CC BY
48
----------------------------------------------- © И.Н. Миков, Л.П. Ивлева,
У.Ф. Фейзханов, 2010
УДК 622:.001.57
И.Н. Миков, Л.П. Ивлева, У.Ф. Фейзханов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УДАРНОГО МИКРОФРЕЗЕРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Описан стенд для реализации гравирования материалов методом ударного микрофрезерования. Он состоит из гравировального станка, комплекта датчиков и ноутбука со специальным программным обеспечением Zetlab. На станке-стенде были получены осциллограммы виброускорения якоря электромеханического преобразователя, фиксировался момент времени удара и число оборотов фрезы. Была уточнена математическая модель гравирования, полученная в Mathcad. Построены графики перемещения и скорости якоря.
Ключевые слова: ударное микрофрезерование, осциллограмма, гравирование.
Семинар № 25
Т Т анесение изображений на поверхность материала с целью ее декорирования (художественное гравирование), маркировки, при изготовлении клише в полиграфии осуществляется несколькими способами. В том числе используют растровое гравирование на гравировальных и гравировально-фрезерных станках. Ударное микрофрезерование позволяет соблюсти соответствие оптических плотностей оригинала и изображения,, как и обычное растровое гравировании, но, помимо этого обеспечивает повышение качества получаемых лунок. При УМФ совмещение вращательного и возвратно-поступательного движения режущего инструмента - одноперовой фрезы - позволяет убрать выплыв, образующийся при обработке пластичных материалом ударом, и дополнительный скол -при обработке хрупких материалов [1]. С целью изучения процесса гравирования и УМФ, в том числе, был создан станок-стенд, включающий в себя: гравировальный станок «Полутон» (станок 1, программируемый контроллер 2, компьютер 3, компрессор 4, комплект из двух вибропреобразователей 5, 6 с усилителем 7, фотодиодного датчика оборотов 8 с усилителем 9, АЦП-ЦАП (10) и ноутбука с программным обеспечением Zetlab 11. Принципиальная схема размещения датчиков и фото станка-стенда и приведены на рис. 1 и 2 соответственно. Для уменьшения шума и выделения полезного сигнала датчик на электромеханическом преобразователе (ЭМП) Д14 и АЦП заземлили в одной точке, разделили идущий на АЦП сигнал с помощью дополнительного сопротивления так, чтобы его интегральный уровень не превышал допустимый. Входное сопротивление усилителя Zet 410 изменили на 5МОм в отличие от стандартного 100 кОм.
Были использованы миниатюрные акселерометры - пьезоэлектрические вибропреобразователи ДН4-1М и Д14. В таблице 1 представлены их характеристики.
Рис. 1. Схема станка стенда для УМФ
Таблица 1
Характеристики пьезоэлектрических виброизмерительных преобразователей Д-14
1. Рабочий диапазон частот, Гц 2. Действительное значение коэффициента преобразования вибропреобразователя на частоте 1000 Гц, мВ*с2*м-1 3. Электрическое сопротивление изоляции в нормальных условиях (от +15 до +25ОС), ГОм, не менее 4. Электрическая емкость вибропреобразователя с кабелем, пФ 5. Неравномерность частотной характеристики в диапазоне частот, от 1000 до 8000 Гц относительно уровня выходного сигнала на частоте 1000 Гц, не более, в диапазоне частот от 8000 до 10000 Гц, не более, 6. Относительный коэффициент поперечного преобразования, не более, % 7. Нелинейность амплитудной характеристики до 1200 м/с2, не более, % 8. Габаритные размеры, мм 9. Масса, не более, кг до 10000 2 ± 0,3 1 от 1100 до 1700 ±10 ±15 10 10 23x16 0,015
ДН-4-М1
1. Рабочий диапазон частот, Гц до 12 600
2. Действительное значение коэффициента преобразования вибро- 1±0 06
преобразователя на частоте 160 Гц, мВ*с2*м-1
3. Относительный коэффициент поперечного преобразования, % 4
4. Средний срок службы, не менее, лет 10
5. Габаритные размеры, мм 20x20x14
6. Масса, не более, кг 0,013
7. Рабочий диапазон температур, ОС -30...+70
Таблица 2
Характеристики Zet410I и Zet2102 АЦП
Аналоговый вход (АЦП)
