автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение производительности и качества автоматизированного гравирования на растровых станках с ЧПУ

На правам •лкописи /

л п

СТЕФАНОВА НЕЛИ НИКОЛОВА 0030579Э9

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ГРАВИРОВАНИЯ НА РАСТРОВЫХ

СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05 03 01 Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВ ГОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г

003057999

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ)

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель Миков Игорь Николаевич Официальные доктор технических наук, старший научный оппоненты сотрудник Хлебалин Николай Федорович

кандидат технических наук, доцент Бурцев Валерий Михайлович

Ведущее предприятие

■ завод ОАО „СТАНКО АГРЕГАТ"

Защита состоится „ 22_" _мая_2007 года в I/ часов на заседании

диссертационного совета Д 212 203 16 в Российском университете дружбы народов по адресу Москва, Подольское шоссе, д 8/5, ауд lîS С диссертаций можно ознакомиться в библиотеке Российского университета дружбы народов (Москва, ул Миклухо-Маклая, д 6) Автореферат разослан Jt) " С 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент ! Соловьев В ^

1

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

Проведенные работы показали, что художественные образы должны воспроизводиться гравированием заготовки на факсимильно-I равировальных станках, оснащенных компьютерными устройствами числового программного управления (СЫС)

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 ее 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 учетом 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 учетом скорости подачи по строке, задается 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 % темных полутонов Таким образом, при регулировании частоты строчной шаговой подачи

(многократное увеличение ее 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 остается 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 амплтудно - 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 острием 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 повышение на эту величину качества гравирования

Дшгее, 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 создается 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 повышения производительности, качества гравирования и 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

Целью работы является

1 Повышение производительности и качества при факсимильном растровом механическом гравировании полутоновых изображений на плоских поверхностях материалов за счет учета 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 микро долблением посредством пропорционального электромеханическо1 о 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 усредненной 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 иовизна

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

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

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

Обоснованость и достоверность научных положений выводов и рекомендаций базируется на использовании теории растрирования, теории передачи факсимильных изображений, теории анализа и синтеза дискретных и цифровых систем автоматического регулиравания, теории колебаний, электромагнитной техники Промышленное использование факсимильно-копиравальных станков и цифровых систем управления для них потверждает результаты теоретических исследовании и экспериментальных разработок

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, оснащенных приводом подач "винт-гайка" и однокатушечными пропорциональными электромеханическими преобразователями

Реализация выводов и рекомендации работы На основании разработанного в диссертации метода компьютерного растрирования, позволяющего 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 3816-001-09804102-97, дата его введения 01 05 1998г, дата регистрации 05 11 1997г, регистр N 200\016463

1 Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях

1 МГГУ, „Неделя горняка" в 2003г - 2006г,

2 Umversitatea din Petrosani, Lucrarile Stuntifice ale Simpozionului International, Петрошане, Румыния, 2003 г

3 Advanced Manufacturing Technologies University of Rousse "Angel Kanchev" Proceedings Rousse Bulgaria 2005

Публикации. По теме работы опубликовано 10 печатных работы (статьи)

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, изложенных на 144 листах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 4 таблицы, библиографический список использованной литературы из 96 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы Вопросы растрового компьютерного станочного гравирования рассмотрены в работах Орловского Е. JI, Лебедя Г Г, Микова И Н, Морозова ВИВ этих работах описан принцип растрового гравирования, перенесение изображения на поверхность плоского материала, рассмотрены структура, динамика и устройство электромеханического преобразователя В работе сформулированы ее цели и задачи, ее основная идея и научные положения

В первой главе рассмотрено следующее На рис 1 представлена технологическая функциональная схема получения растрового факсимильного изображения на поверхности материала методом растрирования

Изображение (1), имеющее распределенную по поверхности оптическую плотность Д,р, вводится посредством сканера в память компьютера (2) и хранится в виде массива пикселей Далее этот массив построчно передается через порт компьютера в память программируемого контроллера (3) В контроллере (3) программно организован генератор (4), формирующий управляющую импульсную последовательность (5) с амплитудной Um - f{Ueuöe0) и частотной Т = f(UmiKO) модуляциями по

пикселю видеосигнала U mtko , где U m, Т - амплитудное значение и период следования импульсов на выходе генератора В этом случае в соответствии с программно-

элект ромеха н ич ее кий преобразователь ид»" 6

Г»Н I II ыи погмк

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ КОНТРОЛЛЕР

Им п ртьспий гсисрягт]!

ПК

4

( IМ11 1и Ч11 ПМ)| "|?1в1 V- Г.Ч1И11'

Ми

НЛ.и

■Л»:

■Ч ■ 4 кип*

ГКЖХфп

управляющая , импульсная последовательность ^ утэаилем«

Пспгиший« хпратсригпньа ямп.щ тутаы

1(ср*уит&1И*я »иряьтсрнстикя.

'|)|гн1м!ни

^ОПДННт»

КОМПЬЮТЕР РС

№рпус

\

импульсный У№<Р

Скоросгь 1-1 ро.....ж

* 1.Л,>0 ШЦ11111

МАТЕ РЙ АЛ

Период

-з-Ч

оптическая плотность орш НИЛ, ГА

игральная к ическа»

Инг«?

ОПТИ'

растрово!« изображения

тт^Ф* \

П лошадь

растрового

элемента

11, Ю1 падь пробельнш о

УЧЯС1КИ

растровое изображение

Рис. 1

Технологическая функциональная схема получения растрового факсимильного изображения переналаживаемыми передаточными характеристиками производится формирование последовательности импульсов напряжения (5), амплитуда и частота которых пропорциональны пикселю ц^ . Далее, управляющая импульсная последовательность (5) поступает на катушо электромеханического преобразователя (6), который своим долбяком

наносит на полированную поверхность материала лунки (7), площадью $ внутри площади растрового элемента <?3

Далее производится амплитудная и частотная модуляции при растрировании видеосигнала Определяется соотношение шага точек и глубины проникновения долбежного инструмента в заготовку

Величину, которая характеризует степень почернения отдельных участков изображения, называют оптической плотностью

