Системные принципы организации процессов компьютерного проектирования и изготовления гравированных изделий из разных материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------ © И.А. Науменко, Ю.А. Павлов,

2006

УДК 621.7.01

И.А. Науменко, Ю.А. Павлов

СИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАВИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РАЗНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

~Щ~¥ еред отечественным камнеобра-

J.J. батывающим и смежными с ним художественным, гранильным и ювелирным производствами наиболее сложной проблемой стала необходимость непрерывной адаптации к условиям рынка, который диктует все более высокие требования к выпускаемой продукции. Для достижения конкурентоспособности на отечественном и мировом рынке промышленные предприятия должны непрерывно повышать качество изготавливаемых изделий, снижать их себестоимость и сокращать сроки выполнения заказов.

Эффективное решение такой целевой задачи стало возможным при создании и организации использования на промышленных предприятиях интегрированных объектно'-ориентированных компьютеризированных комплексов для поддержки производственных процессов, в составе которых имеются следующие функциональные компоненты [3]:

- система дизайна (АЯТ) для художественного проектирования конкурентоспособных изделий;

- САПР (САБ - Computer Aided Design) для автоматизированного технического проектирования и конструкторской разработки изделий, а также специальной оснастки и инструмента для их изготовления;

- АСТПП (САМ - Computer Aided Manufacturing) для автоматизированной

Семинар № 23

технологической подготовки производства изделий, ориентированной, прежде всего, на оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ или CNC);

- система организации конструкторско-технологической подготовки производства (PDM - Product Data Management), обеспечивающая управление процессом проектирования и информационными данными об изделиях;

- гибкая производственная система (ГПС или FMS), обеспечивающая автоматизированное изготовление группы изделий на станках с ЧПУ, объединенных в единый технологический комплекс посредством промышленных компьютеров;

- система планирования и управления предприятием (АСУП или ERP - Enterprise Resource Planning).

Совместное использование названных автоматизированных систем характеризует современное гибкое компьютерноинтегрированное производство (КИП или CIM - Computer Integrated Manufacturing).

Общие требования к компьютеризированной интегрированной системе АЯТ-CAD-CAM-PDM-FMS-ERP определяются спецификой архитектурно-строи-тельных, декоративно-художественных и ювелирных изделий, а также условиями их промышленного производства, главными из которых являются:

• ориентация на удовлетворение непрерывно растущих потребительских за-

просов заказчиков, в том числе эстетических и эргономических требований;

• использование разных художественных форм (рисунка, графики, мелкой пластики, скульптуры, макета и т.д.) для задания исходного образа, определяющего замысел дизайнера изделий;

• представление конфигурации деталей изделий в виде плоских и объемных тел произвольных геометрических форм со сложными поверхностями;

• применение различных материалов, в том числе минералов и горных пород, металлов и сплавов, композитных соединений, искусственных анизотропных кристаллов, цветных и драгоценных камней;

• широкое использование высокотвердых труднообрабатываемых материалов - кремнийсодержащих горных пород типа гранитов, стекла, керамики, других синтетических минералов и кристаллов, природных и искусственных алмазов, других драгоценных и цветных камней;

• высокое качество воспроизведения оригинала с точки зрения передачи цвета, текстуры и фактуры материала, точности получения геометрических форм и размеров (сотые доли мм), шероховатости поверхности, измеряемой десятыми и сотыми долями мкм (например, при полировании);

• постоянное совершенствование способов и методов изготовления (обработки, сборки или монтажа, измерений и контроля качества), в том числе на основе нетрадиционных технологий;

• высокий уровень автоматизации технологических процессов изготовления деталей и их комплектов с использованием прогрессивного оборудования и компьютерных систем ЧПУ;

• многономенклатурный характер производства часто меняющихся изделий, изготавливаемых небольшими партиями с возможностью произвольного задания программы выпуска, или единично при минимальных затратах.