Количество входов 16 синфазных / 8
дифференциальных
Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам до 500 кГц
Количество разрядов АЦП 16
Максимальное входное напряжение/ток ± 7 В
Входное сопротивление * 2 кОм
Динамический диапазон 84 дБ
Максимальная неравномерность АЧХ в частотном диапазоне 10 1 ттК
Гц...200 кГц 1 ДО
Защита входов при включенном питании ± 30 В
Защита входов при выключенном питании ± 30 В
Межканальное проникновение - 72 дБ
Входная емкость 20 пФ
Аналоговый выход (ЦАП)
Количество выходов 2 синфазных
Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам до 500 кГц
1 http://www.zetms.ru/catalog/adc_dacs/tda.php
2 http://www. zetms. ги/ catalog/adc_dacs/adc_sigmausb. php
Максимальное выходное напряжение ± 2,5 В
Количество разрядов ЦАП 16
Цифровой вход/выход
Количество бит на вход/выход 14 бит
FIFO-буфер 16 кслов
Тип логики ТТЪ
Усилитель
Вход / питание датчиков
Количество входных каналов 2 дифференциальных
Частотный диапазон при КУ = 1, 10, 100 до 80 кГц
Частотный диапазон при КУ = 1000 до 18 кГц
Максимальная скорость нарастания выходного сигнала 1,2 В/мкс
Максимальное входное напряжение ± 10 В
Входное сопротивление 100 кОм
Входной ток 3 нА
Входная емкость 7 пФ
Спектральная плотность шумов 15 нВ/Гц1/2
Межканальное проникновение - 72 дБ
Коэффициент усиления 1, 10, 100, 1000
Гальваническая развязка входных каналов
Выход
Количество выходных каналов 2
Выходное напряжение ± 7 В
Выходной ток до 10 мА
Таблица 3
Характеристики ДОФ
Наименование параметра Значение по ТУ
Диапазон измерений, об/мин 0-10 000
Погрешность измерений, об/мин ±1
Напряжение питания, В 12±20%
Диапазон рабочих температур, °С от +5 до +70
Размеры, мм 75х35х20
Масса, г 50
Для регистрации оборотов фрезы использовали фотодиодный датчик оборотов (ДОФ), предназначенный для измерения частоты вращения валов. Он обеспечивает преобразование измеряемого параметра в импульсный выходной сигнал за один оборот вала. Работает по отраженному световому сигналу в инфракрасном диапазоне. Рабочее расстояние до вращающегося вала составляет 20-50 мм. Его характеристики приведены в табл. 3.
Усилитель Zet410 обеспечил соединение Д14 и ДН4-М1 с АЦП Zet210, который, в свою очередь, обеспечил ввод сигнала в виде цифровых данных в память ноутбука для их дальнейшей обработки с помощью фильтров пакета Zetlab. Характеристики АЦП приведены в табл. 2. Модуль ZET 210 предназначен для измерений параметров сигналов в широком частотном диапазоне (с частотой дискретизации до 500 кГц), поступающих с различных первичных преобразователей. Для расширения функцио-
Рис. 3. Схема колебательной системы при гравировании
нальных возможностей измерительного прибора ZET 210, универсализации и увеличения номенклатуры подключаемых датчиков используется предварительный усилитель ZET 410 [2]. К усилителю можно подключать как пассивные (резистивные) датчики, так и датчики на интегральных микросхемах (миниатюрные акселерометры, датчики
магнитного и электрического полей и т.д.). Коэффициенты усиления - фиксированные (1, 10, 100 или 1000) - выбираются при помощи микро-переключателей, расположенных на лицевой панели усилителя.
Базовое ПО Zetlab с модулем регистрации и воспроизведения сигналов позволило не только записать, но и в дальнейшем обработать сигналы: профильтровать их с помощью программного фильтра высоких и низких частот, адаптивного фильтра 50 Гц. Путем первого и второго интегрирования из сигнала виброускорения получены виброскорости и виброперемещения.
На собранном станке-стенде проводились измерения виброускорения ЭМП, фиксация момента удара инструмента о заготовку, отслеживание числа оборотов фрезы с последующим нахождением скорости и ускорения инструмента. Это необходимо для проверки математической модели гравирования, в которой инструмент представлен колебательной системой с одной степенью свободы, характеризующейся приведенной массой, суммарной жесткостью и коэффициентом демпфирования (рис. 3).
