CC BY
30
СЕМИНАР 14 ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА
::::: МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
Ю.А. Павлов, И.Н. Миков,
В.И. Дроздов, 2000
УДК 679.8:681.3:622 ...............
Ю.А. Павлов, И.Н. Миков, В.И. Дроздов
КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХУДОЖЕСТВЕННОГО ГРАВИРОВАНИЯ ОБЛИЦОВОЧНЫХ И ПОДЕЛОЧНЫХ КАМНЕЙ
Д
ля эффективного использования минеральных ресурсов России и стран СНГ требуется ускоренное развитие станкостроительной и инструментальной подотрасли в структуре отечественного камнеобрабатывающего комплекса. В настоящее время на предприятиях прецизионного машиностроения созданы принципиально новые технологии промышленного изготовления декоративно-
художественных изделий из природного камня, керамики, стекла и металлов. Одним из перспективных технологических направлений развития художественных производств является автоматизированное машинное гравирование плоских и объемных изделий. Обработка основана на сканирующем методе копирования полутоновых или штриховых изображений и их воспроизведения посредством дискретных способов разрушения поверхностного слоя в материале изделия с помощью виброударных инструментов. Таким образом возможно нанесение любых графических образов (рисунков, гравюр, орнаментов, текстов) на поверхности изделий промышлен-
Рис.1. Схема электромеханической виброударной головки и результаты ее моделирования: а - расчетная динамическая модель; б - статическая характеристика регулятора тока; в - АЧХ; г - ФЧХ
ного, декоративно-художественного и бытового назначения: клише, матрицы, штампы, пресс-формы, предметы
мемориальные плиты, элементы декора и украшения.
Художественные образы точно воспроизводятся на специальных факсимильных копировально-
гравировальных станках, оснащенных барабанными фотокопирами или компьютерными устройствами числового программного управления (ЧПУ). Исходное изображение сканируется и одновременно наносится на изделие при построчном проходе всей обрабатываемой поверхности в автоматическом цикле. В зависимости от оптической плотности оригинала регулируется импульсное воздействие на обрабатываемый материал (час-тота и амплитуда осевых колебаний инструмента) в каждой дискретно заданной точке, а также шаг между строками.
Для удаления стружки из образуемой на поверхности лунки инструмент может совершать дополнительное вращательное движение. На станках с ЧПУ создание и редактирование художественных образов изделий производится методами компьютерной графики с последующим автоматическим формированием управляющих программ для их обработки.
Характерными особенностями автоматических копировально-
гравировальных станков, отличающими их от известных моделей гравировально-фрезерных станков, являются:
1) Использование растрового метода формообразования, позволяющего получить высокое качество гравирования полутоновых изображений (рисунков, портретов, фотографий);
2) Возможность применения нескольких технологических способов механообработки с дискретным воздействием виброударными инструментами (долбяками, сверлами, кернами), а также с использованием немеханических методов импульсной обработки (электро-искровых, ультразвуковых, лазерных);
3) Изготовление различных модификаций станков (по требованиям заказчиков) с высокой степенью унификации узлов при агрегатномодульном принципе конструирования;
4) Высокий уровень автоматизации процессов обработки и дизайнерской и инженерной подготовки производства изделий за счет использования современных компьютерных технологий.
На рис. 1 показаны принципиальная схема, упрощенная физическая модель электромеханической виброударной головки, а также ее статическая и динамические характеристики при частотнотоковом регулировании колебаний рабочего органа.
Электромеханическая виброудар-ная головка состоит из корпуса 1 и внутреннего магнитопровода 2, в воздушном зазоре которого помещена рамка 3 с управляющими обмотками. Рамка жестко соединена со штоком 4, который с помощью плоских пружин 5 подвешен вдоль центральной оси отверстия корпуса. В нижней части штока закрепляется инструмент. Замкнутый внутри корпуса магнитный поток создается с помощью катушки 6, питаемой постоянным током.
