автореферат диссертации по искусствоведению, специальность ВАК РФ 17.00.06
диссертация на тему: Дизайн резных художественно-промышленных изделий из древесины при автоматизированном производстве

Полный текст автореферата диссертации по теме "Дизайн резных художественно-промышленных изделий из древесины при автоматизированном производстве"

Руденко Нина Олеговна

ДИЗАЙН РЕЗНЫХ ХУДОЖЕСТВЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З ОКТ 2013

Ижевск-2013

005534221

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» на кафедре «Технология промышленной и художественной обработки материалов»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Защита состоится «24» октября 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.119.04 в Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, д.20, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ Автореферат разослан «22» сентября 2013 г. Ученый секретарь

Черных Михаил Михайлович

Официальные оппоненты: Лобацкая Раиса Моисеевна

доктор геолого-минералогических наук, зав. кафедрой геммологии ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»

Рыбицкий Петр Николаевич кандидат технических наук, зав. кафедрой мебели и дизайна ФГБОУ ВПО «С(А)ФУ»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

диссертационного совета, к.т.н.

А.Э. Дрюкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования

Скульптурные изделия из древесины обладают высокой степенью художественной выразительности. Но процесс изготовления скульптурных изделий вручную является наиболее трудоемким и требует значительных временных затрат, поэтому себестоимость ручной художественной резьбы по дереву достаточно велика. Обработка на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) позволяет автоматизировать технологический процесс, существенно сократить трудоемкость обработки, сроки выполнения заказов и себестоимость изделий при сохранении высокого уровня эстетической ценности. На сегодняшний день развитие идет по пути усложнения формы изделий из древесины, большей детализации рельефа, усложнения геометрии поверхности за счет добавления фактур*, посредством чего достигается высокая художественная выразительность готовой продукции. Однако недостаточная изученность этапов проектирования изделия не позволяет в полной мере использовать декоративные возможности технологии. Производство скульптурных изделий на станках с ЧПУ - перспективная технология с высоким эстетическим потенциалом. Процесс подготовки производства изделия (создание трехмерной модели/рисунка, управляющей программы для станка) достаточно трудоемкий, поэтому особенно важно грамотно спроектировать изделие и процесс его изготовления для получения изделия высокого качества.

Степень разработанности темы: исследованиям декоративных свойств изделий из древесины посвящен ряд работ. Трояновым A.B. и Черных М.М. был рассмотрена возможность имитации ручной резьбы на станках с ЧПУ, но полученные результаты недостаточно структурированы и не раскрывают всех аспектов автоматизированного производства скульптуры из древесины.

Одной из наиболее важных характеристик декоративности художественного изделия из древесины является качество его поверхности. Конягиной Т.В., Сергеевой В.В., Поярковым A.B. было исследовано восприятие рельефности фактуры из древесины, полученной фрезерованием, воздушно-абразивной обработкой и брашированием.

* Считаем, что фактура отличается от рельефа (барельефа, горельефа и др.) меньшими высотой и шагом неровностей и большим их количеством на единице площади поверхности изделия

Основные свойства фактур(рельефность, блеск, рисунок) изучали Айрапетов Д.П., Шахнельдян Б.Н., Куманин В.И., Жукова Л.Т., Черных М.М., Останина П.А., Санду О.М. и др. Обеспечение технической возможности использования результатов этих исследований применительно к изделиям из древесины обуславливает необходимость изучения особенностей автоматизированного производства и проектирования художественных изделий.

Проблемой обеспечения качества производства художественных изделий автоматизированным методом, автоматизированной подготовки дизайнерских решений занимались Коржов Е.Г., Жеребцов А.Н., Соколова M.JL, Дронов В.В., Лобацкая P.M., Кухта М.С., Мезенцева И.Л., Павлов Ю.А. и др., однако, в основном такие исследования являются узкоспециализированными и мало применимы для разработки дизайна и подготовки автоматизированного производства изделий из древесины, не уделено достаточного внимания влиянию вида ЗБ-модели на качество изделия.

Цель работы: совершенствование дизайна и повышение эффективности изготовления художественно-промышленных резных изделий из древесины при автоматизированном производстве.

Согласно поставленной цели работы были сформулированы задачи исследования:

- выделить основные виды исходных моделей для создания управляющих программ на основе классификации ручной художественной резьбы;

- разработать алгоритм создания управляющей программы на основе анализа исходных данных об объекте;

- определить и классифицировать дефекты поверхности изделия в зависимости от вида исходной модели;

- установить зависимости эстетических свойств изделий от параметров трехмерной модели и управляющей программы;

- исследовать влияние технологических факторов обработки на эстетическое восприятие скульптуры из древесины;

- разработать практические рекомендации по созданию трехмерных моделей и управляющих программ для станка с ЧПУ.

Методы исследования. Теоретические исследования эстетических свойств художественных изделий из древесины базировались на методах системного анализа и классификации фундаментальных трудов по исследуемой проблеме, теории восприятия и математической статистики, средств компьютерной графики. Экспериментальные исследования проводились с использованием

пакетов прикладных программ Microsoft Office, CAD/CAM систем (Delcam PowerShape, Delcam PowerMill, 3dsMax), современных средств измерения (координатно-измерительный манипулятор CimCore Infinite 2.0, бесконтактный лазерный ЗО-сканер Scan Works, двойной микроскоп МИС-11) и станка с числовым программным управлением (вертикально-фрезерный обрабатывающий центр GFY 96/106). Научная новизна

• Разработана методика CAD/CAM проектирования при автоматизированном производстве резных художественно-промышленных изделий из древесины.

