5 - 2008

Проектирование и изготовление художественных орнаментов из природного камня с помощью ArtCAM

Григорий Ошеверов, Сергей Шамов

Разработка концепции проектирования

Моделирование

Изготовление

Выводы

В связи с увеличением объемов строительства и возведением значительного количества уникальных объектов (деловых и торговых центров, храмов, мемориальных и монументальных сооружений, правительственных резиденций) природный камень находит все более широкое применение. Он используется как для облицовки, так и для создания архитектурных деталей сложных форм, а также для изготовления эксклюзивных художественных изделий. Декоративные свойства природного камня усиливают архитектурную выразительность интерьеров и придают изделиям оригинальность и неповторимость.

Сложные художественные изделия (барельефы, скульптурные детали, флорентийская мозаика, гравировка декоративных изображений, точечные портреты на памятниках) изготавливаются в основном вручную и очень трудоемки. Как правило, работа гравера, скульптора и художника-мозаичиста требует высокой квалификации и хорошо оплачивается.

В данной статье камень рассматривается как материал для создания барельефного орнамента различных размеров и назначения. Применение ручного труда в больших объемах увеличивает сроки выполнения заказа, а сложность и качество изделия в значительной мере определяются квалификацией исполнителя. В большей или меньшей степени избежать этих трудностей позволяет автоматизация производственных процессов.

Автоматизация производства изделий из камня требует применения современных методов художественного и конструкторско-технологического проектирования. Реализация автоматизированных производств, способных быстро и гибко реагировать на запросы рынка, требует их оснащения специализированными CAD/CAM-системами, а также станочным оборудованием с ЧПУ. Только комплексный подход, при котором автоматизируются проектирование, технологическая подготовка и производство изделия, позволяет получить результат, удовлетворяющий требованиям заказчика и обеспечивающий конкурентоспособность производителя.

Автоматизация проектирования основывается на трехмерном моделировании геометрических объектов сложных технических и художественных форм. Компьютерное моделирование позволяет еще на начальной стадии проектирования проработать множество вариантов исполнения изделия и исследовать его совместимость с другими элементами интерьера. CAD-система дает возможность дизайнеру сосредоточиться на собственно проектировании изделия, не тратя много времени на составление необходимой проектно-конструкторской документации, которая формируется в полуавтоматическом режиме. Попутно решаются и другие важные задачи, которые при ручном проектировании просто не могли быть решены на должном уровне. Сюда относится, например, рациональный раскрой исходного материала. Немаловажным фактором также является простота редактирования, масштабирования и наследования трехмерных моделей.

Автоматизация технологической подготовки производства включает разработку управляющих программ для станков с ЧПУ. Здесь применение компьютерного моделирования также обеспечивает решающий выигрыш во времени. Важным вопросом является подбор инструмента и режимов обработки для природного камня, так как до настоящего времени этот вопрос в теоретическом плане проработан недостаточно. Во многом это обусловлено тем, что применение станков с ЧПУ для сложной художественной обработки камня началось сравнительно недавно. Поэтому на практике для определения параметров резания в каждом конкретном случае может потребоваться значительный объем натурных испытаний. В данной статье мы рассмотрим лишь высокоскоростную обработку твердосплавными фрезами камня с твердостью 3 по шкале Мооса.

Трехмерные модели можно визуализировать на экране компьютера с фотореалистическим качеством, что может оказаться очень полезным при согласовании проекта с заказчиком. В особо ответственных случаях для согласования дизайна изделия можно изготовить на станке с ЧПУ полноразмерный прототип из дешевого легкообрабатываемого материала — специального модельного пластика или дерева.

Современные программные продукты позволяют в комплексе решать художественные, проектно-конструкторские и технологические задачи на компьютере. Важной особенностью такого рода программных продуктов является возможность накапливать художественные и технологические решения и повторно использовать их целиком либо с доработками для производства новых изделий. Это сокращает длительность разработки новой продукции и позволяет снизить ее себестоимость.

Несомненно, автоматизация производства требует существенных затрат на приобретение программного обеспечения и станочного оборудования с ЧПУ. Вместе с тем только автоматизация может обеспечить конкурентоспособность современного производства за счет достижения высоких эстетических качеств продукции, широкой номенклатуры изделий, экономного расхода материала и сокращения сроков выполнения работ.

В настоящей работе описан порядок художественного проектирования и изготовления барельефного орнамента с использованием CAD/CAM-системы ArtCAM компании Delcam. Возможности ArtCAM мы продемонстрируем на примере разработки православного креста с фигурой распятого Христа. Эскиз православного креста был сделан монастырским художником, а нам для дальнейшей работы было предоставлено отсканированное черно-белое изображение (рис. 1).

