Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Анализ существующих методов и технических средств, используемых для получения художественных плоских изображений 13
1.1. Особенности зрительного восприятия полутоновых градаций 13
1.2. Электрооптический анализ изображений и воспроизведение полутоновых градаций 28
1.3. Преобразование полутоновых изображений в микроштриховые 31
1.4. Гравировальные машины 33
1.5. Выводы 54
Глава 2. Развитие теории растрирования и динамика электромеханического преобразователя при компьютерной технологии факсимильного копирования 59
2.1 Решетчатые функции сканированного изображения 59
2.2. Формализация получения полутонового изображения посредством растрирования видеосигнала. 65
2.3. Формализация определения и коррекция качества исходного изображения путём использования амплитудной характеристики для видеосигнала 73
2.4 Расчётные соотношения для определения динамических характеристик электромеханического преобразователя 80
2.5 Математическая модель для определения динамических характеристик электромеханического преобразователя, работающего в условиях долбления твёрдых материалов 87
2.6 Выводы 117
Глава 3 Механизм деформирования материала долблением, как прикладной вопрос развития теоретических основ механического разрушения . 119
3.1 Обоснование технологического процесса чеканки художественных изображений при нанесении удара на поверхность пластичных материалов 122
3.2 . Разрушение поверхности полированных материалов долблением в технологическом процессе копирования художественных изображений . 131
3.3 Технологические этапы станочной растровой механической гравировки материалов .140
3.4 Энергетические передаточные характеристики при гравировке материалов посредством электромеханического преобразователя и их моделирование 159
3.5 Износ долбёжного инструмента и образование пыли при гравировании
материалов 166
3.6 Выводы 170
Глава 4. Компьютерная технология факсимильного гравирования материалов, обеспечивающая получение заданной интегральной оптической плотности при растрировании видеосигнала посредством пропорциональных преобразователей 173
4.1 Компьютерная технология факсимильного гравирования хрупких материалов 173
4.2 Применение импульсной модуляции при растрировании видеосигнала для получения заданной интегральной оптической плотности и математическое описание импульсных генераторов 175
4.3 Амплитудная и частотная импульсная модуляция при растрировании видеосигнала. Расчётные соотношения для определения шага точек и глубины проникновения долбёжного инструмента в заготовку .180
4.4 Математическое моделирование и формирование рекомендаций по назначению настроечных технологических параметров при гравировании хрупких материалов (на примере минерала) 188
4.5 Технология компьютерного растрирования видеосигнала, при гравировании хрупких материалов (на примере минерала ) 207
4.6 Выводы... 218
Глава 5. Разработка основных положений для статического расчёта и испытания растрового пропорционального электромеханического преобразователя 220
5.1 Расчётные соотношения для определения статических характеристик пропорционального электромеханического преобразователя 220
5.2 Реализация одно и двух катушечных электромеханических пропорционального преобразователей и проведение испытаний их отдельных узлов 236
5.4 Выводы 249
Глава 6. Теоретическое обоснование построения цикловых структур и создание двухуровневой цифровой системы управления ФКС повышенной надёжности 251
6.1 Теоретическое обоснование синтеза цифровых цикловых систем управления » 251
6.2 Методы повышения надёжности СУ на базе ПК с применением диагностического ядра 268
6.3 Разработка и создание двухуровневой иерархической системы управления для факсимильно - копировального станка 282
6.4 Выводы 307
Глава 7. STRONG Разработка основных положений и создание CNC станка для растрового формообразования при гравировании динамическим воздействием долбёжного инструмента 309
STRONG 7.1 Анализ видов управляющих импульсных последовательностей, работы (колебания и удар) механической части и формирование рекомендаций для пропорциональных растровых электромеханических преобразователей..309
7.2 Выбор структурного построения факсимильно - копировального станка, содержащего пропорциональный растровый электромеханический преобразователь 336
7.3 Выводы. 353
Заключение 355
Литература...
- Электрооптический анализ изображений и воспроизведение полутоновых градаций
- Формализация определения и коррекция качества исходного изображения путём использования амплитудной характеристики для видеосигнала
- Разрушение поверхности полированных материалов долблением в технологическом процессе копирования художественных изображений
- Применение импульсной модуляции при растрировании видеосигнала для получения заданной интегральной оптической плотности и математическое описание импульсных генераторов
Введение к работе
Актуальность работы. Применяемые ранее ручные технологии гравировки и чеканки художественных полутоновых изображений на плоских поверхностях не обеспечивали высокой производительности и качества, в том числе факсимильное™.