Р

Основным параметром, однозначно оценивающим любую элементарную площадку изображения с координатами х, у на оригинале и репродукции является коэффициент отражения рх у

где - световой поток , падающий на границу раздела 2-х сред, р -световой поток, отраженный от границы раздела 2-х сред,

Рис 2

Дискретизация непрерывного сигнала с ограниченным частотным

спектром

Замена непрерывного полутонового изображения дискретизированным растровым возможна без ущерба для зрительного восприятия на основании теоремы Котельникова - Шеннона и показана на рис 2

Графическое представление зависимости необходимой энергии, приложенной к материалу, для создания заданной глубины воронки разрушения - передаточная характеристика, которая показана на рис 3 В диапазоне частот гравирования 10 100 Гц эти статические

характеристики практически не изменяются и процесс разрушения материала в этом диапазоне частот ведет себя как пропорциональное звено

31 Участок разрушения г

ЯУ материал /' Ц

и (

2J Участок упругих С / * и пластичных / * I

деформаций / i ,, материаяз бе® его / I / J рагрушения / t / 1

<ЯУ2

Ö

ПРУЖИНА

Рис 3

Энергетическая передаточная характеристика Q=f(z) при гравировании материала долбление,и для одиокатушечного преобразователя

Уравнение, которое определяет зависимость требуемой величины энергии разрушения материала Qp „,„ от задаваемой глубины воронки разрушения н

Н А Ва„ клт <2, ^ ~ <2^ —1—2—' ' ' ЗрЕг!

где Н- глубина воронки разрушения, Л\ - ширина лезвия инструмента, В - длина лезвия инструмента, к - коэффициент пластичности, а0 — предел прочности при объемном сжатии, ар _ предел прочности при растяжении, г)

- коэффициент эффективности для работы ядра уплотнения ЯУ, [I -коэффициент Пуассона, ¿"-модульупругости Юнга.

Структурная схема электромеханического преобразователя представлена на рис, 4. Структурно электромеханический преобразователь состоит из трёх звеньев: катушки - инерционное звено, электромагнитной системы - пропорциональное звено И якоря с пружиной - колебательное звено, охваченных двумя ветвями обратной связи.

ч—•

управляющая г ' импульсная последовательность

№

Щ

колебания якоря сдодйяюш

Рис. 4

Структурная схема однокатушечного электромеханического преобразователя.

Передаточная функция структурной схемы ЭМП описывается следующим уравнением:

ш -

где: 2 (р) - изображение выходного сигнала (перемещение якоря ЭМП); иг(р) - изображение входного сигнала (напряжение управления ЭМП);

(р) - передаточная функция катушки, ^»(р)- передаточная функция механической части, (р) - передаточная функция цепи обратной связи

в контуре электромагнитной силы, ^¿¡г,{р) - передаточная функция цепи

обратной связи в контуре тока, - передаточная функция якоря с

долбяком и подвеской. Проведённые исследования показали значительное влияние частоты в диапазоне 10... 100 Гц на параметры катушки (инерционное звено) и подвешенного на пружинах якоря с долбяком (колебательное звено

). Па рис. 5 приведены графические зависимости откорректированных входных параметров ЭМП (линия 3, изменение тока в катушке от частоты) при

выходном параметре (линия 1, изменение амплитуда колебаний от частоты

a z(cj)= const )

й», м 11 1<Г»

5,25 1D*4

0 25 10ч 6,875 10 4 5,5 10-" 4,125 Iff4 275 tO4

1 375 104

0

1 1 ' ' 1 /

0 > / 1 F~2 Н /•

• £=1еаШи/

/Л у/Г

-1 н V / /

=iooh«V 1

а

А

/'Г

4:

смао ню

Г=20 Н

, г.=)00 Н/м

1 у

N

js£il

F. Н

го

0 125 250 375 500 625 7SD S75 1000 Рис 5

Откорректированная зависимость тока в катушке от частоты I (со), обеспечивающая независимость перемещения якоря с долбякои Az (со) = const от изменения частоты со (графическое представление)

В целом растровый процесс гравирования художественных изображений структурно полностью определяется соединением частотных характеристик процесса резания долблением и частотных характеристик узлов станка, которые являются комплексом динамических передаточных характеристик, включающими в себя характеристики материала и частотные характеристики узлов станка

В главе 2 проведен анализ методом математического моделирования траектории движения якоря вниз (г пр ) и вверх ( г с6р ) при разных амплитудах Р и длительностях т ичп пр и т им„ обр импульса силы

Проводимая персональным компьютером коррекция амплитуды импульса напряжения, ранее позволила частично устранить влияние частотных характеристик звеньев электромеханического преобразователя на импульс перемещения якоря с долбяком (рис 5) Однако эта коррекция делается по «классическому сценарию», при условии, что пиксель видео сигнала одной и той же величины многократно последовательно

на микроучастке изображения). Этот случай соответствует гравированию длинного штриха (а не точки) одинаковой оптической плотности. В обычном случае у полутонового изображения величина пикселя переменна и импульсы управления имеют вид «одиночных». Рассмотрим коррекцию для этого случая.

Перемещение якоря с долбяком по оси г 80 времени } при одиночном единичном силовом воздействии описывается переходной

характеристикой, а её уравнение выглядит следующим образом

О ' I 0.-)

Рис. 61Графическое отображение траектории движения якоря вит

(г ^, ) и вверх (г овр) при разных амплитудах Г и длительностях т„р и Т„вр импульса силы, полученное математическим моделированием

z(0 =jfc (1 - e 'Г'/Тя * sm [(r*t/T„) + ],

Уравнение обратного перемещения якоря запишется

2(0 =к(-е-*'(,-тр)/Тя* sm [( r*(t - тпр) / Тя) + 4» ],

где км = 1/с - коэффициент передачи (усиления) механической части, Т, = V( т.л /с), ц- обобщенный коэффициент затухания (демпфирования), г = л'( 1-С2), \|/ = ore tg(r/Q, r„p - время прямого перемещения якоря

