автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности растрового художественного гравирования на станках с ЧПУ

Введение

Содержание

Глава 1. Анализ теоретических положений растровой технологии и существующих технических средств, используемых для получения полутоновых художественных плоских изображений

1.1 Теоретические положения растровой технологии и показатели оценки качества художественных изображений, полученных станочным гравированием

1.2 Гравировальные машины

1.3 Компьютерные системы управления растровыми гравировальными машинами

1.4 Структура и классификация пропорциональных электромеханических преобразователей, математические модели га узлов и передаточные характеристики материала

Глава 2. Развитие теоретического обоснования регулирования кинетической энергии якоря ЭМП при деформирования материала долблением для факсимильного механического копирования

2.1. Формализация и использование математической модели для определения величины технологического зазора, необходимого для создания заданной величины кинетической энергии

2.2. Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой головки факсимильно - копировального станка

Глава 3. Технология повышенной производительности и качества растрового гравирования материала путём регулирования строчной подачи амплитудно-частотно промодулированных силовых ударных импульсов

3.1. Оптимизация определения шага растрирования и скорости строчной подачи, обеспечивающая повышение производительности и качества гравирования посредством использования математической модели

3.2 Технология компьютерного растрирования решетчатой функции видеосигнала

Глава 4. Разработка и создание однокатушечного электромеханического преобразователя для растрового формообразования, обеспечивающего повышение производительности и качества гравирования путём автоматического регулирования технологического зазора

4.1. Разработка и создание однокатушечного электромеханического преобразователя

4.2 Расчётные соотношения для определения статических характеристик электромеханического преобразователя

4.3 Создание следящей растровой головки факсимильно - копировального станка

4.4. Создание факсимильно-копировального станка и его опытная эксплуатация для решения задачи формирования художественных растровых изображений при гравировании материалов

4.4. 1 Структурная схема растрового технологического процесса

4.4. 2 Техническое описание электромеханического преобразователя ЭМП

4.4.3 Техническое описание растрового гравировального станка «ГРАФИКА ЗК»

4.5. Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой головки факсимильно - копировального станка

Актуальность работы. Одной из новых технологий, которая сегодня бурно развивается, является компьютерное станочное гравирование плоских художественных произведений на поверхностях твердых материалов, таких как металл, камень, керамика, стекло, и т.д.

На сегодняшний день известны несколько компаний, серийно выпускающих гравировальные станки (в России 3 и в странах СНГ - 4 компании).

Их характерными особенностями являются невысокая производительность и качество гравирования. Все эти станки относятся в лучшем случае к классу гравировальных полуавтоматов, и, по сути, являются двухкоорди-натными, а третья координата Z в лучшем случае представлена как пассивная механическая следящая система, т.е. третья координата не управляема. Точка контакта механической следящей головки с поверхностью заготовки подвергается быстрому износу, вследствие чего изменяется зазор между иглой и заготовкой, и тем самым теряется качество изображения.

Кроме того, электромеханические преобразователи (ЭМП), от работы которых сильно зависит качество и производительность изображения, применяемые на этих станках, далеки от совершенства, характеризуются низкой частотой и амплитудой удара. Все это в конечном итоге приводит к очень низкому качеству производимой продукции. Электромеханические преобразователи являются существенно нелинейными элементами автоматического регулирования, т.е. электромагнитное поле, возбуждаемое в этих преобразователях управляющими сигналами, зависит от изменения технологического зазора между иглой и поверхностью заготовки. Технологический зазор играет важнейшую роль в улучшении качества изображения. В существующих системах его выставляют вручную с помощью механического щупа, что существенно влияет на точность выставляемого зазора. Кроме того, при нанесении изображения на дорогостоящие изделия, такие как серебро, латунь, золото, поверхности которых тщательно полированы, при выставлении технологического зазора вручную на поверхности появляются царапины, что изначально делает продукцию непригодной для дальнейшей обработки. Что же касается гравировки на криволинейных поверхностях, то выставление зазора вручную фактически невозможно.

В связи с этим актуальной является разработка новых технологий гравирования, более совершенных ЭМП и активных электронных следящих систем с автоматическим поддержанием оптимального технологического зазора для повышения как производительности работы, так и качества продукции. Этим определяется актуальность диссертации для науки и практики.

Целью работы является: усовершенствование существующих и создание новых технологических способов получения качественных растровых гравюр, нашедших применение в строительной индустрии при отделке интерьеров и фасадов (в том числе при изготовлении панно, мозаик), рекламной индустрии, а также в создании трехкоординатного факсимильного гравировального станка-автомата, оснащенного компьютерным управлением; повышение качества и производительности при факсимильном растровом механическом гравировании художественных полутоновых изображений как на плоских, так и на криволинейных поверхностях материалов во всём диапазоне оптического полутонового клина видеосигнала; расширение области станочного растрового гравирования на материалах с высоким значением критической энергии. Научные положения, разработанные лично диссертантом.

