Архитектон: известия вузов. №4 (16) Декабрь, 2006

Архитектурная практика

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ ФОРМ ТИПА «РЕШЕТКА»

Аннотация

Металлические ограды (решетки) помимо функции «ограждения» часто выполняют и функции объектов декоративно-прикладного искусства. Их принято относить к классу малых архитектурных форм (в данной статье такого рода объекты будем называть «решетками»). Технологии изготовления металлических решеток практически не менялись несколько веков. Наиболее старая технология – ковочная, широко применяют также литье, а с начала прошлого века – сварку. Сварочная технология наиболее дешевая, однако, применение в качестве основного материала металлических труб или прутков существенно ограничивает художественную ценность продукта, поскольку создание сложного художественного узора посредством сварки весьма проблематично. Это в меньшей мере относится к ковке, но и здесь трудоемкость реализации нетривиальных декоративных узоров приводит к тому, что стоимость такого рода изделий становится неадекватной их потребительским и художественным свойствам. В 19 веке массовое распространение получило чугунное литье. Художественные возможности литья очень велики, вместе с тем трудоемкость и стоимость изготовления оснастки делают эту технологию неприменимой для единичного производства.

В последние десятилетия, вместе с развитием средств автоматизации проектирования, получает развитие и метод изготовления металлических решеток из листовых материалов посредством термической резки металла на машинах с числовым программным управлением (ЧПУ). Под термической резкой принято понимать лазерную, плазменную, кислородную (газовую) и электроэрозионную резку. Иногда к классу термической резки относят и резку водяной струей (гидрорезка и гидроабразивная резка). Термическая технология тоже имеет один серьезный недостаток, который заключается в том, что обычно около 80% металла после вырезки решетки уходит в отход, что, естественно, сказывается на стоимости изделия. Вместе с тем, в отличие от других технологий изготовления, вырезка из листа в плане трудоемкости оказывается вне конкуренции, так как подготовка управляющей программы для машины с ЧПУ с использованием современных систем автоматизированного проектирования (САПР) может занимать всего несколько минут. Кроме того, это время мало зависит от сложности рисунка решетки, что создает дизайнеру богатые возможности для реализации его творчества в полной мере. Разумеется, этап подготовки управляющей программы – не единственный в цикле проектирования изделия. Сравнительно затратным по времени, как правило, является этап создания цифровой модели решетки на компьютере, но этот этап является общим для любой технологии, если вы используете компьютер хотя бы для целей визуализации.

Рассмотрим этапы процесса автоматизации проектирования и изготовления металлических решеток с применением машин с ЧПУ, более подробно останавливаясь на аспектах подготовки и обработки компьютерной информации.
 

1 этап. Создание геометрической модели.

Первой стадией проектирования является разработка эскиза узора решетки и определение ее геометрических параметров. Понятно, что на эскиз существенно влияют условия, которые, как правило, задаются заказчиком изделия. Несложные узоры можно сразу проектировать с использованием какой-либо широко распространенной САПР, точнее, определенного типа систем, которые принято называть CAD-системами (Computer-Aided-Design) и которые предназначены для геометрического моделирования двумерных (2D) и трехмерных (3D) объектов и подготовки конструкторско-чертежной документации (AutoCAD, SolidWorks, T-Flex CAD и др.). Поскольку мы рассматриваем технологию изготовления решеток из листовых материалов, эскиз решетки достаточно получить как 2D – объект. Под «несложным» узором здесь понимается геометрический объект, который задается отрезками прямых и дугами окружностей, причем количество геометрических примитивов не превышает 50-100. Следует отметить, что геометрическая модель решетки в CAD-системах получается в векторном формате, что сразу позволяет ее использовать на следующем этапе проектирования – этапе подготовки управляющей программы для вырезки на машине с ЧПУ.

