Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теоретических положений растровой технологии и существующих технических средств, используемых для получения полутоновых художественных плоских изображений S
1.1 Теоретические положения растровой технологии и показатели оценки качества художественных изображений, полученных станочным гравированием 8
1.2 Гравировальные машины „ /3
1.3 Компьютерные системы управления растровыми гравировальными машинами 23
1.4 Структура и классификация пропорциональных электромеханических преобразователей, математические модели их узлов и передаточные характеристики материала 25
Глава 2. Развитие теоретического обоснования регулирования кинетической энергии якоря ЭМП при деформирования материала долблением для факсимильного механического копирования 37
2.1. Формализация и использование математической модели для определения величины
технологического зазора, необходимого для создания заданной величины кинетической
энергии 3 7
2.2. Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой головки факсимильно ~ копировального станка 47
Глава 3. Технология повышенной производительности и качества растрового гравирования материала путем регулирования строчной подачи амплитудно-частотно промодулированных силовых ударных импульсов 54
3.1. Оптимизация определения шага растрирования и скорости строчной подачи, обеспечивающая повышение производительности и качества гравирования посредством
использования математической модели 54
3.2 Технология компьютерного растрирования решетчатой функции видеосигнала 62
Глава 4. Разработка и создание однокатушечного электромеханического преобразователя для растрового формообразования, обеспечивающего повышение производительности и качества гравирования путем автоматического регулирования технологического зазора 78
4.1. Разработка и создание однокатушечпого электромеханического преобразователя 78
4.2 Расчётные соотношения для определения статических характеристик электромеханического преобразователя ^ SI
4.3 Создание следящей растровой головки факсимильно - копированного станка 86
4.4. Создание факсимильно-копировального станка а его опытная эксплуатация для решения задачи формирования художественных растровых изображений при гравировании материалов 92
4.4. 1 Структурная схема растрового технологического процесса 92
4.4. 2 Техническое описание электромеханического преобразователя ЭМП 95
4.4.3 Техническое описание растрового гравировального станка «ГРАФИКА ЗК» 98
4.5. Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой гаювки факсимильно - копировального стайка 104
Заключение 114
Литература 116
Список сокращений принятых диссертации
- Компьютерные системы управления растровыми гравировальными машинами
- Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой головки факсимильно ~ копировального станка
- Технология компьютерного растрирования решетчатой функции видеосигнала
- Расчётные соотношения для определения статических характеристик электромеханического преобразователя
Компьютерные системы управления растровыми гравировальными машинами
ФКС, которые являются объектами с переменными апгоритмами функционирования - это иерархические многоуровневые системы, состоящие из программируемых контроллеров на нижнем уровне и ЭВМ на верхнем.
При этом компьютер может быть специализированным и входить в состав CNC или быть персональным {PC). В случае CNC резидентное программное обеспечение (ПО) является специализированным, оболочка (кожух) компьютера имеет защищенное исполнение, а блок питания - сетевой фильтр, защищающий от промышленных помех, и стабилизатор. В случае PC, защитная оболочка и сетевой фильтр отсутствуют, а ПО является штатным (обычно это оболочка WINDOWS), которое использует программы, входящие в эту оболочку.
Структура такой СУ показана на рис 1.10 и описана в [29]
Верхний уровень, координатор Со был реализован на персональном компьютере. Он решал задачу Z)0, вырабатывая координирующие воздействия Yi и у2 и получая воздействий обратной связи w\, w2 от двух элементов нижнего уровня (ЭНУ, реализаторы Сі и Сг). Связь с ЭНУ проводилась через порты СОМІ и COM2.
Аппаратно ЭНУ, рассмотренные в [30] были реализованы на программируемом контроллере (ПК) и блоке управления (БУ). Посредством пакета программного обеспечения ЭНУ решались задачи / ; (у}) и D2 (/2), вырабатывая управляющие воздействия т1Ь т12у т13 и т2ь т22,, М2з- которые поступали на два факсимильно-гравировальных процесса Р/ и Р2. В связи с тем, что система управления станком была разомкнута (был ис пользован шаговый привод для координат X, Y и электромеханический преобразователь для координаты Z), воздействие обратной связи Z-, отсутствовало. Кроме того, ПК программно объединил решающий элемент d-ц и элемент обратной связи/ад. Роль реализатора Су выполнял БУ.