Динамическая модель подвижной части электромеханической виброголовки упрощенно можно представить в виде одномассовой упруго-диссипативной системы (рис. 1,а). Уравнение движения штока с инструментом имеет следующий вид:
d2h ^ ^
m------= F - F (1)
Л2 р с ’
здесь: ш - масса штока с инструментом; h - осевое перемещение штока; Fp - движущая сила; Fc - сила сопротивления.
Движущая сила Fр может быть выражена следующим образом:
Fp=k1ФAi, (2)
где kl - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции; Ф - магнитный поток в зазоре; Ai=il - i2 - разность токов в обмотках управляющей катушки. Значение этой силы определяется статической характеристикой электромагнитной системы (рис. 1,б). Пренебрегая индуктивностью обмоток, для управляющей цепи справедливо уравнение:
dh
U=RЛi+к2Ф—, dt
(3)
где и - напряжение управления, изменяющееся по гармоническому закону: и=и0 smQt, где П - круговая частота; Я
- суммарное сопротивление цепи управляющих обмоток; к2 - коэффициент пропорциональности.
Для силы сопротивления уравнение может быть записано в виде:
Fc=cAh+b — , dt
(4)
где с - коэффициент, характери-
зующий упругие свойства подвижной системы
(жест-кость пружин); Ah - текущее осевое смещение штока относительно положения равновесия: Ак=Ь-Ь0, где h0 - начальное положение штока; Ь - коэффициент, характеризующий потери энергии на вязкое трение в направляющих штока и в демпфере.
Решая совместно уравнения (1)-(4), после преобразований получим:
+ 2%ю0 — + а2Ак = ШвтQt, (5)
dt2 0 dt 0 0
где £= Ь/2шт0 - безразмерный коэффициент затухания колебаний;
юо= С - собственная круговая час-V ш
тота колебательной системы; k = к1Ф
тЯ
параметр, характеризующий
быстродействие электромагнитного преобразователя.
Решение данного дифференциального уравнения можно записать в виде:
h=ho+ЛhmaxSm(Qt-ф), (6)
здесь: Лгтах=А(О^0 - наибольшая амплитуда колебаний штока относительно положения равновесия; ср=ф(О)+ф0 - фаза колебаний, где А(О) - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) колебательной системы; ср(О) - фазо-частотная характеристика (ФЧХ).
Частотные характеристики системы определяются в данном случае следующими уравнениями
1
А( П) =
уі(1 -Л2)2 + 4%2Л2 2^
(7)
1 -л2
(8)
где г =0/ю0; £,=Ь/2шю0.
Из графиков АЧХ и ФЧХ (см. рис. 1,а и 1,б) следует, что при коэффициенте затухания £,, находящемся в диа-
пазоне от 0,5 до 2, можно осуществлять частотное регулирование практически с линейным законом изменения характеристик.
Схема процесса гравирования фотографического изображения при использовании растрового метода формообразования на станке с виброударным инструментом приведена на рис. 2.
Разрешающая способность растрового метода гравирования определяется количеством пикселей (физически создаваемых точек) N на единичной площади (в компьютерной графике это квадратный дюйм), зависящем от дискретности перемещения D и шага Р между строками: N=DP/645 1/дюйм2. Особенностью
виброударного способа обработки является переменное значение размера пикселя, связанного с изменением диаметра d получаемой на поверхности лунки. При конусообразной форме рабочей части инструмента (долбяка) с увеличением глубины Ь обработки, возрастает и диаметр d лунки, а следовательно минимальная дискретность и шаг между строками. Поэтому, чем больше глубина гравировки, тем меньше пикселей поместится на квадратном дюйме, то есть тем ниже разрешение при воспроизведении изображения. Высокое качество гравирования достигается таким способом при выкрашивании поверхностного слоя материала изделия ост-розаточенным инструментом при малых величинах дискретности D, строчности Р и очень небольшом диапазоне изменения глубины Ь (обычно до 0,5 мм), получаемом за счет регулирования тока в катушке электромагнитного вибратора. Наибольшей разрешающей способностью обладают немеханические способы гравирования, например, с помощью сфокусированного импульсного лазерного луча.