Если узор решетки является достаточно сложным, то целесообразно применение специализированных геометрических редакторов типа CorelDraw, который также позволяет создать геометрию узора в векторном виде. Однако и такого рода редакторы не слишком удобны для проектирования решеток очень сложных геометрических конфигураций. Геометрические контуры таких решеток состоят преимущественно из лекальных кривых, предварительно разрабатываемых и прорисовываемых дизайнером на бумаге с последующим вводом информации в компьютер посредством сканирования. Иногда в качестве инструмента дизайнера используются растровые графические редакторы типа Adobe Photoshop, но, как и в случае сканирования, результат проектирования получается в растровом формате.

В этих случаях этап получения геометрической модели решетки содержит еще одну стадию: преобразование растровой модели в векторную (векторизацию). Несмотря на то, что современные «векторизаторы» для широкого класса растровых изображений позволяют получать адекватный векторный формат в автоматическом режиме, все же проблема векторизации остается актуальной и сегодня, особенно для сложных геометрических контуров, для которых алгоритмы интерполяции кривых, используемые в «векторизаторах», не обеспечивают необходимую степень точности по отношению к оригиналу. Необходимо иметь в виду и тот факт, что низкое качество бумажного эскиза также может «внести свой вклад» в искажение результирующей геометрической модели. И хотя режим удаления «грязи» предусмотрен еще на стадии сканирования практически во всех программных продуктах, которым комплектуются дорогие сканирующие устройства, он эффективен только для части возникающих в реальной практике задач.

Одним из подходов к решению проблемы качества векторизации является использование интерактивных методов получение векторной модели, при которых на основе растровой «подложки» на экране монитора пользователь задает набор точек на растровом изображении и ряд других параметров, позволяющих управлять процессом интерполяции получаемого геометрического контура, а, следовательно, и влиять на точность результата. Интерактивный способ применяется и без использования стадии сканирования, когда в качестве «подложки» выступает бумажный оригинал, но в этом случае требуется дополнительное оборудование («дигитайзер»), а процесс получения векторной геометрической модели называют соответственно названию специализированного периферийного устройства «оцифровкой».

Таким образом, как уже отмечалось выше, результат первого этапа при автоматизированном проектировании решетки представляет собой геометрическую 2D-модель в векторном формате. (Отметим, что функцию геометрического моделирования может выполнять и CAD-модуль любой специализированной САПР, предназначенной, например, для подготовки управляющей программы для технологического оборудования с ЧПУ.) В зависимости от способа получения модели и использованного программного обеспечения геометрический контур решетки описывается следующим образом:

• либо состоит из отрезков прямых;

• либо помимо отрезков включает в себя и дуги окружностей;

• либо описывается с применением каких-либо сплайнов, например, кривых Безье (Corel Draw).

В последнем случае требуется еще одна стадия обработки геометрической модели: аппроксимация сплайнов дугами окружностей, поскольку системы ЧПУ машин термической резки листовых материалов, как правило, не поддерживают управление движением инструмента по сплайновым кривым. Аппроксимация контура дугами окружностей понадобится и в случае, когда геометрическая модель содержит большое количество коротких отрезков прямых. Необходимость в этом типе аппроксимации, который называют «делинеризацией», вызвана особенностями технологии термической резки металла и проблемами с управлением движением инструмента на коротких отрезках. Как показал опыт, вырезка сложных решеток, контур которых описывался только отрезками прямых, приводила к существенному ухудшению качества поверхности реза.
 

2 этап. Разработка управляющей программы.