В настоящее время гравировка может осуществляться на фрезерных станках с ЧПУ, имеющих традиционное векторное управление. Однако, в этом случае производительность гравировального процесса остаётся крайне низкой, а управляющая программа является сложной и большой по объёму.
Одной из новых технологий, которая может обеспечить высокую производительность при резком уменьшении объёма управляющей программы, является компьютерное станочное растровое гравирование плоских художественных изделий на металлах, камне, керамике, стекле и т.д. Использование этой технологии целесообразно при внешней отделке сооружений ( фасадов зданий, фонтанов, наружных лестниц, покрытий площадей, невысоких крыш и т.д. ), а также деталей интерьеров ( покрытий стен и полов, витражей, плафонов, и т.д. ) при этом применяется камень, металл и стекло, на которые наносятся разные изображения.. При изготовлении копий рисунков на гравюрах, ювелирных украшениях, орнаментах, матрицах и мемориальных плитах обязательным условием является обеспечение факсимильности изображения, что при ручной технологии сделать практически невозможно.
Ранее, во НИИПОЛИГРАВМАШ ( г. Москва ) проводились работы ( получен ряд авторских свидетельств ), а «Одесское СКВ полиграфического машиностроения » серийно выпускало устройства ЭГА, которые применялись для производства ( гравировки ) клише. Это были безкомпьютерные аналоговые устройства, узко направленные, дающие невысокие производительность и качество изображения.
Проведённые экспериментальные работы показали, что художественные образы должны воспроизводится гравированием заготовки на факсимильно-гравировальных станках, оснащенных компьютерными устройствами числового программного управления (CNC). На таких станках возможно осуществление всего технологического цикла: от ввода и редактирования художественного образа методами компьютерной графики до последующего автоматического формирования управляющей программы и механической обработки.
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.
Таким образом, использование новой технологии компьютерного станочного гравирования может обеспечить:
1. факсимильность отображения, что является непременным условием при гравировке художественных изображений (портретов, рисунков), антиквариата, клише и т.д.,
2. повышение производительности, при том же качестве, в сравнении с ручной гравировкой в 6...7 раз,
3. повышение уровня качества гравировки с минимального, при ручном (шаг точек более ЮОмкм - обычный класс ), до высшего, при станочном, ( шаг точек менее 5 мкм -высокий класс ), »
4. отсутствие экологического ущерба при гравировании материалов, за счёт удаления вредной пыли (стекло, "напыленные" горные порды т.д.).
В связи с вышеизложенным разработка автоматизированной технологии растрового факсимильного механического копирования изображений и создание гравировальных станков с ЧПУ является актуальной научной проблемой.
Работа выполнялась в рамках Федеральной Целевой Научно -Технической Программы (ФЦНТП) "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления", подпрограмма « МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ и ПРОИЗВОДСТВА БУДУЩЕГО ».
Целью работы является автоматизация процесса нанесения полутонового изображения на различные твёрдые материалы вместо ручных операций, не отвечающих по производительности, качеству и факсимильности современным требованиям, в том числе: 1. разработка технологии получения растрового изображения на поверхности материала, обеспечивающей получение заданной интегральной оптической плотности за счёт силовых ударных импульсов амплитудно-частотно промодулированных параметрами видеосигнала, 2. создание станков факсимильного растрового динамического копирования полутоновых изображений на плоских поверхностях хрупких материалов, позволяющих получать художественные изображения при производительности в 6 - 7 раз превышающей существующие технологии с переводом качества из обычного класса в высокий.
Научные положения, разработанные лично диссертантом.
1. Развитие теории растрирования, обеспечивающее повышение качества гравирования, которое заключается в замене непрерывной функции видеосигнала решетчатой функцией, при этом для увеличения чёткости и резкости изображения амплитудная характеристика последней откорректирована добавлением первой и второй разностей соседних дискретных значений.
2. Математическая модель интегральной оптической плотности дискретного видеосигнала, которая позволяет определить глубины амплитудной и частотной модуляций при растрировании.
3. Математическая модель пропорционального электромеханического преобразователя в динамике, которая воспроизводит его частотные характеристики, позволяет выбрать необходимые конструктивно настроечные параметры и задавать необходимые частотные корректирующие воздействия в систему управления.