На рис 6 линии 1 5 показывают реакцию колебательного звена на импульсы усилия в 0,2 и 0,5 Н длительностью т ичп пр = 0,08, 0,06, 0,02 сит ичп обр= 0,1, 0,04 с Сравнение кривых 1, 2 и 3 показывает «проседание» долбяка из-за неправильного задания длительностей тпр и тобр Так, если очередной импульс приходит ранее конца возврата долбяка в исходную точку (тпр = 3 Т, =0,08 с, то6р < ЗГ„ = 0,04 с ), то долбяк «проседает» (кривая 4 ), другом случае, когда тпр < ЗГ„ = 0,06 с, тобр < ЗГЯ = 0,04 с то долбяк «всплывает - проседает» ( кривая 3 ). В том случае, если импульс силы имеет уменьшенную длительность тпр < 3 Гя= 0,02 с, -собр <ЗТ„= 0,04 с , но его амплитуда увеличена F5 иш, = 2,5 FI имп, то резко возрастает скорость долбяка и уменьшается время прохода технологического зазора (траектория 5)

Скорость долбяка v(t)=h'(t) является производной от перемещения z(t) , Она определяется уравнением

v,(0 = (-к/гТя) е <tn* ( г cos ( /7> у ) - Qsin ( С t/T„ + у )) Скорость долбяка при возврате

v(t) =(- к/гТх) е-£*('-тпР)/Тя{ r* cos(r*(t- тпр/Тя) + ц/)-$*sin(r*(t- TnpfTj + + ц,}

На рис 7 линии 1, 3 соответствуют этим же линиям по рис 6 Из рисунка следует, что скорость долбяка первоначально возрастает до V„ max, а затем спадает до V „ = 0 При этом путь долбяка (а это технологический зазор Д„) должен быть такой длины, чтобы в момент касания долбяком заготовки обеспечить V„ 1Г1Х Только при такой регулировке зазора Д„ можно обеспечить при заданном усилии F оптимальную по скорости якоря V, тах гравировку Если же технологический зазор А„ не достаточен по длине, то V, не достигает максимума (кривая 5, рис 6) Однако, при этом ускорение увеличено, время разюна уменьшено, необходимая скорость долбяка получена, но регулирование не оптимально, т к скорость долбяка не максимальная

Если же технологический зазор А„ по длине больше чем нужен, то V„ проходит максимум (рис 7 ), долбяк начинает тормозиться и в момент касания с заготовкой его скорость опять не максимальна

"3 10 -1 2 1 о' -2110 -3 10

0 028 0 056 0 084 О 1 1 0 14 0 17

0 22 0 25 0 28 t, С 0 28

Рис 7

Математическая модель скорости движения якоря вниз (Уг пр) и вверх

(Угобр)

Итак, крутизна кривой скорости ( ускорение ) колебательного звена (подпружиненный якорь с долбяком) регулируется амплитудой величины импульса силы а момент окончания этого нарастания - длительностью этого импульса х тп При этом, долбяк должен пройти технологический зазор Д„

Энергия разрушения, необходимая для получения долбяком в материале лунки необходимой глубины 0=(2к+()2, определяется из переходных характеристик (рис 3) и создается кинетической энергией долбяка расчет,,Д Другими словами в момент касания поверхности материала долбяк должен иметь скорость Уя расчеш В том случае, если достигается равенство Уя ра,чеп1н= УИ тах, т е долбяк касается поверхности материала в момент перегиба графика (рис 7) при выбранном /<:)Д(, то длина хода якоря (технологический зазор) выбрана оптимально (критерий оптимальности - минимально возможное ^ ^ ^ ^ при установленном

для получения заданной скорости якоря К, ) Такое решение

* 1 1 Я расчстнаятекупцс' *

задачи возможно при наличии следящей электромеханической системы, которая, имея датчик положения и двигатель, замкнутые петлей обратной связи через программируемый контроллер (ПК со своим пакетом МО)

обеспечивает регулирование технологического зазора ¿^ ц , в т.ч. его стабилизацию.

Рис. 8. Перемещение относительно оси 7.

1графике рис. 8 показана осциллограмма моментов касания долбяком поверхности обрабатываемой пластины, которые отображались в виде всплесков.

1 Ниже рассмотрен не оптимальный, но широко применяемый на практике, способ гравировки со стабилизированным значением технологического зазора Л„ .13 работе [Миков И.Н. Технология растрового факсимильного механического копирования изображений и гравировальные СД'С станки: Монография, М.:ИКФ «Катало!», 2004. - 140 е.] приводится диапазон скоростей долбяка при гравировании гранита V, шах „¡и - 0,21 ...0,0297 м/с (конечные скорости прохода

технологического зазора). приведённой работе, решение задачи стабилизации технологического зазора ди проводилось посредством механической с л од я щей головки, которая конструктивно проста, но позволила детерминировать зазор д "в среднем'1 для разных значений

Ниже приведена методика определения величины технологического зазора для этого случая.

: По номограмме рис. 9 А) найдём область времени прохода этого зазора и область амплитуд усилий р = 20... 150 ii для требуемых конечных скоростей прохода технологического зазора. При этом области времени прохода технологического зазора составит т д„ ж 0,0099... 0,002 с.

' По номограмме рис. 9 Б) найдём приближённое значение технологического зазора Дн = 2,69Л0~|,.3,0Л0^ м с учётом области времени прохода технологического зазора л дн,

Импульс ettnbiF- 80 Н

« 00042 о для VA- 0,136 ttfc

Í_

Имггульс силы р- 30 н

= 0,0078 о для V,-0.069 >*>

силыгон %.„ ■ О.ООЭЭс ДЛЯ 0,04^ М/с

В)

Опршслспнс

л1(итслъ нос"! и

ямп. iKi \л усилий F

с y^fiew «рсмгнн проходя 1аи«пгического ]яюра

Импульс силы F ■ 40 Н

= 0,0 043 с дли V,- 0,00В »л/с

011)№№>СМИ(Г Ч е» 1Ю.10ГИЧС с кого

j-u 'h ofuiaci h

н»ш.шгуя усилий

С v-tfitmt u6.i»ciii ь^ечеки

■ 1|н>хш|м

гех ifoftf нчсско! я «оора

г я1 «а 4 2 íffMO 4 ( ■»>' io 4 I -w'lo 4 1 И lr> я J1 lo 5 5 31 Ю"'

7.1 1 lO

i if<T

.гш iprOvcMbu cunpocTti

« KDIIlll' Г1|Н1Х»ЛЯ

ícmuj-IOI n'iti кет) iiuopd (»■(■слглсиис области h4luht)í| усилий

и премии f

приводи TCXHCi'ioi «•(cckoiv заюра

»Ú Ü(í297U.00J90tí (KM 950 UD¿*40 ОвйОЗО OOT9J0 OflíítO ÜOV"?

