Как театр начинается с вешалки, так и улица начинается с вывески, ее указателя. Каждый дом имеет свой номер, каждая улица или переулок — название, каждое заведение — вывеску. Все эти вывески и указатели — неизбежный и необходимый атрибут человеческого бытия — настолько нам привычны, что мы обращаем на них внимание, только оказавшись в незнакомом месте или привлеченные необычностью их исполнения. А между тем иная вывеска порой сродни произведению искусства. Художнику приходится немало потрудиться, чтобы привлечь к своему маленькому шедевру наше внимание. И все более заметную роль в этом начинают играть современные компьютерные технологии.

В настоящей публикации мы поговорим о программных решениях, предлагаемых компанией Delcam plc.

Создание художественных элементов оформления в Power Solution

Максим Винницкий, Владимир Власов, Эдуард Габанов, Андрей Мазурин, Наталия Погодаева

ArtCAM

Воссоздание иконостаса Крестовоздвиженского собора Свято-Николаевского монастыря

«Италия в миниатюре»

Изготовление сложных декоративных изделий

Британская компания Delcam plc является мировым лидером в области разработки систем компьютерного моделирования для проектирования и обработки изделий, имеющих сложные поверхности и формы. Ее программные продукты базируются на разработках ведущей школы компьютерного моделирования Кембриджа. Приоритетным направлением развития программного обеспечения компании является инструментальное производство. Разработки Delcam plc находят свое применение в таких отраслях промышленности, как аэрокосмическая и автомобильная, в производстве бытовой электроники и электротехники, керамики, упаковок, игрушек, обуви и т.д.

Специалистам в области CAD/CAM-систем хорошо известны названия основных программных решений Delcam: DUCT и Power Solution. Power Solution (мощное решение) является логичным продолжением развития системы DUCT, переработанные и дополненные модули которой вошли в новую разработку. Перечислим только некоторые из систем, составляющих комплекс программ Power Solution:

• PowerSHAPE — уникальный по своим возможностям пакет для трехмерного поверхностного и твердотельного моделирования;
• PS-Mold — система моделирования пресс-форм;
• PowerMILL — пакет для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ для трехмерной механообработки;
• PowerINSPECT — контроль точности изготовления технологической оснастки;
• CopyCAD — создание сложных математических моделей по результатам оцифровки;
• ArtCAM — система построения трехмерных рельефов по плоским изображениям и подготовка управляющих программ для объемного гравирования на станке с ЧПУ.

Каждая из перечисленных систем представляет собой уникальную программную разработку, достойную более пристального внимания, чем мы можем уделить в настоящей статье. Поэтому, учитывая специфику данного выпуска журнала «САПР и графика», кратко остановимся на одном из этих решений — ArtCAM (Art — искусство, CAM — технологическая подготовка производства изделий), позволяющем художникам, скульпторам, архитекторам, гравировщикам использовать современные компьютерные технологии для воплощения своих творческих замыслов.

ArtCAM

Автором и основным разработчиком системы ArtCAM является Брайн Моран (Brian Moran). Первая коммерческая версия ArtCAM появилась в 1993 году. Начиная с этого момента новые версии системы выходили с периодичностью примерно один раз в год. Каждая новая версия предлагала пользователю все более мощные и универсальные средства для решения задач, связанных с разработкой сложных форм. Сегодня можно смело утверждать, что ArtCAM является лучшей среди систем своего класса.

Применение ArtCAM позволяет существенно снизить затраты по разработке сложных рельефов и их изготовлению на станках с ЧПУ. ArtCAM включает в себя набор программных модулей, основным из которых является ArtCAM Pro.

Процесс работы в ArtCAM чрезвычайно прост. Он начинается с ввода двухмерного изображения в систему. Пользователь имеет возможность создать собственный рисунок непосредственно в среде ArtCAM Pro или использовать уже готовые изображения из библиотеки, поставляемой вместе с системой. Кроме того, можно импортировать изображения из других пакетов. Формат хранения данных импортируемого изображения может быть как векторным (например, EPS из CorelDraw или Adobe), так и растровым (например, BMP, TIF, PCX или JPG).