4. Критерий оптимизации процесса разрушения поверхностного слоя при растровом гравировании, каковым является соответствие энергозатрат индентора при взаимодействии с материалом, формализованное в виде графо-аналитических передаточных характеристик, учитывающих физическо-механические свойства материала и определяющих взаимосвязь между вводимой индентором в материал энергии с глубиной, образующейся лунки.
5. Принципы компьютерной технологии растрового динамического копирования изображения на поверхности материала, обеспечивающие повышение производительности и качества гравирования.
6. Принцип структурного построения факсимильно- гравировальных станков с CNC, включая их узлы, и метод создания двухуровневой цифровой системы управления повышенной надёжности.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций обусловлены использованием теории растрирования, теории передачи факсимильных изображений, теории анализа и синтеза дискретных и цифровых систем автоматического регулирования, теории колебаний..
Экспериментальная- проверка и промышленное использование факсимильно - копировальных станков, как разновидности специальных
станков, и цифровых систем управления для них подтверждает результаты теоретических исследований.
Научная новизна состоит в следующем.
• Формализована качественная оценка макроструктуры видеосигнала в виде амплитудной характеристики дискретных значений его оптических плотностей, а также качественная оценка его микроструктуры - чёткости изображения (минимальный фрагмент), как первой разности соседних дискретных значений, и резкости изображения (контура минимального фрагмента), как второй разности этих же соседних дискретных значений, что позволяет целенаправленно ввести коррекции в дискретные значения видеосигнала, передаваемого из компьютера в контроллер
• Предложены математические модели, описывающие зависимость интегральной оптической плотности и относительной площади растрового элемента от приведённой величины внедрения, позволяющие определить глубины амплитудной и частотной модуляций токового импульса при растрировании дискретного видеосигнала.
• Предложена математическая модель пропорционального электромеханического преобразователя, которая позволила обосновать метод стабилизации амплитуды колебаний якоря посредством изменения величины входного воздействия.
• Описан механизм разрушения материалов ударом при малых энергиях с использованием введённых энергетических передаточных характеристик, что позволяет определить технологические характеристики процессов чеканки и гравировки и ввести дополнительные коррекции в исходную управляющую импульсную иследовательность.
• На основе анализа объёмов и ркрроети обработки и передачи информации, обосновано применение двухуровневой цифровой системы управления, организованной базе компьютера и контроллера, в которую для повышения надёжности включён аппаратно-программный диагностический комплекс.
Практическое значение работы заключается :
• в разработке технологии компьютерного факсимильного гравирования полированной поверхности материала сканерно-растровым способом,
• в проектировании, изготовлении и опытной эксплуатации партии факсимильно- гравировальных станков, зангищёных патентами; прошедшими регистрацию в Госстандарте и получивших сертификат безопасности,
• в разработке и практическом применении методики расчёта и конструирования пропорциональных электромеханических преобразователей; в создании и внедрении таких преобразователей.
• в изготовлении и эксплуатации диагностического программно-аппаратного комплекта, повышающего достоверность показателей исправности систем управления цикловым оборудованием, в том числе факсимильно - гравировальными станками,
• в проектировании, изготовлении, опытной эксплуатации и формировании рекомендаций по построению двухуровневых цифровых систем управления для оборудования с переменным алгоритмом функционирования, защищенных авторскими свидетельствами.
• Реализация выводов и рекомендации работы. Разработанные в диссертации метод гравирования, технологические рекомендации и конструкции станков прошли опытную эксплуатацию и положены в основу конструкций серийно изготавливаемых факсимильно -гравировальных станков в НПО "Багус Универсал" ( г. Екатеринбург ), ВПФ"САУНО" и ООО "Гравировальная техника" ( г. Москва ). Структура двухуровневой системы управления и резидентное математическое обеспечение использованы Львовским НПО Факсимильно-Телеграфной Аппаратуры (Украина) при выпуске аналогичных станков. Кроме того, двухуровневые системы, состоящие из программируемых контроллеров и персональных компьютеров, нашли широкое применение для управления цикловым автоматическим металлорежущим оборудованием (автоматические линии, в том числе переналаживаемые). Результаты работы внедрены:
• в конструкции станка модели «Полутон» (ТУ N 3816-001-09804102-97, дата введения 01.05.1998г., дата регистрации 05.11.1997г., реестр N 200\016463) и производство станков модели «Полутон» в ООО "Спецстанок" и ООО "Мастер - ТХОМ ,
• при выпуске программируемых контроллеров серии "МИКРОДАТ" заводами "Точэлектроприбор", "Электроприбор" - г. Киев и "ЗИП" - г. Краснодар,.