• Разработана классификация резных художественно-промышленных изделий из древесины, связывающая эстетико-конструктивные параметры изделий с применяемой системой проектирования, видом оборудования и инструмента.

• Установлена степень отображения полигональной ЗО-моделью рельефной поверхности прототипа и различимость элементов триангуляционной сетки модели в зависимости от ее насыщенности R.

• Предложены зависимости для определения значения шага подачи фрезы, обеспечивающего заданную величину параметра шероховатости Rmraax при чистовой обработке плоских и наклонных поверхностей.

• Разработан программный комплекс «Фактура», позволяющий создавать хаотичный и упорядоченный рисунок фактуры на основе полигональной поверхности с возможностью задавать требуемые параметры рисунка. Практическая значимость:

• Установленные зависимости эстетического восприятия фактуры изделий от насыщенности триангуляционной сетки модели и угла наклона ее элементов, и выражения для определения шага фрезы при чистовой обработке служат обоснованием при проектировании 3 D-модели и управляющей программы и выборе режимов технологического процесса, обеспечивающими заданное восприятие фактуры изделий.

• Установленные численные значения разрешения R позволяют оформлять на изделиях фасеточные поверхности и имитировать ручную резьбу, разработанная программа «Фактура» расширяет возможности декорирования резных художественно-промышленных изделий из древесины при автоматизированном производстве.

• Разработанные практические рекомендации по созданию управляющих программ для станка с ЧПУ и выбору параметров трехмерной модели обеспечивают сокращение трудоемкости проектирования изделий.

• Предложенные зависимости расчета параметров чистовой обработки позволяют получать изделия с требуемыми характеристиками поверхности, исключая необходимость изготовления опытных образцов.

Публикации и апробация работы.

Результаты исследования докладывались на XTV Всероссийской научно-практической конференции по специальности "Технология художественной обработки материалов" (Архангельск, 2011), V Международной конференции «Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования» (Ижевск, 20-22 февраля 2012 г.), Third Forum of Young Researches / In the framework of International Forum «Education Quality - 2012», (February 20-22, 2012, Izhevsk, Russia). - Izhevsk : Publishing House of ISTU, 2012, XV Всероссийской научно-практической конференции «Дизайн и технологии художественной обработки материалов» (Ижевск, 22-25 октября 2012 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемых источников из 82 наименований и приложения. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 74 иллюстрации и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследования, отражается научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава работы посвящена анализу дизайна резных художественно-промышленных изделий из древесины и технологий их изготовления. Проведен обзор существующих классификаций видов ручной резьбы по дереву с целью сравнения ручной и автоматизированной техник изготовления художественных изделий. С точки зрения обработки на станках с ЧПУ наиболее целесообразным принято разделение видов резьбы по геометрическому признаку (характеристикам рельефа) на следующие основные группы: плоскостная,

рельефная, прорезная и объемная. Выполнен обзор современных методов автоматизированного производства изделий из древесины резанием, отдельно рассмотрены технологии обработки материала и технологии получения трехмерной модели. Выявлены наиболее эффективные методы производства для отдельных видов художественных изделий в зависимости от их геометрических характеристик.

Вторая глава работы посвящена исследованию эстетических характеристик исходной трехмерной модели для производства художественных изделий на станках с ЧПУ.

Разработана классификация резных художественно-промышленных изделий из древесины, связывающая геометрию изделия и вид резьбы со способом программирования, видом исходной модели для создания управляющей программы, оборудования и инструмента.

При сравнении техник ручной резьбы с автоматизированной обработкой было выявлено, что для создания управляющей программы в САМ - системе наибольшее значение имеет вид исходной модели, посредством которой возможно передать геометрию изделия. Исходные модели разделяют на объемные, (представляющие собой трехмерные модели в виде сетки из гшгЬб кривых патчей или сплайнов и полигональных поверхностей) и плоскостные, представляющие собой двумерные модели в виде 2с1 — контуров или траекторий. Посредством трехмерных моделей можно передать практически все виды резьбы, но для прорезной и плоскостной резьбы целесообразно для сокращения времени работы станка использовать двухмерные модели. Исключение составляет плоскостная геометрическая резьба, единственным способом автоматизированного производства которой является фрезерование по трехмерной модели.

На основе анализа взаимосвязи видов резных художественных изделий и способов их автоматизированного производства выделены два типа резьбы по виду исходной модели для создания управляющей программы: объемная, по исходной трехмерной модели (позволяет создавать объемные и рельефные изделия), и плоская, по исходной 20-траектории (позволяет создавать изделия с плоскостной и прорезной резьбой). Разработан алгоритм поэтапного создания управляющей программы в САМ-системе, объединяющий такие параметры как тип резьбы, геометрия изделия, вид исходных данных, вид оборудования (рисунок 1).

Рисунок 1. Алгоритм поэтапного создания управляющей программы для объемных и плоских художественных изделий в CAD/CAM - системах.

На основе анализа параметров поверхности, связанных с технологией обработки и влияющих на эстетическое восприятие изделия, создана классификация факторов, от которых зависит качество изделия (рисунок 2).

