Автоматизация проектирования и производства в деревянном малоэтажном домостроении

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Библиографический список

1. Михайлов, Ю.А. Сушка перегретым паром / Ю.А. Михайлов. - М., 1967.

2. Фенгел, Д. Древесина / Д. Фенгел, Г. Вегенер. - М., 1988.

3. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. - М., 1971.

4. Юдаев, Б.Н. Теплопередача / Б.Н. Юдаев. - М., 1981.

5. Кузнецов, А.В. // ИФЖ. - 1997. - Т 70. - № 2. - C. 195-199.

6. Муштаев, В.И. Сушка в условиях пневмотранспорта / В.И. Муштаев, В.М. Ульянов, А.С. Тимо-нин. - М., 1984.

7. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговский, А.Я. Расев. - М., 1987.

8. Аэров, М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем / М.Э. Аэров, О.М. Тодес и др. - Л., 1979.

9. Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковс-кая, В.Ф. Фролов. - Л., 1975.

10. Ананьин, П.И. Высокотемпературная сушка древесины / П.И. Ананьин, В.Н. Петри. - М., 1963.

11. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. - М., 1968.

12. Калиткин, Н.Н. Численные методы / Н.Н. Калит-кин. - М., 1978.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА

в деревянном малоэтажном домостроении

В.М. РЯБКОВ, доц. каф. УАПЛПКМГУЛ, канд. техн. наук,

А.С. ЛАПИН, асп. каф. УАП ЛПК МГУЛ,

М.А. ТРОФИМОВ, инженер каф. УАП ЛПК МГУЛ,

Ф.А. КАРЧИН, инженер каф. УАП ЛПК МГУЛ

Деревянное домостроение - один из наиболее прибыльных сегментов рынка деревообработки. Это связано с растущей покупательной способностью населения и наличием спроса, который в настоящее время превышает предложение. Все больше людей желают иметь дом не в мегаполисе в «бетонной коробке», а в загородном доме - подальше от шума и выхлопных газов. В связи с этим производство деревянных домов привлекает все больше предпринимателей, готовых вкладывать деньги в деревообработку. Достаточно сказать, что оборот рынка нового малоэтажного жилищного фонда оценивается в 5-6 млрд евро в год. По прогнозам специалистов, тенденция роста данной отрасли сохранится и в дальнейшем. На долю деревянных домов приходится более 30 % возводимого малоэтажного жилья. Не только в России, но и во многих других странах дерево почитается как ценнейший строительный материал. Например, в США ежегодно покупают 500 000 деревянных домов, в Японии 300 000, в Финляндии - 4 000 домов для постоянного жилья плюс 5 000 дач.

В России до недавнего времени деревянное домостроение было представлено

ryabkov@mgul.ac.ru

либо небольшими дачными домиками для сезонного проживания, либо роскошными дорогими домами, возводимыми по эксклюзивным проектам. Из 452 реально действующих предприятий в РФ, производящих деревянные малоэтажные дома, только 47 предприятий производят каркасные, каркасно-панельные и крупнопанельные деревянные дома с применением древесных плит (цементно-стружечных, ОСБ). Остальные изготавливают бревенчатые или брусовые дома. Сравнительно высокая себестоимость и, соответственно, цена на готовый дом являются основным сдерживающим фактором производства бревенчатых и брусовых домов для массового строительства. Сметная стоимость комплекта дома из клееного бруса без отделки составляет 1000 евро/м2 (ООО «Палекс-Строй» г. Москва), цена панельного быстровозводимого дома с монтажом 600 евро/м2 (ООО ИПФ «СТЕЗЯ» г. Йошкар-Ола). Несмотря на высокую себестоимость деревянных домов из оцилиндрованного бревна и клееного бруса, они получили в настоящее время широкое распространение. Одной из причин того является высокое качество домов за счет автоматизации проектирования и производства.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

147

ДЕРЕВООБРАБОТКА

В настоящее время на рынке продукции производственно-технического назначения представлено большое количество отечественного и импортного оборудования, автоматизированных линий, оснастки инструмента и программного обеспечения для проектирования, производства и строительства деревянных домов. Можно определить три основных технологии в производстве деревянных домов:

1. «СКБ» - технология стенового клееного бруса. Бревно ^ доска ^ высушенная доска^-полуфабрикаты ^ сборные элементы дома;

2. «ОКП» - технология объемных композиционных панелей. Панель OSB плиты пенополистирола ^ готовые панели стен, пола, крыши.

