Повышение качества гравирования коррек цией частотных и настроечных параметров растрового станка с ЧПУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© И.Н. Миков, Н.Н. Стефанова, 2007

УДК 531.8

И.Н. Миков, Н.Н. Стефанова

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ГРАВИРОВАНИЯ КОРРЕКЦИЕЙ ЧАСТОТНЫХ И НАСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАСТРОВОГО СТАНКА С ЧПУ

Семинар № 24

Перенесение художественного изображения при гравировании в растровых станках осуществляется электромеханическим преобразователем ЭМП, который структурно состоит из инерционного (катушка), пропорционального (электромагнитная система) и колебательного (подвешенный на пружинах якорь с долбяком) звеньев, охваченных двумя петлями отрицательной обратной связи [1].

Классически в управляющем для ЭМП импульсе «1» и «0» равны по длительности. Эти импульсы образуют «пачку», внутри которой амплитуда, длительность и период повторения импульса остаются постоянными (рис. 1). При гравировке изображений это соответствует случаю, когда отдельные точки имеют одну и туже оптическую плотность вдоль изображения. Это бывает при гравировке надписей, контуров или изображений, с замененным полутоном на «зерно», когда величина пикселя постоянна.

Для придания долбяку кинетической энергии Шк пропорциональной амплитуде импульса тока управления 1ту, обеспечивающую заданную диагональ пробельного элемента, необходимо такое формирование амплитуды Рэм, чтобы возникающая при этом новая частотная характеристика обеспечивала бы неизменность коэффициента передачи на текущей частоте ю, т.е. величина Рэм> её длительность и длительность «провала» должны учитывать и величину пикселя решетчатой функции и частотные свойства механической части преобразователя.

При этом:

• «проседания » и «всплывания » якоря приводят к изменениям длины его хода и смещениям его среднего положения, которые приводят к искажениям скорости долбяка,

• для того чтобы отсутствовали «проседания » и «всплывания » якоря амплитуды и длительность «0» и «1» в импульсе силы должны быть достаточными для реализации прямого и обратного хода якоря.

На рис. 2 приведены графические зависимости откорректированных изменений тока 1у (а>) в катушке от час-

Рис. 1. Пачка управляющая импульсов напряжения, тока и электромагнитной силы для ЭМП

тоты, которые обеспечивают получение такого изменения усилия F (ш), которое, в свою очередь, обеспечивает независимость перемещения якоря от изменения частоты в этом диапазоне.

Проводимая персональным компьютером коррекция амплитуды импульса напряжения в этом случае, позволила частично устранить влияние частотных характеристик звеньев электромеханического преобразователя на импульс перемещения якоря с долбяком.

Однако, в обычном случае у полутонового изображения величина пикселя переменна и импульсы управления имеют вид «одиночных» (рис. 3 ), имеющих и переменную амплитуду и переменный период повторения.

Рис. 2. Откорректированная зависимость тока в катушке от частоты I (о), обеспечивающие независимость усилия якоря с долбяком F(o) = const от изменения частоты о (графическое представление)

Перемещение якоря с долбяком в по оси z во времени t при единичном силовом воздействии FBX описывается переходной характеристикой [2, с. 47], а её уравнение имеет вид z(t) =k ( 1 - e - r t /T * sin [( r*t /T) + v ], Уравнение обратного перемещения якоря запишется z(t) =k ( - e - ^ t - Tnp)/T* sin [( r*(t - тПр )

/T + v ],

где r = V(1- £,2 ), v = arctg (r/ Z) ,T =2nV (m/c) - постоянная времени, k = 1/c- коэффициент передачи, \ = 0,7-коэффициент затухания (демпфирования), с - жёсткость, m - масса, 3-время прямого перемещения якоря.