Когда плоское изображение получено, пользователь определяет рельефные профили, окрашивая отдельные элементы рисунка в различные цвета (рис. 1). Каждый цвет ассоциируется со своей формой профиля, для чего этому цвету ставится в соответствие либо плоская форма профиля заданной высоты, либо трапецеидальная форма (рис. 1а), либо круглый профиль (рис. 1б). Например, для круглого профиля может быть задана определенная высота, касательные углы и масштабный коэффициент, что позволяет дополнительно управлять получаемой объемной формой.

Для расширения возможностей в ArtCAM имеется широкий набор функций, позволяющих складывать, вычитать и сливать рельефы, формировать объем вытягиванием профилей, вращением в различных плоскостях, легко и просто наносить текстуру. Используя эти возможности, легко создавать орнаменты, обрамления рамок, багеты и т.д. Некоторые элементы рельефа или его доводку можно выполнять, используя возможности скульптурного наращивания, удаления или сглаживания объема вручную, просто указывая зону, где надо изменить объем, и то, сколько материала следует убрать или добавить.

Полученное рельефное изображение (рис. 2) может быть наложено на любую сложную 3D-поверхность, например на поверхность парфюмерного флакона, столового прибора, пресс-формы. Для этого используется система CopyCAD.

Простота работы с ArtCAM не означает, что пользователь может не иметь художественного вкуса. Как и при создании любой художественной работы, качество ее во многом определяется навыками и способностями специалиста.

Таким образом, в результате выполнения простых операций в ArtCAM создается сложное высокохудожественное произведение, которое тут же можно получить в виде готового изделия (рис. 3) на станке с ЧПУ по управляющей программе, также спроектированной в ArtCAM. Различные стратегии обработки поверхностей позволяют обрабатывать как весь рельеф, так и только отдельные выделенные зоны. Специальные стратегии гравировки текста с трехмерным заострением углов позволяют получать четкие границы букв. Кроме ArtCAM управляющие программы механообработки рельефа могут быть получены в специализированной системе PowerMILL. Но, как показывает мировая практика, возможностей ArtCAM по созданию управляющих программ вполне достаточно для проведения даже самых сложных гравировальных работ.

Кроме основных модулей в ArtCAM входит ряд дополнительных программ:

• ArtEmboss — программный модуль для работы с черно-белым полутоновым изображением. Уровень градации белого и черного цветов соответствует высоте рельефа. Используется для формирования объемных рельефов по фотографиям — портреты на медалях, значках и т.д.;
• ArtRead — программный модуль для преобразования результатов сканирования в объемный рельеф. Изделия, выполненные художником, например, из пластилина или другого материала, сканируются на лазерном или контактном трехмерном сканере и дорабатываются или помещаются в общую композицию, полученную в ArtCAM;
• ArtSurface — программный модуль для обмена данными через IGES-формат. Используется, когда требуется нанести рельефное изображение или текстуру на модель изделия, созданную в другой CAD-системе;
• ArtSTL — программный модуль преобразования рельефов в STL-формат, для передачи данных в PowerMILL или в системы быстрого прототипирования.

Система ArtCAM давно признана во всем мире в областях, где основное действующее лицо — гравер или резчик. Там, где гравер тратит много времени на разметку (текст, текстура, орнамент), ArtCAM делает это быстро и точно. Область применения системы ArtCAM включает все типы гравировок (рис. 4), полиграфию, изготовление значков, медалей и монет, печатей, макетов, нанесение декораций на товары и упаковки, производство ювелирных изделий, изготовление художественных изделий из металла, стекла, дерева, фарфора и фаянса, изготовление подошв в обувной промышленности и т.п.

Рассмотрим некоторые примеры использования системы ArtCAM наряду с другими программными разработками компании Delcam plc при решении конкретных задач.

Воссоздание иконостаса Крестовоздвиженского собора Свято-Николаевского монастыря

Традиционно системы объемной гравировки нашли широкое применение в ювелирной промышленности, в полиграфии, при изготовлении значков, медалей, упаковки и пр.

В строительстве областью применения подобных систем является изготовление декоративных элементов оформления зданий и интерьеров.