1. Установлены закономерности зависимости кинетической энергии долбёжного инструмента от величин технологического зазора и ускорения якоря с использованием математического моделирования.

2. Разработана методология гравировки материалов с высоким значением критической энергии путём введения компьютерного растрирования, позволяющего наносить полутоновое изображение на поверхность мате

Ф риалов посредством силовых ударных импульсов большой амплитуды и, тем самым, расширяющего область гравируемых материалов. 3. Разработан принцип структурного построения следящей гравировальной головки, обеспечивающий регулирование технологического зазора между остриём долбёжного инструмента и поверхностью заготовки, и, тем самым, обеспечивающий задание кинетической энергии разрушения ударом с повышением качества гравирования. Научная новизна: дано теоретическое обоснование влияния технологического зазора, амплитуды и длительности токового импульса на амплитудное значение ударного импульса; предложен технологический метод гравировки для материалов с высоким значением критической энергии путём введения компьютерного растрирования, позволяющий наносить изображение растровым способом на поверхность этих материалов. 0

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. разработана технология компьютерного растрирования для факсимильного гравирования поверхности минерала с высоким значением критической энергии;

2. изготовлена и находится в опытной эксплуатации серия следящих головок, оснащённых приводом подач «винт-гайка», однокатушечными пропорциональными электромеханическими преобразователями и датчиками положения;

3. изготовлена и находится в опытной эксплуатации партия факсимильно-копировальных станков со следящими головками, защищённых патентами, прошедших регистрацию в Госстандарте и получивших сертификат безопасности.

Реализация работы в промышленности. ♦ Разработан метод компьютерного растрирования, позволяющий гравировать минералы с высоким критическим значением энергии, созданы конструкции следящих растровых головок с их применением в факсимильно - копировальных станках. Эти положения лежат в основе серийно изготавливаемых факсимильно - копировальных станков в НПФ «САУ-НО» (г. Москва, Россия).

4,4. Выводы

Полученное выражение зависимости величины электромагнитного усилия от величины тока носит нелинейный характер и его дальнейшие преобразования для задач.'динамического анализа и моделирования требуют линеаризации последнего.

2. Структурно электромеханический преобразователь в диапазоне частот 10-100 Гц может быть представлен тремя последовательно включёнными звеньями: катушки - инерционное, магнитопровод (электромагнитная система) - пропорциональное, якорь с подвеской - колебательное, охваченных двумя петлями обратных связей по изменению зазора. Математическим описанием этой структуры являются передаточные функции звеньев.

3. Конструктивно .одно электромеханические преобразователи состоят из электромагнитных вибраторов с подвеской, включающую возвратную пружину. Колебательная система в диапазоне частот 10-100 Гц близка к идеальной с отсутствием боковых частот и передачей сигнала силы без искажений.

4. 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 минерал и, в конечном счёте, величину интегральной оптической плотности.

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 плавного изменения.

6. Предлагаемая 2-х уровневая система управления факсимильно-гравировальным станком позволяет без технологического останова станка изменять любой технологический параметр.

114

Заключение

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в создании автоматических компьютерных регуляторов, целенаправленно задающих скорость подачи и 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. Проведён анализ и сделана классификация электромеханических преобразователей для факсимильного гравирования.

2. Теоретически выявлены и экспериментально подтверждены основные критерии улучшения качества художественного изображения при растровой гравировке материалов, а именно: пропорциональность энергии удара и оптической плотности изображения, автоматическое регулирование частоты, амплитуды и длительности силового импульса, а также величины технологического зазора.

3. Разработан технологический метод гравировки для материалов с высоким значением критической энергии путём введения «оптического зерна» при компьютерном растрировании (вторичная дискретизация видеосигнала, обеспечивающая перевод непрерывного сигнала в точечное), позволяющий наносить полутоновые художественные изображения посредством силовых ударных импульсов большой амплитуды по поверхности твёрдых материалов.

4. Определены соотношения: тока намагничивания (на линейном участке кривой намагничивания), амплитудного значения электромагнитного усилия (величиной ускорения якоря), пути разгона долбёжного инструмента (технологическим зазором между остриёгД долбёжного инструмента и поверхностью заготовки), позволяющие увеличить длину диапазона пропорционального режима работы электромагнита.

5. Разработан и изготовлен электромеханический преобразователь, совмещающий силовые, измерительные и логические функции, который позволяет определить момент его касания с поверхностью заготовки и, тем самым, обеспечивает обработку различных материалов (гранит, мрамор, стекло, керамика, золото, серебро и т.д.).