На рис. 4 линии 1...5 показывают реакцию колебательного звена на импульсы усилия в 0,02 и 0,05 кГ длительностью т имп пр = 0,08, 0,06, 0,02 и т ИМп обр= 0,1, 0,04 с. Кроме того, здесь же отображено математическое моделирование скорости движения якоря вниз (v пр ) и вверх (v обр) Сравнение кривых 1, 2 и 3 (рис. 4) показывает «проседание » долбяка из-за неправильного задания длительностей тпр и тобр. Так, если очередной импульс приходит ранее конца возврата долбяка в исходную точку

Рис. 3. Одиночная управляющая импульсная последовательность напряжения, тока и электромагнитной силы для ЭМП

0,04 с

амплитуды и длительности

тпр и Тобр Я0.02 кГ

импульса силы 3

Р 0.02 кГ 1

Р 0.015 кГ_ z, м >

2.5 40 5 2.25 40 5

----2 Ц0~5

Математическая п ■

1 .75 40 5

модель траектории і 154°

движения якоря 1 25 д0 5 шшз(„ ,) 1 ^

и вверх ( „ ^р»

7.5 40 6 5 Ч0~6

2.5 40~6

Математическая модель скорости движения яко[>я ) вниз (У пр ) и вверх (

0

V, м / с

5.140 4 4 .2 40~4 3.3 40~4 2 .4 40~4 1.5 40~4 ) 6 40 5

-3 40~5 -1.2 40 4 -2.1 40 4 -3 40~4

0,08 с

1 1 1 1 1 1 І, С

і і і і і і і 1

і ! і і і і і ! і і і і і і і *, С

і і

5 і і

їлг Ч ! 1 4 Фу і. і

11 « ♦ 2 Щ • 3 і

Iі \» д / ё ■ •

1 і ! я А 3 9 * 1

і « / пр

і і і \ Ш 4 обр

м • *

/ я Г-. *1 « ч

0.36 0.4 І, С

0.4

* 1

*

V

1

• 1 I ш

бр

0 0.028 0.056 0.084 0.11 0.14 0.17 0.2 0.22 0.25 0.28 І, С

0 і 0.28

Рис. 4. Математическая модель траектории движения якоря вниз (г пр) и вверх (г овр) при разных амплитудах Р и длительностях гпр и тобр импульса силы

Т

Т

0

0.24

0.28

0.32

(тПр = 3Гя =0,1 с, Тобр < 3Тя = 0,04 с ), то долбяк «проседает» ( кривая 3 ), другом случае, когда тпр < 3Тя = 0,06 с, тобр < 3Тя = 0,04 с то долбяк

«всплывает - проседает» ( кривая 4 ). В том случае, если импульс силы имеет уменьшенную длительность тпр < 3Тя = 0,02 с, тобр < 3Тя = 0,04 с , но его

V. м/c к

0 X 0.02

Т ГГП 2

Рис. 5. Скорость долбяка и комплексный график скорости на участках прохода технологического зазора и внедрения долбяка в заготовку

амплитуда увеличена Н5 имп = 2,5 Н1 имп, то резко возрастает скорость долбяка и уменьшается время прохода технологического зазора (траектория 5).

На этом же рисунке показаны скорости долбяка для траекторий 1 и 3.

Скорость долбяка при прямом перемещении является произ-

водной от перемещения 2(1). Она определяется уравнением V(г) = (—ку / гТ)е~*'Т (г cos{Zt / Т + у) — -£ вт(^г / Т + у)).

Скорость долбяка при возврате

Уо6р (г) = (-К / гТ)е‘—тпр)/т х

X {г сов(г(г — тпр /Т + у) -

-С$,т(к^ — тпр /Т + у) }.

Комплексный график скорости на участках прохода технологического зазора и внедрения долбяка в заготовку показан на рис. 5.

Получение необходимой энергии удара осуществляется путём регулирование конечной скорости якоря посредством задания амплитуды и длительности импульса напряжения

(тока) при усреднённой величине технологического зазора (без его регулирования, т.е. стабилизацией технологического зазора).

В основе этого метода лежит регулирование в процессе гравирования длительности и амплитуды силового импульса. Известно, что импульс усилия F эм определяется импульсом тока катушки SIK при всех остальных параметрах ЭМП = const

Зададимся областью. времени прохода долбяком технологического зазора. Пример приведён на рис. 6 В). Величина рабочего зазора Дн для выбранного решения должна быть строго постоянна в процессе работы электромеханического преобразователя. В работе [3, с.60], решение задачи стабилизации технологического зазора Дн проводилось посредством механической следящей головки

Из анализа рис. 2 следует, что время хода якоря t сраб ло достижения установившегося значения при разных усилиях остаётся одним и тем же. Классически время хода якоря t сраб = 3T.