Интересным примером использования компьютерных технологий на базе системы ArtCAM стала работа по воссозданию фаянсового иконостаса Крестовоздвиженского собора Свято-Николаевского монастыря в городе Верхотурье Свердловской области.

Производство керамических (фаянсовых и майоликовых) иконостасов было основано на фабриках Товарищества М.С.Кузнецова в конце XIX века. Первый фаянсовый иконостас в России был создан в 1895 году для Ново-Афонского монастыря в Санкт-Петербурге. В Московском архиве сохранились сведения о Василии Антоновиче Косякове — директоре Института гражданских инженеров, профессоре архитектуры и архитекторе Николае Никитиче Никонове, по эскизам которых началось производство иконостасов. Товарищество М.С.Кузнецова неоднократно экспонировало свои иконостасы на всемирных и всероссийских выставках, например в 1896 году в Нижнем Новгороде и в 1900 году в Париже.

Воссоздание иконостаса Крестовоздвиженского собора Свято-Николаевского монастыря было частью программы по реставрации г.Верхотурье к 400-летию со дня его основания. В результате архивных поисков, проведенных реставрационной мастерской «Терем» при Уральской государственной архитектурно-художественной академии под руководством архитектора-реставратора высшей категории В.И.Симиненко, были найдены старые фотографии оригинального иконостаса, выполненного мастерской Кузнецова. По фотографиям разрушенного иконостаса был создан эскиз и разработаны рабочие чертежи всех элементов (рис. 5).

Чудом уцелевший фаянсовый фрагмент колонны нижнего яруса дал реальное представление об элементах, составляющих иконостас, их пластике, цветовой и тональной окраске. Иконостас представлял собой сборную конструкцию из 2660 фаянсовых деталей, расписанных и обожженных. Технология производства фаянсовых изделий предусматривает литье в гипсовые формы, которые изготавливаются по мастер-моделям. Мастер-модель представляет собой копию конечного изделия, увеличенную на коэффициент усадки, которая в зависимости от качества сырья может колебаться от 12 до 16%, с дополнительными технологическими элементами. Для сокращения сроков впервые в практике проведения таких работ решено было проектировать и изготавливать мастер-модели с использованием компьютерных технологий. Требовалось в течение четырех месяцев изготовить 180 моделей. По чертежам и эскизам, полученным от реставраторов, на компьютере проектировалась объемная модель, которая увеличивалась на величину усадки фаянса, и создавалась управляющая программа для станка с ЧПУ, по которой велась обработка детали. Модели изготавливались из плит модельного материала на основе полиуретановых композиций фирмы Obomodulan. Выбор данного материала определялся его влагостойкостью, диктуемой технологией производства гипсовых форм, его изотропными свойствами, легкой обрабатываемостью и возможностью доводки до высокой степени шероховатости поверхности. Весь комплекс работ был выполнен с помощью программного обеспечения фирмы Delcam.

На рис. 6 показаны исходный эскиз детали, поступивший от реставраторов, и объемный рельеф, полученный в системе ArtCAM. Методы создания объема через цвет позволяют быстро добиться таких эффектов, которые в традиционных системах объемного моделирования достигаются путем многодневной работы. Например, создание рельефа панели размером 550Ѕ740Ѕ70 мм, представленной на рис. 7, по эскизу, показанному на рис. 8, в системе ArtCAM с подготовкой управляющих программ для станка с ЧПУ заняло 3 рабочих дня.

Благодаря возможности обмена данными между различными системами фирмы Delcam управляющие программы создаются преимущественно в специализированном пакете PowerMILL (в то же время ArtCAM также позволяет создавать управляющие программы для станков с ЧПУ), который предлагает более широкий спектр стратегий и возможность оптимизации программ по времени обработки. На рис. 9 показан фрагмент программы для обработки панели, полученной в PowerMILL, а на рис. 10 — ее имитация в модуле просмотра обработки ViewMILL.

ArtCAM работает с рельефами на плоскости. Для деталей типа колонн и сводов развертка рельефа, созданного в ArtCAM, накладывалась на поверхность колонны или свода с использованием системы CopyCAD, и далее проводился весь комплекс работ по подготовке управляющих программ и обработке деталей. CopyCAD предоставляет несколько способов наложения рельефа на поверхность, главные из которых: проецирование и наклейка.