3. «КСП» - технология каркасных стеновых панелей. Доска на каркасную конструкцию, утеплитель ^ отделочная доска ^ готовые панели стен, пола, крыши ^ фермы перекрытий.

Разработаны компьютерные программы для деревянного домостроения. Так, программа «К3 Коттедж» компании «ГЕОС» г. Нижний Новгород основана на создании трехмерной модели дома по всем правилам деревянного домостроения. Программа «К3 Мебель» создает трехмерную модель мебели с учетом материала. Программа для проектирования крыш Dietrich. Программа «Кровля» и ряд других. Программы могут быть использованы для управления деревообрабатывающими центрами при производстве деталей деревянных домов.

Перед нами была поставлена задача, автоматизировать производственный процесс на основе компьютерных технологий, создать систему ЧПУ для повышения эффективности производства деревянных домов из клееного бруса на одном из предприятий Калужской области. В соответствии с техническим заданием нами разработаны схемы и алгоритм управления, произведен выбор элементов управления, разработан интерфейс оператора производственной линии.

В качестве основного элемента управления был выбран промышленный контроллер Advantech AD Link PCI-8136.

К основным функциям контроллера относятся слежение за перемещением заго-

товки (позиционирование), сбор информации от датчиков, формирование аналогового управляющего сигнала для сервопривода, синхронизация подачи заготовки.

Были выбраны элементы для приведения в движение узлов механической части линии. Механическая часть линии выполнена на основе итальянского деревообрабатывающего центра Stromab BLOX, представляющая собой необходимый набор инструментов для производства деталей деревянных конструкций.

Разработанное программное обеспечение, согласно поставленной задаче, должно выполнять следующие функции.

На основании информации из базы данных о деталях производить оптимальный раскрой заготовок, при котором отходы будут минимальными. Производить необходимые расчеты, связанные с выполнением операций, а именно, для каждой операции на текущей заготовке определить ее позицию от начала отсчета. Обрабатывать данные, полученные от контроллера, и с помощью контроллера выводить управляющие сигналы. Реализовать интерфейс оператора. Контролировать качество выпускаемой продукции.

Операционная система, в которой работает программа, обеспечивает ей работу в реальном масштабе времени, что позволяет обеспечить более высокую надежность системы в целом. Наиболее доступной системой реального времени является DOS. Одним из достоинств контроллера AD Link PCI-8136 является наличие библиотек для программирования на языке C++, Visual Basic. Исходя из вышеперечисленных фактов для написания программы был выбран язык программирования высокого уровня C++.

Так как программа достаточно объемная и должна решать несколько логически разделенных задач, то ее написание произведено в виде независимых модулей, обменивающихся между собой данными. Независимые модули в дальнейшем проще отлаживать и тестировать.

На рис. 1 приведена схема взаимодействия программной части системы ЧПУ с базой данных. Процедура оптимального раскроя присваивает каждой детали номер заготовки, из которой она будет производиться.

148

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рис. 1. Схема взаимодействия программной части системы ЧПУ с базой данных

Модуль оптимального раскроя на вход получает информацию из базы данных о деталях деревянного дома.

Задачей процедуры оптимального раскроя является присвоение каждой детали номера заготовки, из которой будет произведена деталь. Заготовки представляют собой брусья одинаковой длины. Детали - это готовые к сборке сруба брусья, просверленные и отфрезерованные для углового соединения. Длина заготовок должна быть больше самой детали. Оптимальный раскрой позволяет произвести все детали дома из минимального количества заготовок и, следовательно, позволяет добиться минимального отхода. Одним из требований является наличие возможности задавать условия оптимального раскроя, которые позволяют делать его по стенам, по венцам или по типу брусьев. Конечно, самым оптимальным раскрой получится, если его делать на всем доме.

