4 - 2009

Применение CAD/CAM-технологий для восстановления знака выпускника КПИ образца 1903 года

Ярослав Дубик, Владимир Токунов, Александр Пливак

Создание математической модели знака

Изготовление знака в натуральную величину

Изготовление увеличенной модели знака для оформления фасада зала заседаний ученого совета НТУУ «КПИ»

Выводы

В 2008 году Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» отметил свое 110-летие. Под руководством главного архитектора университета В.И. Лиховодова была организована творческая группа «Память КПИ», одной из задач которой являлось сохранение культурного наследия и традиций этого учебного заведения.

При изучении материалов Государственного архива истории г.Киева был обнаружен знак выпускника КПИ образца 1903 года — именно тогда состоялся первый выпуск инженеров. Нагрудный знак был официально утвержден в виде описания и эскиза (рис. 1).

Рис. 1. Сохранившиеся архивные документы

Рис. 1. Сохранившиеся архивные документы

В Государственном архиве истории г.Киева Знак выпускника КПИ 1903 года хранится в единственном экземпляре (рис. 2).

Рис. 2. Фотография оригинала знака

Рис. 2. Фотография оригинала знака

К 110-летию НТУУ «КПИ» перед нами была поставлена задача воссоздать и изготовить этот знак в натуральную величину, а также выполнить его в семикратном увеличении для оформления фасада зала заседания ученого совета НТУУ «КПИ».

Создание математической модели знака

Сбор, анализ и обработка исходных данных

Тщательный осмотр сложной фасонной лицевой поверхности знака показал, что она содержит множество декоративных элементов, контуры которых истерты или вовсе разрушены (см. рис. 2). Поэтому воссоздать знак простым копированием образца не представлялось возможным. В результате на основании описания знака (см. рис. 1), имеющегося в Национальном музее истории Украины, было принято решение, используя методы реверсивного инжиниринга, создать его максимально приближенную модель.

На первом этапе для создания математической 3D-модели оригинала было произведено сканирование контуров и основных размеров знака на оборудовании Монетного двора г.Киева (рис. 3). При сканировании также был получен ряд опорных точек лицевой стороны знака.

Рис. 3. Координатно-измерительная машина LDIGIT 300 (LANG GmbH & Co KG)

Рис. 3. Координатно-измерительная машина LDIGIT 300 (LANG GmbH & Co KG)

НТУУ «КПИ» является активным участником образовательной программы компании Delcam plc, поэтому в нашем распоряжении имелась CAD/CAM-система ArtCAM, предназначенная именно для создания 3D-моделей с декоративными рельефами.

Низкое качество лицевой поверхности музейного оригинала не позволило нам получить достаточно качественную фотографию, и, как следствие, мы не смогли воспользоваться имеющейся в ArtCAM функцией FaceWizard для создания 3D-модели по фотографии. Данная функция позволяет создать 3D-рельеф на основе градаций серого цвета любого растрового изображения (в том числе и фотографии). Поэтому нами было принято решение создать векторную модель, и уже на ее основе в ArtCAM получить 3D-модель. Хотя этот метод требует больших трудозатрат, именно он позволяет достичь наивысшего качества.

Построение векторной модели знака

Для воссоздания знака нам было необходимо построить векторный эскиз, а для этого требовалось четкое представление о каждом его элементе. Для максимального исторического соответствия элементов знака нам пришлось провести поиск геральдической информации в исторических архивах.

В основе знака выпускника КПИ лежит герб Российской империи — двуглавый орел, коронованный двумя императорскими коронами (рис. 4).

Рис. 4. Герб Российской империи

Рис. 4. Герб Российской империи

Крылья и грудь орла на знаке украшены гербами губерний тогдашней Российской империи (рис. 5), которые также требовали тщательной стилистической векторной прорисовки.

