牛羊軟件在玻璃深加工中的應(yīng)用

牛羊軟件在玻璃深加工中的應(yīng)用

0曲面玻璃的加工隨著人們審美追求的提高，建筑設(shè)計(jì)師傾向于用曲線法表達(dá)自己的設(shè)計(jì)理念。設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)中適當(dāng)運(yùn)用一些曲面及曲線的構(gòu)成元素，可創(chuàng)造出豐富多彩的空間形態(tài)與性格迥異的視覺(jué)效果。然而設(shè)計(jì)師天馬行空的曲線和曲面表達(dá)卻令幕墻單位和相關(guān)材料供應(yīng)商很是頭疼。玻璃作為建筑幕墻的最主要的材料之一，曲面玻璃的加工也成為了深加工玻璃廠家必須面對(duì)的問(wèn)題。犀牛軟件英文全名為Rhinoceros（簡(jiǎn)稱Rhino），它具備有比傳統(tǒng)網(wǎng)格建模更為優(yōu)秀的NURBS(NonUniformRationalB-Spline）建模方式，也有類似于3DMax的網(wǎng)格建模插件T-Spline，其發(fā)展理念是以犀牛軟件為系統(tǒng)，不斷開發(fā)各種行業(yè)的專業(yè)插件、多種渲染插件、動(dòng)畫插件、模型參數(shù)及限制修改插件等等，使之不斷完善，發(fā)展成一個(gè)通用設(shè)計(jì)軟件。除此之外，犀牛軟件的圖形精度高，能輸入和輸出幾十種文件格式，所繪制的模形能直接通過(guò)各種數(shù)控機(jī)器加工或成形制造出來(lái)，如今已被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)制造、機(jī)械設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和三維動(dòng)畫制作等等領(lǐng)域。鑒于曲面玻璃幕墻的紛繁多樣（特別是雙曲面玻璃幕墻），常用的CAD軟件已經(jīng)無(wú)法滿足深化設(shè)計(jì)出圖、加工的要求，犀牛軟件在玻璃深加工領(lǐng)域的運(yùn)用恰好可以填補(bǔ)這一空缺。本文著重闡述犀牛軟件在玻璃深加工領(lǐng)域的運(yùn)用。1確定曲面的范圍曲面是直線或曲線在一定約束條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡。這根運(yùn)動(dòng)的直線或曲線，稱為曲面的母線。形成曲面的母線可以是直線，也可以是曲線。如果曲面是由直線運(yùn)動(dòng)形成的則稱為直線面（如圓柱面、圓錐面等）；由曲線運(yùn)動(dòng)形成的曲面則稱為曲線面（如球面、環(huán)面等）。曲面的表示法和平面的表示法相似，最基本的要求是應(yīng)作出決定該曲面各幾何元素的投影，如母線、導(dǎo)線、導(dǎo)面等。此外，為了清楚地表達(dá)一曲面，一般需畫出曲面的外形線，以確定曲面的范圍。根據(jù)母線的形狀分類可分為直紋曲面和雙曲曲面。直紋曲面——凡是可以由直母線運(yùn)動(dòng)而成的曲面，如圓柱面、圓錐面、橢圓柱面、橢圓錐面、雙曲拋物面、錐狀面和柱狀面等；雙曲曲面——只能由曲母線運(yùn)動(dòng)而成的曲面，如球面、環(huán)面等。同一個(gè)曲面可能由幾種不同的運(yùn)動(dòng)形式形成，如圓柱面，既可以看做是直線繞著與之平行的軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而成，也可以看做是一個(gè)圓沿軸向平移而形成的。根據(jù)曲面能否展成平面分類可分為可展曲面和不可展曲面。能展開成平面的曲面為可展曲面，如柱面、錐面；不能展開成平面的曲面為不可展曲面，如橢圓面、橢圓拋物面、曲線回轉(zhuǎn)面。一般只有直紋曲面才有可展曲面與不可展曲面之分，雙曲曲面都是不可展曲面。雖然計(jì)算機(jī)軟件可以自由、任意地創(chuàng)造曲面，但這些曲面從計(jì)算機(jī)到現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)化的最大阻力是建筑材料的選擇。玻璃作為常用的幕墻材料，其不同曲面的加工實(shí)現(xiàn)有著迥異的難度，部分曲面甚至無(wú)法加工。