CC BY
36
2000
СЕМИНАР 23 : ,
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ 'НЕДЕЛЯ: ГОРНЯКА
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
И.Н. Миков, В.В. Девятков, .
В.И. Оганов, С.В. Федоров,
2000
УДК 679.8.05
И.Н. Миков, В.В. Девятко в, В.И. Оганов,
С.В. Федоров
ДВУХУРОВНЕВАЯ ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Ф
аксимильно-копироваль-ный станок предназначен для переноса изображения с фотооригинала на каменную полированную поверхность посредством долбежного резца [1]. Поступающие на рынок силовые плоттеры оснащены векторной системой управления [2]. Разработанная растровая трехкоординатная система управления расширяет технические возможности силовых плоттеров. Система управления факсимильно-копировальным оборудованием реализует компьютерную обработку изображений и управление станком от персонального компьютера [3].
Система состоит из двух частей: компьютера (РС) с программным обеспечением для ввода и обработки изображений и программируемого контроллера (ПК), обеспечивающего непосредственное управление факси-
мильно-копироваль-ным станком.
Оригинал изображения вводится посредством сканера в персональный компьютер. Возможна обработка и формирование изображений в программных продуктах других фирм. В программном обеспечении системы управления реализованы все необходимые функции для подготовки процесса вывода изображения и управления им. Система обладает развитым, интуитивно понятным пользовательским интерфейсом, позволяющим осуществлять необходимые настройки программируемого контроллера и параметров выводимого изображения.
Отредактированный массив построчно передается от персонального компьютера в программируемый контроллер, который формирует две импульсные и одну кодовую последовательность. Импульсные последовательности (ХД) поступают на кольцевые коммутаторы соответствующих шаговых двигателей, а кодовая по-
следовательность после ЦАП поступает на амплитудно-частотный преобразователь, подключенный через усилитель к обмоткам RL пропорционального электромеханического преобразователя, который развивает вдоль оси Z в зазоре А з усилие F, пропорциональное оптической плотности D1. При этом преодалевается зазорА н и формируется лунка.
Цифровая часть системы управления станком была реализована не на базе обыкновенно используемого в таких приложениях микроконтроллера, т.е. гибкой логики, а целиком выполнена на микросхеме программируемой логики фирмы ALTERA [4]. Фирма ALTERA является ведущим производителем программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Ее продукцию отличает низкая цена, доступность средств проектирования, а также преимущества в архитектуре по сравнению с аналогичными изделиями других производителей. В данной системе применена ПЛИС семейства MAX7000, выполненная по технологии с электрическим стиранием. Данная микросхема также обеспечивает защиту от несанкционированного копирования. Кроме того, имеется возможность перепрограммирования микросхем, установленных на плате, что делает возможным обновление версий аппаратно-программного обеспечения.
На программируемый контроллер возлагаются следующие функции (рис. 2):
^ Организация обмена данными с персональным компьютером через параллельный порт.
^ Запись данных в буферное ОЗУ и последующий вывод на цифроаналоговый преобразователь.
^ Управление шаговыми двигателями
^ Вывод напряжения с выхода ЦАПа на узел управления электромагнитом.
В ПЛИС семейства MAX7000 реализованы: блок сопряжения с параллельным портом, блок сопряжения с буферным ОЗУ ЦАП, блок формирования управляющих сигналов для шаговых двигателей. Буферное ОЗУ выполнено на микросхеме статической памяти и используется для хранения данных об изображении для одной строки, т.е. в системе используется построчная развертка. Применение такой буферизации обусловлено
особенностями сопряжения периферийных устройств с компьютером, работающим под управлением ОС Windows. Данные из ОЗУ поступают на 8-ми разрядный ЦАП. Напряжение с выхода ЦАПа подается на силовую часть управления электромагнитом. Блок управления шаговыми двигателями формирует управляющие сигналы для шаговых двигателей. Каждому двигателю соответствует программно доступный счетчик числа перемещений (шагов). Также программируется величина шага, определяющая расстояние между строками при развертке по кадру и частоту смены данных на ЦАП при развертке по строке. Внутренние регистры, счетчик, а также буферная память доступны не только на запись, но и на чтение, что обеспечивает гибкий программный контроль над системой управления и верификацию данных. Таким образом, на базе ПЛИС семейства МАХ7000 была разработана специализированная микросхема, реализующая функции управления факси-мильно-копи-ровальным станком.
Примененный подход к реализации систем управления периферийным оборудованием позволяет перенести выполнение наиболее сложных операций при выводе в управляющую программу на персональном компьютере, и интегрировать все элементы цифровой логики в программируемом контроллере в одно устройство. Результатом этого является возможность реализации развитого пользовательского интерфейса управляющей программы, легкость модификации системы, повышение надежности и ремонтопригодности системы за счет интеграции цифровой логики.