Рис. 9

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

Далее, для каждой скорости долбяка Уя ^^определим длительности .т л„ .для амплитуд усилий Р с учётом времени прохода долбяком технологического зазора. Пример приведён на рис. 9 В).

В момент касания с заготовкой приведённая жёсткость колебательного звена скачком изменяется на 1,5. ..2 порядка, при этом внедрение

инструмента должно составить г5(Х) =гДЬл = 0,1 мм Траектория изменении скорости инструмента показана на рис 10 V. м/с к

0 3Т

3[]0Г 1 0 27 1

0 24 : 0 21

V004(1)® 18 ■"■ 0 15

о 12 |

0 09

0 06 I ,0 03 0'

0'

1____ А--------- 1" —:— -----

1----ф

1 1 V > [ ------- ___1_ 1 — 1 1

/ '1 ---1 1 1 V * - - —---- ---------- I

. \л........... 1 ^^И ' ---

0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 0 014 0 016 0 018 0 02 ^С

I 0 02

Рис 10

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

Итак, рассмотрен метод получения необходимой энергии удара, путем регулирования конечной скорости якоря посредством задания амплитуды и длительности импульса напряжения (тока) при стабилизированной величине технологического зазора, т е без его регулирования Такое решение обеспечивает необходимую глубину регулирования, но не является оптимальным и имеет положительную и отрицательную стороны Положительной стороной является исключение непрерывной работы механизма подъема - опускания растровой головки Работа механизма ограничивается лишь стабилизацией технологического зазора, т е небольшими и редкими перемещениями

Отрицательной стороной является ограниченность диапазона действия этого метода Действительно, в этом случае регулирование энергии удара осуществляется величиной импульса тока (напряжения) Его наименьшее значение ограничивается нелинейностью нижней части кривой намагничивания, а наибольшее - наряду с нелинейностью верхней части кривой намагничивания, ограничениями по плотности тока в катушке ЭМП

В главе 3 рассматривается следущее Гравируемое изображение хранится в памяти персонального компьютера в виде массива пикселей Далее производится их амплитудная модуляция и эти дискреты напряжения последовательно передаются с частотой привода /|р„„ол на ЭМП При этом в области от белых до свегло-черных полутонов (диапазон малых и средних оптических плотностей) частотная модуляция организует т ~ т(т е частотная модуляция отсутствует) и каждый пиксель из массива после амплитудной модуляции отрабатывается на ЭМП Однако в области больших оптических плотностей (черные полутона), когда требуются малые внедрения долбяка, а они не могут быть реализованы из-за того, что величина внедрения не переходит критический рубеж

Рис 11

Определение величины растрового периода Трастр при постоянной скорости строчной подачи V., Для формирования необходимой оптической плотности требуется частотная модуляция При этой модуляция скачком увеличивается шаг

растрирования (2^, 3бтяй А5рлт(, ), что позволяет одновременно увеличить глубину внедрения долбяка (и выполнить требования по высокой оптической плотности) Однако при этом пропускаются промежуточные пиксели изображения Геометрия строки остается правильной, а оптика искажается

Алгоритм определения глубин амплитудной и частотной модуляций при формировании токового сигнала для формирования растрового силовою импульса, который применяется при контроллерном растрировании, показан на рис. 11

Использование этого алгоритма приводит для темных полутонов к тому, что для черных полутонов Т,„€тг чс.г,„„и растр белыХу а это приводит к дополнительным потерям времени при гравировании

Существуют материалы, например твердые минералы или стекло, которые имеют высокое значение критического внедрения д h (и, соответственно, высокие значения критической энергии) В этом случае,

малые значения глубин внедрения долбяка АЬд, которые возникают при гравировании фрагментов с высокими оптическими плотностями, будут просто не "восприняты" этим материалом, те для них нижний порог

А h д должен быть высоким Решением этого вопроса является повышение контрастности

изображения и, как следствие, повышение величины Д^д

Повышение уровня контрастности, создающее возможность гравирования слабых полутонов в диапазоне ¡у тш и и< , является

введение режима "изображение-установка-контраст" в пакете Photoshop, для, всего в целом изображения или его крупного фрагмента, что хорошо реализуется при штриховом (не полутоновом) задании портрета Однако следует иметь в виду, что при этом резко ухудшается качество изображения, т к вводится контрастность всего в целом изображения (рис 12)

Альтернативой служит введение контраста микрофрагмента растрирования - компьютерное растрирование, когда начальное полутоновое изображение преобразуется в точечное (аналог - мозаика) При этом диаметр точечного пятна (диаметр мозаики) регулируется таким большим, чтобы глубина внедрения долбяка (лунка как раз и необходима для формирования этого пятна) перешла в область деформаций пластичных или разрушения При этом не искажается конечная геометрия

изображения, микрофрашентная оптика изображения "загрублястся", ко конечная оптика не искажается.

Рис. 12

Влияние контраста изображения на его качество

На рис. 13 показано окно «Фильтры / Текстура / ЗЕРНО». Движок "Интенсивность" перемещается «право до тек нор, пока на белом поле изображения не покажутся точки. Движок "Контрастность" перемещается вправо до тех пор. тюка серый фон не станет белым. На этом же рисунке приведён пример гистограммы полученного изображения с зерном. I истограмма показывает ярко выраженный дискретный характер

Рис. 13

Процедура введения зерна в изображение.