Искажение рельефа

Упрощенно формы

Точечные дефехгы

Ж

ж

сканирования

I Качество трехмерной модели |

Ж

| Качество резной поверхности [

,___

31

Параметры обработки

ЛЕ

ЗЕ

ЗЕ

5Е

Скопы, гщдпзлниы I I Недоработанные области I

Рисунок 2. Классификация факторов, влияющих на качество изделия.

Проведен анализ видов трехмерных поверхностей, используемых для описания пространственных объектов, по способу формирования. Выявлено, что полигональная модель обеспечивает наиболее точное описание неплоских поверхностей, формирующих трехмерные модели сложных резных изделий -объемной и рельефной скульптуры.

Для характеристики рельефности полигональной поверхности в работе введен относительный показатель - разрешение Я, определяющийся количеством точек (элементов растрового изображения) на единицу площади (или единицу длины), где под точкой понимается вершина треугольника триангуляционной сетки модели, и рассчитывается по формуле (1):

Я=Мр/8м, (1)

где - общее число вершин(полигонов), 8М - площадь поверхности модели. В зависимости от степени приближенности полигональной модели к реальной поверхности прототипа (аппроксимации), поверхности трехмерных моделей обозначены как сглаженные и проработанные. Для выявления границы между поверхностями, воспринимаемыми сглаженными и проработанными, использован метод экспертной оценки.

Количество экспертов N3, в соответствии с формулой (2), используемой в ряде работ, составило 25 человек.

Ад (1-у)

где с! - размах шкалы оценивания; Дq - погрешность оценивания; у -доверительная вероятность; ф - коэффициент, зависящий от величины у. Эксперты оценивали криволинейную полигональную поверхность с различным разрешением (от 2 до 400 <1рс) (рисунок 3) с точки зрения влияния размера полигонов триангуляционной сетки и, следовательно, разрешения, на рельеф поверхности: «треугольники формируют рельеф поверхности» - «треугольники не различимы, поверхность гладкая» (рисунок 4).

Д) К=50

ж) 13=10

э)й=5

Рисунок 3. Образцы полигональной поверхности с различным разрешением

(масштаб 1:4)

.,:■.■/-.. у * -0 ДШ2Г1 + 0Я23Х * {Д9 ,\ /. \ I К1 — 0.7*? ^ /

/л

............. /д .

_--~Г « ! Я>«0№

[ ^ !,"* ....-'-л' и-л-^-г^.Г --1 1

- V - ■ 1-к—в г " 'ШЩМ Сглаженная поверхность с различимыми Прораб« »тайная поверхностейПроработанная поверхность с неразличимыми элементами

---триангуляционном сетки- .....- -----------;—----%■..........-—,—,—ш...,—,..........................;,;:;......—-----.-..,........................................ , , ,......;

О 10 20 30 40 50 60 7(5 80 90 !00 110120130140 ¡50)60 170160 190^ 2102201^240 2502вЗ 27021» 290 300 310320 330 340 350 360 370 380 390 4® 410420 430440

К.фс

. .Исследование поверхности с точки зрения проработанности оелье<Па - Аппроксимирующая зависимость

_.«.._ Исслеазвание поверхности с точки зрения

различимости элементов полигональной сети — - Аппроксимирующая зависимость

Рисунок 4. Экспериментальные значения визуального восприятия поверхности с точки зрения проработанности рельефа и восприятия элементов поверхности и соответствующие аппроксимирующие зависимости (полиномиальные линии).

Выявлено, что поверхность воспринимается проработанной (соответствующей прототипу) при К>175(с1рс). При значениях К>256 (dpc) обеспечивается наиболее высокая степень соответствия изделия прототипу и высокое качество изделия при сокращении времени фрезерования изделия и триангуляции модели. С целью снижения нагрузки на процессор из диапазона значений разрешения рекомендуется выбирать значение Я ближе к нижней границе интервала. Одной из наиболее характерных особенностей рельефной ручной резьбы по дереву является наличие рубленой фактуры, проложенной в направлении движения инструмента резчика, что создает эффект фасеточной поверхности и придает изделию художественную выразительность (рисунок 5).

Ровная гладкая поверхность

"Фасеточная" поверхность

Рисунок 5. Трехмерные модели барельефа с гладкой и фасеточной поверхностью.

Исследовано восприятие триангуляционной сетки, выполненной в материале. На каждом образце были изготовлены по девять блоков рельефных элементов (рисунок 6). Элементы одного образца имели одинаковое разрешение, элементы одного блока образца - одинаковый угол наклона, но блоки образца отличались углом наклона элементов, который изменялся от 5° до 45° через 5°.

Я=9 Г?в=73 Рс=131 (^=190 Ре=255

Рисунок 6. Образцы для исследования полигональной поверхности: вид сверху образцов 140x140 мм из бука (уменьшено в 5 раз).

Исследование выполнено методом экспертной оценки. Минимальное количество экспертов определили в соответствии с рекомендациями Райхмана Э.П. по формуле (3), (N=15):

Лг = 4> (3)

где N— число экспертов, £I - предельно допустимая относительная ошибка, /а - коэффициент, определяющий доверительный интервал. Результаты исследования представлены на диаграмме (рисунок 7), котороая позволяет на стадии трехмерного моделирования выбрать параметры рельефа -разрешение и угол наклона полигонов - в соответствии с исходными требованиями к изделию.__

Угол наклона полигонов я, "

|

Рисунок 7. Диаграмма областей восприятия рельефности фактуры полигональной поверхности

Третья глава посвящена исследованию влияния параметров управляющей программы на фактуру поверхности.