• при создании цифровых систем управления и оснащении ими факсимильно - гравировальных станков, автоматических линий, в том числе 1Л315П, МА2999, и агрегатных станков на заводах "С. Орджоникидзе", Станкоагрегат ," Станкоконструкция и др,
• при создании ремонтного центра программируемых контроллеров фирмы "ФЕСТО" при ЭНИМС,
1. при постановке учебного курса по программируемым контроллерам и многолетнем проведении обучения на базе ИПК Минстанкопрома.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях :
1. 3-й Международный симпозиум ИМЕКО, г. Москва, 1983 г.,
2. МГГУ, ,Неделя горняка" в 1999г. - 2004г ,
3. ЭНИМС, Учёные советы с 1976 г. по 1988 г.,
4 УДН, конференции в 1974 и 2001г.,
5 МГУ, международная конференция "Управление природными и техногенными рисками", г. София, Болгария, 2001г.и "7-я Национальая к Конференция по открытой добыче полезных ископаемых", Варна, Болгария, 2003г.
6. ИГЭУ, международные конференции "10 Бенардосовские чтения", Иваново 2001г.; "11 Бенардосовские чтения", Иваново 2003 г.;
7 "3 International Symposimn МЕР 01", Белград, Югославия, 2001г.; "4 International Symposium МЕР 03", Белград, Югославия, 2003г.
8. Technical University in Kosice, 10h International Conference , Кошица, Словакия, 2002 г.
9 Маг.ГТУ, конференция "Добьгаа, обработка и применение природного камня ", Магнитогорск, 2002 г., 2003 г.,2004 г.
10. Universitatea din Petrosani, Lucrarile Stiintifice ale Simpozionului International, Петрошане, Румыния, 2003 г. Станок демонстрировался с получением дипломов на следующих выставках: INTERTOOL - 1998, "ОБРАЗОВАНИЕ и КАРЬЕРА 2000","ЭКСПОКАМЕНЬ 2000, 2001, 2002".
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору В.И. Морозову за содействие и научную помощь при выполнении этой работы.
Электрооптический анализ изображений и воспроизведение полутоновых градаций
Этот градиент показывает сколько полутоновых градаций репродукции воспроизводят одну градацию оригинала.
При определении требований к качеству воспроизведения мелких деталей следует отличать факсимильную аппаратуру полиграфического назначения от аппаратуры для создания художественных изображений. В первом случае факсимильная аппаратура должна обладать высокой разрешающей способностью. Во втором случае разрешающая способность аппаратуры ( то есть размер мелких деталей изображения ) определяется возможностями зрительного аппарата и воспроизводить более мелкие детали чётче чем те, которые может различать глаз, смысла не имеет.
На рис. 1.8 показана зависимость угла разрешения \/ глаза от диаметра зрачка D [ 95, с. 26 ], который, в свою очередь, определяется яркостью адаптации. Кривая 5 является суммарной кривой, позволяющей определить разрешающую способность глаза, как оптической системы. При её формировании были учтены влияния следующих факторов на зрительную систему: влияние дифракции - 1, влияние сферической абберации - 2, влияние неоднородности хрусталика - 3, влияние мозаичной структуры сетчатой оболочки - 4.
В условиях близким к наихудшим D да 2 мм, \/ да 130 мин = 0,5 10" 130 = 0,65 10" рад. [ 95, с. 26 ] с расстояния а = 250 мм число чёрных линий с белыми зазорами на 1-н мм составит п = 1 /ц/а = 1/ (0,65 10" 250) = 6,5. . Это значение совпадает с амплитудно - частотной характеристикой предложенной Ю.С. Андреевым [ 46, с.47].
Характеристикой электрооптического анализа изображений называют зависимость электрического сигнала на выходе анализирующего устройства Г/видео от среднего значения коэффициента отражения р или от среднего значения оптической плотности Dr q, передаваемого элемента изображения [ 95 с. 65], т.е. видео — J р( Рср) Увидев J D\ r срЛ Если учесть, что Dr ср = /g ( 1/ рср ),то рср = 10 D г ср. В случае применения в анализирующем устройстве фотопреобразователя с линейной световой характеристикой, она может быть представлена уравнением иф ЫфоЮ г ср
На рис. 1.9 приведена зависимость сигнала на выходе линейного анализирующего устройства от оптической плотности элементов изображения.