Процесс художественного проектирования был разделен нами на три этапа: разработка концепции проектирования, моделирование и изготовление.

Рис. 1

Рис. 1

В начало В начало

Разработка концепции проектирования

Одной из уникальных особенностей системы ArtCAM является возможность генерирования трехмерных рельефов на основе двумерного растрового изображения. Для этого исходный рисунок представляется в градациях серого цвета, и по некоему алгоритму происходит вычисление высоты (глубины) рельефа поверхности на основе данных о насыщенности цвета. Но создать правильную трехмерную модель, воспользовавшись одной лишь функцией создания трехмерного рельефа по черно-белому рисунку, оказалось невозможно (рис. 2). Это связано с тем, что эскиз был выполнен карандашом, вследствие чего градиентные переходы цвета (тени и заливка) при ближайшем рассмотрении представляют собой дискретную штриховку. Кроме того, при моделировании крест и фигура Христа представляют собой по сути два независимых трехмерных объекта, которые на двумерном рисунке выглядят единым целым. Поэтому после анализа полученного изображения было решено разбить стадию моделирования на следующие этапы:

  • создание трехмерной модели креста;
  • получение трехмерной модели человека;
  • соединение моделей и их доработка.

Подобное разделение основано на идее максимального упрощения работы с моделью. Возможности ArtCAM позволяют в некоторых случаях разделить сложную (комплексную) модель на составляющие и построить каждую из них отдельно. В нашем случае при таком разделении очередность создания трехмерной модели креста и человека не важна, так как модели будут создаваться независимо друг от друга и лишь на завершающем этапе будут соединены воедино.

Рис. 2

Рис. 2

В начало В начало

Моделирование

Создание трехмерной модели креста

Система ArtCAM обладает широкими возможностями для работы с векторной графикой. Для получения трехмерной модели креста было решено сначала построить его векторную двумерную модель, обведя и в некоторых случаях достроив линии на отсканированном изображении. В данном случае наиболее простым способом получения трехмерного изображения на основе двумерного является связывание области эскиза с трехмерной формой с помощью цвета. Построение векторов необходимо именно для выделения правильной области. После построения векторов необходимо залить определенные области цветом и задать цвету связь с трехмерной формой (рис. 3).

Рис. 3

Рис. 3

Для связи цвета с формой необходимо два раза щелкнуть по определенному цвету и в появившемся окне указать трехмерную форму и ее свойства (рис. 4).

Рис. 4

Рис. 4

Для решения поставленной задачи цветам были заданы следующие формы:

  • розовый цвет — пирамидальная форма с ограничением по высоте 2,5 мм;
  • зеленый цвет — плоская форма с высотой 2,5 мм;
  • синий цвет — пирамидальная форма с ограничением по высоте 4,0 мм.

После этого в первую очередь создается трехмерная форма для розовой области, для чего достаточно удалить синий и зеленый цвета с двумерной модели и нажать клавишу Replace relief (Создать рельеф). Затем с изображения удаляется розовый цвет и наносится зеленый. Нажатие на клавишу Merge High (Объединение по максимальной высоте) позволит получить очередной элемент креста. После этого проводятся аналогичные операции для синего цвета. Результатом проделанной работы является трехмерная модель креста (рис. 5), которая сохраняется в отдельный файл. Особо отметим, что в ArtCAM также есть возможность импорта и экспорта отдельного векторного изображения в распространенном формате EPS.

Рис. 5

Рис. 5

Получение трехмерной модели человека

Для создания трехмерной модели человека сначала необходимо отделить на отсканированном эскизе изображение фигуры от ее окружения. Для этого фигура грубо обводится ломаными прямыми, после чего все прямые конвертируются в кривые с помощью функции Convert line to Bezier. Затем на кривые в нужных местах наносятся дополнительные узлы. На следующем этапе кривой придается форма, описывающая контуры тела человека (рис. 6).

Рис. 6

Рис. 6

После получения векторного изображения контура фигуры замкнутая ограниченная область закрашивается произвольным цветом. Затем, после нажатия на кнопку Zero relief not under color (Обнулить рельеф, не окрашенный цветом), от трехмерного изображения останется нужное нам изображение человека (рис. 7).

Рис. 7

Рис. 7

 

Рис. 8

Рис. 8

Применим к полученному рельефу операцию сглаживания в пять проходов. При этом есть возможность увидеть максимальную высоту получаемого сглаженного рельефа (рис. 8). Результат (рис. 9) сохраняем в отдельный файл. Кроме того, в отдельный EPS-файл в векторном виде записываем контур фигуры.