就玻璃深加工而言，一般意義的單曲面僅指圓柱面，即單一曲面僅由單一半徑向其法向量拉升后對(duì)應(yīng)相應(yīng)的形狀（其中需要特別注意的是圓錐面不屬于加工領(lǐng)域的單曲面范疇）。其余的錐面、球面、橢球面、橢圓拋物面以及任意樣條曲線運(yùn)動(dòng)而成的曲面等等均屬于雙曲面范疇。2畜牧軟件2表面玻璃深度2.1曲面玻璃切割相關(guān)加工措施在日常的建筑玻璃深加工過(guò)程中，曲面玻璃特別是雙曲面玻璃往往為非常規(guī)的矩形尺寸，特別是一些文化藝術(shù)類項(xiàng)目，甚至可能沒(méi)有兩塊完全相同尺寸的玻璃，有的還會(huì)涉及點(diǎn)爪式幕墻，這就要求必須在玻璃切割前繪制精確的平面展開圖，可以讓玻璃切割機(jī)識(shí)別并自動(dòng)切割，同時(shí)，還需要考慮曲面玻璃加工過(guò)程中的變形量。犀牛軟件中的曲面攤平（Unrollsrf）/壓平（Smash）命令可以展開單曲面，展開（Squish）命令可以按材料特性展開雙曲面，從而得到最為接近實(shí)際的平面展開圖。但是，玻璃切割機(jī)自配備的切割軟件一般無(wú)法識(shí)別NURBS曲線，這就需要將展開面的邊界曲線優(yōu)化為切割機(jī)軟件可以識(shí)別的直線段和圓弧段（圖1），同時(shí)需要注意控制優(yōu)化的誤差以及切割的流暢程度（過(guò)多的分段會(huì)導(dǎo)致切割機(jī)軟件無(wú)法識(shí)別、切割效率低下、無(wú)法掰邊甚至損壞切割機(jī)刀頭）。此外，在加工實(shí)踐過(guò)程中需要考慮為異形玻璃展開面預(yù)留更多的掰邊量以及合理的延展線。對(duì)于一些異形打孔玻璃，需要在玻璃切割時(shí)將孔位直接定位（圖2），以免后續(xù)打孔工序定位偏差，并在玻璃加工流轉(zhuǎn)過(guò)程中保持對(duì)應(yīng)的尺寸編號(hào)，標(biāo)簽完整，可追溯。2.2進(jìn)爐方向偏差對(duì)成型曲面的影響異形玻璃的邊部處理需切割一次成型，避免玻璃邊部缺陷，從而提高鋼化成品率。同樣的，異形玻璃的鉆孔處需進(jìn)行倒角處理。對(duì)于單曲面鋼化玻璃，需注意玻璃進(jìn)爐方向（區(qū)分軟硬軸鋼化爐），進(jìn)爐方向的偏差直接影響了成型曲面的空間相對(duì)坐標(biāo)（圖3）。Rhino軟件中的曲率測(cè)試（Curvature）命令可以直接定位玻璃進(jìn)爐方向（注意區(qū)分軟硬軸彎鋼爐）。2.3雙曲面玻璃的壓模鋼化加工眾所周知，雙曲面玻璃的加工周期遠(yuǎn)超單曲面玻璃，且雙曲面玻璃的造價(jià)遠(yuǎn)高于單曲面玻璃。目前主流的雙曲面玻璃加工主要有三種：熱彎、壓模鋼化和調(diào)弧鋼化。(1)熱彎，熱彎玻璃因不屬于安全玻璃且合成夾膠后強(qiáng)度依然較低，固不能作為幕墻玻璃的選項(xiàng)。(2)壓模鋼化，即加熱后的玻璃先通過(guò)模具壓制成型后吹風(fēng)急冷，典型的代表就是汽車前后擋風(fēng)玻璃，由于模具制作的成本較高，適合批量定制玻璃產(chǎn)品的加工，而建筑幕墻玻璃涉及的雙曲面玻璃往往形態(tài)各異，幾乎沒(méi)有可重復(fù)利用的模具，所以采用壓模鋼化加工雙曲面玻璃加工周期長(zhǎng)、成本高且壓模易造成Low-E玻璃膜面壓傷。(3)調(diào)弧鋼化，顧名思義，通過(guò)調(diào)整彎鋼化設(shè)備，形成接近目標(biāo)曲面的形狀，再通過(guò)鋼化參數(shù)的調(diào)整（包括：加熱段控制玻璃的局部溫度，吹風(fēng)段控制吹風(fēng)的風(fēng)壓、吹風(fēng)嘴的高度、進(jìn)出風(fēng)柵的距離和時(shí)間等等），使其達(dá)到接近預(yù)期的效果。目前主要的調(diào)弧鋼化加工企業(yè)大多依靠經(jīng)驗(yàn)和試樣多次嘗試摸索生產(chǎn)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成品率低，加工誤差較大。