Это означает , что равные интервалы ADr ср, вызывают неравные интервалы Д/ф, уменьшающиеся по мере перехода от светлых полутонов к тёмным. Далее, крутизна или градиент характеристики фотопреобразователя с линейной световой характеристикой изменяется по закону показательной функции [ 95, с.67]: (ІЩ Изменение крутизны характеристики анализа полутонов от оптической плотности фрагмента изображения Из рис.L. 10 следует, что крутизна характеристики анализа полутонов линейной факсимильной системы уменьшается с увеличением Д..
Синтез полутонов облегчается, если применён фотопреобразователь с логарифмической характеристикой от светового потока и уравнение характеристики анализа имеет вид [ 95, с. 136] ик=и0к +tyk Dk-В системах, предназначенных для зрительного восприятия факсимильных реіфодукций, качество воспроизведения полутоновых градаций с учётом зрительного восприятия может быть оценено посредством GA - градиента воспроизведения полутоновых градаций по зрительному ощущению [ 95, с.139] GA = (ра S Цс Open /Рориг ), (113) где фв - крутизна характеристики ( градиент ) анализа полутонов анализирующим устройством, S - крутизна амплитудной характеристики электрического тракта, цс - крутизна характеристики синтеза полутонов і
Фактическое распределение а) и визуальное восприятие Ь) яркости при контурном переходе ( эффект Маха - контурного подчёркивания ). записьшающим устройством, рреп » рорИг - угловые размеры фрагментов изображения репродукции вгоригинала.
Для подчёркивания контуров и увеличении чёткости изображения применяется принцип частотного корректирования [ 46, с. 32 ], который в соответствии с эффектом Маха заключается в выделении вторых производных сигнала изображения. На рис. 1.11 показано фактическое распределение и визуальное восприятие яркости на контурном переходе. Эффект контурного подчёркивания наблюдается на участках аЬжсй.
Формализация определения и коррекция качества исходного изображения путём использования амплитудной характеристики для видеосигнала
Определяющим качество гравированного изображения является исходное качество рисунка, которое определяется следующими тремя параметрами [75, с. 18-23]. 1 .Распределение тонов или тональность отдельных участков, т.е. градационные свойства видеосигнала изображения, описывается его амплитудной характеристикой в макромасштабе. Для характеристики последнего может быть использована гистограмма [113, с. 257]. На рис. 2.11 приведён пример, из которого следует последовательность просмотра амплитудной характеристики каждой точки изображения. Здесь же показан пример просмотра гистограмм. Для этого в программе Copir необходимо сделать следующее: 1. увеличить изображение ( рис. 7.23 ) до появления мозаичных фрагментов, используя клавишу « МАСШТАБ »; 2. установить указатель на выбранном фрагменте ( рис. 2.11) и на полутоновом клине увидеть градацию яркости этого фрагмента; 3. по полутоновому клину (рис. 2.4 ) следует определить значение пикселя этого фрагмента ( рис. 2.12 ... рис. 2.15 ). На рис. 2.16 показан пример построения амплитудной характеристики видеосигнала по длине строки изображения. 2. Чёткость изображения, воспроизводящая микроструктуру, т.е. мелкие детали( мелкие перепады тональности - контуры). Рассмотрим пример приведённый на рис. 2.16. Из рисунка следует, что шаг пикселей составляет 0,2 мм. Пиксели с №№ (п-2), (п-1), имеют уровень ( код ) 147,2; № (п) - 163,2; № (п+1) - 195,3; № (п+2) - 230,4.
Подставим в (2.2) и (2.3) эти значения, получим следующее: АЛ п-1] = f [п] - f[n - 1] = 163,2 - 147,2 = 16, V/ l] = f[n-l]-f[n-2] = 147,2-147,2 = 0, Д/[ п ] = f [п +1] - f[n] = 195,3 - 163,2 = 32,1, V#п] = f[n]-f[n-l] = 163,2 -147,2 = 16, Aflfl+l] = f[n+2]-f[n+l]=230,4-195,3 = 35,l, V/[ п+1] = f [n] - f[n] = 195,3- 163,2 - 32,1. Выше приведённые значения соответствуют амплитудной характеристике по рис. 2.16 и переходам:
Таким образом, для определения чёткости изображения могут служить первые разности решетчатой функции (выражения ( 2.2 ) и ( 2.3 )) массива пикселей этого изображения. Из рис. 2.16 следует, что для визуального отличия градации и появления " чёткости " необходимо, чтобы первая разность значений соседних пикселов составляла «16.
