基于AutoCAD开发折叠纸盒结构设计系统的研究

[摘 要]：在研究非管式折叠纸盒的结构特点、作业线设计理论的基础上，实现非管式折叠纸盒平面结构图的参数化设计，以AutoCAD为平台基于Visual LISP开发出折叠纸盒结构图系统。参数化设计主要采用的是盒型库技术，辅助进行一部分的盒素库设计。 关键词：参数化；盒型库；折叠纸盒；包装CAD 目前，美国、日本等发达国家都致力于专业包装设计软件的开发，计算机辅助设计在包装行业中得到了广泛的应用，比较完善的包装CAD系统可以应用到包装CAD的整个工艺流程的各个环节。我国的包装CAD技术起步较晚，尽管专业盒型设计软件越来越受到重视，但实际应用并不多。基于此，笔者尝试以AutoCAD为平台，使用参数化设计的方法，综合应用盒型库和盒素库技术，开发出操作简单但绘图精确的折叠纸盒平面设计软件。 1 参数化设计 参数化设计指参数化模型的尺寸用对应的关系来表示，而不需要确定具体的数值。变化一个参数值，将自动改变所有与之相关的尺寸，并遵循既定的约束条件。 分析市场上的包装纸盒可以看出，大部分的纸盒结构都是特定的几种，只是纸盒的尺寸、装饰图案、所用的包装材料不同。针对包装结构设计的这些特点，折叠纸盒结构设计系统采用参数化设计方法。 使用参数化设计开发折叠纸盒结构系统时，用户不必使用绘图工具逐点逐线地进行绘图，更不用考虑各个尺寸之间的关系及增加纸厚或减少纸厚的问题。因为这些数量关系已经被设计者考虑到程序过程中，用户只需要根据程序的提示进行选择和输入必要的参数，图形的绘制均由程序自动完成。 2 盒素库技术及盒型库技术 2.1 盒素库技术 对于一个整体盒，一般都是由盒盖、盒底、襟片、端板等组件构成，其结构性很强，尤其对于管式折叠纸盒。对于不同的整体盒型，其组成的组件不同，但大体上都有如此的层次结构。构成末端的基本像素一般的有线段、圆（弧）、椭圆（弧）、Bezier曲线等。为了方便，可以添加正多边形、星形、心形、波浪线等作为基本像素。由这些基本像素构成包装盒型的基本盒型组件，如盖插片、端板襟片、侧板襟片等。每一个基本盒型组件都构成一类，如盖插片类、端板襟片类等。类中的每个基本盒型组件根据包装盒型的用途、结构要求、美观等因素要求为不同的形状。进一步地由基本盒型组件构成盒盖、盒底等组合组件，最后构成整体盒型。 2.2 盒型库技术 目前大多数的包装CAD系统，如方正包装、ArtiosCAD软件和BOX—VELLUM系统，采用的都是盒型库技术，即包含一定数量的典型的完整盒型数据库。 盒型库中保存着一些使用频率较高的折叠纸盒的结构样式，通过使用这些典型盒型进行设计，可以使设计速度大大提高，用户只需选择所需盒型，输入合适的长度、宽度、高度、纸板厚度等参数，一次操作就可以得到设计结果，盒型还可以不断的扩充。 大部分的管式折叠纸盒都可以分为盒体、盒盖、盒底3个组成部分，而且盒体变化不多，盒盖与盒底可以分别进行组合，因此管式折叠纸盒适合采用盒素库技术。对于其它非管式折叠纸盒来说，各盒型相似之处少，没有采用盒素库的必要。而且软件以AutoCAD为平台，绘制出整体盒型后，若不符合既定要求，可以利用其强大的绘图与编辑功能进行修改，可以弥补盒型库的不足之处。 3 折叠纸盒结构系统的开发 3.1 系统开发工具 在众多开发软件中，利用AutoCAD进行二次开发是条快捷方式。