Создание управляющей программы для станка достаточно трудоемко, и во многом определяет производительность обработки и качество изделий.

Стандартная технология производства изделия по ЗЭ модели включает в себя черновую обработку, при которой удаляется основной объем материала и чистовую обработку. При чистовой обработке формируется как макрорельеф в соответствии с формой и размерами исходной модели, гак и микрорельеф (фактура) поверхности, представляющий собой неровности (гребешки), остающиеся после чистового фрезерования сферической фрезой, которые образуют равномерный рисунок фактуры.

Для достижения высокого качества обработанной поверхности и сокращения времени производства изделия необходимо правильно рассчитать параметры управляющей программы чистовой обработки. Выбор стратегии обработки, численных значений шага (смещения) фрезы, диаметра инструмента в зависимости от геометрии изделия позволяет создавать фактуру с заданным рисунком и параметрами шероховатости. С точки зрения эстетического восприятия рисунка фактуры набор типовых стратегий целесообразно классифицировать по признаку направления движения фрезы (направления неровностей) относительно уклона поверхности: параллельное, перпендикулярное, комбинированное.

В зависимости от угла наклона поверхности, эстетически наиболее выгодным является направление неровностей перпендикулярное образующей для пологих поверхностей и параллельное направлению уклона для отвесных поверхностей, т.к. комбинация данных стратегий позволяет получить равномерный шаг фактуры. Поскольку в большинстве случаев трехмерная модель сочетает в себе и пологие, и отвесные поверхности, рациональным вариантом при фрезеровании по трехмерной модели является комбинированная стратегия обработки (рисунок 8).

Рисунок 8. Комбинированная стратегия обработки: «Отвесные + пологие».

Высота недоработанных гребешков профиля поверхности меняется в зависимости от угла наклона поверхности.

Основной задачей при создании управляющей программы с комбинированной стратегией обработки является выявление угла перехода от стратегии с параллельно направленными неровностями (спираль, 31) смещение) к стратегии с перпендикулярно направленными неровностями (растр, радиальное фрезерование).

Взаимосвязь между основными геометрическими параметрами чистового фрезерования.

Шаг фрезы в горизонтальной плоскости предлагаем определять по формуле (4), (рисунок 9, а).

5 = ^Я^Ят^-Щ-АЯти (4)

где в - шаг фрезы по оси х, Яг - радиус шаровой фрезы; Кттах- наибольшая высота профиля.

Для наклонной поверхности высоту неровностей при стратегии обработки с постоянным шагом неровностей в плоскости ХУ предлагаем определять по формулам (4) и (5) (рисунок 9, б).

0

5

<5:

Рисунок 9. Параметры, влияющие на высоту неровностей при обработке а)горизонтальной поверхности, б) наклонной поверхности.

Сова

где Яттах о™- высота неровностей при увеличении угла наклона до а.

(5)

Экспериментальная проверка формул (5) и (6), выполненная на образцах из бука с плоской наклонной поверхностью в диапазоне углов а от 0° до 84° показывает хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений параметра Яттах-Восприятае фактуры наклонных поверхностей исследовали на конических образцах с постоянным шагом угла наклона, равным 6°. Стратегия обработки обеспечивала постоянный шаг неровностей в плоскости ХУ и направление перпендикулярное образующей конической поверхности. Высоту неровностей рассчитывали по формуле (6) для каждого угла наклона, минимальное значение Кттах=0,08 мм, входит в область значений, соответствующих визуальному восприятию фактуры поверхности древесины как ровной гладкой (естественное освещение, расстояние наблюдения 0,5 м, лиственная порода, тангенциальный срез), согласно исследованиям Конягиной Т.В., а также входит в диапазон значений Ятшах при котором расчетные данные соответствуют фактическим (Лттах>0,069 мм). Шаг рассчитан по формуле (4) для минимального значения Кттах, соответствующего углу наклона 0°.

Исследование выполнено методом экспертной оценки. Экспертам предлагали отнести фактуру наблюдаемых поверхностей образцов к одному из видов: ровной гладкой, ровной шероховатой или рельефной (рисунок 10).

Рисунок 10. Экспериментальные зависимости визуального восприятия V рельефности фактуры наклонной поверхности от угла наклона а и их аппроксимация (линии 1 -3)

Полученные значения углов наклона поверхности аА=12°; ав=24° в точках А и В, соответствующих равновероятному восприятию поверхности как ровной гладкой и ровной шероховатой, и равновероятному восприятию поверхности как ровной шероховатой и рельефной, позволяют рассчитывать параметры комбинированной стратегии обработки (угол наклона, шаг фрезы) в соответствии с требуемым характером поверхности и диаметром фрезы.

Четвертая глава посвящена разработке программных средств для создания искусственной резаной фактуры поверхности на основе преобразования исходной полигональной модели.

Фактура является одним из основных средств выразительности, которым пользуются дизайнеры. На основе работ исследователей (Айрапетов Д.П., Санду О.М., Сергеева В.А., Черных М.М., Останина П.А.), выполнена классификация видов фактуры, полученной методом резания, в зависимости от параметров исходной модели, параметров чистовой обработки и инструмента. С целью обеспечения контрастности светотеневых переходов фасеточной поверхности и выразительности изделия вцелом была создана программа «Фактура 1». Программа позволяет создавать фактуру с заданной высотой неровностей и хаотичным рисунком на базе полигональной поверхности за счет задаваемого отклонения вершин по нормали (рисунок 11). Данный скрипт расширяет возможности 3<1 Мах, добавляя в программу новые функции, написан на собственном языке 3<1 Мах - Мах8спр1.