Импульс силы F = 8 кГ Жимп = 00042 с для Ул= 0,125 м/(

Определение Идоительности амплитуд усилий с учётом времени прохода техноогического зазора

Импульс силы F = 4 кГ Жимп = 0,0043 с для Ул= 0,008 м/с

Импульс силы F = 3 кГ

^имп = 0,0078 с Для

Ул= 0,069 м/с д ’ Импульс

силы F = 2 кГ

Жимп = 0,0099с для

Ул= 0,046 м/с

Определение

технологического

амплитуд усилий с учётом времени прохода техноогического зазора

Задание области времени прохода техноогического зазора

Определение области ам^итуд усилий о 1 (

дая требуемой скорости прохода техноогического зазора с учётом ' времени прохода' техноогического зазора 011

>.00 1 9 80.0 0 2 9 70.0 0 3 9 60.0 0 4 9 50.0 0 5 9 4 0.0 0 6 9 30.0 0 7 9 2 0.0 0 8 9 1 0.0 0 99 I 0.0099

Рис. 6. Номограммы для задания длительности и амплитуды силового импульса с целью регулирования скорости долбяка в процессе долбления заготовки (для случая постоянства технологического зазора)

• Из анализа рис. 2 следует, что длина хода якоря для достижения установившегося значения - разная. Клас-

сически это объясняется тем, что сила воздействия должна быть уравновешена силой противодействия пружины Рэм = Рпр = С*г, где г - ход якоря.

• Из анализа рис. 5 следует, что величина скорости якоря первоначально возрастает, достигает максимума VH max (перегиб графика) и затем убывает до 0.

Длина хода якоря для достижения значения VH max - разная и должна быть такой, чтобы якорь смог разогнаться от 0 до необходимой скорости VH max. В нашем случае длина хода якоря - это технологический зазор Дн

Энергия разрушения, необходимая для получения долбяком в материале лунки необходимой глубины Q = Qk + Q3, определяется из переходных характеристик [3, с. 157] и создаётся кинетической энергией долбяка Wk = тя ^я2расчётная /2. Другими словами в момент касания поверхности материала долбяк должен иметь скорость

Vh расчётная.

В том случае, если достигается равеНство V расчётная = Vя max, т. е. д°Л-

бяк касается поверхности материала в момент перегиба графика (рис. 5) при выбранном Рэм, то длина хода

якоря (технологический зазор) выбран оптимально ( критерий оптимальности - минимально возможное Рэм текушее при установленном Дн для получения заданной скорости якоря

У я расчётная текушее ).

Такое решение задачи возможно при наличии следящей электромеханической системы, которая, имея датчик положения и двигатель, замкнутые петлёй обратной связи через программируемый контроллер (ПК со своим пакетом МО) обеспечивает регулирование технологического зазора Дн , в т.ч. его стабилизацию.

Рассмотренный случай соответствует гравированию длинного штриха ( а не отдельной точки ) одинаковой оптической плотности. В действительности, в основном имеет место взвесь пикселей разной величины, т.к. оптическая плотность изображения непрерывно произвольно изменяется. В этом случае проводимая коррекция (рис. 2) носит приближённый характер.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Миков И.Н., Малиновский А.К. Электромеханические преобразователи для станочного растрового гравирования минералов. М.: Горные машины и автоматика, № 11,2001

2. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.,Ё.: Госэнергоиздат, 1962. - 600 с.

3. Миков И.Н. Развитие теории, разработка технологии растрового динамического копирования изображений и создание гравировальных станков с ЧПУ, Диссертации на соискание учёной степени д. т.н. М.: ОАО « ЭНИМС», 2004. ЕЕЭ

— Коротко об авторах---------------------------------------------------------------

Миков И.Н. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет,

Стефанова Н.Н. - научный сотрудник, Софийский горно-геологический университет Св. Иван Рилски, Болгария.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 24 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.И. Морозов.