6. Разработана и создана система регулирования технологического зазора с подавлением помех, возникающих при динамических воздействиях на упругую систему станка, посредством автоматически перестраиваемого «заграждающего цифрового фильтра».

7. Создана следящая гравировальная головка, состоящая из электромагнита с подвешенным на пружине якорем, и системы регулирования, обеспечивающей создание необходимого электромагнитного усилия и регулирование (стабилизацию) технологического зазора и, тем самым, обеспечивающая заданную энергию импульсного удара, пропорциональную оптической плотности фрагмента изображения.

8. На основе исследований, проведенных в работе, создан и серийно выпускается трехкоординатный факсимильно-гравировальный станок-автомат «ГРАФИК ЗК». . 116

1. Абрамов B.B. Курс физики: Учебное пособие для вузов - 7-е изд., - М.: Высшая школа 2003.

2. Алексеев И.Н. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. Энергоатомиздат, с. 464.1990.

3. A.C. 142526 СССР. Электрогравировальная машина Рабинович А.Д., Духовный ИЛ., Александров И.Н. опубл. в Б.И., № 21,1961.

4. АС. 1534421 СССР. Копировальный станок "Одесское специальное конструкторское бюро полиграфического машиностроения", Турьянский В.Н., Гаврилина Г.Н., Вартанян АА, Шойхет И.Б., Середин В.М., Биндер А.И. опубл. в Б.И.,№ 1,1990.

5. Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. М., ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990,299 с.

6. Баранов Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. Компьютерные системы растрирования. М.:Мир2004.

7. Бесекерский В.А. , Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.:, Наука, 1972.

8. Вавилов A.A., Солодовников А.И, Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М: ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1963.

9. ЮГордон А. В., Сливинская АГ. Электромагниты постоянного тока. М.Л. Госэнершиздат, 1960.

10. Ефимов A.C. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении телевизионных изображений. М.: Техника кино и телевидения, №2,1977.

11. Копничев Л.Н, Алёшин В С.- Оконечные устройства документальной электросвязи. М.: Радио и связь, 1986, с. 286.

12. Грэсовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М. Д: Госэнергоиздат, 1962. с. 600.

13. Кузнецов Ю.В., Узилевский В А Электронное растрирование в полиграфии. М.:2003144с.

14. Кузнецов Ю.В., Узилевский В.А. Электронное растрирование в полиграфии.М.: КнигаДООЗ, 144с.

15. Лебедь Г.Г. Полиграфические системы автоматической обработки графической информации. Львов: Высшая школа, Гос. Университет, 1986, с. 132.

16. Материаловедение, под ред. Арзамасова В.Н., М.: Машиностроение, 1986.

17. Материаловедение, под ред. Арзамасова В.Н., М.: Машиностроение, 1986.

18. Миков ИД Морозов В.И., Магомедов Г.Х, Науменко ИА Оптические показатели качества художественных изображений полученных технологией станочного компьютерного гравирования. М.: "Горный журнал № 9, 2003,

19. Миков И.Н. Построение систем управления специальными станками и автоматическими линиями на основе программируемого контроллера РРС-606. Методическая разработка ИПК Минстанкопрома. М.: ВНИТЭМР, 1987,

20. 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.

21. Миков И.Н. Разработка и исследование комплекса устройств для динамических испытаний станков. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н., 1970.

22. Миков И.Н., Брейтер Б.З., Магомедов Г.Х. Математическое моделирование узлов электромеханического преобразователя при его импульсном функционировании.

23. Миков И.Н., Гамарник В.И., Дроздов В.И. Концепция структурного построения факсимильных станков ддя художественного гравирования минералов. В сб. научных трудов "Новые материалы и производственные технологии в сфере сервиса". М.: МГУС, 2000-109 с.

24. Миков И.Н., Гришин В.М. Структурное построение станков с ЧПУ для художественного гравирования материалов. Горный Информационно-Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ, № 7, 2004, с. 297.300.

25. Миков И.Н., Девятков В.В., Оганов В.И., Фёдоров C.B. Иерархическая двухуровневая цифровая цикловая система управления для факсимильно -копировальных станков. М.: Автоматизации и современные технологии. № 10, 2001.-с. 25.30.1. J ч

26. Миков И.Н., Загарий Г.И., ВеликовскийА.В., Добрянский В.М., Коновалов B.C., Мечникова Е.А. Математическое обеспечение программируемых командоаппаратов. М.: НИИМАШ, Вып.С-1,1983.- с. 55.

27. Миков И.Н., Кангин В.В Математическое моделирование динамических звеньев электромеханического преобразователя факсимильного гравировального станка. Прогрессивные технологии в машино и приборостроении. Материалы ВНТК. Н. Новгород: НГТК, 2003.

28. Миков И.Н., Кангин В.В Математическое моделирование динамических звеньев электромеханического преобразователя факсимильного гравировального станка. Прогрессивные технологии в машино и приборостроении. Материалы ВНТК. Н. Новгород: НГТК, 2003.