Наклейка точнее сохраняет рельеф при его наложении, но при этом могут появиться затененные зоны, которые не могут быть обработаны на трехкоординатном станке, поэтому может потребоваться разбивка детали на части или обработка модели с поворотом. Поэтому наклейка использовалась главным образом для получения колонн.

Проецирование не создает затененных зон, однако на крутых участках поверхности значительно искажает рельеф, поэтому такой метод использовался для сводов, где нет большого изменения кривизны поверхностей. Метод наклейки проиллюстрирован на рис. 11: на нем показан исходный рельеф, полученный в ArtCAM, а на рис. 12 — его свертка на колонну, полученная в CopyCAD. На рис. 13 представлена фотография мастер-модели, собранной из трех частей, каждая из которых была по отдельности обработана на станке с ЧПУ. На рис. 14 показана готовая декорированная деталь колонны.

Все фарфорово-фаянсовые детали иконостаса были изготовлены на заводе фарфоровых изделий ЗАО «Сысертский фарфор». Декорирование изделий выполнялось в несколько приемов надглазурными красителями и препаратом жидкого золота. На рис. 15 показан процесс декорирования панели в цехе завода. Результат работы показан на рис. 16 и 17.

Использование компьютерных технологий по сравнению с ручной работой модельщиков выявило следующие преимущества:

• существенное сокращение сроков изготовления мастер-моделей;
• простота учета усадки материала. Детали моделируются точно по заданным размерам, а увеличение размеров производится автоматически на любой заданный процент усадки в зависимости от вида сырья;
• качество и точность изготовления моделей на станках с числовым программным управлением значительно превосходит ручную обработку за счет точного воспроизведения повторяющихся элементов без разметки;
• гарантированное обеспечение технологических уклонов, требуемых при изготовлении литьевой формы.

Полученный опыт по воссозданию иконостаса Крестовоздвиженского собора Свято-Николаевского монастыря показал, что использование компьютерных технологий может дать реальный эффект не только при проектировании, но и на этапе изготовления даже в такой области, где ранее доминировал ручной труд квалифицированных резчиков и художников. Безусловно, ни одно программное обеспечение не заменит художника, но вполне может выступить как дополнительный инструмент, который позволит ему избежать выполнения многих рутинных операций, акцентировать свое внимание на художественной стороне проекта, переложив часть работы по воплощению его замыслов на компьютеры и современное оборудование с числовым программным управлением.

«Италия в миниатюре»

Одной из наиболее интересных и привлекательных туристических достопримечательностей небольшого курортного городка Римини на восточном побережье Италии является парк отдыха «Италия в миниатюре», который ежегодно посещают более одного миллиона туристов. Парк представляет собой территорию в форме сапога, повторяющую контуры Италии, на которой в уменьшенном виде с удивительной точностью воспроизведены все наиболее известные архитектурные сооружения как Италии, так и Европы (рис. 18). Парк был основан в 1970 году. Тогда в нем насчитывалось 50 копий знаменитых сооружений. Сейчас их количество увеличилось до 300, а территория самого парка занимает около 85 000 квадратных метров (рис. 19, 21).

Владельцем парка «Италия в миниатюре» является компания SEPAR. В парке постоянно работает группа мастеров-ремесленников. Благодаря своей работе по созданию новых моделей зданий и реконструкции старых это, пожалуй, одна из наиболее уважаемых в Италии групп модельщиков.

Несколько лет назад перед специалистами компании SEPAR встала серьезная проблема: многие уникальные модели парка «Италия в миниатюре», чей возраст насчитывал более десяти лет, нуждались в замене. Не щадили их ни годы, ни жгучее средиземноморское солнце, ни влажный соленый воздух. Потребность в замене старых моделей наряду с созданием новых означала значительное увеличение нагрузки на группу модельщиков. Продолжая работать традиционными методами, специалисты парка перестали с ней справляться. Нужны были новые пути решения проблемы.