Рис. 9

Рис. 9

Соединение моделей и доработка

Изображение человека частично перекрывает изображение креста, поэтому нам необходимо подготовить плоскую площадку, на которой будет размещен рельеф фигуры. Для этого мы открываем файл с крестом и загружаем в него векторный контур фигуры, созданный на предыдущем этапе. ArtCAM позволяет точно позиционировать контур фигуры относительно креста и сканированного изображения. Векторную модель можно вращать, перемещать, масштабировать и т.д. Далее закрашиваем полученную область в желтый цвет и устанавливаем данному цвету связь с плоской формой с начальной высотой 6 мм (рис. 10).

Рис. 10

Рис. 10

Теперь нам необходимо загрузить трехмерный рельеф фигуры и совместить его с основанием — крестом. В появившемся окне (рис. 11) выбираем пункт Pasting (Вставка), после чего средствами ArtCAM можно переходить к совмещению трехмерных моделей фигуры и креста. Поскольку мы все время работали в одной системе координат, совмещать модели нет необходимости. Но если бы это было не так, то их нужно было бы точно позиционировать друг относительно друга. Выбираем способ вставки рельефа Merge High (Объединение по максимальной высоте) и подтверждаем вставку (рис. 12).

Рис. 11

Рис. 11

 

Рис. 12

Рис. 12

После сглаживания применяем скульптурное моделирование для добавления материала в некоторые места и сглаживания углов (рис. 13) и получаем готовый трехмерный рельеф художественного изделия (рис. 14).

Рис. 13

Рис. 13

 

Рис. 14

Рис. 14

В начало В начало

Изготовление

Изготовление барельефа производится с помощью высокоскоростной обработки на фрезерном станке с ЧПУ в два этапа с последовательной сменой инструмента.

Черновая обработка заключается в выборке основной части материала вокруг рельефа в пределах заданной точности. Для черновой обработки мы используем цилиндрическую твердосплавную фрезу с плоским торцом . При обработке мрамора на рельефе оставляется припуск — 0,7 мм. Целесообразно применение инструмента большого диаметра, но такого, чтобы обеспечивалось его прохождение вокруг всего контура рисунка. Подходящий инструмент выбираем из базы данных ArtCAM либо, если его там нет, задаем параметры необходимого инструмента сами. В нашем случае мы выбрали цилиндрическую фрезу диаметром 6 мм.

Теперь можно переходить к программированию обработки, для чего необходимо задать ее параметры и размер прямоугольной заготовки. Режимы резания определялись в соответствии с методикой профессора В.А.Комарова. Выбираем следующие технологические параметры обработки:

  • глубина обработки за проход — 0,4 мм;
  • шаг (то есть расстояние между смежными линиями траектории инструмента) — 1,0 мм;
  • частота вращения шпинделя — 11 тыс.
    об./мин;
  • рабочая подача — 3,0 мм/с;
  • подача врезания — 0,3 мм/с.

На основании геометрии обрабатываемой модели, размеров инструмента и заготовки, а также заданных параметров обработки ArtCAM производит расчет траектории движения инструмента. Для предварительной оценки на экране компьютера получаемого после обработки результата служит функция визуализации управляющих программ. Результат черновой обработки показан на рис. 15.

Рис. 15

Рис. 15

При чистовой обработке формируется окончательная поверхность барельефа. Для чистовой обработки в данном случае применяется коническая шлифовальная головка с закругленной вершиной. Чем сложнее конфигурация рисунка, тем меньше должен быть угол конуса шлифовальной головки. Материал снимается за один проход при небольшом значении шага (0,3-0,8 мм). Стратегия перемещения фрезы — «змейкой». Чем меньше шаг при чистовой обработке, тем выше чистота получаемой поверхности. Технологические параметры обработки:

  • шаг (то есть расстояние между смежными траекториями инструмента) — 0,6 мм;
  • частота вращения шпинделя — 11 тыс.
    об./мин;
  • рабочая подача — 5 мм/с;
  • подача врезания — 0,3 мм/с.

Результат чистовой обработки показан на рис. 16, а на рис. 17 приведен вид готового изделия.

Рис. 16

Рис. 16

 

Рис. 17

Рис. 17

В начало В начало

Выводы

Реализованная в системе ArtCAM технология проектирования и подготовки управляющих программ для фрезерных станков с ЧПУ позволяет получить следующие преимущества:

  • повысить сложность и художественную ценность изделий;
  • улучшить качество фрезерных работ;
  • сократить время разработки, технологического проектирования и изготовления индивидуальных художественных орнаментов из камня;
  • обеспечить гибкость и конкурентоспособность производства.
В начало В начало

САПР и графика 5`2008