鑒于壓模鋼化成本高、周期長(zhǎng)以及調(diào)弧鋼化的成品率低、誤差大，運(yùn)用犀牛軟件強(qiáng)大的曲面處理能力，配合其內(nèi)置插件grasshopper，通過(guò)曲面的優(yōu)化擬合，使得一部分的雙曲面玻璃可以在一定誤差范圍內(nèi)優(yōu)化為單曲面，一部分雙曲面玻璃可以在單曲面玻璃的基礎(chǔ)上通過(guò)適當(dāng)調(diào)整鋼化參數(shù)而獲得。這樣的軟硬件結(jié)合加工雙曲面鋼化玻璃，大大縮減了加工成本和周期，且提高了加工精度和穩(wěn)定性。單曲面擬合雙曲面算法舉例：(1)隨機(jī)選取曲面上的任意一點(diǎn)；(2)找出其曲率半徑；(3)形成壓弧線（這個(gè)線類似于圓柱的腰線）；(4)拉伸形成圓柱面；(5)利用遺傳算法galapagos求出與原曲面最貼合的圓柱面（圖4);(6)在一定的誤差范圍內(nèi)，將雙曲面優(yōu)化為單曲面；(7)根據(jù)其各頂點(diǎn)及其控制點(diǎn)的絕對(duì)誤差，相應(yīng)調(diào)整鋼化工藝參數(shù)。如遇一些高階曲面，可嘗試重建曲面，通過(guò)誤差分析來(lái)確定其可行性。此外，雙曲面優(yōu)化誤差可適當(dāng)考慮玻璃擾度，如玻璃的冷壓安裝。綜合考慮曲面優(yōu)化、加工工藝、成品控制以及安裝工藝，可以大大降低成本并有效提高生產(chǎn)效率。2.4其他應(yīng)用程序犀牛軟件在曲面玻璃深加工領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多。2.4.1異形雙曲面表達(dá)矩形圓柱面的放樣僅需找出圓柱面的底面的弧長(zhǎng)/弦長(zhǎng)、拱高以及高度即可，異形單曲面的表達(dá)一般需要其輪廓線、彎曲半徑以及高度，而異形雙曲面的表達(dá)大部分只能依賴三維軟件，用全站儀定位其各頂點(diǎn)坐標(biāo)、輪廓線，通過(guò)曲面放樣（loft）命令求得曲面（圖5）。2.4.2曲線邊的選取曲面玻璃的面積計(jì)算一般按展開面的最小外接矩形計(jì)算，雙曲面玻璃的展開面不可避免會(huì)涉及到有曲線邊，便會(huì)涉及到曲線邊的最小外接矩形的選取。可以通過(guò)選取展開面內(nèi)一點(diǎn)，通過(guò)這一點(diǎn)的兩組平行線相切或重合展開面邊線，通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩組平行線方向，利用遺傳算法galapagos找出最小矩形面積，見圖6。2.4.3類型化和正截面位移的判斷曲面的誤差分析主要運(yùn)用于曲面重建、優(yōu)化以及校正，其算法原理是通過(guò)前后曲面上對(duì)應(yīng)若干點(diǎn)的位移（需區(qū)分正負(fù)）來(lái)判斷曲面的誤差是否在可控范圍以內(nèi)，需要特別注意的是不可僅分析誤差的大小，需結(jié)合位移方向判斷曲面的變形以及后期的曲面銜接。2.4.4建筑玻璃的用量眾所周知，建筑表皮的深化設(shè)計(jì)將表皮深化后分割為以一、二階曲線為主的曲線及相應(yīng)的曲面，材料商根據(jù)深化后的曲線、曲面加工龍骨、玻璃、鋁板等材料，由于材料本身特性和加工工藝的不同，各材料可能會(huì)出現(xiàn)大小不同的誤差。建筑玻璃作為一種既透光又反光的材料，其形變對(duì)建筑表皮的綜合影響更為明顯。所以在設(shè)計(jì)、加工以及后續(xù)安裝過(guò)程中，需充分考慮曲面分割、優(yōu)化、工藝、施工對(duì)曲面成像的影響，尤其是曲面的銜接問(wèn)題。2.4.5馬鞍形曲面的建模曲面的空間四各頂點(diǎn)不共面（常見的四邊曲面通常表達(dá)為空間四個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)）。四點(diǎn)曲面是典型的雙曲面（圖7）?？蓪⑵渲庇^地理解為馬鞍形曲面的一部分。建筑設(shè)計(jì)師在建模過(guò)程中幾乎不會(huì)涉及到四點(diǎn)曲面（可以簡(jiǎn)單理解為曲面銜接很不流暢）。四點(diǎn)曲面大多是深化設(shè)計(jì)師將原表皮中較為平緩的曲線在一定誤差范圍內(nèi)優(yōu)化成了線段，這就使得玻璃供應(yīng)商僅通過(guò)深化后的加工圖紙