Повышение производительности и качества автоматизированного гравирования на растровых станках с ЧПУ

Актуальность работы. Одной из новых технологий является компьютерное станочное гравирование плоских художественных изделий на поверхностях хрупких материалов, таких как металл, камень, керамика, стекло, и т. д. При этом, изготавливаются копии рисунков на гравюрах, ювелирных украшениях, орнаментах, матрицах и мемориальных плитах. Обязательным условием является обеспечение факсимильности изображения.

Проведённые работы показали, что художественные образы должны воспроизводиться гравированием заготовки на факсимильно-гравировальных станках, оснащенных компьютерными устройствами числового программного управления (CNC).

Характерными особенностями этих станков являются высокая производительность и высокое качество (в том числе факсимильность) гравирования.

Если учесть, что потребность строительной индустрии в перечисленных выше изделиях составляет около 4,5 млн. долларов США в год, то становится очевидной экономическая значимость проблемы и, как следствие, актуальность работы, направленной на её решение.

Художественные образы воспроизводятся растровым гравированием заготовки на факсимильно-копировальных станках, оснащенных компьютерными устройствами числового программного управления. Исходное изображение сканируется и превращается в памяти компьютера в массив пикселей (первичная дискретизация). В дальнейшем, эти пиксели при растрировании превращаются в токовую импульсную последовательность, учитывающую оптическую плотность точек изображения (вторичная дискретизация). Значения токовых импульсов автоматически устанавливаются системой управления с учётом скорости строчной подачи и превращаются в силовые ударные импульсы посредством электромеханического преобразователя, который своим инструментом наносит на изделие лунки при построчном проходе всей обрабатываемой поверхности в автоматическом цикле.

Шаг растрирования, с учётом скорости подачи по строке, задаётся периодом повторения силовых ударных импульсов и, в общем случае, он может соответствовать нескольким дискретам шага строчной подачи. При этом, частота строчной шаговой подачи (скорость) должна быть регулируемой и обеспечивать прохождение необходимого числа шагов по строке за время одного максимального периода растрирования.

Поверхность гравюры содержит 50 — 60% тёмных полутонов. Таким образом, при регулировании частоты строчной шаговой подачи многократное увеличение её при редких растровых силовых ударных импульсах) происходит резкое (не менее чем в 2-а раза) уменьшение времени гравирования. При этом, величина интегральной оптической плотности не изменяется, т.к. остаётся постоянной дискрета шага строчной подачи .

Кроме того, используемый однокатушечный преобразователь реализует вынужденные колебания — силовые ударные импульсы (от электромагнита) и свободные колебания — возврат долбяка в исходное состояние (от пружины). Его функционирование определяется амплитудно — частотными характеристиками узла катушки, магнитной и механической систем. При этом, вынужденные колебания для системы управления являются регулируемыми, а свободные, включая время переходного процесса — не регулируемыми. Это приводит к тому, что с ростом частоты, если не принимать мер, амплитуда свободных колебаний становится меньше амплитуды регулируемых вынужденных и якорь-долбяк «проседает», а технологический зазор между остриём долбяка и поверхностью заготовки уменьшается. В свою очередь, энергия импульса удара, определяемая величиной электромагнитного усилия, его длительностью и величиной технологического зазора также уменьшается. Для того чтобы исключить влияние частоты на величину энергии импульса в рабочем диапазоне, необходимо принудительно регулировать величины технологического зазора, электромагнитного усилия и его длительности. Эти меры приводят к увеличению рабочего диапазона частот электромеханического преобразователя на 20−30% и повышению на эту величину качества гравирования.

Далее, для разрушения при гравировании материала заготовки с высоким значением критической энергии (например, обсидиана или яшмы) требуется создание такого технологического режима, при котором даже при минимальном внедрении создаётся высокая величина энергии (при соблюдении заданного значения интегральной оптической плотности). Такой технологический режим обеспечивается при компьютерном растрировании и расширяет область гравируемых хрупких материалов .

Актуальность работы состоит в том, что при технологическом процессе станочного компьютерного гравирования, для обеспечения: 1. повышения производительности- 2. качества гравирования- 3. расширения области гравируемых хрупких материалов необходимо обеспечить следующее:

1. Автоматическое регулирование величины скорости строчной подачи.

2. Автоматическое регулирование величины технологического зазора.

3. Создание технологического режима компьютерного растрирования.

Цель и задачи работы.

Целью работы является:

1. Повышение производительности и качества при факсимильном растровом механическом гравировании полутоновых изображений на плоских поверхностях материалов за счёт учёта и коррекции динамических характеристик станка.

2. Расширение области машинного гравирования материалов с высоким значением критической энергии посредством компьютерного растрирования и регулирования величины технологического зазора.

Для выполнения поставленной цели требуется решение следующих задач.

1. Разработка математических закономерностей, обеспечивающих теоретическое обоснование деформирования материала микродолблением посредством пропорционального электромеханического преобразователя ЭМП, включая математическое моделирование энергетических передаточных характеристик материала и моделирование узлов ЭМП в динамике.

2. Создание математических закономерностей и программного пакета, обеспечивающих повышение производительности при высоком качестве растрового гравирования материалов применением двух моделей: а) при контроллерном растрировании — программным вычислением шага растрирования, б) при компьютерном растрировании — программным введением оптического «зерна» .