Особенностью алгоритма оптимального раскроя в поставленной задаче является некоторая неопределенность длины заготовки, необходимой для производства конкретной детали. Эта особенность связана с тем, что при расчете необходимо учитывать толщину пилы, какие торцы имеет текущая деталь и предыдущая. От этого зависит, какая часть заготовки попадет в отход. Торцы деталей отличаются наличием либо отсутствием фрезеровки на краях детали. Нами разработаны алгоритмы оптимального раскроя и работы производственной линии. На вход линии поступают брусья (от 6 до 20 м). Длина бруса выбирается с точки зрения наиболее выгодного оптимального раскроя.

Одной из задач, решаемых разработанной нами автоматизированной системой

управления производством брусовых деревянных домов на базе автоматизированной линии, является оптимизация раскроя заготовок бруса на детали дома.

Алгоритм оптимального раскроя на

рис. 2.

На рис. 2. использованы следующие обозначения: n - длина заготовки; Poz - номер детали в заготовке; Length - длина текущей детали; I - номер заготовки; Ost - остаток от заготовки при включении в нее детали; PLength - определяет длину заготовки, которая необходима для производства детали.

Расчет величины PLength зависит от того, какие торцы имеют соседние детали. Рассмотрим, как рассчитывается эта величина в различных ситуациях:

1. Если торец текущей детали не имеет фрезеровки и стыкуется с торцом детали, которая также не имеет фрезеровки, то PLength вычисляется по следующей формуле: PLength = Length + Pari; где Length - длина детали, Pari - ширина пилы.

2. Если на одном из стыкующихся торцов имеется фрезеровка, то PLength вычисляется по следующей формуле: PLength = Length + Par2 - ParX; где Par2 - ширина фрезы, ParX - ширина паза, который необходимо отфрезеровать.

В общем виде алгоритм оптимального раскроя решает задачу

N

g = А -I Lk ,

к=1

где g - длина неиспользованных отходов производства;

А - суммарная длина всех заготовок;

N - общее число деталей в доме;

Lk - длина детали с номером к.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

149

ДЕРЕВООБРАБОТКА

150

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Длина заготовки, мм

Рис. 3. График зависимости g

Задача алгоритма заключается в минимизации остатка g.

Предположим, что длина заготовки не меньше Lmax, тогда производственный отход можно вычислить по формуле

w N

g (Lmax) = 2 (Lmax -2 Lik ).

i =1 k=1

где g - длина неиспользованных отходов производства;

L - длина заготовки;

N. - общее число деталей в доме;

Lik - длина детали с номером к в заготовке i;

w - минимальное количество заготовок для производства деталей.

Очевидно, что, устремив для каждой заготовки величину

N

k=1

к нулю, получим минимальный остаток

g(Lmml однако при каЖдом LmX остаток g(LmJ будет разным.

В связи с этим возникает задача найти такое Lmax, при котором g(Lmax) после проведения оптимального раскроя будет минимальным. График зависимости g(Lmax) представлен

на рис. 3. Исследование графика зависимости позволяет для каждой спроектированной деревянной конструкции найти оптимальную длину заготовки, при которой производственный отход будет минимальным. Далее необходимо построить модель раскроя всех заготовок и можно приступать к реализации данной модели на производственной линии.

В область изучения входят длины заготовок от 6 000 мм до 20 000 мм, так как заготовок длиной менее 6 000 мм может не хватить для производства некоторых деталей, а заготовки длиной свыше 20 000 мм невозможно транспортировать.

Как видно из графика, минимальное значение отхода достигается при длине заготовки 15 200 мм, однако в ряде случаев выгодными могут оказаться и значения отхода при длине заготовки 12 800 мм, и даже при 9 700 мм, так как более короткие заготовки дешевле перевозить.

Для расчета операций программа должна знать параметры линии и описание деталей в заготовке. Модель заготовки строится на основании деталей, которые в нее попадают согласно модели оптимального раскроя. Для производства деталей деревянных конструкций применяются следующие основные операции: торцовка, фрезеровка для углового соединения, сверловка, выборка паза под проем, маркировка. Операции торцовка, сверловка, маркировка и выборка паза под проем рассчитываются одинаково, с той лишь разницей, что инструменты находятся на разных расстояниях от начала отсчета, для операции торцовки. Поэтому предусмотрен расчет на различные случаи.

Эксплуатация технического и программного обеспечения в течение года показала их высокую надежность и эффективность.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2009

151