Интегрированная компьютерная система "Гравер" предназначена для подготовки и автоматизированного выполнения операций гравирования художественных изображений на плоских, цилиндрических и сферических поверхностях изделий разного назначения [3]. Технологический процесс гравирования строится на разных методах формообразования поверхностей. Кроме традиционного способа гравирования заданных в векторной форме графических рисунков на автоматизированных фрезерно-гравировальных станках в последние годы стал использоваться растровый метод факсимильного гравирования полутоновых изображений (например, фотографий) с помощью специальных виброударных и лазерных станков с ЧПУ [1, 2].

Создание и редактирование исходных изображений осуществляется с помощью дизайнерских пакетов типа "Adobe Photoshop" (для растровой) или "Corel Draw" (для векторной графики). Созданные графические образы затем непосредственно передаются в компьютер ЧПУ, где автоматически формируются технологические операции и управляющие программы соответственно для растрового или векторного гравирования. Таким образом, интегрированная компьютерная система "Гравер" имеет структуру типа ART-CAM [3].

Необходимость промышленного изготовления разных видов художественной гравюры - резцовой, игольчатой, пунсо-новой, пунктирной, карандашной и других, а также усложнение геометрических форм поверхностей гравируемых изделий и расширение их размерного диапазона потребовало создания широкой гаммы гравировальных станков с ЧПУ. В последние годы появились многоцелевые станки типа обрабатывающих центров с ЧПУ, в которых операции гравирования выполняются как векторным, так и растровым методами. В связи с этим актуальной стала разработка универсального способа гравирования сложных видов гравюр, выполняемых на неплоских поверхностях изделий из камня, керамики, металлов и

других материалов, которые характеризуются как пластичными, так и хрупкими свойствами.

Свойства материала во многом определяют выбор технологического метода гравирования поверхности изделия. Существующие технические устройства позволяют получать растровые полутоновые копии изображений на заготовке способом точечного деформирования поверхности полированного материала посредством удара (долблением). Гравирование так же может осуществляться в режиме резания материала вращающейся фрезой.

Существующее автоматизированное гравировальное оборудование по способу обработки материла, делится на два класса: механические гравировальные станки и лазерные. Очевидно, что лазерное оборудование позволяет получать полутоновые изображения с высоким разрешением, соответственно высокого качества.

Широкое распространение получили гравировальные фрезерные станки, использующие векторный способ управления. Способ обработки в этом случае реализуется в режиме резания (фрезерования) или строгания материала. Фрезерно - гравировальные станки предназначены для обработки широкого спектра твердых материалов, в том числе минералов. Данный способ обработки позволяет получать векторные двумерные штриховые изображения на твердой поверхности материала, состоящие из сплошных и прерывистых линий с профилем определенной глубины, которая в пределах одного контура может быть постоянной или разной. Полученный таким способом сплошной штриховой рисунок отличается филигранным характером, при этом передача полутонов практически исключается. Метод фрезерования чаще используется для изготовления объемных барельефных изображений, поскольку все фрезерно - гравировальные станки оснащены 3-ей формообразующей

координатой и имеют малый шаг перемещения (1,25 мкм), обеспечивающий высокую точность позиционирования. Это позволяет многократно проходить по одной и той же поверхности, постепенно изменяя контуры изображения. Воспроизведение полутонового изображения посредством точечного фрезерования в режиме непрерывного опускания - подъема фрезы возможно, но нецелесообразно в виду того, что производительность процесса остается крайне низкой, а управляющая программа является сложной и большой по объему. В настоящее время широкая гамма гравиро-вально-фрезер-ных станков, оснащенных разнообразными дополнительными приспособлениями (в том числе растровыми головками для изготовления полутонового изображения), выпускаются рядом фирм -ROLAND (Япония), Cielle (Италия), НПФ

ООО «САУНО» (Россия).

К отдельной группе гравировальных машин относятся растрово-сканерные факсимильные гравировальные станки, использующие ударный способ обработки посредством локального точечного разрушения материала, позволяющий получать полутоновые изображения. Однако данный способ имеет ряд функциональных ограничений. Процесс деформирования ударом для пластичных и хрупких материалов различен. Для пластичных - это чеканка , для хрупких - г р а в и -р о в к а . При нанесении рельефов на плоскую поверхность вязких материалов в процессе внедрения индентора в его толщу образуются пластические выпучивания («выплывы») материала на границе деформирования, которые приводят к значительному искажению изображения. Только при достаточно большой площади изображении и низком разрешении, «выплывы» при пластическом деформировании металла индентором не будут влиять на качество продукции (рис. 1) [6].