Рис. 2. Получение растровой полутоновой репродукцириа 3. Растровый способ копировально-гравировальном станке: Е - скорость сканирующей подачи, мм/мин; Р - шаг строки, мм; D - дискретность
задания трехмерных поверхностей
мещения, мм; d - диаметр лунки (переменный), мм; Ь - глубина обработки (переменная), мм; $- частота колебаний виброударного инструмента (переменная), Гц; п - частота вращения инструмента (дополнительное движение), 1/мин; Б - поверхность обрабатываемого изделия; В - рабочая зона при обработке (площадь сканирования).
Оптическая плотность исходного монохромного изображения определяется процентным соотношением М черного цвета в каждом пикселе. Обычно компьютерные системы различают 256 полутонов (белому цвету соответствует значение М=0, а черному -М=256; серые полутона характеризуются значениями 1 <М <255 . В гравировальном станке с виброударным инструментом передача световых полутонов связана с переменным микропрофилем обработанной поверхности, получаемым за счет изменения не только глубины Ь, но и скорости рабочего перемещения Е, а также шага Р между строками. В свою очередь, скорость сканирования зависит от дискретности перемещения D и частоты / вибратора: F=60Df, мм/мин. Таким образом, количество передаваемых при гравировании полутонов определяется качеством частотнотокового регулирования виброударной головкой с инструментом, а также скоростью сканирующей подачи (или значением дискретности) и шагом строки при сканировании, выбор которых должен осуществляться автоматически в зависимости от текущего значения оптической плотности воспроизводимого изображения. Регулируемые параметры в значительной степени зависят от свойств обрабатываемого материала (твердости, структуры, цветности). Поэтому необходима индивидуальная их настройка для каждого изделия. Сложность программной реализации многопараметрического оптимального регулирования процессом гравирования с адаптивной настройкой параметров в зависимости от свойств обрабатываемого материала потребовала ограничения функциональных связей в характеристике М светопередачи изображения. В частности, обычно задается постоянная дискретность D и строч-ность Р, исходя из требуемой разрешающей способности N. Поэтому в существующих копировально-
гравировальных станках количество передаваемых полутонов ограничено
10-12. Оно определяется обычно экспериментально при гравировании тестового монохромного спектра и подсчета различимых градаций серого цвета на изделии.
Основной технико-эконо-мической характеристикой копировально-
гравировальных станков является производительность формообразования: Q=FP, мм2/мин, которая обычно является одним из критериев (наряду с N и М) выбора параметров регулирования процессом обработки.
Недостатком растрового метода формообразования является большая емкость оперативной памяти ЧПУ, необходимая для хранения графической информации (до нескольких десятков мегабайт для высококачественных рисунков, сделанных с помощью сканера с высокой разрешающей способностью). К другим недостаткам этого метода относится ухудшение качества изображений при масштабировании. Поэтому целесообразно комбинировать растровый и векторный методы формообразования, которые совместно позволяют воспроизводить практически любые исходные изображения как полутоновые, так и графические или текстовые.
Векторное формообразование, основанное на репродукции исходного графического образа посредством его контурного воспроизведения, позволяет, в частности, осуществлять гравирование пространственных поверхностей растровым методом (рис. 3). Для этого поверхность задается с помощью векторных уравнений вида: г=г(иV), здесь и =и (I), v=v(t) - соответственно уравнения криволинейных образующей и направляющих линий этой поверхности, где t - произвольный параметр, в частности t=x,y или г. При дискретном изменении параметров иф и v(t), то есть при и=и1,и2,...,и^...,и„; У=У1, V2,...,Vj,...,Vш, создается семейство криволинейных координатных линий, представляющих собой пространственную сетку, в гауссовых координатах (и¡у^) которой возможно формирование пикселя по-
лутонового изображения. Исходное растровое изображение предварительно формируется в касательной плоскости к поверхности, а затем переносится на пространственный растр с помощью
уравнений преобразования координат:
(Ягг)пг2=0, где Я, - радиус-вектор точки касательной плоскости; г - радиус-вектор соответствующей точки на криволинейной поверхности; г1=ог/ои и г2=3•/&;> - векторы, касательные к линиям пространственной растровой сетки в этой же точке. Положение оси инструмента при обработке пространственных поверхностей определяется нормалью к касательной плоскости в заданной точке.