В результате поиска альтернативных решений глава отдела информационных технологий компании SEPAR г-н Сергио Тигано (Sergio Tigano) предложил все миниатюры создавать непосредственно из пенистой резины (напоминающей пенопласт), вместо того чтобы получать их путем литья в пресс-формы, проектируемые и изготавливаемые по традиционной технологии. С этой целью г-н Тигано обратился в британскую компанию Delcam plc.

Специалисты группы технической поддержки итальянского офиса компании Delcam в Porto San Giorgio предложили для решения поставленной задачи использовать комплекс программных продуктов ArtCAM и DUCT компании Delcam plc. Для оценки эффективности работы программного обеспечения в качестве пилотного проекта было решено изготовить модели знаменитой Duomo в Lucca. Реализацию проекта начали с построения модели здания церкви, и вскоре стало очевидно, что использование комбинации DUCT и ArtCAM дает группе модельщиков неоспоримое преимущество в качестве и скорости выполнения работы. Так, например, для построения секции декоративной кирпичной кладки здания традиционными методами специалистам компании SEPAR требовалось 4 дня, а с помощью программного обеспечения Delcam эта работа была полностью выполнена за 6 часов.

Попутно, с внедрением ArtCAM и DUCT, специалистами Delcam была решена проблема, долгое время стоявшая перед компанией SEPAR. При реализации ряда проектов оказалось, что некоторые модели архитектурных шедевров очень велики по размерам, и необходимые для их получения традиционные станки с ЧПУ с большим столом, достаточным для обработки изделий больших габаритов, обошлись бы чрезвычайно дорого. Для решения этих задач компанией SEPAR были приобретены роботы Kawasaki со стойкой ЧПУ. Специалисты Delcam подобрали оптимальные конфигурацию и постпроцессор для пятиосевой механообработки, позволяющие обеспечить требуемое качество сложных поверхностей изделия. С использованием нового оборудования в пилотном проекте удалось достигнуть высокого качества обрабатываемой поверхности, требуемой на закругленных концах секций церкви.

Безусловно, внедрение любого новшества сопряжено с трудностями, связанными с так называемым человеческим фактором. Первое время мастера-ремесленники были обеспокоены тем, что применение новых технологий приведет к распаду их группы. Но за год работы с современным программным обеспечением опасения постепенно рассеялись. Неожиданно для себя специалисты обнаружили, что внедрение компьютерных технологий не только способствовало ускорению сроков выполнения работы и увеличению их качества, но и открыло новые возможности в воплощении творческих замыслов. В частности, DUCT и ArtCAM сыграли важную роль в создании одной из новейших экспозиций парка «Италия в миниатюре» — La Piccola Gran de Venezia (Маленькая Большая Венеция) — кусочка Венеции, выполненного в масштабе 1:5 и демонстрирующего наиболее восхитительные ее виды, включая макет знаменитой колокольни на площади Св.Марка.

В настоящее время система DUCT широко использовалась для процессов моделирования, включая некоторые традиционные виды моделирования оснастки. Например, миниатюрные поезда, которые ездят по модели порта Генуя, раньше, случалось, падали при объезде наиболее острых углов зданий. С помощью системы DUCT специалисты компании SEPAR спроектировали и изготовили аналогичные мини-поезда, но с меньшей базой колес, что повысило их устойчивость при движении на крутых поворотах (рис. 20).

Успешное использование программного обеспечения ArtCAM и DUCT навело SEPAR на мысль организовать аналогичные группы компьютерного проектирования и в других своих парках, открытых ею по образцу парка «Италия в миниатюре» по всему миру.

За проделанную работу по реставрации и созданию новых моделей парка «Италия в миниатюре» команда мастеров-ремесленников была удостоена награды «Лучший пользователь года системы DUCT», которая была вручена в 1996 году на Международной конференции в городе Бирмингеме (Великобритания). Награда была присуждена как за оригинальность и художественное качество проектов, так и за преодоление специалистами SEPAR психологического барьера по использованию современных компьютерных технологий и роботов в процессах проектирования и механообработки моделей.