В Гл.1 выражением (1.9) введено понятие градиента по зрительному ощущению GA для непрерывной функции, который является отражением чёткости изображения.. Выражения (2.2)и(2.3) являются таким же отражением, но для решетчатой функции изображения.
Относящаяся к чёткости резкость - это чёткость границы между соседними участками изображения с различной оптической плотностью. Она измеряется быстротой изменения оптической плотности, т.е. частотными характеристиками сигнала изображения в микромасштабе.
Рассмотрим вторые разности этого массива. Для этого воспользуемся выражениями ( 2.4 ) и ( 2.5 ). В этом случае : А2Л п ] = 35,1 - 32,1 = 230,4 - 2 195,3 + 163,2 = 3, V2/[ и] = 16 - 0 = 163,2 - 2 147,2 + 147,2 = 16,
Т.е. переход от пикселя ( п ) влево к пикселю ( п - 2 ) имеет величину изменения прироста 16, а вправо к ( п +2 ) имеет величину изменения прироста 3. Другими словами, при переходе пикселей от(«-2)кп будет очерчен резкий переход, а при переходе от пикселей отик(?? + 2) переход будет размытым. На рис. 2.3 приведён пример изображения с резкими переходами градаций полутонов. На рис. 2.10 дан пример этого же изображения, но с размытыми, не резкими, переходами градаций этих же полутонов.
Таким образом, для определения резкости могут служить вторые разности для решетчатых функций ( 2.4 ) и ( 2.5 ). 3. Неоднородность изображения (зернистость, пятнистость. растровый муар) - это применительно к терминам Теории Информации являются шумовыми помехами. В Гл.1 на рис. 1.7.3 показана зависимость контрастной чувствительности s от зашумлённости изображения.
Электромеханический преобразователь выполняет функцию преобразования амплитудно - частотно промодулированной видеосигналом последовательности импульсов напряжения( U тті)в импульсную энергию разрушения минерала (Q р им)- При этом последовательно следуют следующие преобразования Уравнения тока в катушке преобразователя можно записать следующим образом [ 137, с. 33] L(di/dt) + i(dL/dz)(dz/dt) + iR = u(t) (2.7) При этом, первое слагаемое - противо э.д.с. самоиндукции, второе слагаемое - противо э.д.с. движения, возникающая вследствие изменения L при движении якоря.
Уравнение движения ( вынужденных колебаний ) якоря описывается следующим уравнением [137, с. 33]: тя (fyd?) + q (dzfdt) + Fn (z) = F3M ( ,z), (2.8) где тя - масса якоря с долбяком, q - обобщённый коэффициент трения, F„ = cz- сила противодействующая в статике ( в нашем случае - только пружина, имеющая коэффициент упругости - с ), F3M - электромагнитная сила в зазоре электромагнита ( см. тяговые характеристики).
На рис. 2.17 представлена диаграмма рабочего цикла однокатушечного электромагнита с пружиной. Этот цикл во времени состоит из 3-х частей: 4раб - времени срабатывания, 4кп сост - времени включённого состояния, 4озвР - времени возврата. Рассмотрим отдельно эти три процесса совместно с тяговой и внешней характеристиками [90], [88].
Из рис. 2.17 следует, что раб заканчивается после того, как якорь принимает своё крайнее положение ( в нашем случае Ан + ААД ( или Н )). Этот процесс состоит из 2-х частей: времени трогания t тр и времени хода якоря t ХОда . Время трогания определяется временем нарастания тока, величиной нагрузки Fm и силами трения на поверхностях сопряжения якоря и магнитопровода.
Разрушение поверхности полированных материалов долблением в технологическом процессе копирования художественных изображений
Известно, что предшествующий гравировке процесс полировки поверхности минерала приводит к шероховатостям порядка 0,01...0,001мкм [144, стр. 234].
В случае внедрения индентора с разрушением материала "белизна" оставшегося следа индентора будет максимально возможной ( т.е. имеем минимальную оптическую плотность) и именно в этом диапазоне технологических параметров надлежит при гравировании работать.
При нанесении полутонового изображения растровым способом на полированную поверхность минерала долбяком производится его к многократное точечное разрушение. Механизм процесса гравирования минерала микроударом полностью идентичен механизму разрушения горных пород ударом [124].