Индентор

"Витые "

6 1ииг растрирование

"Выплыв "

Рис. 1. Внедрение индентора в пластичный материал

Ударный способ вообще не применим для обработки биметаллов с различной оптической плотностью поверхности и внутреннего слоя, так как при ударном воздействии верхний слой не удаляется, а только лишь деформируется. В результате сохраняется практически одинаковая оптическая плотность исходной и деформированной части поверхности без вскрытия нижнего слоя. При нанесении рельефов на поверхность хрупких материалов данный способ реализуется посредством выбора таких технологических режимов, при которых величина дополнительного скола, еще не изменяет заданной площади пробельного пятна. Следовательно, для производства глубоких рельефных поверхностей из хрупких материалов неизбежен метод многократных проходов, что значительно снижает производительность процесса.

Для растрового копирования художественных изображений, при соблюдении вышеизложенных ограничений, могут быть использованы следующие материалы: чугун, бронза, дюралюминий - хрупкие металлы; пластичные металлы - серебро, золото, нержавеющая сталь; материалы с различной оптической плотностью поверхности и внутреннего слоя (например, анодированный алюминий и т.д.). Горные породы (хрупкие материалы) для растрового копирования художественных изображений могут быть

использованы в том случае, если сохраняются одинаковая оптическая плотность по всей исходной и другая оптическая плотность деформированной части поверхности в точке деформации. К таким породам могут быть отнесены габбро, базальт, долерит, обсидиан, керамо-гранит.

Учитывая вышеизложенные ограничения существующих способов обработки, и рассматривая вопрос расширения области применения копировально-

гравировальной техники, предлагается новое техническое решение задачи -перевод процесса чеканки в процесс гравировки путём задания инструменту одновременно 2-х формообразующих движений: возвратно-поступательного и

вращательного. В связи с этим актуальной является разработка новой технологии динамического микрофрезерования (ДМФ), которая совмещает процессы удара и вращения обрабатывающего инструмента. При этом удар рассматривается как динамическое изменение скорости подачи инструмента к поверхности заготовки с целью получения растрового изображения на поверхности материала с заданной интегральной оптической плотностью. Для реализации технологии ДМФ требуется разработка технического устройства (исполнительного узла к существующей гравировальной системе) с расширенными функциональными возможностями для повыше-

Рис. 2. Формирование поверхности пробельного элемента

ния как производительности станка, так и качества продукции. Предлагаемый метод расширяет возможность обработки материалов по глубине. Инструмент, работающий в режиме ДМФ, исключает образование «выплывов» при обработке пластичных материалов и «дополнительного скола» при обработке хрупких материалов, позволяет получать качественные изделия из материалов с различной оптической плотностью поверхности и внутреннего слоя, т.е. снимаются известные ограничения растрового способа гравировки. При этом повышается качество получаемого изделия. Простота конструкции позволяет легко регулировать настроечные параметры системы в зависимости от физико-механи-ческих свойств обрабатываемого материала.

Основной задачей динамического микрофрезерования является создание на поверхности материала пробельного элемента в форме лунки, оптическая плотность которой соответствует оптической плотности внутренних слоёв этого материала, способом совмещенного формообразующего движения, при этом форма пробель-

ного элемента должна быть получена с минимальными отклонениями от формы правильного конуса (рис. 2).