Рисунок 11. Визуализация отклонения по осям хуг на фрагменте рельефа при помощи программы «Фактура 1»

Для создания на базе полигональной поверхности рельефов с упорядоченным рисунком неровностей создана программа «Фактура 2». На рисунке 12 представлены характеристики пользовательской среды, позволяющие задавать основные параметры текстуры, формирующей отклонения вершин полигонов поверхности, представляющей собой метричный и ритмичный повтор. При создании текстур учитываю тся четыре основных признака регулярного повтора (за исключением цвета и высоты): шаг, размер, форма, ориентация. Высота рельефа задается при наложении текстуры на полигональную модель.

Рисунок 12. Принцип работы программы «Фактура 2»: а) создание двухмерного метричного рисунка фактуры, б) результат наложения рисунка на

полигональную поверхность в программе Зек Мах. За принцип работы программы взят способ формирования рельефных поверхностей посредством наложения на исходную высокополигональную поверхность карты высот (21) текстуры). Программа «Фактура 2» позволяет моделировать параметры двумерных карт высот в соответствии с требуемыми параметрами рисунка, тем самым существенно облегчая задачу дизайнера в разработке фактуры поверхности.

В пятой главе проанализированы особенности визуального восприятия смешанных фактур в скульптуре из древесины. Комбинируя в материале различные фактуры, можно подчеркнуть его своеобразие, создать

выразительный эффект в художественном образе предмета, визуально отделить рельеф от фона. Применительно к художественным изделиям из древесины использование фрагментов, декорированных фактурой, может служить для выделения отдельных деталей как центра композиции, передачи характера образа, реалистической имитации различных видов материала. Разработанная методика реализована на примере создания авторского дизайна скульптурного портрета М.Т. Калашникова с использованием различных типов комбинированной фактуры на основе трехмерного сканирования реального прототипа с гладкой фактурой(рисунок 13, а) и последующей обработкой в программах «Фактура 1» и «Фактура 2» (рисунок 13, б). Даны рекомендации по технологической подготовке производства художественного изделия и реализации технологического процесса изготовления круглой скульптуры на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ.

Рисунок 13. Реинжиниринг скульптурного портрета М.Т. Калашникова: а) прототип с гладкой поверхностью б) реплика с комбинированной (упорядоченной,

хаотичной и не имеющей рисунка, т.е. ровной гладкой) фактурой В заключении приведены основные результаты работы и сформулированы основные выводы по работе.

Основные результаты и выводы

• Разработанная методика поэтапного создания управляющей программы в CAD/CAM - системах, объединяющая тип резьбы, геометрию изделия, вид исходных данных, вид оборудования, позволяет сократить время подготовки проектирования для объемных и плоских художественных изделий из древесины с имитацией ручной резьбы.

• Разработанный комплекс программных средств «Фактура» дает возможность создания искусственной резаной фактуры поверхности с хаотическим и упорядоченным рисунком на основе преобразования исходной полигональной модели.

• Установлены зависимости визуального восприятия полигональной модели от разрешения R. Показано, что при R<175(dpc) поверхность воспринимается сглаженной с различимыми элементами триангуляционной сетки, в диапазоне 175<R<256 (dpc) — проработанной с различимыми элементами триангуляционной сетки, при R>256(dpc) - проработанной с неразличимыми элементами триангуляционной сетки.

• Разработана классификация резных художественно-промышленных изделий из древесины, связывающая геометрию изделия и вид резьбы со способом программирования, видом исходной модели для создания управляющей программы, оборудования и инструмента.

• Установлены зависимости, позволяющие рассчитывать шаг подачи фрезы и для горизонтальной и наклонной поверхностей в зависимости от геометрии профиля фрезы.

• Определен интервал восприятия рельефности поверхностей изделий из древесины, в зависимости от разрешения и угла наклона полигонов.

• Разработаны практические рекомендации, позволяющие рассчитывать параметры обработки в соответствии с требуемым характером поверхности. Основные научные результаты диссертации изложены в следующих статьях:

Статьи в журналах, входящих в «Перечень...» ВАК РФ:

1. Руденко Н.О. Анализ эстетических, художественно-проектных и технологических задач автоматизированного изготовления скульптурного портрета [Текст]/ Н.О. Руденко, М.М. Черных//Дизайн. Материалы. Технология - 2011, №2( 17)-с.98-104.

2. Руденко Н.О. Программирование при помощи CAD/CAM систем в производстве художественных изделий на станках с ЧПУ [Текст]/ Н.О. Руденко, М.М. Черных//Дизайн. Материалы. Технология - 2011, №5(20) - с.81-84.

3. Руденко И.О. Исследование эстетических характеристик полигональной поверхности как исходной модели для производства художественных изделий на станках с ЧПУ [Текст]/ Н.О. Руденко, М.М. Черных//Дизайн. Материалы. Технология - 2012, №2(22) - с.48-54.

4. Руденко И.О. Исследование восприятия полигональной поверхности в изделиях из древесины [Электронное издаете]/ Н.О. Руденко, М.М. Черных//Дизайн. Теория и практика - 2012, вып. 12 - с.44-49. Режим доступа:

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов:

5. Руденко Н.О. Применение математического моделирования при производстве художественных изделий для создания эффекта ручной резьбы [Текст]/ Н.О. Руденко// Материалы XIV Всероссийской научно-практической конференции по специальности "Технология художественной обработки материалов" -Архангельск, 2011 - с.147-148.

