Автоматизация проектирования и производства в деревянном малоэтажном домостроении

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА В ДЕРЕВЯННОМ МАЛОЭТАЖНОМ ДОМОСТРОЕНИИ

Рябков В.М., Трофимов М.А., Карчин Ф.А.

Automation of designing and manufacture in wooden one-storeyed housing construction.

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 миллиардов 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 500000 деревянных домов, в Японии 300000, в одной Финляндии - 4000 домов для постоянного жилья, плюс 5000 дач.

В России до недавнего времени деревянное домостроение было представлено 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/кв. м. (ООО «Палекс-Строй» г. Москва) цена панельного быстровозводимого дома с монтажом 600 евро/кв. м. (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 тому является высокое качество домов за счет автоматизации проектирования и производства.

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 деревообрабатывающих предприятий. В соответствии с техническим заданием нами разработаны схемы управления производственной линией, произведен выбор элементов управления, разработан алгоритм управления производственной линией, разработан интерфейс оператора производственной линии.

В качестве основного элемента управления был выбран промышленный контроллер фирмы Advantech.

К основным функциям контроллера относятся: слежение за перемещением заготовки (позиционирование), сбор информации от датчиков, формирование аналогового управляющего сигнала для сервопривода, синхронизация подачи заготовки.

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.

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.

Рисунок 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. Одним из требований к оптимальному раскрою является наличие возможности задавать условия оптимального раскроя. Алгоритм оптимального раскроя изображен на рис. 2.

Рисунок 2 - Блок схема алгоритма оптимального раскроя

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 следующую задачу:

N

g = A-ZLk ,

k=1

где g - длина неиспользованных отходов производства; A - суммарная длина всех заготовок; N - общее число деталей в доме; Lk - длина детали с номером к.

Задача алгоритма заключается в минимизации остатка g.

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

W

g (L max ) = 2 (Lmax "2 Lk ) ' i=1 k=1

где g - длина неиспользованных отходов производства; Lmax - длина заготовки; Ni - общее число деталей в доме; Lik - длина детали с номером к в заготовке i; W - минимальное количество заготовок для производства деталей.

N

Очевидно, что, устремив для каждой заготовки величину Цк) к

к=1

нулю, получим минимальный остаток g(Lmax), однако при каждом Ьтах, остаток 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.

160000

£ Длина заготовки в мм

Рисунок 3- График зависимости g

В область изучения входят длины заготовок от 6000 мм до 20000 мм, так как заготовок длиной менее 6000 мм может не хватить для производства некоторых деталей, а заготовки длиной свыше 20000 мм невозможно транспортировать.

Как видно из графика минимальное значение отхода достигается при длине заготовки 15200 мм, однако в ряде случаев выгодными могут оказаться и значения отхода при длине заготовки 12800 мм, и даже при 9700 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.

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