Далее, в работе [123, с. 30 ] показано, что в результате механического воздействия инструмента на поверхность материала под инструментом в массе минерала образуется нагруженный (сжатый) объём, который называется ядром уплотнения (ЯУ). Свободные поверхности, которые ограничивают массив, определяют граничные условия разрушения минерала. В соответствии с этими граничными условиями различают два вида отбойки минерала от массива — скол и выкол. При гравировании возможно то и другое, это определяется шагом растрирования.
Рассмотрим эти понятия. При наличии 2-х свободных поверхностей отбойка происходит сколом. Этот случай рассмотрен в [ 123, с.55] Внешняя сила Fприложена к 1-й свободной поверхности, ограничивающей массив минерала с одной стороны. ЯУ формируется под этой силой и расширяется перпендикулярно ко 2-й свободной поверхности, на которой и производится скол. На рис. 3.2 приведена схема отбойки сколом.
При этом: F - приложенная сила, Р - реакция массива породы на расширение ядра уплотнения, V0 - объём ядра уплотнения, V - объём отделяемого массива, Н - удаление ядра уплотнения от свободной поверхности, h - глубина ядра уплотнения, АЛ - глубина внедрения инструмента в материал заготовки (деформирование ЯУ), Sw - площадь поверхности, h - глубина ядра уплотнения, Ah - глубина внедрения инструмента в материал заготовки (деформирование ЯУ), Sw - площадь поверхности ядра уплотнения, Sp - площадь поверхности отделяемого массива, S - площадь контакта инструмента с материалом, на которую действует сила F, С - длина скола, Ai - ширина лезвия инструмента.
При наличии одной свободной поверхности отбойка происходит вы колом (123, рис. 3.3 ). В этом случае внешняя сила F приложена к этой свободной поверхности и отбойка минерала также производится на эту же поверхность.
Для последующего формирования технологического процесса гравировки художественных изделии детально проанализируем этот механизм.
В рассматриваемом случае при воздействии силы F по ограниченной площади контакта S в массиве минерала образуется первичное ЯУЬ которое имеет объём VQ\ . Первичное ЯУі, расширяясь в направлении параллельном свободной поверхности на величину АКі , деформирует массив вокруг первичного ЯУі (вокруг объёма Fbi ).
Это приводит к образованию вторичного ЯУ2, объёмом Уш- ЯУ2 расширяется в направлении перпендикулярном к свободной поверхности. При этом объём ЯУ2 изменяется на величину А Уг, преодолевая силу от возникающей реакции массива Pi (силу связи отбиваемого объёма V породы с массивом). Изменение объёма ЯУг происходит в силу того, что глубина ЯУг ( h2 ) изменяется на величину ЛЙ2 . Таким образом, ЯУг под действием силы F выкалывает из массива объём V породы минерала.
Применение импульсной модуляции при растрировании видеосигнала для получения заданной интегральной оптической плотности и математическое описание импульсных генераторов
Технологический процесс растрового факсимильного [83, с. 34...37] гравирования обеспечивает получение интегральной оптической плотности 2 в на длине шага растрирования 5 заготовки равной оптической плотности оригинала Др на этой же длине ( рис. 4.1.), т.е. А р DR
Интегральная оптическая плотность DB получается из сложения оптической плотности полированной поверхности заготовки Dn и оптической плотности JD0 следов ( точек ) долбяка, оставляемых после разрушения материала заготовки [ 43, с.23 ] . При заданной для конкретной заготовке Dn и Do способ получения необходимой величины 2)в заключается в варьировании следующего: изменения диаметра лунки, что при пирамидальной форме рабочей части долбёжного инструмента, осуществляется изменением величины импульса удара - видео J\ видео )у при этом, импульс удара характеризуется своей амплитудой и шириной [ 136, с. 411 ], т.е. имеет место амплитудно - широтная импульсная модуляция; изменением шага лунок 5, что осуществляется или изменением величины подачи по строке Vs или изменением периода Г следования импульсов удара 5 = Vs Т, т.е. имеет место частотная импульсная модуляция. Набор параметров и граничные условия для выбора этих параметров при долблении следующие. 1. Импульс удара.