Переходная характеристика колебательного звена ^0 рассматривается на 3 этапах: 1) прохождение технологического зазора под действием электромагнитной силы (вынужденные колебания), 2) внедрение в материал также под действием электромагнитной силы (причем здесь существенно меняется приведенная жесткость системы), 3) возврат инструмента в исходное положение за счет пружины при однокатушечном исполнении ЭМП (свободные колебания) [3].
В теории автоматического регулирования уравнение динамического (любого) звена второго порядка записывается в виде (2):
При корнях, когда аI2 < 4 а0а2, звено второго порядка называется колебательным.
Первая форма записи этого звена
(3)
Вторая форма записи этого звена
Хвых + 2С ®0 Хвых + ®0 Хвых = ®0 кХвъ (4)
где Т = V(a2 / а0 ) - постоянная времени, С = а\ / 2л1 (а2а0) - относительный коэффициент затухания, к = Ь0 / а0 — коэффициент усиления звена, га0 = 1/Т = = У( а0 / а2 ) -частота собственных колебаний звена [1/сек].
Для механической системы [4] вводятся следующие обозначения: а2 = т,
а1 = г, а0 = с, Ь0 = 1, к = Ь0 / а0 = 1/ с , Т = V (т/ с), ю0 = V (с / т), 2С Т =
= г/ с, С = г / 2V (т с).
вых
(4)
Примем обозначение (оригинал) единичного ступенчатого воздействия -хвх (?) = 1(?), а обозначение реакции звена (оригинал) на это воздействие -
Для автоматического регулирования для моделирования в среде Mathcad воспользуемся формулой (3), записанной в виде (5):
Решение уравнения (10) - переходная характеристика (функция) колебательного звена, т.е. системы «долбяк (якорь) - пружина - катушка» (рис. 4).
Математическая модель была получена в MathCAD на основе графического решения дифференциальных уравнений с коэффициентами, меняющимися в зависимости от этапа процесса и характера колебаний. За исходные были приняты параметры: £ = 0,2, т = 5• 10-3 кг, с = 103 кг/м, А = 2,5-10-4 м, Ай =
= 1 • 10-4 м (рис. 4)
Из осциллограмм, полученных при УМФ на станке-стенде при помощи ПО Zet-1аЬ, коэффициенты дифференциального уравнения были уточнены. Для упругой
Хвых (0 й(0.
Т й"(0 + 2 С Т й(0 + й(0 = к,
(5)
где Т = \fml~c , к = 1 / С; \ - коэффициент затухания (демпфирования).
0
0.02
0.04
\
Рис. 4. Прохождение зазора, внедрение, возврат якоря ЭМП и его провисание
системы ЭМП получены: m ~ 2,6-10-2 кг, с ~ 103 кг/м, Т~ 1,4-10-3 с,
£ ~ 0,5. Отметим, что процесс гравирования идет под воздействием силовой импульсной последовательности реализуемой ЭМП. Причем импульсы имеют скважность 2, а частоту 70-100 Гц (настраивается в ПО Grave, управляющим работой гравировального станка). В ходе измерений были сняты осциллограммы и на их основе получены графики скорости и перемещения инструмента (рис. 5). Гравирование проводилось при следующих параметрах программы Grave, управляющей гравировальным станком: амплитудный режим, частота 70,5 Гц, скорость строчной подачи 1039 м/мин, амплитуда 0,5 на черном цвете и 2,3 - на белом, шаг 0,25 мм. Из анализа показаний ДОФ и рассмотрения лунок полученных методом УМФ под микроскопом доказано, что формула (6) определения необходимого числа оборотов фрезы для получения полно-профильной лунки [1] верна:
N = (r /Sz) tg(a/2) + 1/b или N = Ah/Sz + 1/b, (6)
где r - радиус лунки, a - угол при вершине фрезы, b - число режущих кромок, Sz -подача по оси Z.