Рис. 5. Гербы губерний Российской империи

Рис. 5. Гербы губерний Российской империи

Вокруг центрального герба Московской губернии находится цепь ордена Св. апостола Андрея Первозданного, которая состоит из 17 чередующихся звеньев трех видов. Эти звенья восстанавливались по изображениям из архивов музея.

После построения отдельно каждого элемента их объединили в единое целое и получили векторную модель знака выпускника КПИ (рис. 6).

Рис. 6. Векторная модель знака выпускника КПИ

Рис. 6. Векторная модель знака выпускника КПИ

Векторная модель представляет собой плоский рисунок знака с элементами, закрашенными разными цветами, что позволяет присвоить им разную высоту и стиль выдавливания на этапе создания математической 3D-модели знака.

Построение векторной модели происходило вручную в программе CorelDRAW. Выбор пакета CorelDRAW обусловлен тем, что эта программа имеет очень богатый инструментарий для работы с векторными изображениями. Готовое векторное изображение было импортировано в CAD/CAM-систему ArtCAM.

Создание 3D-модели знака

Создание математической 3D-модели знака выполнялось при помощи системы ArtCAM. Каждому элементу векторной модели была присвоена определенная высота выдавливания и профиль (стиль), определяющие геометрию элементов выпуклой формы. Пример операции «выдавливания» изображения (рельефа) Георгия Победоносца, поражающего змея, показан на рис. 7.

Рис. 7. Демонстрация последовательности создания 3D-рельефа

 

Рис. 7. Демонстрация последовательности создания 3D-рельефа

Рис. 7. Демонстрация последовательности создания 3D-рельефа

После аналогичных операций для каждого элемента двумерной векторной модели 3D-рельеф приобрел окончательный вид, максимально приближенный к исходному прототипу (рис. 8).

Рис. 8. 3D-рельеф поверхности знака

Рис. 8. 3D-рельеф поверхности знака

Анализ геометрии образца знака выявил, что он имеет не только глобальную кривизну поверхности, но и локальную кривизну отдельных его элементов. Поэтому были отдельно созданы вспомогательные поверхности-подложки для моделирования глобальной и локальной кривизны (рис. 9).

Рис. 9. Вспомогательные поверхности для моделирования глобальной (а) и локальной (б) кривизны поверхности знака

a

Рис. 9. Вспомогательные поверхности для моделирования глобальной (а) и локальной (б) кривизны поверхности знакаb

Рис. 9. Вспомогательные поверхности для моделирования глобальной (а) и локальной (б) кривизны поверхности знака

Используя функцию комбинирования рельефов (рис. 10) и наложив друг на друга все три рельефа, мы получили окончательную объемную модель нашего знака, представленную на рис. 11. Рельефы накладываются один на другой с изгибанием в соответствии с поверхностью, на которую они помещаются, не изменяя своих размеров.

Рис. 10. Функции обработки рельефов

 

Рис. 10. Функции обработки рельефов

Рис. 10. Функции обработки рельефов

 

Рис. 11. Объемная модель воссозданного знака

Рис. 11. Объемная модель воссозданного знака

В результате мы создали в ArtCAM 3D-модель знака, пригодную для разработки управляющих программ и изготовления на станке с ЧПУ.

В начало В начало

Изготовление знака в натуральную величину

Изготовление знака включает этапы подготовки управляющей программы и непосредственной обработки на станке.

Разработка управляющей программы

Разработка управляющей программы предусматривает анализ технологичности и проверку ЧПУ-программы, созданной в системе ArtCAM.

Проверка технологичности изделия включает выбор инструмента, назначение режимов резания и стратегии обработки, а также анализ условий формообразования. Диаметр сферической фрезы для чистовой обработки выбирается на основе минимальных радиусов скругления рельефа модели знака. Тип и размеры инструмента для черновой обработки выбираются из условий получения заданного профиля под чистовую обработку и максимальной пpoизводительности обработки. Инструменты могут быть выбраны из имеющихся в базе данных ArtCAM (рис. 12).