Два уровня иерархической системы были выбраны исходя из методики, описанной в [29]. Действительно, частота генерации верхнего уровня Fvss равнялась 10 Гц (частота обращения к порту СОМ), а частота переработки в верхнем уровне FHfy - 80 МГц. Частота генерации на нижнем уровне Frj (/YI, Fr.2) равнялась 200 Гц (частота работы шаговых двигателей), а частота переработки на нижнем уровне FtU (Fn,u .2) - 100 кГц. Таким образом, выполнялось условие FILi FrJ.
Классификация электромеханических преобразователей В однокатушечных преобразователях управление движением осуществляется только в одну сторону — на удар, обратный ход осуществляется за счет деформации (сжатия) пружины; в двухкатушечных преобразователях управление движением идет в обоих направлениях; в кулачковых конструкциях управление осуществляется через «кулачок»; в без кулачковых -за счет быстрого реверса двигателя. При управлении серводвигателем обеспечивается более мелкий шаг движения.
Наиболее перспективным и удовлетворяющим требованиям качества с точки зрения технологии удара является однокатушечный преобразователь, а с точки зрения возможностей использования для более широкого класса материалов - преобразователь, совмещающий быструю подачу с вращением.
Структурная схема электромеханического преобразователя представлена на рис. 1.12 [41], [36].
Структурно электромеханический преобразователь состоит из трёх звеньев: катушки - инерционное звено, электромагнитная система - пропорциональное звено и якоря с пружиной - колебательное звено, охваченных двумя ветвями обратной связи.
В [37] указаны способы уменьшения глубин этих обратных связей. Передаточная функция структурной схемы ЭМП описывается следующим уравнением: мех Z(p) wK WF wf w эмп 5 Uy(p) 1 + WK WF W x WSL где Z(p) - изображение выходного сигнала (перемещение якоря ЭМП), Uy (р) - изображение входного сигнала (напряжение управления ЭМП); У передаточная функция катушки \IR K\+p(Ln/R) где R — активное сопротивление катушки, L0 — начальное (исходное) значение индуктивности ЭМП; передаточная функция механической части Коэффициент передачи (усиления) электрической части: и dGz Кш= » У Ат где: w - число витков катушки, G$ - магнитная проводимость рабочего воздушного зазора, А„ = 1/с - коэффициент передачи (усиления) механической части, Г] = q/c, Т22 = тя/с - ПОСТОЯЕШЬІЄ времени, тя - масса якоря с долбяком, с - коэффициент жесткости пружины, q - коэффициент демпфирования, Lo - начальная индуктивность катушки, $ - начальный воздушный зазор, /уст - установившееся значение тока [37].
Частотные параметры электромеханического преобразователя приводят к уменьшению его коэффициента передачи с ростом частоты воздействий. Кроме того, для нормального функционирования преобразователя необходимо выполнить требования по амплитуде и длительности управляющего импульса, а также по длительности его «провала».
Для колебательного звена постоянная времени может быть записана как Т2 = т„ /с\ а обобщённый коэффициент затухания (демпфирования) С, = (q/c)l2(m»/cf .
Динамическая структурная схема и её описание для следящей растровой головки факсимильно ~ копировального станка
Структурный состав следящей системы управления (ССУ) для следящей гравировальной головки (СГТ) показан на рис. 2.2. Импульсы датчика перемещения поступают в программируемый контроллер, который, используя резидентное МО, формирует импульсы для управления шаговым двигателем по оси г. Вращение ротора ШД через передачу винт-гайка осуществляет подъём или опускание следящей головки, устанавливая требуемый технологический зазор А„.
Текущее значение электромагнитного усилия F ТКущее сравнивается с максимально допустимым (по тепловым режимам катушки) /%„ тях (блок 2). В случае превышения JF3VI тя определяется длина этой импульсной последовательности (блок 3). Далее определяется значение нового технологического зазора Дн с тем, чтобы не было превышено F,M max и выполнялось необХОДИМОе W кин текущее! (бЛ ОК 4).
В случае поступления от датчика сигнала изменения технологического зазора А„ (при колебании плоскости поверхности заготовки в результате не точного изготовления) происходит включение ШД, который обеспечивает стабилизацию зазора Ан ( блок 5 и 6 ). В блоке 7 задаются режимы работы СУ; «ручной», в котором производится задание исходного значения технологического зазора посредством щупа и «автоматический», в котором и реализуется выше описанный алгоритм. Блоки I ...4 размещены в персональном компьютере, а блоки 5.,,7 - в программируемом контроллере. Структурная схема звеньев следящей системы
показана на рис. 2.4.