Введение зерна в этом случае усилило разность величин отдельных преобразованных пикселей, образующих новую решетчатую функцию, в которой отражается контрастность не всего в целом изображения, а его отдельных фрагментов

При гравировании изображения на материале необходимо учитывать твердость материала, его зернистость и степень затупление инструмента Был создан математический пакет (Grave 1 «МАТЕРИАЛЫ»), который позволяет оператору вручную задавать глубины амплитудно-частотной модуляции Простейшим режимом является задание 2-х цветов «черный» и «белый» В этом случае на «белом» устанавливается амплитуда импульсного удара, ко горая полностью перекрывает шаг по оси х

Итак, созданы математические закономерности, обеспечивающие 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»

Г=

г

>

Z = Д„+ Дг

z,V V

Рис 14

Характеристики усилия, приложенного к якорю F=f(t) и перемещения якоря z =f(t)

В четвертой главе, на рис. 14 представлены рассматриваемые характеристики ^У^Где F0M - импульсная сила в ЭМП, z -

эм

перемещение якоря с долбяком вдоль оси z. К м/с *

1 ) 0.44

О Г1.21 МЛ Ч

Й

Зй -Ï

il> £ с

О «.01 0 02 003 0 041 0.051 0061 0.07 ] 0 WI 0ДО1 0.1 Оп1ншыюг HJK-MH ра:ш>ма Z» M 1 «копи -до^Ом к я 0,016 с ;

0 005

0.WBÎ

) 0.003 1 0.ÎIIÏ2 ï ' п .003

ада)

1 0,57

О OMIS ОМИ> HOiD4Û.O!PS ОМК о.оий

Опгнн*

Hkih|m -.],*., Оякл

Т=«о н

К & а

= (>0 I I [р=50 H = 40 H =30 11

= 20 H

Дпамя1он усилим,

К ИК1фК1

OiiiitMajibtntv время panoitii u6«k-:i 0,i)l(> с

Рис. 15

Номограммы скорости и пути перемещения долбяка для определения технологического зазора, амплитуд и длительностей импульса силы

2Î

Под действием силы Гт/ за время тпр] долбяк проходит путь ^/.-Д/ (точка 1), развивает скорость ПР (угол а]) и имеет в конце пути кинетическую энергию ¡V к , Обратное движение долбяка проходит в

режиме свободных колебаний за время Т„г,Р = -Щс по линии 2|0бди эта величина не зависит от отклонения г (точка 2) Увеличение кинетической энергии в этом случае возможно следующим образом

1 Увеличение амплитуды импульсного усилияч приводит к более крутому нарастанию перемещения (точка 3) за время г//й < г/;л, что

соответствует скорости У2 до (угол и увеличенной энергии Щ^) При этом используется участок характеристики пр Участок ,ь

исключен ограничением длительности импульса (задний фронт ? пр г)

2 Для получения еще большей энергии IVкз (точка 4, скорость ^зцр, угол а,) необходимо еще больше увеличить амплитуду импульса силы

FзЭМ>Р2Э„ при той асе длительности импульса и увеличить путь долбяка

(сделать технологический зазор 2 = +&)

Возвраг долбяка осуществляется пружиной по линиям Хг С6Р или 2з обр в ту же самую точку 5

Для задания необходимой скорости долбяка и оптимального регулирования управляющих воздействий наряду с заданием амплитуды и длительности импульса напряжения (тока) производится регулирование влияния технологического зазора У применяемого ЭМП постоянная времени якоря с долбяком при используемой пружине составит Тя = 0,014 с (/= 71 Гц ), при продолжительности «провала» импульса (рис 6) тимп 0бр - 3 Гя к 0,04 с, примем область продолжительности импульса силы тИмп,1р «(5 10)%*тич„обР ~ 0,002 0,004 с

На рис 15 показаны номограммы скорости и пути перемещения долбяка при различных амплитудах и длительностях импульса силы Для диапазона скоростей долбяка при гравировании V» тш .V, тш = 0,21 0,048 м/с ( скорости прохода технологического зазора ) по номограмме рис 15 1) найдем оптимальное время прохода технологического зазора ( (опт = 0,016 с) и область амплитуд усилий Р = 20 80 Н для требуемого диапазона скоростей

растровая головка

С.и' ттая сне к м а, иирспечинаиння* стабили ¿амн ю шчнчиии

; " {гол г н ч с с ко го 23 юрз 41 сто

Г+ регулированиг

П]ЧПОр111И11Х1ЫГМИ . ¿КИТ» рич« »141ЧСШИ»'

прсЦиадцгтсль

4

; I |]ьи I иш ' врогрмчносМклгсчпгяе

| кыисяонкпшупкф сл&жахй <исачч

■'ЬГ'ЭЙ*!

у | г.

Лп[Я1Жтм1у)с.1 О—^^ Прогтимкн мюь

Рис. 16

Структурный состав следящей системы управления 11о номограмме рис, 15 2) по оптимальному времени прохода технологического зазора и области амплитуд усилий найдём область значений технологического зазора Ли = 0,57...2.5 мм..

Таким образом, система управления: 1.ио глубине внедрения долбяка определяет- необходимую энергию (по переходным характеристикам); 2. затем скорость яолбяка; 3. затем амплитуду и длительность импульса напряжения; 4. затем технологический зазор.

Структурная схема следящей системы управления (ОСУ) для следящей 1ранирональной головки (СГГ) показана на рис, 16. Такая ССУ решает дне задачи

• или обеспечивает стабилизацию параметра при колебаниях плоскостности обрабатываемой поверхности,

• или обеспечивает регулируемое изменение параметра &н по командам ССУ.

Следящая Система Управления имеет 2-а режима, которые задаются с пульта управления:

• ручной (задание уставки величины тех! шло) ■и чес ко го зазора А„),

• автоматический (стабилизацию величины технологического зазора АИ при гравировке или его программное регулирование).

Рис. 17

Общий вид электромеханической следящей головки

I

На рис. 11 показано конструки-шное исполнение электромеханический следящей головки и ос размещение на станке.

Головка состоит из следующих узлов.

1. Двигатель по оси.?, 2.Муфта, 3. Шариковые направляющие, 4. Датчик уровня (используется при настройке), 5. Лапа датчика уровня, 6. Электромеханический преобразователь(ЭМП), 7. Инструмент(доябяк).