3. Создание автоматической системы регулирования технологического зазора посредством следящей головки и математической модели, позволяющей определить необходимую для создания заданной величины кинетической энергии величину технологического зазора.

Научные положения, разработанные лично диссертантом.

1. Математические закономерности, обеспечивающие теоретическое обоснование деформирования материала микро долблением посредством пропорционального электромеханического преобразователя, представленные графически в виде семейства номограмм и обеспечивающие определение усреднённой величины стабилизированного технологического зазора, необходимого для создания заданной величины кинетической энергии при амплитудно-временном регулировании силового импульса.

2. Принципы растрирования, включающие применение двух моделей: а) при контроллерном растрировании — программное вычисление шага растрирования, обеспечивающее высокое качество при частичной потере производительности, б) при компьютерном растрировании — программное введение оптического «зерна», обеспечивающее при высокой производительности частичное снижение качества.

3. Математические закономерности, представленные графически в виде семейства номограмм, обеспечивающие оптимизацию диапазона величин регулируемого технологического зазора, необходимого для создания заданной величины кинетической энергии при амплитудно-временном регулировании силового импульса и устанавливаемого автоматически посредством следящей головки.

Научная новизна.

• Дано теоретическое обоснование влияния технологического зазора, амплитуды и длительности токового импульса на амплитудное значение ударного импульса.

• Предложена математическая модель для определения глубин амплитудно-частотной модуляции и строчной скорости.

• Предложен технологический метод гравировки для материалов с высоким значением критической энергии путём введения компьютерного растрирования, позволяющий наносить изображение растровым способом на поверхность этих материалов.

Практическое значение работы заключается:

• В разработке технологии компьютерного растрирования для факсимильного гравирования поверхности материала с высоким значением критической энергии;

• В изготовлении и опытной эксплуатации серии следящих растровых головок, оснащённых приводом подач «винт-гайка» и однокатушечными пропорциональными электромеханическими преобразователями.

Реализация выводов и рекомендации работы.

Разработан в диссертации метод компьютерного растрирования, позволяющий гравировать материалы с высоким критическим значением энергии, созданы конструкции следящих растровых головок и с их применением конструкция факсимильно — копировального станка, которая прошла опытную эксплуатацию. Результатом работы является дальнейшее развитие станка модели «Полутон» (ТУ N 3816−001−9 804 102−97, дата его введения 01.05.1998 г., дата регистрации 05.11.1997 г., регистр. N 200X016463.

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. МГГУ, Научный симпозиум, &bdquo-Неделя горняка" в 2003 г. — 2007 г,.

2. Universitatea din Petrosani, Lucrarile Stiintifice ale Simpozionului International, Петрошане, Румыния, 2003 г.

3. Advanced Manufacturing Technologies. University of Rousse «Angel Kanchev» Proceedings. Rousse. Bulgaria. 2005.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ (статьи).

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложенных на 106 листах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 4 таблицы, библиографический список использованной литературы из 96 наименований.

4.7 Выводы.

1. Время прямого хода якоря управляемо и зависит от: 1) амплитудного значения тока управления- 2) длительности импульса тока управления и длины хода якоря.

2. Время обратного хода якоря целиком определяется только параметрами ЭМП: массой якоря с долбяком и коэффициентом жёсткости пружины, а время «провала» в токовом импульсе должно обеспечить возврат якоря в исходное положение.

3. Технологический зазор определяет при заданной величине силового воздействия на якорь электромеханического преобразователя величину кинетической энергии долбяка^, которая, в свою очередь, определяет глубину внедрения его в материал и, в конечном счёте, величину интегральной оптической плотности.

4. Величина технологического зазора должна быть строго регламентирована. При колебаниях уровня обрабатываемой поверхности выдерживаться постоянной посредством следящей системы.

5. Следящая система должна быть электронной, т.к. в этом случае резко повышается точность слежения за постоянством зазора, возникает возможность определения градиента кривизны и коррекции его сигнала, а также его целенаправленного изменения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в создании автоматических компьютерных регуляторов в факсимильно-гравировальных станках, целенаправленно задающих скорость подачи и устанавливающих величину технологического зазора, обеспечивающих получение необходимой оптической плотности изображения при повышении производительности и качества растрового гравирования.

Основные научные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработанный метод, включающий математическую модель, описывающую работу пропорционального однокатушечного электромеханического преобразователя, позволяет системе управления задавать оптимальную скорость строчной подачи при сохранении оптической плотности, позволяет повысить производительность растрового гравирования в 1,5. .2 раза.

2. Установленные зависимости формирования длительностей силового импульса и величины технологического зазора при растровой гравировке материалов позволяют поднять качество художественного изображения.

3. Разработанный технологический метод гравировки для материалов с высоким значением критической энергии путём введения компьютерного растрирования (вторичная дискретизация видеосигнала), позволяет наносить полутоновое художественное изображение на поверхность твёрдого материала посредством силовых ударных импульсов большой амплитуды.

4. Созданная следящая гравировальная головка, состоящая из следящего привода и датчика, обеспечивает стабилизацию технологического зазора между остриём долбяка и поверхностью заготовки, и, тем самым, обеспечивает заданную амплитуду импульсного удара.