Рис. 12. Используемые для обработки инструменты

Рис. 12. Используемые для обработки инструменты

Траектория движения инструмента выбирается из предложенных системой ArtCAM стратегий с целью достижения необходимого качества обрабатываемой поверхности и производительности обработки. Для черновой и чистовой обработки мы выбрали стратегию «змейкой по X», которая обеспечивает в нашем случае наибольшую производительность.

Далее задается точность изготовления (0,01 мм) и устанавливается плоскость безопасности движения инструмента. Для знака высотой 15 мм мы назначили плоскость безопасности на 17 мм. После этого ArtCAM автоматически генерируются управляющие ЧПУ-программы для черновой и чистовой обработки и проводится их симуляция (рис. 13).

Рис. 13. Отображение одной из управляющих программ (а), симуляция получистовой (б) и чистовой (в) обработкиРис. 13. Отображение одной из управляющих программ (а), симуляция получистовой (б) и чистовой (в) обработкиРис. 13. Отображение одной из управляющих программ (а), симуляция получистовой (б) и чистовой (в) обработки

Рис. 13. Отображение одной из управляющих программ (а), симуляция получистовой (б) и чистовой (в) обработки

Изготовление знака

Изготовление знака производилось на трехосевом фрезерном станке с ЧПУ модели FGS 3925 (рис. 14), обладающем достаточно высокой производительностью.

На рис. 15 представлен восстановленный и изготовленный в системе ArtCAM знак выпускника КПИ.

Рис. 14. Процесс фрезерования заготовки на станке с ЧПУ

Рис. 14. Процесс фрезерования заготовки на станке с ЧПУ

 

Рис. 15. Знак выпускника КПИ Рис. 15. Знак выпускника КПИ

Рис. 15. Знак выпускника КПИ

В начало В начало

Изготовление увеличенной модели знака для оформления фасада зала заседаний ученого совета НТУУ «КПИ»

После построения модели в натуральную величину было произведено масштабирование модели до размеров 375 x 255 мм, указанных в заказе главного архитектора КПИ В.И. Лиховодова (рис. 16). Обработка увеличенной модели знака производилась по древесине с максимальной высотой рельефа 35 мм.

Рис. 16. Масштабирование 3D-модели в ArtCAM

Рис. 16. Масштабирование 3D-модели в ArtCAM

Размеры рабочей зоны имеющегося станка позволяют обработать деталь с максимальными габаритными размерами 390 x 250 x 100 мм, чего было недостаточно для изготовления знака. Система ArtCAM дает возможность разделить модель на несколько частей, что позволяет изготовить знак из двух и более частей. Разделение на верхнюю и нижнюю перекрывающиеся части модели после масштабирования показано на рис. 17.

Рис. 17. Разделение модели на две части меньшего размера

Рис. 17. Разделение модели на две части меньшего размера

Для каждой части были созданы управляющие ЧПУ-программы и проведена имитация обработки (рис. 18).

Рис. 18. Имитация чистовой обработки верхней части знака (фрагмент)

Рис. 18. Имитация чистовой обработки верхней части знака (фрагмент)

Результат обработки после очистки и склеивания половин приведен на рис. 19.

Рис. 19. Увеличенный знак для оформления фасада зала заседаний ученого совета НТУУ «КПИ»

Рис. 19. Увеличенный знак для оформления фасада зала заседаний ученого совета НТУУ «КПИ»

В начало В начало

Выводы

В данной работе по изготовлению знака выпускника КПИ 1903 года показаны большие возможности по применению современных компьютерных технологий на основе CAD/CAM-системы ArtCAM для воссоздания и восстановления разного рода утерянных и разрушенных отличительных знаков, геральдик и других атрибутов, имеющих историческую ценность. Отметим, что восстановление с использованием системы ArtCAM изделий, аналогичных знаку выпускника КПИ, представляет большой интерес для предпринимателей, занятых в сфере дизайна и рекламы.

В начало В начало

САПР и графика 4`2009