Радиус-вектор Яп точки, лежащей на нормали, определяется векторным уравнением следующего вида: Яп=г+Х(г1хг2), где г -радиус-вектор вершины инструмента; X
- коэффициент, определяющий направление орта нормали. Таким образом, для расширения возможностей копировально-гравировальных станков требуется увеличение количества управляемых координатных осей (от 3 до 5) и разработка программного обеспечения ЧПУ, ориентированного как на растровый, так и на векторный методы формообразования.
Система управления станками строится по многоуровневому принципу. На
Техническая характеристика копировал станков
с компьютерным управлением типа "П
Размер воспроизводимого изображения, мм:
- минимальный
- максимальный Наибольший размер заготовки, мм Масштаб воспроизводимого изображения Дискретность перемещения, мм Наибольшая глубина гравировки, мм Диапазон частот вибраций инструмента, Г ц Количество воспроизводимых полутонов Скорость сканирующей подачи, мм/мин Производительность формообразования, мм3/мин Потребляемая мощность (без компьютера), Вт Питание (напряжение и частота тока), В/Г ц Габариты станка, мм:
- длина х ширина х высота Габариты блока управления, мм:
- длина х ширина х высота Масса станка (с блоком управления), кг
Тип ПЭВМ
Тактовая частота процессора, МГц Объем оперативной памяти, Мб Объем жесткого диска, Мб Цена (без компьютера), У.Е.
нижнем уровне используются устройства комплектных электроприводов, осуществляющие автоматическое регулирование следящими или шаговыми электродвигателями подачи, частотнотоковый регулятор электромагнитного вибратора, а также двухзонный регулятор частоты вращения шпинделя (при векторном способе формообразования). В настоящее время данные регуляторы могут быть реализованы программными средствами на базе процессора контроллера.
Средний уровень осуществляет функции циклового управления испол-
нительными устройствами станка и реализуется программными средствами контроллера электроавтоматики.
На следующем
уровне выполняются задачи ЧПУ (формирование кодов управляющей программы, управление позиционированием, интерполяцией, заданием скорости вращения
шпинделя, коррекциями геометрических и технологических параметров и др.). Эти функции могут выполняться при помощи отдельного микропроцессорного устройства ЧПУ, либо при помощи дополнительных плат, устанавливаемых в программируемый контроллер.
На верхнем уровне находится ПЭВМ, с помощью которой осуществляется создание, редактирование и визуализация художественных образов изделий средствами компьютерной графики и дизайна, а также подготовка геометрических и технологических данных для ЧПУ. Ввод исходного изображения выполняется при помощи еган-
дартных внешних устройств ПЭВМ: сканером, электронным фотоаппаратом или видеокамерой. Введенное изображение обрабатывается с помощью графических, текстовых и технологических редакторов, входящих, например, в программные комплексы типа Photoshop, Corel Draw или др. Процесс их получения, редактирования и обработки имитируется на экране дисплея, после чего с помощью подсистемы "Гравировка" в составе программного комплекса Gemma 3D - 5D (для векторного метода формообразования), либо специальной программы управления процессом сканирования (для растрового метода формообразования) формируются данные для устройства ЧПУ. В настоящее время реализовано более 10 моделей копиро-вально-гравиро-вальных станков с ЧПУ, работающих растровым методом: типа "Полутон", "Рельеф" и "Гравер".
Станки отличаются конструктивными особенностями, комплектующими, структурой системы компьютерного управления и технологическим программным обеспечением функций ЧПУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гринберг А.Д., Гринберг С. Цифровые изображения: Практиче- 2. Рязанов Ю.А. Проектирование систем автоматического регу-
ское руководство / Пер. с англ;- Минск: ООО "Попурри", 1997. -400 лирования / 2-е издание. - М.: Машиностроение, 1967. - 359 с.
с.
Ґ-.
~7
Павлов Юрий Александрович - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Технология художественной обработки минералов», Московский государственный горный университет.
Миков Игорь Николаевич — ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, АО ЭНИМС.
Дроздов Владимир Иванович - кандидат технических наук, ЛНИИ ФТА.
У