Следовательно для реализации задачи автоматизированного гравирования на станке с ЧПУ и регулирования настроечных параметров системы, необходимо определить область функционирования привода электромеханического преобразователя и привода вращения, формализованную в виде передаточной характеристики 1енедр = /^2,п). Передаточная характеристика определяет функцию изменения глубины внедрения инструмента 2енедр в толщу материала от выбранных усилий внедрения -и частоты вращения инструмента - п определяется выражением [6]:

2 Р2 АН

т - к± _ т + 4п2п2 (да2)2

- к1 \ 2 Р2 АН

т — + 4п2 п 2(}да2)2

[ т ]

2 к2

“ 2 " 2

2 Р2 А Н 2 4 - 2 -^Т 2 А Н к1 -2Рг АН

N т ^ + 4П п 2(^да2)2 _ т _ т ^ + 4П п 2(tga2)2 _ т _

2 к2

где ЛИ [м] - участок технологического зазора; а1- передний угол заточки инструмента; а2 - угол затыловки инструмента; физико-механические свойства материала выражены через параметры: к1 [Н/м] - коэффициент пропорциональности, учитывающий упругие свойства материала, в зоне режима смятия материала, выводится на основании теории внедрения инден-тора в пластичное тело [4, с. 243]; к2 -[Н/м] - коэффициент пропорциональности, учитывающий упругие свойства материала, в зоне режима резания, выводится на основании теории резания материалов [5, с. 217]; т [кг] - масса инструмента и рабочих частей (т.е. держателя, вала и т.д.).

Диаграмма передаточной функции 2внедр = /¥2, п) представлена на рис. 3.

Рассмотрим на примерах влияние изменений ускоряющей силы и скорости вращения инструмента п на форму пробельного элемента заданной глубины 2внедр = 100 (мкм) при условии, что длина участка разгона ЛН = 200 (мкм), а1 = 90°, а2 = 35°. Тогда, соответственно, 2внедр = глунки, а приведенная скорость вращения инструмента п’ 1 равна: п’ = ntg 35° = 214 ■ 0,7=150 (с'1).

По зависимости 2внедр = /(¥2, п) для значений 2 = 100 (мкм) и п' = 150 (с1) оп-

1) п' (с-1) - это приведенная частота вращения,

которая учитывает влияние заднего угла заточки инструмента а2 [7].

ределяется ¥2 = 0,5 (Н). Методом математических дискрет рассчитывается функция времени 4недр = / (2) и определяется время внедрения 4недр на глубину 2еждр = 100 (мкм) (при ¥2 = 0,5 (Н) и п’ = 150 (с'1)); по расчетам tвнедр = 0,0062 (с), (рис. 4, а).

Выполняем аппроксимацию зависимости 4недр = / (2) степенной функцией с преобразованием формы этой зависимости к виду 2 = / (^недр), которая определяется выражением:

1 ^) =-2,601 ■ t2 + 0,0322 ■ t,

Для построения огибающей кривой «входа» индентора в материал при образовании пробельного элемента, в программе "МАТНСАБ" определяются параметрическими функциями по осям X, У:

1 (х) = (-2,6012 + 0,0322t )■ С03(2п2Ш + ф) 1 (у) = (-2,6012 + 0,0322t )3п(2п2Ш + ф) где: /ф - отражает изменение глубины внедрения во времени, а параметр тригонометрической функции (2п-п^ + ф) = (т^ + ф) характеризует скорость вращения инструмента с частотой п (с1) и начальной фазой

внедРения ф = °. График этой функции представлен на рис. 4, б.

Количество оборотов инструмента внутри заготовки при внедрении Ывнедр (обороты) определяется из соотношения

^внедр Твнед/Т1-го.об^ где Т 1-го.об - время вращения инструмента за 1 оборот, Т1-гооб = 1/п = 1/214 = 0,00467 (с), следовательно:

Рис. 3. Передаточная характеристика Zвне6р = (Ег, п)

N

0,0062

0,00467

= 1,328 (об).

