牛羊軟件在玻璃深加工中的應用

0曲面玻璃的加工隨著人們審美追求的提高，建筑設(shè)計師傾向于用曲線法表達自己的設(shè)計理念。設(shè)計師在建筑設(shè)計中適當運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)與性格迥異的視覺效果。然而設(shè)計師天馬行空的曲線和曲面表達卻令幕墻單位和相關(guān)材料供應商很是頭疼。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的問題。犀牛軟件英文全名為Rhinoceros（簡稱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)展成一個通用設(shè)計軟件。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各種數(shù)控機器加工或成形制造出來，如今已被廣泛應用于建筑設(shè)計、工業(yè)制造、機械設(shè)計、科學研究和三維動畫制作等等領(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)無法滿足深化設(shè)計出圖、加工的要求，犀牛軟件在玻璃深加工領(lǐng)域的運用恰好可以填補這一空缺。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動軌跡。這根運動的直線或曲線，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動形成的則稱為直線面（如圓柱面、圓錐面等）；由曲線運動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，最基本的要求是應作出決定該曲面各幾何元素的投影，如母線、導線、導面等。此外，為了清楚地表達一曲面，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動而成的曲面，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——只能由曲母線運動而成的曲面，如球面、環(huán)面等。同一個曲面可能由幾種不同的運動形式形成，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)運動而成，也可以看做是一個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。雖然計算機軟件可以自由、任意地創(chuàng)造曲面，但這些曲面從計算機到現(xiàn)實世界轉(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現(xiàn)有著迥異的難度，部分曲面甚至無法加工。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應相應的形狀（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動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)類項目，甚至可能沒有兩塊完全相同尺寸的玻璃，有的還會涉及點爪式幕墻，這就要求必須在玻璃切割前繪制精確的平面展開圖，可以讓玻璃切割機識別并自動切割，同時，還需要考慮曲面玻璃加工過程中的變形量。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際的平面展開圖。但是，玻璃切割機自配備的切割軟件一般無法識別NURBS曲線，這就需要將展開面的邊界曲線優(yōu)化為切割機軟件可以識別的直線段和圓弧段（圖1），同時需要注意控制優(yōu)化的誤差以及切割的流暢程度（過多的分段會導致切割機軟件無法識別、切割效率低下、無法掰邊甚至損壞切割機刀頭）。此外，在加工實踐過程中需要考慮為異形玻璃展開面預留更多的掰邊量以及合理的延展線。對于一些異形打孔玻璃，需要在玻璃切割時將孔位直接定位（圖2），以免后續(xù)打孔工序定位偏差，并在玻璃加工流轉(zhuǎn)過程中保持對應的尺寸編號，標簽完整，可追溯。2.2進爐方向偏差對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行倒角處理。對于單曲面鋼化玻璃，需注意玻璃進爐方向（區(qū)分軟硬軸鋼化爐），進爐方向的偏差直接影響了成型曲面的空間相對坐標（圖3）。Rhino軟件中的曲率測試（Curvature）命令可以直接定位玻璃進爐方向（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超單曲面玻璃，且雙曲面玻璃的造價遠高于單曲面玻璃。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度依然較低，固不能作為幕墻玻璃的選項。(2)壓模鋼化，即加熱后的玻璃先通過模具壓制成型后吹風急冷，典型的代表就是汽車前后擋風玻璃，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，幾乎沒有可重復利用的模具，所以采用壓模鋼化加工雙曲面玻璃加工周期長、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，通過調(diào)整彎鋼化設(shè)備，形成接近目標曲面的形狀，再通過鋼化參數(shù)的調(diào)整（包括：加熱段控制玻璃的局部溫度，吹風段控制吹風的風壓、吹風嘴的高度、進出風柵的距離和時間等等），使其達到接近預期的效果。目前主要的調(diào)弧鋼化加工企業(yè)大多依靠經(jīng)驗和試樣多次嘗試摸索生產(chǎn)，生產(chǎn)周期長，成品率低，加工誤差較大。鑒于壓模鋼化成本高、周期長以及調(diào)弧鋼化的成品率低、誤差大，運用犀牛軟件強大的曲面處理能力，配合其內(nèi)置插件grasshopper，通過曲面的優(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)上通過適當調(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)隨機選取曲面上的任意一點；(2)找出其曲率半徑；(3)形成壓弧線（這個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)其各頂點及其控制點的絕對誤差，相應調(diào)整鋼化工藝參數(shù)。如遇一些高階曲面，可嘗試重建曲面，通過誤差分析來確定其可行性。此外，雙曲面優(yōu)化誤差可適當考慮玻璃擾度，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其他應用程序犀牛軟件在曲面玻璃深加工領(lǐng)域的應用還有很多。2.4.1異形雙曲面表達矩形圓柱面的放樣僅需找出圓柱面的底面的弧長/弦長、拱高以及高度即可，異形單曲面的表達一般需要其輪廓線、彎曲半徑以及高度，而異形雙曲面的表達大部分只能依賴三維軟件，用全站儀定位其各頂點坐標、輪廓線，通過曲面放樣（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算一般按展開面的最小外接矩形計算，雙曲面玻璃的展開面不可避免會涉及到有曲線邊，便會涉及到曲線邊的最小外接矩形的選取。可以通過選取展開面內(nèi)一點，通過這一點的兩組平行線相切或重合展開面邊線，通過旋轉(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用于曲面重建、優(yōu)化以及校正，其算法原理是通過前后曲面上對應若干點的位移（需區(qū)分正負）來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)計將表皮深化后分割為以一、二階曲線為主的曲線及相應的曲面，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，其形變對建筑表皮的綜合影響更為明顯。所以在設(shè)計、加工以及后續(xù)安裝過程中，需充分考慮曲面分割、優(yōu)化、工藝、施工對曲面成像的影響，尤其是曲面的銜接問題。2.4.5馬鞍形曲面的建模曲面的空間四各頂點不共面（常見的四邊曲面通常表達為空間四個頂點的坐標）。四點曲面是典型的雙曲面（圖7）。可將其直觀地理解為馬鞍形曲面的一部分。建筑設(shè)計師在建模過程中幾乎不會涉及到四點曲面（可以簡單理解為曲面銜接很不流暢）。四點曲面大多是深化設(shè)計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，這就使得玻璃供應商僅通過深化后的加工圖紙