Второй этап проектирования заключается в получении управляющей программы для машины с ЧПУ, которая вырезает термическим способом смоделированную решетку из металлического листа в соответствии с данной программой. Как известно, автоматизацию процесса подготовки управляющей программы обеспечивают предназначенные для этой цели САПР (CAM(Computer-Aided-Manufacturing)-системы или CAM-модули интегрированных CAD/CAM систем). При назначении маршрута резки в CAM-модуле пользователю необходимо обеспечить технологические требования резки металла, несоблюдение которых может привести к изменению геометрических размеров решетки, искажению узора, ухудшению качества поверхности реза или даже к выводу из строя машины с ЧПУ. Полностью автоматические алгоритмы назначения маршрута, реализованные в виде так называемых программ «автоматической резки», в общем случае, не гарантируют полное соблюдение этих требований и, в первую очередь, не обеспечивают минимизацию тепловых деформаций при термической резке металла. В силу этого, CAM-системы, как правило, предусматривают и интерактивный режим проектирования управляющей программы, который обеспечивает пользователю максимальную свободу принятия решений. В частности, при резке металла важно обеспечить пользователю возможность выбора точки врезки, направления резки, скорости резки, припуска на рез и др. При этом интерактивные команды назначения маршрута резки обычно стараются сделать предельно малооперационными, что позволяет минимизировать время подготовки программы. (Например, команда резки по замкнутому контуру, задающему элемент решетки, в качестве параметра может содержать только указатель, задаваемый нажатием кнопки "мыши" вблизи данного контура.) Общепринятым международным стандартом формата данных, определяющих положение и движение инструмента для всех машин и станков с ЧПУ, является формат CLDATA. Поэтому информация об управляющей программе, получаемая в результате проектирования в CAM-модуле, обычно представляет собой файл в данном формате.

Прежде, чем управляющая программа будет передана в машину с ЧПУ, необходимо выполнить еще одну процедуру, которая реализуется специальной программой-постпроцессором. Постпроцессор предназначен для преобразования информации об управляющей программе из внутреннего формата CAM-системы (CLDATA) в формат команд системы ЧПУ для конкретной машины резки материала. Существуют два подхода к разработке постпроцессоров:

• создание универсального постпроцессора, т.е. программы, которая «настраивается» на конкретный тип системы числового управления посредством специального конфигурационного файла или набора параметров («паспорта» ЧПУ);

• разработка отдельных программ-постпроцессоров для каждого типа ЧПУ в отдельности.

Оба эти подхода «имеют право на существование» и одинаково часто используются разработчиками САПР. Достоинством универсального постпроцессора является простота создания «новых» постпроцессоров, а также возможность их создания пользователем-непрограммистом. К недостаткам универсального постпроцессора относится его «неуниверсальность», т.к. «паспорт» ЧПУ не всегда позволяет учесть все нюансы системы управления конкретной машины и, как следствие, требует некоторой корректировки полученной управляющей программы в формате команд ЧПУ.
 

3 этап. Резка решетки на машине с ЧПУ.

В последние годы многие зарубежные фирмы предлагают на российском рынке новые высокопроизводительные станки (лазерпрессы и плазмопрессы), сочетающие в себе, с одной стороны, возможности прессов с ЧПУ для вырубки и высечки деталей, а с другой – машин для лазерной и плазменной резки. Однако эти станки малопригодны при резке металла толщиной свыше 10-15 мм и, кроме того, их применение эффективно только при очень простых узорах изготавливаемых решеток. Поэтому традиционные машины с ЧПУ для термической резки металла остаются наиболее эффективным инструментов для изготовления решеток из листового металлопроката.

Лазерные технологии обычно используются для резки сравнительно тонкого металла – до 10 мм. Для резки более толстого металла требуются лазеры, стоимость которых на порядок дороже. Лазерные установки для резки металла свыше 20 мм вообще не выпускаются серийно. Лазерные машины с ЧПУ имеют два основных преимущества по сравнению с другими машинами термической резки:

• малая ширина реза (1-2 мм);

• высокое качество поверхности реза.

Последнее преимущество позволяет часто избежать процедуры последующей механической обработки поверхности реза, которая обычно необходима при резке решеток на машинах для газовой резки. Газовую резку особенно целесообразно применять для резки толстого металла (свыше 20 мм.) Плазморежущие инструменты (плазмотроны) на практике применяют для резки металла толщиной от 3 до 20 мм. Машины с ЧПУ, использующие эту технологию, занимают промежуточное положение между машинами для лазерной и газовой резки по ширине и качеству реза. Разумеется, на характеристики реза, помимо толщины металла, влияют и марка используемого материала, и мощность установки для термической резки, и особенности применяемой технологии.