AutoCAD提供了完整的、高性能的、面向对象的CAD程序开发环境，也为开发者提供了多种新的选择，其二次开发工具亦不断推陈出新，如Auto LISP，Visual LISP，ADS，ARX，VB，VBA，Visual Java等。本文以使用Visual LISP语言为例。 3.2 系统流程图 折叠纸盒系统的数据流贯穿系统运行的整个过程，见图1。 3.3 变量命名及编码 对于纸盒结构设计，几乎每个纸盒使用的变量有纸盒的长度尺寸、宽度尺寸、高度尺寸和纸板厚度。在开发过程中，使用折叠纸盒结构设计中通用的方法，长、宽、高表示为L、B、H、T，编写代码时按照习惯用小写字母命名变量:l、b、h、t。对于纸盒结构图的基点来说，采用Pt来表示。 系统采用与AutoCAD同样的坐标规定方法：屏幕所在的二维平面为x—y平面，采用笛卡尔——平面直角坐标系，坐标原点位于屏幕的左下角。 根据参数化设计的思想，图2中纸盒设计完成后，用户只需要输入不同的参数值就可以得到一系列形状类似而尺寸不同的结构图。 4 系统运行实例 例如要设计一个长100mm，宽80mm，高50mm的一般盘式折叠纸盒，设置纸板厚度1mm，其它结构无要求。 运行系统，可以看到菜单栏多出一项“纸盒”菜单，点击菜单弹出5个子菜单，选择“盘式盒”子菜单或者工具栏上的“盘式盒”图标，进入盘式盒绘图模块。 4.1 盒型选择 选择图3所示“纸盒”菜单或“纸盒”工具栏中的“盘式盒”，弹出如图4“盘式盒”模块图像菜单，在其中选择合适的盘式折叠纸盒的名称或者右边的立体预览图（本例选择一个一般盘式盒），点击“确定”按钮即可进入到“一般盘式盒”的绘图过程中。 4.2 参数输入 进入“一般盘式盒”绘图程序后，弹出盘式盒参数设计对 话框，见图5。 在左边的基点部分，可以直接在输入框内输入纵横坐标的值，或者点击“拾取点<”，则隐藏对话框，待用户在屏幕上用鼠标取一个合适的基点后，对话框自动弹出，以便用户设置和修改其它参数。 刚打开的对话框显示的是纸盒尺寸的缺省值，用户根据需要可以修改盘式盒的基本参数 长、宽、高、纸的厚度（本例中还有特别的参数，如纸盒上端的长度方向的尺寸以及纸盒中间部分的高度）。 系统在编写过程中充分考虑了用户设计过程可能遇到的各种问题及可能出错的地方，在设计过程中添加了出错处理。例如图5中用户将参数值设为负值时，系统在对话框底部显示出错提示。用户可以根据错误提示进行修改，确认正确输入后即可输出纸盒的平面展开图。 4.3 纸盒平面图绘制 用户确认在图5对话框中的参数均合适后，点击“确定”按钮，系统自动在用户选定的基点处画出折叠纸盒的平面图，见图6。若此图与用户的所需有出入，用户可以使用AutoCAD的绘图和编辑功能，继续在输出图的基础上进行修改。 5 结语 （1）折叠纸盒系统采用参数化设计方法。将纸盒的长、宽、高、纸板厚、基点坐标等设置为纸盒的基本参数，用它们表示结构图中各顶点，再用合适的线型连接起来即绘成纸盒结构图。参数设为不同值，可得到一些形状类似而尺寸不同的结构图。 （2）系统使用AutoCAD作为二次开发的平台，以盒型库技术为主，结合部分盒素库技术，既实现了纸盒结构平面图的快速准确绘制，又增加了盒型数量，极大地节省了设计费用和设计时间。 （3）考虑到包装CAD／CAM一体化和数字化工作流程的趋势，要求折叠纸盒结构图系统在以后开发中完善与包装CAM设备的接口，为其在包装行业的广泛应用提供条件。 国际竞争的严峻形势要求我们必须开发拥有自主知识产权的包装CAD系统，有效地提高我国包装行业的生产效率和企业的竞争力，使我国的包装企业立于不败之地。