Следящая растровая головка управляется с клавиатуры пульта управлений. Ее основные отличи тельные особенности - автоматическое (от пульта) управление (подъем и опускание) и электронное слежение за кривизной поверхности.

Шаговый двигатель (поз.1) приводит и движение винт через передаточную муфту (иоз.2). Винт перемещает гайку в вертикальном тирявления по командам от пульта управления. Гайка , ла которой закреплен электромеханический преобразователь (поз.6), скользит но

направляющим (поз 3) Электромеханический преобразователь с гравировальным инструментом (поз 7) предназначен для нанесения ударов по поверхности заготовки с заданной частотой и силой Инструмент крепится на оси электромагнита с помощью цанги и фиксируется гайкой Отличительной особенностью электронной головки является датчик уровня (поз 4), закрепленный на корпусе электромеханического преобразователя Чувствительным элементом датчика служит лапа (поз 5), которая с помощью пружины упирается в поверхность заготовки

В режиме ручного управления от пульта головка перемещается вверх/вниз на величину рабочего хода координаты г, что позволяет настроиться на различную толщину заготовки

Итак, математическая модель электромеханического преобразователя позволяет определить, необходимую для создания заданной величины кинетической энергии, величину технологического зазора, устанавливаемого автоматически посредством следящей головки

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 з&юра, 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 путем введения компьютерного растрирования (вторичная дискретизация видеосигнала), позволяет

наносить полутоновое художественное изображение на поверхность твердого материала посредством силовых ударных импульсов большой амплитуды

4 Созданная следящая гравировальная головка, состоящая из следящего привода и датчика, обеспечивает стабилизацию и регулирование технологического зазора между острием долбяка и поверхностью заготовки, и, гсм самым, обеспечивают заданную амплитуду импульсного удара

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1 Миков И Н, Стефанова Н Направления повышения эффективности работы факсимильно-гравировальных станков Горный Информационно — Аналитический Бюллетень, М МГГУ, № 5,2003 - стр 144-146

2 Morozov V I, Mikov I N, Stefanova N N, Kondratenko V G Technology of artistic picturing by rastering method on ductile materials surfaces by embossing Mimsterul Educatiei, Cercetarn 51 Tineretului Umversitatea Din Pctro§ani LucraStuntifice ale Simpozionului International! UNIVERSITARIA ROPET 2003 Inginene mechanica 16-18 Octombrie 2003 Editura Universitas, Petro§ani Romania Pg 338-342.

3 Миков И H, Морозов В И, Стефанова И Определение Технологических параметров при растровом гравировании ГИАБ, М МГГУ, № 10, 2004 - стр 307-310

4 Миков И. Н, Стефанова Н , Магомедов Г X Анализ временных составляющих рабочего и обратного перемещений якоря электромеханического преобразователя ГИАБ, М МГ1У№5,2005

5 Миков И Н, Тедеев В Л, Стефанова II Н Моделирование растрирования при автоматизированном копировании художественных изображений на плоскую поверхность минералов М ВЕСТНИК Московского государственного университета печати № 5, 2005 - стр 8698

6 Mikov I N, Naumenko I А, Shemetov М G, Sehvanov V V, Stefanova N N Experimental Research in Cutting Forces at the Indenter Simultaneous Progressive and Rotary Motion at the Process of Metal Engraving University of Rousse "Angel Kanchev" Proceedings Volume 44, book 2 Advanced Manufacturing Technologies Rousse 2005 Pg 272-277

7 И H Миков, Л П Осипова, Н Н Стефанова Математическое моделирование прямого и обратного ударного перемещения режущего инструмента М МГГУ, ГИАБ №4 2006 -с 247 252

8 Стефанова II Н Начин за новишаване на качеството на полученото изображение при растерно гравиране на материали Геология и минерални ресурси, бр 9, 2006 г, стр 23-26, София

9 Миков И Н, Стефанова Н Н Повышение качества гравирования коррекцией частотных и настроечных параметров растрового станка с ЧПУ. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М МГГУ, № , 2007 (в печати )

10. Стефанова НИ Оптимизация величины технологического зазора и его регулирование посредством следящей системы при автоматизированном гравировании изображений Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М МГГУ, № 2007 (В печати)

Подписано в печать

Объем 1 п л Тираж 100 экз

Формат 60x90/16 Заказ №

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6

Введение

1. Глава 1. Анализ теоретических положений, технологий и технических средств для растровой станочной гравировки

1.1 Теоретические положения растровой технологии и технология гравировки твёрдых материалов

1.2 Энергетические передаточные характеристики материала, структура пропорционального ЭМП и его передаточная функция

1.3 Растровые гравировальные машины и компьютерные системы управления ими

1.4 Выводы

2. Глава 2. Теоретическое обоснование деформирования материала микро долблением посредством пропорционального электромеханического преобразователя

2.1 Теоретическое обоснование технологических этапов станочной растровой механической гравировки материала

2.2 Силовые передаточные характеристики материала

2.3 Математическое моделирование энергетических передаточных характеристик в динамике посредством пакетов MATHCAD, позволяющее при растрировании определить силу удара по материалу для заданной глубины внедрения

2.4 Математические модели узлов ЭМП

2.5 Получение необходимой энергии удара при усреднённой величине технологического зазора (без его регулирования)

2.6 Экспериментальные исследования усилий резания при поступательном перемещении индентора в процессе гравировании

2.7 Выводы

3. Глава 3. Технология растрового гравирования материала, обеспечивающая повышение производительности и качества путём регулирования строчной подачи

3.1 Амплитудная и частотная модуляция при растрировании

3.2 Создание метода для рационального определения шага растрирования и скорости строчной подачи

3.3 Технология растрового гравирования твёрдых материалов, использующая компьютерное растрирование решетчатой функции видеосигнала

3.4. Выводы

4. Глава 4. Разработка и создание следящей головки для растрового формообразования

4.1 Развитие математической модели электромеханического преобразователя, определяющей необходимую величину технологического зазора

4.2 Анализ цепи рабочего перемещения якоря

4.3 Анализ временных составляющих рабочего и обратного перемещений якоря

4.4 Получение необходимой энергии удара путём регулирования конечной скорости якоря посредством задания амплитуды и длительности импульса напряжения (тока) при регулируемой величине технологического зазора

4.5 Создание следящей растровой головки факсимильно -копировального станка

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

4.7 Выводы

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 3816-001-09804102-97, дата его введения 01.05.1998г., дата регистрации 05.11.1997г., регистр. N 200X016463.