Программное обеспечение системы управления и подготовки изображений для факсимильно-копировального станка выполняет следующие функции:
• получение растра при выводе на печать через драйвер копира и из файлов в формате Windows ВМР (8 бит/пикел, черно-белое);
• сохранение файлов в формате Windows ВМР (8 бит/пикел, чернобелое) и в специальном формате рабочего файла с сохранением текущих настроек станка и позиции головки;
• выбор выводимого участка из растра и его масштабирование по отношению к рабочей поверхности (400*400мм) гравира. Вычисление яркости изображения в каждой точке
осуществляется интерполяцией по значениям пикселов растра.
Доступны следующие настройки:
• выбор фрагмента изображения и масштабирование выводимого фрагмента изображения;
• задание шага копира по горизонтали и вертикали, 0.1,0.2,0.3,0.4 мм;
• задание скорости передвижения копира по горизонтали, 600 и 1200 мм/мин.;
• настройка на используемый материал путем задания функции преобразования яркости пикселя в выходное напряжение по кривой, задаваемой 16 точками. Предусмотрена возможность редактирования пользователем.
Индикация:
• визуальная и цифровая индикация положения головки в режиме ручного управления;
• визуальная и цифровая индикация положения головки, визуальная индикация прогресса выполнения работы во время вывода изображения;
• возможность просмотра выводимого изображения с масштабированием в пределах 5-1000 %;
• отображение выбора фрагмента из изображения.
Программа управления использует в качестве входных данных файлы в формате Windows BMP. Для сопряжения с существующими программными пакетами обработки изображений, как растровыми, так и векторными (Adobe Photoshop, Corel Draw и т.д.), реализован еще один способ запуска программы управления выводом. При этом используется стандартная система печати Windows и вывод изображения на станок, как на обычный принтер. Драйвер принтера входит в состав системы и активизируется при запуске печати, формируя растр, который используется программой управления.
Для сохранения файлов используется пункт "Сохранить" меню "Файл". Возможно сохранение двух типов файлов - рабочих файлов с расширением GWD и файлов в формате Windows BMP, 8 бит/пиксель, чернобелое с расширением BMP. В рабочем файле сохраняется, помимо растра, информация о выбранном фрагменте, размере выводимого изображения на копире и настройки станка и материала.
Интерфейс программы управления реализован в виде трех страниц, на которых сгруппированы элементы
управления и отображения, соответствующие различным действиям при выводе на печать. Выбор страницы осуществляется нажатием на ярлык или выбором из меню "Страница’’.
Страница "Размещение" предназначена для выбора и масштабирования фрагмента изображения.
Выбор фрагмента осуществляется изменением параметров в группе "Выбор фрагмента". Для выбора всего изображения используется переключатель "Выбрать все", который включен по умолчанию. Для выбора фрагмента изображения его следует отключить. Поля "Слева", "Сверху", "Высота", "Ширина" служат для ввода координат фрагмента в отображаемом растре (в пикселях). Также возможен выбор с помощью мыши.
Масштабирование осуществляется изменением параметров в группе "Расположение на копире". В поле "Ширина" задается ширина выбранного фраг-мента изображения на копире в миллиметрах, в поле "Высота" задается его высота в миллиметрах. Ширина и высота ограничены максимальным размером участка вывода 400x400 мм. Переключатель "Сохранять пропорции" предназначен для обеспечения автоматического сохранения пропорций при изменении ширины или высоты.
Дополнительно в группу "Расположение на копире" включен переключатель "Ин-версная печать", предназначенный для обеспечения вывода выбранного фрагмента изображения в негативе. Страница "Станок" предназначена для задания настроек станка и выбора типа материала.
Настройки станка позволяют задать режим работы, наилучший по быстродействию и качеству вывода для конкретной задачи. Группа "Шаг по строке" задает шаг смены данных на АЦП из набора {0.1, 0.2, 0.3, 0.4 мм}, а группа "Шаг по кадру" задает шаг головки копира по кадру (от строки к строке) из набора {0.1, 0.2, 0.3, 0.4 мм}.
Несмотря на возможность смены шага, никаких изменений в пропорциях и размерах выводимого изображения при изменении шага не происходит. Программа всегда осуществляет автоматическое масштабирование выводимого фрагмента изображения исходя из требуемых размеров. При выводе используется билинейная ин-
З
терполяция, что позволяет избежать исчезновения мелких деталей и возникновения резких переходов яркости, которые приводят к резким изменениям режима колебаний головки и ухудшать качество вывода.
Группа "Качество" предназначена для выбора режима работы копира. Выбор "Нор-мальное" соответствует двунаправленному, выбор "Улучшенное" соответствует однонаправленному выводу.