29. Миков И.Н., Кангин В.В. Программируемые контроллеры как элементы нижнего уровня в иерархических системах управления факсимильно-копировальными станками. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ, № 6, 2003.-е. 159.160.

30. Миков И.Н., Магомедов Г.Х., Громов А. Е Анализ рабочего цикла электромеханических преобразователей факсимильно-гравировальных станков. ИГЭУ, Международная НТК "И Бенардосовские чтения", том 2. Иваново: 2003.л <с. 134.

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

32. Миков И.Н., Морозов В.И., Павлов Ю.А., Технологические принципы факсимильного механического копирования. М.: Автоматизация и современные технологии, N5 , 2000. с. 18.23.

33. Миков И.Н., MopoioB В.И., Павлов Ю.А., Технологические принципы факсимильного механического копирования. М.: Автоматизация и современные технологии, N5 , 2000. с. 18.23.

34. Миков И.Н., Стефанова Н.С. Направление повышения эффективности работы факсимильно-гравировальных станков. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ, № 5, 2003. с. 144. 146.

35. Миков И.Н., Стефанова Н.С. Определение технологических параметров при растровом гравировании. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ,№ 10,2004. с. 307.310.

36. Миков И.Н., Магомедов Г.Х., Стефанова Н.С. Анализ временных составляющих рабочего и обратного перемещений якоря электромеханического преобразователя. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ, № 4,2005, с. 147.150.

37. Миков И.Н., Фридман Л.И. Управление автоматическими линиями с использованием программируемых средств. М.: Станки и инструмент, №3, 1979, -С.4.7.

38. Орловский Е.Л., Передача факсимильных изображений. М.: Связь, 1980, с. 213. 48.Патент Р.Ф. № 2058232. Устройство гравировки // Сухомленов Б.К., Шишкин С.А.,

39. Минскер Г.Е., Якуба А.И. опубл. в Б.И., № 11,1996. 49.Патент Р.Ф. №2089401. Способ получения изображения на твёрдом материале иустройство для осуществления способа // Ёлшин Ю.М. опубл. в Б.И., №25,1997.

40. Петров С.Л., Миков И.Н. Проектирование систем управления станками и автоматическими линиями на основе программируемых контроллеров ПК 32128.

41. Методическая разработка ИПК Минстанкопрома М.: ВНИТЭМР, 1987. с. 40.

42. Пономаренко С. Adobe Photoshop 9.0 в подлиннике. ВНУ- С.Петербург.: 2005. 416 с.

43. Проспект " Автоматизированный мобильный гравировальный комплекс КОЛИБРИ НПО Багус Универсал, г. Екатеринбург, М.: Нахимовский проспект, Международная выставка " «Экспокамень 2001",

44. Проспект " Комплекс ДИНА 025 ", НПО Багус Универсал, г. Екатеринбург, М.: Нахимовский проспект, Международная выставка " «Экспокамень - 2001", 2001.

45. Проспект "ЗВ фрезерная машина МОХ-500" фирмы Kolauil (Япония), М.: Сокольники, Международная выставка "Металлообработка 2000", 2000.

46. Проспект "Обрабатывающие центры с цифровым управлением для мрамора, гранита и стекла", Верона (Италия), Международная выставка " М08ТКА ШТЕККАЛОКАЬЕ В1МАКМ1, 2000.

47. Проспект "Фрезерно гравировальные станки" фирмы Cielle (Италия), М.: Сокольники, Международная выставка " «Металлообработка - 2000", 2004.

48. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. М.:"НЕДРА",1985.

49. Рабинович А.Д., Духовный И.Я., Полиграфические электронные гравировальные машины, М., Искусство ,2003г.

50. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: "НЕДРА",1978.1. J V

51. Сотсков Б.С. Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М., Л.: Энергия, 1965.

52. Справочник АО Сервистехника. Высокоточные ШВП М. ,2005.

53. Справочник Машиностроителя, т. 1 .М.: Изд. Машиностроение, 1960.

54. Справочник Спецификация Высокоточных ШВП. М.: 2003

55. Станок Гравировальный с ЧПУ мод. ЛФ250, Львовский завод фрезерных станков, ТУ2-024-0222274-262-89.

56. Струйные логические элементы и устройства автоматического управления технологическим оборудованием. Отраслевой каталог. М.: ВНИИТЭМР, 64с. 1998.

57. Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. М.: Энергия, 1970, с. 561.

58. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.

59. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1964.

60. Яковлев М.И. Компьютерное растрирование и обработка художественных изображений в программе Photoshop. M.: 2005

61. Basic Pneumatics. Ing.-Buro J.P. Hasebrink, d-78345 Moos, Eltertstr. 27, 1997.