Следует учесть, что максимальная скорость строчной подачи (учётом частотных параметров ЭМП (/тах растр не более ТОО Гц ) составляет около 20 мм/с, что соответствует около 200 Гц шагового привода Это приводит (с
учётом реальной погрешности при полировке поверхности заготовки — 0,1 мм на 1-н мм длины) к скорости изменения входного сигнала - 2,0 мм/с. При коэффициенте передачи рычажной измерительной системы 10 мм - 1-н оборот датчика это соответствует 0,2 оборота датчика в секунду, а при числе импульсов на 1-Е оборот - 5250 имп/об - 1050 имп/с, что в 500 раз ниже предельно допустимой частоты, а датчик, с точки зрения динамики, работает в области обычного усилительного звена (Кдатчика = 525 имп/мм) В табл. 2.1 приведены технические данные датчика перемещения
Далее, программируемый контроллер, в рассматриваемой области является звеном чистого запаздывания [18, с. 267]. Для применяемого контроллера эта величина составляет тзаіі «ОД мс, что при периоде шаговых импульсов Тшд = 10 мс приводит к тому, что для данной задачи этой величиной можно пренебречь. Задачей ПК в этой схеме является только организация кольцевого коммутатора.
Кроме того, для определения Кшд-вииг/тйка в табл. 2.2 приводятся данные.
В связи с тем, что СУ является всегда устойчивой, т.к. разомкнута, динамические параметры её звеньев не влияют на качество регулирования, т.е. их влияние начинает сказываться в области, значительно превосходящей диапазон частот, в котором она эксплуатируется.
1. Необходима коррекция управляющих импульсов напряжения, осуществляемая изменением амплитуды входного воздействия, так как инерционное звено катушки, а также колебательное звено якоря с долбяком и пружиной в диапазоне частот до 100 Гц организуют переменный коэффициент передачи и искажают растровые силовые импульсы ЭМП.
2. Технологический зазор определяет при заданной величине силового воздействия на якорь электромеханического преобразователя величину кинетической энергии долбяка \УКЯ, которая, в свою очередь, определяет глубину внедрения его в материал и, в конечном счёте, величину интегральной оптической плотности.
3. Величина технологического зазора должна быть строго регламентирована и при колебаниях уровня обрабатываемой поверхности выдерживаться постоянной или регулироваться посредством следящей системы.
4. Для обеспечения заданной кинетической энергии необходимо обеспечить полный ход якоря ЭМП, Для этого необходимо в управляющем импульсе обеспечить заданную длительность «1» и длину прямого хода, а также длительность «0» импульса, для обеспечения отвода якоря
Технология компьютерного растрирования решетчатой функции видеосигнала
Выполнение задачи растрирования в ПК или в PC является взаимовариантным и может быть решено, так или иначе. Однако существуют такие материалы, например твёрдые минералы или стекло, которые имеют высокое значение критического внедрения AhK (и, соответственно, высокие значения критической энергии). В этом случае, малые значения глубин внедрения долбяка Д/гд, которые возникают при гравировании фрагментов с высокими оптическими плотностями, будут просто не "восприняты1 этим минералом, т.е. для них нижний порог Дйд должен быть высоким. Решением этого вопроса является компьютерное растрирование, которое обеспечивает повышение локальной контрастности изображения и, как следствие, повышение величины Дйд.
В частности, даже при классической структуре системы управления границы частотного диапазона могут быть сведены в одну точку, и тогда частотная модуляция будет отсутствовать. Такой вид преобразования видеосигнала широко используется в случае гравирования надписей, когда долбяк или вообще не гравирует и не касается материала, или гравирует с постоянной большой амплитудой и постоянной большой частотой. То есть, в этом частном случае, растрирование (вторичное квантование) вырождается только в амплитудную модуляцию. В этом случае в репродукции будет Dvmin - 0,3 ... 0,5 и D% щах 2 ... 3 , а полутона с оптическими плотностями 2 = 0,5 ... 1,9 будут полностью отсутствовать, т.е. такое изображение всё в целом будет, предельно контрастным. Это первый путь.
Понижением уровня контрастности с частичным гравированием полутонов в диапазоне DSmin и DZmax является введение режима " изображение- установка-контраст " в пакете Photoshop, для, всего в целом изображения или его крупного фрагмента, что хорошо реализуется при штриховом ( НЕ полутоновое ) задании портрета. Однако следует иметь в виду, что при этом резко ухудшается качество изображения, т.к. вводится контрастность всего в целом изображения (рис. 2.2). Кроме того, при малом фрагменте изображения длиной 1 = (3...4) Дх, выполнение большой величины DS приводит к большому шагу растрирования 5 = 6 Дх , что, в свою очередь, приведёт к пропуску этого фрагмента. Это второй путь.