6. Руденко И.О. Исследование влияния параметров управляющей программы на эстетические характеристики поверхности изделия [Текст]/ Н.О. Руденко// Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования: материалы V Международной конференции (Россия, Ижевск, 2022 февраля 2012 г.), том 3. - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2012 - с.134-138.

7. Rudenko N.O. Researching of possibilities of round sculpture's production on three-coordinate CNC machine [Текст]/ Н.О. Руденко// Third Forum of Young Researches / In the framework of International Forum «Education Quality - 2012», (February 2022, 2012, Izhevsk, Russia). - Izhevsk : Publishing House of ISTU, 2012 - c.255-258.

8. Руденко Н.О. Анализ влияния типа исходной модели для программирования в САМ-системе на эстетические характеристики поверхности при производстве изделия на станке с ЧПУ [Текст]/ Н.О. Руденко// Дизайн и технологии художественной обработки материалов : материалы XV Всерос. науч.-практ. конф. (Ижевск, 22-25 октября 2012 г.). - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2012 -с.351-353.

9. Черных М.М. Влияние параметров управляющей программы на восприятие рельефа поверхности [Текст]/ М.М. Черных, Н.О. Руденко//Труды Академии технической эстетики и дизайна - 2013, №1 - с.6-10.

Текст диссертации на тему "Дизайн резных художественно-промышленных изделий из древесины при автоматизированном производстве"

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

На правах рукописи

ДИЗАЙН РЕЗНЫХ ХУДОЖЕСТВЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

Специальность 17.00.06 - Техническая эстетика и дизайн

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор М.М. Черных

Ижевск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................. 4

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ДИЗАЙНА РЕЗНЫХ ХУДОЖЕСТВЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ....................................................................... 8

1.1. Обзор и классификация существующих видов ручной резьбы по дереву..................................................................................... 8

1.2. Обзор современных методов автоматизированного

производства............................................................................ 14

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭСТЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСХОДНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ХУДОЖЕСТВЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ................................................. 22

2.1. Разработка методики подготовки производства (создания управляющей программы для станка с ЧПУ в САО/САМ-системах) резных художественно-промышленных изделий на станках с ЧПУ.................. 23

2.2. Параметры, обеспечивающие качество поверхности резных изделий.................................................................................... 31

2.3. Обзор видов трехмерных поверхностей.............................. 31

2.4. Характеристики рельефности полигональной поверхности...... 32

2.5. Исследование восприятия полигональной поверхности трехмерной модели..................................................................................... 34

2.6. Исследование восприятия выраженности рельефа полигональной поверхности в материале............................................................. 42

2.6.1. Методика исследования........................................ 42

2.6.2. Результаты исследования..................................... 45

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ НА РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ........................................................... 48

3.1. Анализ и классификация типовых стратегий обработки......... 48

3.2. Взаимосвязь между основными геометрическими параметрами чистового фрезерования.............................................................. 52

3.3. Экспериментальная проверка формул.............................. 54

3.4. Исследование восприятия фактуры с целью выявления параметров

чистовой обработки комбинированным методом.............................. 56

Глава 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ РЕЗАНОЙ ФАКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИСХОДНОЙ ПОЛИГОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ...... 60

4.1. Классификация видов рисунка фактуры, полученной фрезерованием на станке с ЧПУ................................................... 60

4.2. Программа «Фактура-1» для создания фактуры с хаотическим рисунком на базе полигональной поверхности................................. 62

4.3. Программа «Фактура-2» для создания рельефов с упорядоченным

рисунком на базе полигональной поверхности................................. 66

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА СКУЛЬПТУРНОГО ПОРТРЕТА........................... 75

5.1. Анализ визуального восприятия изделий с комбинированной фактурой поверхности................................................................. 75

5.2. Рекомендации по разработке дизайна изделия с разнофактурными поверхностями на примере скульптурного портрета М.Т. Калашникова........................................................................... 75

5.3. Технологическая подготовка производства художественного

изделия.................................................................................. 84

Основные результаты и выводы................................................ 93

Список литературы................................................................. 94

Приложения.......................................................................... 102

Введение

Актуальность исследования

Скульптурные изделия из древесины обладают высокой степенью художественной выразительности. Но процесс изготовления скульптурных изделий вручную является наиболее трудоемким и требует значительных временных затрат, поэтому себестоимость ручной художественной резьбы по дереву достаточно велика. Обработка на станках с ЧПУ позволяет автоматизировать технологический процесс, существенно сократить трудоемкость обработки, сроки выполнения заказов и себестоимость изделий при сохранении высокого уровня эстетической ценности. На сегодняшний день развитие идет по пути усложнения формы изделий из древесины, большей детализации рельефа, за счет чего достигается высокая художественная выразительность готовой продукции. Однако недостаточная изученность этапов проектирования изделия не позволяет в полной мере использовать декоративные возможности технологии. Производство скульптурных изделий на станках с ЧПУ - перспективная технология с высоким эстетическим потенциалом. Процесс производства изделия (создание трехмерной модели/рисунка, управляющей программы для станка) достаточно трудоемкий, поэтому особенно важно грамотно спроектировать изделие и процесс его изготовления для получения изделия высокого качества.