Апробация работы

Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

1. МГГУ, Научный симпозиум, „Неделя горняка" в 2003г. - 2007г,

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

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.

1. Антипин М.В. Интегральная оценка качества телевизионного изображения. Л.: Наука, 1970.

2. Антонов А.П., Мелехин В.Ф., Филлипов А.С. Обзор элементной базы фирмы ALTERA. Санкт-Петербург ,1997.

3. А. С. 142526 СССР. Электрогравировальная машина // Рабинович А.Д., Духовный И.Я., Александров И.Н. опубл. в Б.И., № 21, 1961.

4. А. С. 1534421 СССР. Копировальный станок // " Одесское специальное конструкторское бюро полиграфического машиностроения Турьянский В.Н., Гаврилкина Г.Н., Вартанян А.А., 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. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. М.: Наука ,1987.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.:, Наука, 1972. 367 с.

8. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М.: ФИЗМАТГИЗ , 1987.

9. Бесекерский В.А., Цифровые автоматические системы. М.: Наука, 1978.

10. Бронштейн, И. Н. и др. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся втузов. Москва: Наука, 1986.

11. Велев, К. Д. Теория на автоматичното управление. София: Мартилен, 1993.

12. Генов, Т.А. и др. Програмируеми контролери. София: ЦС на НТС. 1984.

13. Глезер В.А., Цуккерман М.И. Информация и зрение. М.: АН СССР, 1961.

14. Грановский Г. И., Грановский В. Г. Резание металлов. М: Высшая школа. 1985. с. 25, табл 25, с. 303.

15. Гуляев В.А. Техническая диагностика управляющих систем. Киев: Наукова думка, 1983 230 с.

16. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.:" ФИЗМАТГИЗ'', 1963.-659 с.

17. Дроздов В.Н., Мирошник И.В., Струбский В.И. Системы автоматического управления с микро ЭВМ. Л.: Машиностроение ,1989

18. Дьяконов В. Mathcad 8/2000: Специальный справочник. СПб: Питер, 2001.-592 с.

19. Ефимов А.С. Контрастная чувствительность зрения при наблюдении телевизионных изображений. М.: Техника кино и телевидения, №2,1977.

20. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984.

21. И. Н. Миков, Л. П. Осипова, Н. Н. Стефанова. Математическое моделирование прямого и обратного ударного перемещения режущего инструмента. М.: МГТУ, ГИАБ № 4,2006. -с 247.252.

22. Кангин В.В., Сорокин В.М. Этапы синтеза иерархических систем управления технологическим оборудованием. Технология в машино и приборостроении на рубеже CCI века: Сборник статей по материалам ВНТК. Н.Новгород: НГТУ, 2000. с. 40.44.

23. Козлов Н.П., Красов И.М. Электромагнитные пропорциональные управляющие элементы. M.JL: Энергия, 1966. 112 с.

24. Копничев Л.Н., Алёшин B.C. Оконечные устройства документальной электросвязи. М.: Радио и связь, 1986, с. 286.

25. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1977. 831 с.

26. Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.Д: Госэнергоиздат, 1962. с. 600.

27. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. с 359

28. Кузнецов Ю.В., Узилевский В.А. Электронное растрирование в полиграфии.М.: Книга,1976, 144с.

29. Лебедь Г.Г. Полиграфические системы автоматической обработки графической информации. Львов.: ВИША ШКОЛА, Гос. Университет, 1986, -.132 с.

30. МаркюсЖ. Дискретизация и квантование, М.: "Энергия ", 1969.

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

32. Миков И.Н., Гамарник В.И., Дроздов В.И. Концепция структурного построения факсимильных станков для художественного гравирования минералов. В сб. научных трудов "НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРОИЗВОДТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СФЕРЕ СЕРВИСА". М: МГУС, 2000109 с.

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

34. Миков И.Н., Девятков В.В., Оганов В.И., Фёдоров С.В. Иерархическая двухуровневая цифровая цикловая система управления для факсимильно -копировальных станков. М.: Автоматизации и современные технологии. № 10, 2001. с. 25.30.

35. 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.

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

37. Миков И.Н., Кангин В.В. Программируемые контроллеры как элемнты нижнего уровня в иерархических системах управления факсимильно-копировальными станками. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М: МГГУ, № 6,2003. с. 159. 160.

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

39. Миков И.Н., Морозов В.И., Павлов Ю.А., Технологические принципы факсимильного механического копирования. М.: Автоматизация и 3.6 современные технологии, N5 ,2000. с. 18.23.

40. Миков И.Н, Морозов В.И,. Магомедов Г.Х, Науменко И.А. Оптические показатели качества художественных изображений, полученных технологией станочного компьютернго гравирования. М.: "Горный журнал", № 9,2003.

41. Миков И.Н., Морозов В.И. Станочная компьютерная технология гравировки минералов. М.: Горные машины и автоматика, № 11, 2001, с. 34 37.

42. Миков И. Н., Морозов В. И., Стефанова Н. Определение Технологических параметров при растровом гравировании. ГИАБ, М.: МГГУ, № 10,2004-стр. 307-310.

43. Миков И.Н., Науменко И.А. Технологические рекомендации при растровом станочном гравировании минералов. В сб. научных трудов "ДОБЫЧА, ОБРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИРОДНОГО КАМНЯ". Магнитогорск: Магн.ТГУ, 2003-с. 217-221.

44. Миков И.Н., Оганов В.И., Фёдоров С.В. Анализ колебательного и ударного функционирования растрового однокатушечного электромеханического преобразователя посредством математической модели ИГЭУ, Международная НТК "X Бенардосовские чтения". Иваново: 2001

45. Миков И.Н. Построение систем управления специальными станками и автоматическими линиями на основе программируемого контроллераБРС-бОб. Методическая разработка ИПК Минстанкопрома. М.: ВНИТЭМР, 1987, с. 52.