0 001 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 ПГ
1 = 0.000053 с Сигнал ДН-4-М1 = 0.318 д
0 001 002 003 004 005 006 0.07 006 009
Рис. 5. Примеры осциллограмм, полученные в ПО 1ейаЬ
т
0 t = 0 03810? 005 С Ф 0.1 3 Сигнал ДН^ 015 ШІ = 2.Í 02 52830 мм/с 025 0.3 035 04
Л Ifl » \ і* А iHU
м ■ . Пі I ! А ... ,.„,А Ш[ I
Ч і , г
V и і V V I ТПТП
0 OOS 0.1 0.1S 0.2 0.25 t = 0.038108 с Ф2 Сигнал ДНЧ-М1 = -0.05137076601 мм 0.3 0.36 04
**'1|
, «ем- \ф ч
Меньше 1 оборота 1, 5 оборота
Рис. 6. Внешний вид лунок при различном количестве оборотов
Действительно, полтора оборота для двухперовой фрезы достаточно, чтобы получить адекватные лунки на примере УМФ черного мрамора (рис. 6).
Из фрагмента осциллограммы (рис. 7) видно, что в момент касания заготовки характеристика перемещения не изменяется, в то время как скорость совершает скачок. Вообще скачки на осциллограммах объясняются наличием шумов. Станок - сложная динамическая система и в процессе гравирования УМФ совершается вращение инструмента и его удары о материал, перемещения каретки по строке и столбцу, что создает массу помех. Частично они остаются даже после программной фильтрации сигнала. Из фрагмента видно, что скорость в момент удара не является максимальной. Однако это исправляется корректировкой зазора (его уменьшением). После подъема, долбяк совершает свободные затухающие колебания, не докасаясь до заготовки - наблюдается явление его проседания.
Рис. 7. Характер перемещения и скорости якоря ЭМП Помимо использования (инструмента): 1 - якорь в верхней точке; 1-2 - участок станка-стенда процесс технологического зазора; 2 - момент касания заготовки; 2-3 гравирования был смодели - участок внедрения заданную на глубину лунки; 3-4 - подъем якоря ЭМП 337
60 40 20 0 С 0 с -10 100 0 -100 -200 0.5 1 0 -0.5 У Лд Виброускорение ЭМП
У' (.( V Ск ■I У в V Дар в оро И сть N 0.09 0.1 0.11 Фиксация момента удара - - "
0.09 0.1 0.11 инструмента
V 1е \ 8 эем 0.0Э 0.1 0.11 эние инструмента
\ /4 \ Технологический зазор
\ 0.0 и 5 Заготовка 0.09 0.1 0.11
Рис. 8. Моделирование на вибростенде
рован на электродинамическом вибростенде ВС-133.
На вход системы была дана импульсная последовательность с частотой 100 Гц, амплитудой 0,1 мм и скважностью 2. Были получены следующие осциллограммы, показывающие характер виброускорения, виброскорости и виброперемещения (рис. 8). Видно, что a = 0 м/с , v = 0 м/с, h = max; a = -max м/с , v = max м/с, h = 0 м.
Итак, при исследовании движения долбяка с помощью вибродатчиков и датчика оборотов были получены значения массы якоря, жесткости, коэффициента демпфирования. Это позволило уточнить параметры математической модели и провести ее
коррекцию. Модель необходима для дальнейших расчетов режимов гравирования и УМФ.
Подтверждена формула для вычисления необходимого числа оборотов фрезы, обеспечивающего лунку с ровным контуром.
Вибропреобразователь, установленный на ЭМП, имею малу массу и удобное резьбовое крепление не нарушает работу ЭМП, а ДОФ позволяет бесконтактно измерять обороты. Все это позволяет не нарушить динамику механизма гравировального станка и повысить точность измерения его параметров.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Миков И.Н., Морозов В.И. Технология движения долбяка. - М.: ГИАБ № 4 2006. - С.
автоматизированного гравирования художест- 247-252
веннх изображений.- М.:2007. - 346 с.:ил. 4. Красовский А.А., Поспелов Г.С., Осно-
2. сайт www.zetlab.ru. вы автоматики технической кибернетики. -М.:,
3. Миков И.Н., Осипова Л.П., Стефанва Изд. ВВИА имени проф. Н.Е. Жуковского,
H.H. Моделирование прямого и обратного 1961. ЕШ
— Коротко об авторах
Миков И.Н. - доктор технических наук, профессор кафедры Технологии художественной обработки материалов,
Ивлева Л.П. - аспирант кафедры Технологии художественной обработки материалов Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
Фейзханов У. Ф. - директор ЗАО «ЭТМС», г. Зеленоград, etm-s@mail.ru