Степень разработанности темы: исследованиям декоративных свойств изделий из древесины посвящен ряд работ. Трояновым A.B. и Черных М.М. был рассмотрена возможность имитации ручной резьбы на станках с ЧПУ, но полученные результаты недостаточно структурированы и не раскрывают всех аспектов автоматизированного производства скульптуры из древесины.

Одной из наиболее важных характеристик декоративности художественного изделия из древесины является качество его поверхности. Конягиной Т.В., Сергеевой В.В., Поярковым A.B. было исследовано

восприятие рельефности фактуры из древесины, полученной фрезерованием, воздушно-абразивной обработкой и брашированием.

Основные свойства фактур(рельефность, блеск, рисунок) изучали Айрапетов Д.П., Шахнельдян Б.Н., Куманин В.И., Жукова JI.T., Черных М.М., Останина П.А., Санду О.М. и др. Обеспечение технической возможности использования результатов этих исследований применительно к изделиям из древесины обуславливает необходимость изучения особенностей автоматизированного производства и проектирования художественных изделий.

Проблемой обеспечения качества производства художественных изделий автоматизированным методом, автоматизированной подготовки дизайнерских решений занимались Коржов Е.Г., Жеребцов А.Н., Соколова M.JI., Дронов В.В., Лобацкая P.M., Кухта М.С., Мезенцева И.Л., Павлов Ю.А. и др., однако, в основном такие исследования являются узкоспециализированными и мало применимы для разработки дизайна и подготовки автоматизированного производства изделий из древесины, не уделено достаточного внимания влиянию вида ЗО-модели на качество изделия.

Цель работы: совершенствование дизайна и повышение эффективности изготовления художественно-промышленных резных изделий из древесины при автоматизированном производстве.

Согласно поставленной цели работы были сформулированы задачи исследования:

- Выделить основные виды исходных моделей для создания управляющих программ на основе классификации ручной художественной резьбы

- Разработать алгоритм создания управляющей программы на основе анализа исходных данных об объекте

- Определить и классифицировать дефекты поверхности изделия в зависимости от вида исходной модели

Установить зависимости эстетических свойств изделий от параметров трехмерной модели и параметров управляющей программы.

Экспериментально исследовать влияние технологических факторов обработки на восприятие эстетических свойств скульптуры из древесины.

- Разработать практические рекомендации по созданию управляющих программ для станка с ЧПУ.

Методы исследования. Теоретические исследования эстетических свойств художественных изделий из древесины базировались на методах экспертной оценки и классификации фундаментальных трудов по исследуемой проблеме, теории восприятия и математической статистики, средств компьютерной графики. Экспериментальные исследования проводились с использованием пакетов прикладных программ Microsoft Office, CAD/CAM систем (Delcam PowerShape, Delcam PowerMill, 3dsMax), оборудования (координатно-измерительный манипулятор CimCore Infinite 2.0, бесконтактный лазерный ЗЭ-сканер ScanWorks, двойной микроскоп МИС-11) и станка с числовым программным управлением (вертикально-фрезерный обрабатывающий центр GFY 96/106).

Научная новизна:

• Разработан алгоритм CAD/CAM проектирования при автоматизированном производстве резных художественно-промышленных изделий из древесины.

• Разработана классификация резных художественно-промышленных изделий из древесины, связывающая эстетико-конструктивные параметры изделий с применяемой системой проектирования, видом оборудования и инструмента.

• Установлена степень отображения полигональной ЗО-моделью рельефной поверхности прототипа и различимость элементов триангуляционной сетки модели в зависимости от ее насыщенности R.

• Предложены зависимости для определения значения шага подачи фрезы, обеспечивающего заданную величину параметра шероховатости К.ттах при чистовой обработке плоских и наклонных поверхностей.

• Разработан программный комплекс «Фактура», позволяющий создавать хаотичный и упорядоченный рисунок фактуры на основе полигональной поверхности с возможностью задавать требуемые параметры рисунка.

Практическая значимость:

• Установленные зависимости эстетического восприятия фактуры изделий от насыщенности триангуляционной сетки модели и угла наклона ее элементов и предложенные выражения для определения шага фрезы при чистовой обработке служат обоснованием при проектировании ЗЭ-модели и управляющей программы и выборе режимов технологического процесса, обеспечивающих заданное восприятие фактуры изделий.

• Установленные численные значения разрешения Я позволяют оформлять на изделиях фасеточные поверхности и имитировать ручную резьбу, разработанная программа «Фактура» расширяет возможности декорирования резных художественно-промышленных изделий из древесины при автоматизированном производстве.

• Разработанные практические рекомендации по созданию управляющих программ для станка с ЧПУ и выбору параметров трехмерной модели обеспечивают сокращение трудоемкости проектирования изделий.

• Предложенные зависимости расчета параметров чистовой обработки позволяют получать изделия с требуемыми характеристиками поверхности, исключая необходимость изготовления опытных образцов.

Публикации и апробация работы.