Третьим путём, позволяющим создать высокий Дпд и одновременно обеспечить заданную интегральную оптическую плотность DB по всей поверхности изображения является создание контрастного изображения в диапазоне одного шага растрирования 5 (а не всего в целом изображения). В работе [51, с. 210] сделаны первые шаги этой технологии, которую рассмотрим и разовьём ниже. В этом случае полутоновое изображение по всей площади заменяется многочисленными контрастными микрофрагментами этого изображения, состоящими из чёрно-белых точек. В этом случае растрирование производится не в ПК, а в PC. На рис. 3.6 показано изображение в памяти PC после его ввода сканером (первичного квантования) и гистограмма портрета, из которой следует наличие широкого непрерывного спектра полутонов.
На рис. 3.7 показано тоже изображение до, на рис. 3.8 после компьютерного растрирования (вторичного квантования). Для этого применяется следующее. Пакет Photoshop имеет в своём составе Меню - Фильтр - Текстура - Зерно [51, с.319]. На последнем этапе подготовки изображения оператор, используя выше названную последовательность, переводит непрерывное полутоновое изображение в дискретное, задавая интенсивность перехода и контрастность зерна.
Влияние контраста изображения на его качество На рис. 3.9 показано окно « Фильтры / Текстура / ЗЕРНО ». Движок " Интенсивность" перемещается вправо до тех пор, пока на белом поле изображения не покажутся точки. Движок " Контрастность" перемещается вправо до тех пор, пока серый фон не станет белым. На этом же рисунке приведён пример гистограммы полученного изображения с зерном. 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. let, QjAdobP Photoshop Jj" 4Рь.:-1 If- Л}Г.
На рис. 3.10 показаны гистограммы отдельных фрагментов изображения по рис. 3.8: 1)всего изображения, 2)линии изображения, 3)массива изображения. Гистограммы этого рисунка детально подтверждают зернистость полученного рисунка. Предлагаемая СУ Grave содержит окно» «Материалы» (рис. 3.11), которое позволяет в ручную задавать глубины амплитудно-частотной модуляции. Простейшим режимом является задание 2-х цветов: «чёрный» и «белый». В этом случае на «белом» устанавливается амплитуда импульсного удара, которая полностью перекрывает шаг по оси х. Например, при строчном шаге Ал:строч = 0,1 мм, частоте шагового двигателя/прив = 100 Гц, периоде растрирования должна составлять 0,1 мм. На «чёрном» полутоне установленная амплитуда мала и долбяк не касается материала, а период растрирования следует оставить тем же (/растр 100 Гц). Изображение, получаемое в этом случае, контрастное и состоит из чёрно-белых точек. При рассмотрении чёрной точки на экране PC при большом увеличении видно, что её пиксель (чёрный полутон) окружён серыми пикселями быстро переходящими в белый полутон. При 2-х полутоновом режиме они будут пропущены. Отсюда -очень контрастное изображение. Рлэртижие ссем %.Ьтр @ №JZ (RGB}
Понижение контрастности возможно при задании третьего, четвертого и т.д. № полутонов с вводом амплитуд и частот каждому полутону. В этом случае возникают белые точки меньшего диаметра с большим периодом растрирования.
Окном и кнопками 9 устанавливается общее количество полутонов (количество полутонов — от 2 до 16). В окне 4 отражается № текущего полутона (№ «цвета»), которое изменяется (листается) его кнопками. В окнах 5 и 6 кнопками или непосредственно устанавливаются амплитуда (в относительных единицах - от 0 до 8) и частота (в Гц) растра текущего № полутона. Кроме того, «зацепив» указателем линии 2 и 3 можно их поднять или опустить, при этом обязательно изменятся числа в окнах 5 и 6.
На экране компьютера изначально картинка имеет 16 градаций (при этом значения пикселей составляют диапазон чисел 0 - 256 оттенки серого цвета), при переносе на камень эта же картинка не может передать более 8 градаций (значения пикселей составляют диапазон чисел 128 -256 оттенков), а предыдущие градации с 1-го по 7-й представлены одним 1-ым полутоном.
Расчётные соотношения для определения статических характеристик электромеханического преобразователя
Для задач, решаемых в ФКС, наиболее желательной является линейная внешняя характеристика. В этом случае, она позволяет легко сопрягать вход и выход этого элемента с предыдущими и последующими каскадами системы управления и позволяет применять аппарат линейного анализа. Эта линейность достигается рациональным конструированием магнитопровода и якорной подвески, а также созданием осциллирующего режима работы якоря. На рис.4.1: dc- диаметр якоря (или сердечника), Нст dcn - высота и диаметр стопа, где "стоп" - это выступающая часть магнитопровода, в которую упирается якорь.