1.1 Для минерала существуют критические величины энергии QK и её длительности хк ( Гл.3.1 ), которые необходимо соблюдать для ввода энергии в минерал (для его деформации) и величина его критической деформации hK, за которой упруго-пластичные деформации ЯУ сменятся на деформации разрушения ЯУ с отделением куска минерала объёмом У я, соответственно, Dn переходит в Do. Это ограничивает нижнее значение импульса удара, т.е. величина импульса удара должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить переход оптических плотностей.
1.2 Рассмотрим верхнее ограничение импульса удара. Величина кинетической энергии 2кин при заданных массе якоря с долбёжным инструментом и их длине хода ( зазор Ан ) может варьироваться только скоростью долбёжного инструмента Уя.. Однако следует учесть, что во- первых, величина этой скорости Уя определяет время прохода долбёжным инструментом зазора Ан, т.е. Уя должна быть достаточно высокой, чтобы не ограничивать частоту растрирования. Во - вторых, скорость Уя. должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить импульсом удара лунку необходимого диаметра без дополнительного скола, возникающего при хрупком материале. Поэтому скорость Уя и, соответственно сила, обеспечивающая получение этой скорости и приложенная к якорю, должна иметь крутой передний фронт и быть совершенно определённой по амплитуде.
2. Период следования Г ( частота ) ударов. Верхнее значение периода следует из того, что время т для прохода зазора Ан массы якоря с долбяком с последующим внедрением долбяка на величину Мд за время т в материал должно обеспечивать ввод в него необходимой величины кинетической энергии. Время обратного хода долбяка также приближённо должно составлять т.
3. Величина подачи V Это значение позволяет привести в соответствие шаг растрирования 8 при заданном Т.
При гравировании видеосигнал ( в виде напряжения, полученного из кода пиксела на изображении) поступает на электромеханический преобразователь в виде импульсной последовательности. Структурная схема, реализующая решение задачи растрирования показана на рис. 4.1, а её описание содержится в [ 67 с. 112...115].
Отображение рисунка-оригинала хранится в памяти (1) PC и выводится на экран (2). Эта область памяти сканируется процессором PC, а текущее состояние отображается а) положением маркера на экране 2), б) положением каретки копира, задаваемым от PC через порт(3) и ПК (4) на привод - это координаты X и Y, а содержимое этой ячейки памяти (т.е. оптическая плотность Di текущей точки изображения) передаётся на управляющую и возвратную обмотки (5) и (6) преобразователя (7). Преобразователь своим долбяком (8) под действием прямого усилия F через зазор Ан наносит лунку (ударом) на поверхность (9). Далее пружинная подвеска (10) совместно с возвратным электромагнитным усилием F возвращает якорь (11) в исходное положение. Частота точек (12) и их глубина пропорциональны величине пикселя и метод их получения описан в [75, с. 19] в виде работы аппаратного блока или его программного эквивалента.
Величина рабочего зазора Ан должна быть строго постоянна в процессе работы преобразователя (7). Эта стабилизация обеспечивается следящей системой, которая устроена следующим образом.
Преобразователь (7) с пружиной (16) через фторопластовый башмак (13) прижимается к поверхности (9). Степень нажатия пружины регулируется винтом (15). При скольжении башмака (13) весь преобразователь поднимается или опускается в зависимости от профиля поверхности (9).Таким образом обеспечивается постоянство зазора Ан Электромагнитная энергия создаёт усилие F в зазоре электромагнита, которое приложено к якорю, заставляет его двигаться поступательно и сообщает ему механическую энергию. Долбёжный резец, погружаясь в материал заготовки, создаёт так называемые пробельные элементы: Д"ц J\ видео/rt где ЛАд - глубина погружения (долбления), 1/вияео - уровень видеосигнала. При этом происходит преобразование линейного перемещения долбяка яд вдоль оси z в относительную площадь пробельного элемента s : s=AAha) = (S0-SBp)/So, где »Упр- площадь пробельного элемента., Величина относительной площади пробельного элемента s при общей площади растрового элемента S$ должна быть такой, чтобы обеспечить равенство оптической плотности оригинала Dop и интегральной ( визуальной ) оптической плотности 2)в, воспринимаемую потребителем. Этот этап декодирования аналитически описывается уравнением Шеберстова-Муррея-Девиса [75, с. 18...23]: D = - lg[s 10 Du + (l-s) 10"z)o], ( 4.1 ) где Dn - оптическая плотность поверхности полированной заготовки, D0 -оптическая плотность пробельного элемента (следа долбяка). Площадь растрового элемента определится, как SQ = 5 , где 8 - шаг растрирования
