸盒的结构设计,应该从生产工艺、装潢设计等多方面进行考虑,一般应 应遵循“三?三”原则,即整体设计三原则、结构设计三原则及装潢设计三原则 [78] 。 1、整体设计三原则 (l)整体设计应满足消费者在决定购买时首先观察纸盒包装的主要装潢面即 包括主体图案、商标、品牌、厂家名称及获奖标志的主要展示面的习惯;或者满足经 销者在进行橱窗展示、货架陈列及其它促销活动时让主要装演面面对消费者以给予 [88] 最强视觉冲击力的习惯 。 (2)整体设计应满足消费者在观察或取出内装物时由前向后开启盒盖的习惯。 (3)整体设计应满足大多数消费者用右手开启盒盖的习惯。 2、结构设计三原则 (1)折叠纸盒粘合襟片应连接在后板上,在特殊情况下可连接在能与后板粘合 的端板上。除非万不得己,一般不要连接在前板或能与前板粘合的端板上。 (2)纸盒盖板应连接在后板上粘合封口式与开窗盒盖盖板除外。 (3)纸盒主要底板一般应连接在前板上。 符合以上设计原则的纸盒,可以方便消费者由前向后开启盒盖,同时可以避 免 消费者正视包装纸盒时,观察到因接缝不良而引起的外观缺陷。 3、装潢设计三原则 (1)纸盒包装的主要装演面应设计在纸盒前板管式盒或盖板盘式盒上,说 明文字及次要图案设计在端板或后板上。 13 河北农业大学硕士学位(毕业)论文 (1)当纸盒包装需直立展示时,装演面应考虑盖板与底板的位置,整体图形以 盖板为上,底板为下此情况适宜于内装物为不宜倒置的各种瓶型的包装,开 启位 置在上端。 (3)当纸盒包装需水平展示时,装演面应考虑消费者用右手开启的习惯,整体 图形以左端为上,右端为下,但开启位置在右端。 总之,在设计纸盒结构时,要按照方便、美观、实用、经济的原则,综合考虑 各方面因素,设计合理盒型。 3.2 纸盒结构分析 3.2.1 纸盒分类 合理的纸盒分类不仅方便用户的选择调用,而且对于盒型库的扩充具有举足 轻 重的作用。 纸盒的分类方法很多,比如根据所用材料可分为瓦楞纸盒和平板纸纸盒;根据 [78] 生产工艺可分为折叠纸盒和粘贴纸盒等 。系统主要研究的是可以工业化生产的折 叠纸盒,所用材料为纸板。 折叠纸盒可按照纸盒的总体结构及局部特征分为:管式盒、盘式盒、管盘式折 叠纸盒、非管非盘式折叠纸盒和异型盒等。同一种纸盒又可以具有不同的盒体、盒 盖、盒底结构。 在系统中,采用按结构分类的方法,即将纸盒盒型分为管式盒、盘式盒、管盘 式折叠纸盒、非管非盘式折叠纸盒和异型盒。同时,将纸盒视为为盒体、盒底、盒 盖的构成体,以建立盒体库、盒盖库和盒底库。 3.2.2 预折线与作业线 纸盒中有多条压痕线,而在作业线一般在盒体结构中高度方向上,它是为方便 纸盒折叠成平板状而设计特殊折线。 1、预折线 [79] 预折线是指在纸盒自动粘合过程中仅需折叠 130?且恢复原位的压痕线 , 预折 是为了便于自动折叠成盒,或者说当纸盒呈平板状粘合接头时并不对折的线。 2 、作业线 作业线是指在纸盒自动粘合过程中需折叠 180?,或者说当纸盒呈平板状时需 [80] 要对折的压痕线 ,作业线的选取原则是纸盒在自动粘盒机上成型的过程最简单 (平折次数最少)且方便粘盒机自动操作。 14 包装纸盒计算机辅助设计系统的研究与实现 因为管式折叠纸盒接头是在平板状态下接合,且这种平板状态经历计数、堆 码、装箱、储存、运输等环节一直持续保持到包装商品之前盒体撑开,所以盒体最 重要的是作业线的设计。根据上述要求,作业线应该设计在管式折叠纸盒平面展开 图盒体部位的纵向,当沿作业线折叠后,盒坯两端位置应该重合。 3.2.3 粘合襟片尺寸确定 粘合襟片的尺寸有其特殊性,粘合襟片的宽度与其连接盒板位置及纸盒长度或 [83] 宽度有关 ,如果粘合襟片连接侧板,则考虑纸盒宽度,如果连接端板,则考虑 纸 [84]