Другой статической характеристикой является зависимость электромагнитного усилия, развиваемой якорем, от его перемещения при различных постоянных величинах управляющего сигнала - тяговая характеристика. 4.2 Расчётные соотношения для определения статических характеристик электромеханического преобразователя. Пропорциональная зависимость электромагнитного усилия от управляющего тока обеспечивается конструкцией магнитопровода и нелинейной передаточной характеристикой усилительного тракта. В работе [45, с. 373] определено развиваемое в статике электромагнитное усилие {Iwf dGz F3M= (4.1) 2 dz где I - величина тока в катушке, w - число витков в катушке, Gz - магнитная проводимость вдоль оси г..
В работе [46, с. 197] определено значение изменения магнитной проводимости Gs вдоль хода якоря для цилиндрических полюсов, образующих зазор с плоскими торцами: 6GS n(dm2- dCB2) = Цо (4.2) При этом для однокатушечного преобразователя был принят электромагнит плоскими полюсами.
Точки пересечения семейства тяговых характеристик F3M =f(d$ с характеристикой пружины Fnp f (с, ty дают статическую (механическую) характеристику электромагнита. Последняя в общем случае характеризует электромагнит статически: устойчив, неустойчив, нейтрален.
Применяемый однокатушечный преобразователь всегда статически устойчив [47, с. 33] , [48, с. 134]. Его якорь перемещается на величину Аг, при этом F3Mf(іу) = Fnpf(c Az), при iy — Im , и якорь может «зависнуть» при іу Ф 0.
По мере роста iy, растёт F3M и амплитуда движения якоря тоже растёт, при этом F3M уравновешивается F„p. Для обеспечения быстрого отвода якоря жесткость пружины должна быть высокой. Таким образом, в этом случае для получения чистого удара (статически неустойчивый режим) необходимо приложить к якорю значительное по величине усилие F3M » F„p.
Статические характеристики оценивают работу электромеханического преобразователя в установившихся режимах, показывая выходной сигнал, полученный в результате изменения входного. Одной из его статических характеристик является зависимость электромагнитного усилия, развиваемой якорем, от его перемещения при различных постоянных величинах управляющего сигнала - тяговая характеристика. В работе [43] рассмотрен рабочий цикл электромагнита. Рабочий цикл во времени состоит из 3-х частей: tcpa5 - времени срабатывания, гвкл С01_-г - времени включённого состояния, tBOaBp - времени возврата. Рассмотрим механизмы формирования tcpao и WBBP а также возможные способы их уменьшения.
Однокатушечный преобразователь совершает вынужденные рабочие под действием катушки, iy 0) колебания и свободные возвратные (под действием пружины, iy = 0). Его якорь перемещается на величину Дг,. По мере роста iy, растёт F3M и амплитуда движения якоря также растёт, при этом F3M уравновешивается Fnp, т.е. для статической устойчивости соблюдается условие Рэм f (i2y) = Fnp f (с, Дг), В этом случае для получения удара необходимо искусственно создать статически неустойчивый режим путём приложения к якорю значительного по величине усилия FDM » Fnp.
Кроме того, в этом случае коэффициент жесткости пружины с должен быть высоким, т.к. она должна обеспечить быстрый отвод якоря в режиме свободных колебаний.
Электромеханический преобразователь выполняет функцию преобразования амшгатудно-частотно-промодулированной видеосигналом последовательности импульсов напряжения( U т им ) в импульсную энергию разрушения минерала (Q р им). При этом последовательно следуют следующие преобразования
Уравнения тока в катушке преобразователя можно записать следующим образом L (difdt) + /( dL/dz)(dzfdt) + iR = u{t) (4.2.1) При этом, первое слагаемое - противо э.д.с. самоиндукции, второе слагаемое - противо э.д.с. движения, возникающая вследствие изменения индуктивности L при движении якоря.
Уравнение движения (вынужденных колебаний) якоря описывается следующим уравнением /ия (cfz/d?) + q (dzfdt) + Fn (z) = F3KI (i,z), (4.2.2) где m„ - масса якоря с долбяком, q - обобщённый коэффициент трения, Fn cz- сила противодействующая в статике (в нашем случае - только пружина, имеющая коэффициент упругости - с), F3M - электромагнитная сила в зазоре электромагнита (см. тяговые характеристики).