В современном городе металлические ограды могут иметь различную высоту, но наиболее часто встречаются ограды от 1 до 2 м. Для такого размера оград целесообразно использовать металл толщиной от 14 до 20 мм. В силу этого, лазерные машины с ЧПУ для изготовления решеток, которые предназначены для ограждения городских объектов, применяются очень редко. Для этих толщин машины для газовой и плазменной резки позволяют изготавливать решетки со скоростью реза около 1 м в минуту. Применение электроэрозионной и водоструйной резки для изготовления решеток представляется нам нецелесообразным по причине низкой скорости реза, которую могут обеспечить серийно выпускаемые машины с ЧПУ, и высокой стоимостью 1 м реза. С другой стороны, гидроабразивная резка может быть эффективна при резке материалов, для которых термический способ резки является неприменимым из-за свойств разрезаемого материала.

Одной из отечественных CAD/CAM – систем, обеспечивающих эффективное проектирование решеток и подготовку управляющих программ для широкого спектра технологического оборудования с ЧПУ, является САПР «СИРИУС» (Система Интерактивного Раскроя И Управления Станками) [1].
 

Проектирование металлических оград в САПР «СИРИУС».

САПР «Сириус», разработанная в г.Екатеринбурге специалистами ОАО «Уралхиммаш» совместно с кафедрой автоматизации проектирования и прикладной геометрии Уральского государственного технического университета, предназначена для автоматизации проектирования раскроя листовых материалов и подготовки управляющих программ для машин с ЧПУ, использующих все технологии термической резки материала (включая водоструйную). При изготовлении металлических оград вопросы оптимизации раскроя материала не представляют сложностей, вместо этого существенное значение приобретают задачи, описанные выше в данной статье в разделах 1 этап и 2 этап. Многолетний опыт внедрения САПР «Сириус» на многих российских предприятиях показал, что весь набор специфических задач, возникающих при моделировании геометрических контуров решеток и последующем проектировании управляющих программ для машин термической резки металла, успешно решаются в системе. Система, в частности, предусматривает:

• моделирование 2D – объектов, состоящих из отрезков прямых и дуг окружностей, без ограничений на количество геометрических примитивов;

• оцифровку 2D – объектов любой сложности с помощью дигитайзеров фирмы CalComp;

• оцифровку 2D – объектов любой сложности на экране монитора по растровой «подложке»;

• импорт 2D – объектов из других CAD – систем через DXF –формат;

• делинеризацию геометрических контуров;

• автоматический и интерактивный режим назначения маршрута резки;

• возможность учета всех технологических требований резки металла;

• возможность разработки программ-постпроцессоров самим пользователем;

• библиотеку постпроцессоров для большинства отечественных и зарубежных машин с ЧПУ для газовой, плазменной и лазерной резки.

На рис.1-2 приведены примеры эскизов металлических оград, спроектированных и изготовленных с помощью САПР «СИРИУС».

Рис.1. Элементы ограды храмового комплекса Сергия Радонежского в Югорске Тюменской обл.

Рис. 2. Элементы художественных решеток оздоровительного лагеря «Зеленый бор»
Свердловской обл.
 

При этом заказчиками этих решеток рассматривались и альтернативные варианты их изготовления с использованием традиционных технологий ковки и литья. Однако, как и во многих других случаях, определяющую роль при выборе технологии сыграли 3 основные преимущества, которые обеспечивает применение САПР и машин с ЧПУ для термической резки материала:

• сокращение сроков проектирования и изготовления решеток;

• реализация любого художественного замысла дизайнера (художника, архитектора);

• высокое качество изделия.

Библиография

Петунин А.А., Кротов В.И., Уколов С.С., Видяпин В.В. САПР «СИРИУС» — оптимизация раскроя и резки листовых материалов в единичном производстве // САПР и Графика. —1999. —  №10.

Ссылка для цитирования статьи

Петунин А.А. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ ФОРМ ТИПА «РЕШЕТКА» [Электронный ресурс] /А.А. Петунин //Архитектон: известия вузов. – 2006. – №4(16). – URL: http://archvuz.ru/2006_4/21 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная