CC BY
63
УДК 679.8 Е.Г. Коржов
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ИЗ КАМНЯ
Семинар № 18
ТУ современном мире правят высокие
-Я-М технологии, а в сфере промышленного производства - в первую очередь. В области камнеобработки появились станки и различное оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Основным условием эффективности производства является оперативность реагирования на требования быстро меняющегося потребительского спроса на сортамент изделий, ограниченность изготавливаемых партий изделий, их качество и индивидуальность. Все эти задачи сейчас решают с помощью современных компьютерных методов проектирования, производства и управления технологическим оборудованием и процессами.
Основными задачами, которые могут быть решены программами компьютерной
ЗБ-графики и комплексами автоматизированного проектирования и управления камне-обрабатывающим производством (САПР-АСТПП) являются:
1. создание графической модели и наглядного представления будущего изделия с возможностью просмотра с любого ракурса;
2. точное физическое моделирование визуальных характеристик (светотень, перспектива, отражение, шероховатость, блеск и
др.);
3. проектирование сборки с возможностью оценки взаимосвязи любого элемента с другими деталями в сложном изделии;
4. удобное и быстрое изменение параметров проектируемого объекта при наличии сквозной параметризации или "Стека модификаторов" (дерева построения);
5. возможность создания новых элементов сложных изделий по фотоснимку или посредством объемного сканирования для формирования ЗБ-модели;
6. автоматическое создание стандартных чертежных проекций с ЗБ-моделью изделия и
вывод на бумагу конструкторской документации;
7. возможность автоматического формирования операционных, маршрутно-операционных и маршрутных технологических карт, карт контроля, ведомостей оснастки или материалов, титульных листов и других технологических документов, сопровождающих процесс производства изделий;
8. возможность автоматической подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ.
Перечислим основные этапы проектирования и управления производством:
1. разработка документации или переработка чертежей заказчика;
2. расцеховка, т.е. предварительная разработка технологического маршрута;
3. разработка технологического процесса в цехе, состоящего из набора операционных технологических процессов (ОТП);
4. планирование производства.
Основными факторами производственного
процесса, которые влияют на изготовление изделий в заданный срок, становятся: гибкость переналадки технологического оборудования; используемые технологически процессы; вид и характеристики заготовки; уровень загрузки оборудования; инструментальная система; технологическая оснастка.
Рассмотрим более подробно задачу разработки документации. Этот этап проектирования включает подготовку технологической документации в виде компьютерных чертежей изделия и его твердотельных моделей. Важную роль при этом приобретает вопрос выбора подходящей системы компьютерного проектирования - САБ-системы. Поскольку в данном случае рассматривается производство художественных изделий из камня, то и система проектирования должна иметь развитые дизайнерские возможности. Разработчикам будут интересны возможности моделирования сложных
рельефных поверхностей, например, при проектировании мемориальных плит с каменной резьбой, с различными шрифтовыми элементами, мозаичных изделий, деталей типа тел вращения сложной формы, скульптурных поверхностей.
В качестве дизайнерских пакетов моделирования изделий сложной формы могут использоваться как системы классического 3D-дизайна (Art-комплексы), так и общетехнические CAD-системы. Ниже приведены примеры наиболее популярных компьютерных систем.
Пакеты классического 3D дизайна (Art-комплексы):
• 3D Studio Max компании Discreet;
• Lightwave 3D компании Newtek;
• Maya от Alias Systems;
• Studio tools от Alias -Wavefront;
• Rhinoceros от Robert McNeel & Associates;
• ArtCam компании DELCAM.
Машиностроительные CAD/CAM системы:
• AutoCAD компании AutoDesk;
• ProEngineer;
• Solid Works;
• CATIA;
• Master Series;
• Unigraphic;
• Solid Designer;
• Solid Imaging;
и многие другие системы.
Отдельно нужно отметить следующие пакеты 3D дизайна:
"Rhinoceros" - это система промышленного дизайна и Nurbs-моделирования, рендеринга, анимации, создания мультимедиа проектов и анализа сложных поверхностей для дизайнеров и конструкторов широкого профиля. Кроме этого, "Rhinoceros" имеет широкие возможности импорта-экспорта графических моделей для связи с другими приложениями компьютерной графики.
В основном пакет "Rhinoceros" предназначен для промышленного моделирования. Он также хорошо подходит для художников и дизайнеров, которые могут визуализировать построенную 3D-MOflenb непосредственно в самом редакторе или передать модель в другой пакет с более мощным редактором материалов и визуализатором. Готовую модель можно передать в любую техническую CAD/CAM систему, имеющую связь с устройством ЧПУ. К не-
достаткам можно отнести отсутствие "Стека модификаторов" или "дерева построения", хранящего все произведенные изменения. Это делает невозможным редактирование каких-либо параметров геометрии после ее создания, что для области камнеобработки имеет большое значение. Достоинством пакета является то, что можно выполнять различное сложное скульптурное моделирование.
Пакет "3D Studio Max" является полным и законченным компьютерным инструментом для художников, дизайнеров-анимато-ров и архитекторов. Имеет удобный и быстрый интерфейс. Обладает всеми методами 3D- моделирования: Nurbs, Polygon, Spline и некоторыми "специализированными". Кроме этого, он позволяет подготавливать 3D-MOflenn любой сложности для последующей реализации на различных технологических комплексах с ЧПУ, для чего имеет следующие форматы экспорта графики:
3D Studio (3DS), Adobe Illustrator (AI), ASC Scene Export (ASE), AutoCAD (DWG), AutoCAD (DXF), Shockwave 3D, FiLMBOX (FBX), Initial Graphics Exchange Standard (IGES), Lightscape Material (ATR), Lightscape Blocks (BLK), Lightscape Parameter (DF), Lightscape Layers (LAY), Lightscape View (VW), Lightscape Preparation File (LP), VRML97- virtual reality modeling language (WRL) , Stereolithography (STL).
Последний формат широко применяется в установках быстрого прототипирования, например в машинах, использующих жидкие полимеры и отвердители, различную металлизированную крошку, некоторые другие пластичные массы и смолы.
"3D Studio Max" очень удобен для создания различных архитектурно-строитель-ных элементов и изделий, реализующихся в камне, пластике металле и любых других материалах. Из недостатков можно отметить отсутствие возможности проставления размеров, как в "Rhinoceros", хотя это особо и не нужно, если объект потом все равно отправляется далее в технологический CAD/CAM.
Дополнительно к параметрическим объектам присутствует возможность установки различных "маркеров-ползунков" (Slider), которые позволяют в реальном времени изменять, назначать и управлять различными свойствами или группами свойств объекта. Устанавливать функциональные и логические связи, маркеры можно расположить в любой зоне рабочего эк-
íes
рана и даже на самой модели и всегда иметь к ним оперативный доступ.
Имеется удобный режим построения ЗБ -образа по имеющимся проекциям или снимкам объекта. Эти снимки можно подгрузить непосредственно в видовые окна, и по ним создать необходимое количество сечений или других двухмерных образов для построения ЗБ объекта.
Другой режим предусматривает построения ЗБ-объекта по его фото или рисунку, т.е. построение рельефной поверхности. Этот метод хорошо работает для создания барельефных плит-мозаик, надписей и других рельефных деталей. Такая технология может с успехом конкурировать с методом ЗБ-сканирования, например при восстановлении утерянных и ремонте существующих элементов каменной резьбы и многих других схожих деталей.
Такой метод работает в системе Аг1Сат компании ББЬСАМ и является основным инструментом получения различных рельефных поверхностей для последующей обработки на станках с ЧПУ. Главным достоинством становится наличие особого визуализатора, который позволяет просчитать и посмотреть будущее изделие, учитывая особенности применяемого режущего инструмента. Система Аг1Сат в основном предназначена для подготовки производства фрезерованных и гравированных изделий.
На рис. 1 показан вид результирующего объекта-барельефа после процесса симуляции обработки на станке. В Аг1Сат можно загрузить любую созданную модель в другом при-
ложении, но только в формате 3da, 3ds, dxf и stl, что вполне достаточно. Для редактирования поверхностей есть довольно неплохой специализированный модуль "скульптурирования".
Рассмотрим отечественную разработку -общепромышленную систему T-Flex. В нее входит мощный модуль 2D- и 3D- графики, с помощью которого можно решать не только задачи технического характера, но и дизайнерские проблемы. "T-Flex CAD 3D" построена на современном графическом ядре фирмы "Parasolid", являющимся одним из современных.
Основным свойством системы является встроенная возможность сквозной параметризации, которая несколько похожа и где-то лучше, чем в пакете "3D Studio Max". Она позволяет извлеченную из базы данных деталь или конструкцию быстро привести в соответствие с новыми размерами и соотношениями, не перестраивая всю модель заново.
Этот метод позволяет создавать и хранить базу наиболее часто используемых типов конструкций или объектов и при надобности всегда получать похожие образцы практически моментально, тем самым, сокращая время на проектирование и производство готовой продукции.
Пакет "T-Flex CAD 3D" хорошо подходит для построения тел вращения: это могут быть различные колонны, вазы, фонтаны, чаши, бассейны и другие изделия.
Очень легко получать детали с различными профилями: плинтусы ступени и подоконники. Можно выполнять проектирование различных конструктивных элементов современного интерьера на основе уже несколько готовых параметризованных объектов. Еще одним неоспоримым по удобству инструментом является возможность создания эквидистантных кривых. Это особенно удобно при подготовке, например чертежа микромозаичных изделий, когда надо создавать элементы мозаики с повторяющимися контурами, или для создания траекторий инструмента, когда ведется обработка деталей на станке с ЧПУ.
Модуль в T-Flex/ЧПУ позволяет назначать различные виды
Рис. 1. Пример создания художественного барельефа в пакете ArtCam
обработки поверхностей готовой модели по различным траекториям: 3D-, 4D- и 5D- обработки для CAD 3D версии и 2D-, 2.5D- обработки для CAD 2D версии.
Модуль ЧПУ в T-Flex 3D полностью интегрируется, что очень удобно для назначения поверхностей обработки и траекторий прямо в окне проекции. Далее нужно выбрать инструмент для обработки или создать свой из имеющихся предустановок, назначить тип обработки и затем сгенерировать управляющую программу и запустить имитацию движения инструмента. После генерации управляющей программы ее текст и файл с настройками инструмента нужно подгрузить в специализированный модуль T-Flex NC-
Tracer 3D (5D), который дает возможность технологу-программисту:
- наблюдать процесс изготовления детали в соответствии с реальными производственными условиями;
- проконтролировать правильность отработки созданной управляющей программы;
- вносить необходимые изменения в управляющую программу и сохранять эти изменения в программе;
- определить правильность заданных точек подвода/отвода режущего инструмента;
- осуществлять выбор заготовки из предлагаемых трёх вариантов: заготовка в виде параллелепипеда, в цилиндрическом виде, в виде заготовки, предварительно спроектированной в «T-Flex CAD»;
ТА Ûrr
Ош !ЕП 'ffiupckHta
Г\г ПГД UiWM. H»i ni g
ЯДЕ Ой ttJlll lirifcw-^ mumillli! <
fbt- 'Si Пляшг» 1И1'япч1сгн«»н,р»1ч
trm UlÙUIxiKMHaifffjvrin
TV UCC Гкаь ■■ cim» «»и-гы-м глр*#й i."
.. ы v,« . » ЧП У
^iJ
— Г
- визуально проконтролировать форму обработанной поверхности; произвести компьютерное сравнение обработанной детали с созданной идеальной 3D моделью в «T-Flex CAD», а также в других системах.
Программа "T-Flex NC-Tracer 3D (5D)" обеспечивает:
- имитацию различных типов 2.5D-, 3D- и 5D- обработки;
- динамическое вращение, панорамирование и увеличение изображения модели обрабатываемой детали;
- чтение файлов управляющих программ в кодах ЧПУ по стандарту ISO6983/ DIN66025(24);
- задание твёрдотельных моделей заготовки, крепёжных приспособлений и оснастки в виде прямоугольного бруска, цилиндра и VRML-модели любой формы:
- позиционирование, перенос и поворот твёрдотельных моделей для точной имитации обработки;
Несомненно то, что более удобный и адаптированный вариант имитации обработки имеет пакет 'ArtCam", но, по сравнению с "ArtCam", комплекс T-Flex обладает модулем технологической подготовки производства - T-Flex / ТехноПро. Поэтому применение комплекса T-Flex становится более эффективным.
На рис. 2 приведен пример сформированного технологического процесса в системе T-Flex / ТехноПро.
На рис. 2 представлен пример разработки технологического процесса изготовления рельефной поверхности детали из камня в системе "T-Flex / ТехноПро".
На рисунке видно иерархическое дерево технологического процесса. В данном примере рассмотрена деталь, но это может быть и сборка. Технологический процесс состоит из операций, а операции из переходов. Каждый пункт дерева технологического процесса содержит всю необходимую информацию о данной операции. Информация может быть получена уже из имеющейся базы данных или введена вручную, тем самым пополнив технологическую библиотеку.
Рис. 2
Рис. 3. Формирование грубой формы заготовки обрабатываемой на станке с ЧПУ
Программа "ТехноПро" позволяет в любой момент открыть существующий технологический процесс, внести корректировки и произвести перерасчет основного и вспомогательные времени, режимных параметров, быстро получить новый процесс на основе уже существующего, сформировать документацию.
Рассмотрим основные шаги создания тела сложной геометрии в комплексе "T-Flex CAD 3D" и подготовки управляющей программы для реализации объекта на станках с ЧПУ.
В качестве примера выберем шахматную фигуру "Конь", выполненную в стиле "Хай-Тек". Фигура состоит из двух деталей, из которых впоследствии она будет собрана.
Первый элемент - это основание, типичное тело вращения с несложным профилем. Эта деталь может быть обработана практически на любом токарном станке, предназначенном для изготовления каменных изделий.
Вторая деталь - непосредственно само тело "Коня". Для ее изготовления на станках с ЧПУ применяется пошаговый метод уточнения геометрии при многопроходной фрезерной обработке. Он оправдывает себя, если объект довольно сложный, так как облегчает формирование изготавливаемых кривых и поверхности.
Сначала формируется начальная заготовка для изготавливаемого объекта. За основу примем каменный брусок подходящей длины ширины и толщины.
Для изготовления грубой заготовки, формируются соответствующие эквидистантные поверхности и указывается вид обработки, за-
Рис. 4. Последовательность этапов формирования изделия сложной формы за несколько проходов инструмента. На каждом этапе происходит последовательное уточнение формы
тем программа анализирует обрабатываемые поверхности и формируем текст управляющей программы для этой стадии обработки. На рис. 3 показана первая грубая форма для будущего объекта после первой стадии обработки.
На следующем этапе уточняется геометрия и опять указываются поверхности и траектории для обработки, генерируется текст управляющей программы для этой операции. Подобным образом выполняются остальные шаги до полного воплощения, конечной формы детали.
На рис. 5 показан пример формирования модулем "T-Flex/ЧПУ" траекторий движения инструмента для выбранной поверхности.
Во время редактирования и уточнения геометрии рекомендуется не менять систем координат и положения объекта, иначе это приведет к неправильной обработки заготовки на оборудовании с ЧПУ. Как только определены все кривые и поверхности для обработки, можно провести тестовую отладку управляющей программы с отображением результата технологического процесса в "T-Flex NC-Tracer 3D" и при необходимости объединить все тексты сформированных стадий обработки в одну управляющую программу.
Во время моделирования необходимо четко представлять конечный результат и хорошо владеть инструментарием программы "T-Flex CAD 3D".
Выводы и рекомендации
1. Сегодня существует много различных универсальных и специализированных компь-
ютерных комплексов для проектирования и подготовки производства. Однако специально для сферы камнеобработки таких сложных и универсальных комплексов нет. Отчасти это объясняется наличием общетехнических комплексов и возможности передачи в них практически всех задач, а при наличии мощных специализированных программ ЗБ-моделирования можно создать модель сколь угодно сложного объемного тела. Необходимо ориентироваться на возможности технологического оборудования для изготовления изделия как раз тут и появляется необходимость оптимизатора геометрии под нужды оборудования, которого нет в составе пакета ЗБ-моделирования. Поэтому для решения сложных задач уже недостаточно какого либо одного из пакетов ЗБ-дизайна и технической САБ-системы. На этом этапе нужно интегрировать возможности дизайнерских и машиностроительных пакетов. В результате этой интеграции получается необходимый набор программных пакетов для дости-
1. T-Flex CAD/Трехмерное моделирование. Руководство пользователя. - М.; АО "Топ Системы", 2003.
2. Эллен Фишелъштейн. AutoCAD 2002/Библия пользователя. Компьютерное издательство "Диалектика" - Москва, Санкт-Петербург, Киев, 2003.
3. Погорелое В.И. AutoCAD: трехмерное моделирование и дизайн. - СПб.: БХВ - Петербург, 2003.
жения поставленной цели. Условно его можно назвать ART/CAD/CAM - комплекс.
2. Для выполнения в камне скульптур, барельефов и других объектов сложной формы -их проектирование и построение компьютерной модели будет удобнее проводить в пакете 3D-flH3añHa из приведенного списка, а далее передать готовую модель в пакет с интегрированным ЧПУ- модулем, например SolidWorks, MasterSeries, Unigraphic или в другой подобный. Однако стоимость пакетов компьютерной графики высокого класса (SolidWorks, MasterSeries, Unigraphic и подобных) достигает десятков тысяч долларов.
3. Для отечественного производства хорошей альтернативой является описанный выше комплекс программ "T-Flex", в котором можно реализовать создание различных изделий из камня, назначить варианты последующей обработки заготовок. "T-Flex" обладает набором постпроцессоров для наиболее распространенных типов оборудования с ЧПУ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Ted Boardman 3ds max 5. - 201 West 103rd Street, Indianapolis, Indiana 46290. An Imprint of Pearson Education Boston, Indianapolis, London, Munich, New York, San Francisco.
5. Kim Lee Inside 3D Studio Max ® 4 - 201 West 103rd Street, Indianapolis, Indiana 46290 An Imprint of Pearson Education.
— Коротко об авторах
Коржое Е.Г. — Московский государственный горный университет.