Результаты исследования докладывались на XIV Всероссийской научно-практической конференции по специальности "Технология художественной обработки материалов" (Архангельск, 2011), V Международной конференции «Технические университеты: интеграция с

европейскими и мировыми системами образования» (Ижевск, 20-22 февраля 2012 г.), Third Forum of Young Researches / In the framework of International Forum «Education Quality - 2012», (February 20-22, 2012, Izhevsk, Russia). -Izhevsk : Publishing House of ISTU, 2012, XV Всероссийской научно-практической конференции по направлению «Технологии художественной обработки материалов» (Ижевск, 22-25 октября 2012 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в которых отражено основное содержание диссертации, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемых источников из 82 наименований и приложения. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 74 иллюстрации и 4 таблицы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ДИЗАЙНА РЕЗНЫХ ХУДОЖЕСТВЕННО-ПРОМЫШЛЕННЫХ

ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ 1.1. Обзор и классификация существующих видов ручной резьбы

по дереву

Среди художественных работ в нашей стране самой распространенной в народе издавна была резьба по дереву. Резьбой украшали жилища и корабли, мебель, посуду, орудия труда - прялки, швейки, вальки. Многовековая культура художественной резьбы по дереву имеет глубокие национальные традиции, которые передаются из поколения в поколение. Актуальность резьбы по дереву сильно выросла в последнее время и все настойчивей и уверенней входит в нашу жизнь и быт [1].

Художественная резьба по дереву в русском народном творчестве издавна - самый развитый и наиболее древний вид народного декоративного искусства. Развитию резьбы по дереву способствовали простота обработки и доступность материала, наличие умелых мастеров и богатые традиции. Плотники и столяры со всех губерний Руси строили хоромы и терема, ставили ендовы и скобари для кваса и медовых напитков, делали и красивую бытовую утварь, например, плоские и широкие корыта для теста — дежи. На ярком солнце блистала расписанная киноварью и золотом рельефная резьба наличников и крылец. В XVII — XVIII вв. искусство художественной резьбы по дереву получило развитие в оформлении иконостасов, дворцовых интерьеров, в мебели, где преобладала объемная, горельефная, накладная и прорезная резьба [2].

В зависимости от замысла мастера, назначения и стиля будущего изделия, а также техники исполнения резьба может быть выполнена в разных видах. Существуют различные классификации видов резьбы по дереву, в которых исследователи подразделяют ручную резьбу на несколько групп по способу изготовления, технологическим, геометрическим и функциональным признакам. Так, например, Петросян О.А.[3] выделяет пять основных групп:

плоскостная, рельефная, прорезная, объемная и домовая; Э.Деннинг [4] выделяет геометрическую резьбу, рельефные панно и скульптурную резьбу. Г.А. Жук [5] условно подразделяет резьбу на три вида: сквозная (включающая прорезной и пропильной виды резьбы), глухая (включающая плосковыемчатый, рельефный виды резьбы) и скульптурная(объемная). Кроме того, существует множество промысловых видов резьбы, не имеющих строгой классификации: абрамцево-кудринская, «татьянка», «ислими» и т.д. С целью сравнения ручной и автоматизированной техник изготовления художественных изделий наиболее целесообразным будет разделение видов резьбы по геометрическому признаку (характеристикам рельефа) на следующие основные группы: плоскостная, рельефная, прорезная и объемная резьба по дереву. Каждая из этих групп, в свою очередь, делится на разновидности (рисунок 1).

Сквозная Ажурная Накладная

Скульптурная

Объемная

t

Виды ручной ■ Прорезная ре3ьбы по дереву

* Щ

Плоскостная

Барельефная

Горельефная

Рельефная

Плосковыемчатая Плоскорельефная

Контурная

Гзометрическая

С заоваленным фоном

С подушечным фоном

С подобранным фоном

Рисунок 1. Классификация видов ручной резьбы по дереву

Плоскостная резьба.

Главной особенностью этого типа является то, что узор наносится на плоскую поверхность древесины. В зависимости от того, каким способом выводится рисунок, разделяют плосковыемчатую резьбу, т.е. рисунок предстает в виде углубений и плоскорельефную резьбу, т.е. рисунок выступает на поверхности [3].

Плосковыемчатая резьба. Одной из наиболее широко распространенных техник русской народной резьбы является контурная резьба. Контуром в виде двугранной или полукруглой выемки режут всевозможные прожилки, сетки, детали крупных элементов композиций. Основными мотивами для контурной резьбы являются различные растительные и животные орнаменты: деревья, листья, цветы, фигурки животных, птиц и даже человека. Отсутствие рельефа в контурной резьбе не снижает ее художественной выразительности [6].

Наиболее простой по технике выполнения является геометрическая резьба. Простота заключается в том, что древесина прорезается неглубоко. Основные элементы данного вида резьбы - это двухгранные, трехгранные, четырехгранные и криволинейные неглубокие выемки разной конфигурации, глубины и ширины (рисунок 2). Различные узоры получают путем повторения прямых и криволинейных выемок, заключенных в какие-либо геометрические фигуры (круг, квадрат). При сочетании различных фигур создается необыкновенно красивый рисунок, который в древности носил не только декоративный, но и символический характер [7].

Рисунок 2. Плосковыемчатая резьба [8]

Плоскорельефная резьба. В равной степени сочетает в себе плоскую поверхность, характерную для плоскостной резьбы, и невысокий рельеф изображения, характерный для рельефной резьбы. Изображение принимает объемные формы, сохраняя одинаковую высоту большинства выступающих плоскостей или отдельных граней при одинаковой глубине основного фона. Резчики применяют эту резьбу при изготовлении предметов домашнего обихода, декоративной посуды, шкатулок, ларцов и других. Плоскорельефная резьба (рисунок 3) может быть выполнена с различными фонами. Здесь можно выделить следующие разновидности: резьба с заоваленным контуром, резьба с подушечным и с подборным фоном.

Рисунок 3.Плоскорельефная резьба (