На качество и скорость вывода влияют значения шага по кадру, скорости и качества. Скорость вывода прямоугольника высотой h мм и шириной w мм определяется приблизительно по формуле (данная формула не учитывает время вывода буфера данных в контроллер, определяемое быстродействием компьютера и время хода по кадру, которые составляют незначительную часть общего времени)
t=K*(h/s)*(w*60/v), с., где V - скорость, мм/мин; s - шаг по кадру, мм; К - константа, для нормального качества вывода равна 1, для улучшенного - 2. Время вывода квадрата площадью 1 см2 при наилучшем качестве вывода составляет 200 с, а при наибольшей скорости вывода 12,5 с, таким образом, станок пригоден как для вывода небольших изображений с высокой деталировкой, так и гравированию больших плоскостей. Для компенсации погрешности позиционирования головки на рабочих ходах по строке в разных направлениях предназначено поле "Коррекция". Как правило, используются положительные значения для компенсации люфтов, механических потерь. Сдвиг точек, поставленных на противоположных ходах, равен удвоенному значению в поле "Коррекция". Список
"Материал" предназначен для выбора типа материала. Для выбранного типа материала будет реализована приписанная ему характеристика преобразования яркости пикселе в управляющее выходное напряжение, управляющее схе-мой генерации колебаний головки копира. Программа управления поддерживает создание, редактирование и удаление характеристик. Редактирование осуществляется в диалоговом окне «Характеристика материала» (рис. 5). Функция преобразования яркости в управляющее напряжение задается по 16 точкам полутонового клина. Страница "Управление" предназначена для управления позиционированием головки, управления выводом изображения и их индикации.
Затененные переключатели "Автомат", "Ручное/непрерывно" и "Ручное/пошагово" отражают состояние переключателя режимов на станке. В зависимости от положения этого переключателя разрешается работа с рядом органов управления на этой странице.
В ручных режимах управления доступны переключатель "Перемещать маркер", кнопка "Установить в качестве нуля".
При включенном переключателе "Перемещать маркер" управляющие воздействия от кнопок на станке для перемещения головки копира в ручном режиме управления отслеживаются как перемещения по выводимому фрагменту изображения, что сопровождается соответствующей индикацией, при отключенном переключателе перемещения в ручном режиме не отслеживаются, положение маркера на индикации не меняется. Нажатие на кнопку «Установить в качестве нуля» связывает ле-
вый верхний угол выводимого фрагмента изображения с текущей позицией головки копира.
В режиме "Автомат" доступна кнопка "Пуск/Стоп" и дублирующие ее пункты меню "Работа", а также кнопка "Сменить направление вывода". Нажатие кнопки "Пуск" запускает вывод изображения, начиная с текущей строки в направлении, указываемом маркером на индикаторе. "Стоп" прерывает вывод. Кнопка "Сменить направление вывода" предназначена для смены направления движения по строке.
Индикатор "Позиция" отображает текущее положение головки относительно левого верхнего угла выводимого фрагмента изображения в десятых долях миллиметра.
Примерное сопоставление размера выводимого фрагмента изображения и его индикации осуществляется выбором из списка "Масштаб". Допускается ввод значений от 5 % до 1000 %. При выборе пункта "По размеру" используется все доступное место, чтобы отобразить фрагмент целиком.
Также предоставляется возможность проведения тарировки путем подачи на АЦП постоянного напряжения.
Требования к аппаратному обеспечению:
• РС-совместимый компьютер 486DX2/66 или лучше;
• операционная система -Windows95;
• графический адаптер VGA (режим 256 и более цветов);
• 8Мб оперативной памяти (рекомендуется не менее 16 Мб);
• 60Мб доступной памяти (включая виртуальную);
• мышь;
• параллельный порт СеПгошх.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Миков И.Н., Ицкович А.Ф., Маградзе О.Г. Устройсво для копирования изображений, ПАТЕНТ, N 2112661 от 10.06.98, Официальный бюллетень4’ Открытий и изобретений’’, N16, 1998 г.
2. The New Plotter/Cutter System From ZUND M-800, M-1200,
M-1600, Проспект фирмы, ZUND Systemtechnik AG, Swetzerland, 1998
г.
3. Миков И.Н., Морозов В.И., Павлов Ю.А. Технологические основы растрового механического копирования, М., Машиностроение, Автоматизация и новые технологии, N4, 2000 г.
4. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филлипов А.С. Обзор элементной базы фирмы ALTERA, Санкт - Петербург, 1997 г.
Миков Игорь Николаевич кандидаї технических наук, сі. научный соїрудник кафедры «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет.
Девятков Владимир Валентинович, Оганов Владимир Игоревич, Федоров Сергей Владимирович Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана..
у