46. 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.

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

48. Миков И.Н. Стефанова Н. Н. Магомедов Г.Х. Анализ временных составляющих рабочего и обратного перемещений якоря электромеханического преобразователя. ГИАБ, М.: МГГУ, № 5,2005, -с. 308.311.

49. Миков И. Н., Стефанова Н. Направления повышения эффективности работы факсимильно-гравировальных станков. Горный Информационно -Аналитический Бюллетень, М: МГГУ, № 5, 2003 стр. 144-146.

50. Миков И.Н., Стефанова Н.Н. Повышение качества гравирования коррекцией частотных и настроечных параметров растрового станка с ЧПУ. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень, М.: МГГУ, №., 2007 ( в печати ).

51. Миков И. Н., Тедеев B.JL, Стефанова Н. Н. Моделирование растрирования при автоматизированном копировании художественных изображений на плоскую поверхность минералов. М.: ВЕСТНИК Московского государственного университета печати № 5,2005 стр. 86-98.

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

53. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. Ленинград: Машиностроение, 1984.

54. Орловский Е.Л. Воспроизведение полутонов средних и мелких деталей. М.: Техника кино и телевидения, № 12,1965.

55. Орловский Е.Л., Кулаков П. Н. О полутоновых измерениях в телевизионном тракте. М.: Техника кино и телевидения, № 8,1964, с. 29.35.

56. Орловский Е.Л., Кулаков П.Н., Шелованов Л.Н. др., Воспроизведение полутонов в крупных деталях телевизионного изображения. М.: Техника кино и телевидения, № 8,1965.

57. Орловский Е.Л., Передача факсимильных изображений. М.: Связь, 1980, -с. 213.

58. Патент № 2077989 РФ. Гравировальная машина. // Миков И.Н., Гамарник В.И. Опубл. в Б.И. №> 12,1997.

59. Патент Р.Ф. № 2089401. Способ получения изображения на твёрдом материале и устройство для осуществления способа // Ёлшин Ю.М. опубл. в Б.И.,№25,1997.

60. Патент Р.Ф. № 2058232. Устройство гравировки // Сухомленов Б.К., Шишкин С.А., Минскер Г.Е., Якуба А.И. опубл. в Б.И., № 11,1996.

61. Патент № 2112661 РФ. Устройство для копирования изображений. // Миков И.Н., Ицкович А.Ф., Маградзе О.Г. Опубл. в Б.И. № 16,1998.

62. Петров С.Л. Проектирование систем управления станками и автоматическими линиями на основе программируемых контроллеров ПК 32128. Методическая разработка ИПК Минстанкопрома М.: ВНИТЭМР, 1987. 40 с.

63. Пономаренко С. Adobe Photoshop 4.0 в подлиннике. BHV- С.Петербург.: 1998.416 с.

64. Проспект "3D фрезерная машина MDX-500" фирмы Roland (Япония), М.: Сокольники, Международная выставка "Металлообработка 2000", 2000.

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

66. Проспект "Обрабатывающие центры с цифровым управлением для мрамора, гранита и стекла" фирмы Pavoni Step Automazioni, Верона (Италия), Международная выставка "MOSTRA INTERNAZIONALE DIMARMI, 2000.

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

68. Протасов Ю.И. Теоретические основы механического разрушения горных пород. М.:"НЕДРА",1985. -239 с.

69. Пуш В.Э. Малые перемещения в станках. М.: Машгиз, 1961.

70. Рабинович А.Д., Духовный И.Я., Полиграфические электронные гравировальные машины, М., Искусство ,1961г.

71. Рабинович А.Д. Электроника в полиграфии. М.: Книга, 1966.

72. Розинов А.Г., Миков И.Н. Построение систем управления на основе программируемых средств, в Сб. "Создание комплексных систем управления на предприятиях машиностроения с использованием ЭВМ", Омск.: Омский дом техники, 1974.- С.151.156.

73. Созоник Г.Д., Стеклов В.К. Цифровые системы управления. К.: ТЭХНИКА, 1991.

74. Сотиров, Л. Н. Теория на автоматичното управление. Ч. 2. Теория на дискретните системи за автоматично управление. Варна. ТУ. 2000.

75. Справочник Машиностроителя, под ред. Н.С. Ачеркана, т.1, М.: Изд. Машиностроение, 1960.-592 с.

76. Справочник машиностроителя , под ред. Н.С. Ачеркана, т.З, М.: Изд. Машиностроение, 1960. 650 с.

77. Справочник машиностроителя , под ред. Н.С. Ачеркана, т.5, М.: 1960.-с.920. с.

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

79. Станок Факсимильный Копировально Гравировальный мод. "Полутон -1" , ЗАО "Спецстанок -Ф", ТУ 3816-001-09804102-97.

80. Стефанова Н. Н. Начин за повишаване на качеството на полученото изображение при растерно гравиране на материали. Геология и минерални ресурси, бр. 9, София, 2006 г., с. 23-26,

81. Стефанова Н.Н. Оптимизация величины технологического зазора и его регулирование посредством следящей системы при автоматизированном гравировании изображений. Горный Информационно- Аналитический Бюллетень,М.:МГГУ,№ . 2007(В печати).

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

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

84. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем. М.: НАУКА, 1977, -550 с.

85. Черкашин А.В. Методология построения иерархической системы управления предприятием, в Сб." Теоретические основы создания и внедрения автоматизированных систем управления отраслью и промышленным предприятием." Донецк: ДОНГУ, 1971.-е. 152.159.

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

87. Dejeka W.,.Measure of testability in device and system design .Proceedings 20th Midwest symposium on circuits and systems, 1977,p.39-52.

88. Morozov V.I., Mikov I.N., Fedorov S.V. Theoretical applied questions and their implementation in development of hierarchical computer control systems (CNC) of facsimile copy machines for art engraving on minerals. Technical University in

89. Kosice, 10-th International Conference " Mining and availability of resources in the 1-st half of 21-st century 2002, p. 195.197.

90. Site of Accurate Diamond Tool Corporation. ccurate diamondtool.com/grindingjwheels.html.