Изготовление сложных декоративных изделий

Создание моделей самолетов, памятных и спортивных медалей, значков, декоративных украшений, несмотря на кажущуюся легкомысленность этих изделий, до недавнего времени на деле являлось очень серьезной проблемой для многих предприятий. Не так давно это распространялось и на Иркутское авиационно-промышленное объединение (ИАПО), выпускающее самолеты, широко известные и конкурентоспособные на мировом рынке.

Популярность наукоемкой высокотехнологичной продукции, выпускаемой ИАПО, открыла новые области для инвестиций — на развивающемся российском рынке возникла потребность в фирменных сувенирах, в частности в моделях самолета СУ-30 различных модификаций, выполненных в масштабе 1:72 и являющихся точной копией оригинала.

Сначала для получения моделей использовалась технология, хорошо известная моделистам и основанная на ручном изготовлении первой модели из легкообрабатываемого материала и пресс-формы из эпоксидных компонентов. Однако этот путь имел серьезные недостатки:

• ручное изготовление очень трудоемко и не обеспечивало требуемого качества изделия;
• пресс-форма из эпоксидных компонентов служила очень ограниченное время;
• многие конструктивные элементы самолета приходилось выполнять в упрощенном виде или вообще от них отказываться;
• исполнение моделей в разных модификациях оказалось довольно сложным;
• технология больше ориентирована на штучное производство, в то время как требовалось изготовление небольших серий.

После проведения всестороннего анализа было принято решение изготовить комплект из восьми металлических пресс-форм с использованием современных CAD/CAM-технологий. Так, в системе DUCT была создана математическая модель поверхности самолета. Для этого использовались данные, полученные, в частности, в системе Unigraphics и других CAD-системах, имеющихся на заводе. Но для решения поставленной задачи их оказалось недостаточно. Не хватало информации о стыках обшивок и других конструктивных элементах.

Тогда для получения более полных данных специалистами ИАПО было найдено довольно оригинальное решение: необходимая графическая информация была получена путем сканирования фотографий и рисунков и ее последующей модификации под требуемый масштаб.

После получения необходимой математической модели самолета стало возможным осуществление следующего этапа получения точной его копии — разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. Для этого были использованы системы DUCT и PowerMILL. В настоящее время уже получен готовый комплект пресс-форм и отлита пробная модель самолета, качество которой превзошло все ожидания и побудило специалистов завода, опираясь на появившиеся технологические возможности, довести ее до абсолютного совершенства. Было решено более подробно обозначить мелкие конструктивные элементы, «оснастить» модель навесками вооружения с различной его комплектацией (ракетами, бомбами, пушками), более подробно выполнить внутреннюю часть кабины (приборные панели, кресла пилотов), «посадить» в нее пилотов.

Для удовлетворения новых требований комплект пресс-форм увеличился до 20 шт. В настоящее время ведутся работы по их изготовлению. Для моделирования вооружения и узлов навески вновь была применена технология получения исходных данных путем сканирования фотографий и рисунков. Особое внимание уделялось кабине. Для получения более точного визуального представления будущей кабины использовался DUCTrender — модуль создания фотореалистичных изображений системы DUCT.

Согласно замыслу специалистов, сувенир самолета должен быть показан в полете, то есть модель крепится с помощью декоративного кронштейна на специальной подставке и как бы висит в воздухе. Для достижения большего зрительного эффекта подставку было предложено изготовить в виде барельефного изображения озера Байкал, прилегающей территории и эмблемы ИАПО.

Исходные изображения были сканированы с географических карт и аэрокосмических фотоснимков Байкала. На их основе с помощью программного пакета ArtCAM Pro сформировали рельеф, стараясь по возможности максимально приблизиться к реальной топографии местности, затем сгенерировали траекторию движения инструмента. Сейчас первый образец подставки из алюминиевого сплава уже изготовлен и представлен на обсуждение специалистов и дизайнеров (рис. 22). После внесения необходимых корректировок будет начато их серийное изготовление.

Таким образом, современные компьютерные технологии с программным обеспечением фирмы Delcam plc позволили решить еще одну технологическую проблему, долгое время считавшуюся «крепким орешком».

«САПР и графика» 2'2000