Чтобы получить огибающую «выхода», т.е. траекторию крайней точки М режущей кромки лезвия (рис. 2) при обратном движении индентора, используем те же формулы параметрических функций. Для сокращения времени цикла внедрения уменьшим время выхода Т,*, (т.е. Т, < Тенед), тогда в формулу под знак тригонометрической функции вводиться дополнительный коэффициент К = Теь1х./Тенед. Примем условие, что возвратная сила Геозе в три раза больше, чем (т.е. К=1/3). Тогда

огибающая «выхода» описывается выражением:

і (у) = (-2.6012 + 0.03Ш )• эп(2^214Ю + р) . Количество оборотов инструмента внутри заготовки при выходе определиться как:

Кь* = Кнед/К = 1,328/3 = =0,443 (об). Величина начальной фазы ф выхода, т.е. на-

чальныи угол с которого начинается кривая выхода, определяется из условия совмещения последней точки кривой входа фех.к. и начальной точки кривой выхода феых.н. В общем случае фвх.к. не равно феых.н, а отстоят друг от друга на угол ф, поэтому ф = фех.к- фвъхс.и- Введя ф в формулу кривой «выхода», получим совпадение искомых точек (рис. 5).

Задачей динамического микрофрезерования является получение формы пробельного элемента, максимально приближенной к форме конуса. При этом зона «недореза» должна быть минимальна, так как ее наличие приводит к искажению интегральной оптической плотности и, соответственно, к снижению качества. На рис. 5, 6 и 7 представлены графики траектории точки М (рис. 3), отражающие процесс формообразования пробельного элемента заданной глубины 2внедр = 100 (мкм), при {п, Е} = уаг.

1-го .об

а)

б)

Z, [м>

г («мм]

г. Сс>

Рис. 4. а) График изменение времени I внедр при внедрении на глубину А1гд = 100 мкм при разных значениях

скорости вращения инструмента "п" и ускоряющей силы 'Тг"; б) график изменения Z =/(1)

Из графиков видно, что с ростом частоты и время внедрения, рис. 4, а. Это приводит к

Рис. 5. Форма пробельного элемента

Глунки = 100 (мкм) при {п = 214 (с1) , Fz = 0,5 (Н),

ai = 90°, а2 = 35°, АН = 200 мкм }

Рис. 6. Форма пробельного элемента

глунки = 100 (мкм) при {п = 500 (с'1), Fz = 0,36 (Н),

a1 = 90°, a2 = 35°, АН = 200 мкм}

вращения инструмента число оборотов инструмента в толще материала увеличивается. Это приводит к уменьшению зоны «не-дореза», и при п = 1000 (с1), она отсутствует (рис. 7), т. е. достигается режим обычного фрезерования.

Одновременно с увеличением частоты вращения инструмента увеличивается

увеличению времени цикла Тцшл, и, соответственно, к снижению производительности рабочего процесса (т.к. частота ударов инструмента У = 1/Т цикла).

Рассчитаем У для примера, представленного на рис. 5. Время цикла внедрения инструмента определяется выражением:

Тцикл $АИ + ^внед + ^въш

где ЛИ - время, затрачиваемое индентором на прохождение участка технологического зазора ЛИ = 200 мкм, определяется из выражения:

t A„ = 2 • m

AH

= /2 • 0,2 • 0,0002 = 0,013 (с).

41 0,5

Из предыдущих расчетов получено, что Iвнедр = 0,0062 (с). Время возврата tвъхc зависит от величины возвращающей силы Евозв. При расчете Евозв целесообразно исходить из необходимости уменьшения Тцикл, и соответственно к уменьшению tвых, тогда выберем 4^ = (Ы + tвнед) /3. Следовательно, Евозв определяется как:

2 • m • (AH + Zенедр )

T 2

возе

2 • 0,2 • (0,0002 + 0,0001)

(Н).

Тогда

(0,019/ 3)2

AH

= 2,992

tеых =. 2 • m•— = 2 • 0,2

= 6,333 • 10-3 (с).

0,0002 2,992

Рис. 7. Форма пробельного элемента радиусом глунки = 100 (мкм) при {п = 1000 (с1), Fz = 0,2 (Н), a1 = 90°, a2 = 35°, АН = 200 мкм}

Время полного цикла равно: Тцикл =

=tju + teued + teblx = 0,026 (с), тогда частота ударов инструмента: f = 1/ТЩЮ1 = =38,46 (Гц).

Аналогичный расчет для параметров пробельного элемента, представленного на рис. 7, показывает, что с увеличением частоты вращения до n = 1000 (с1) и Fz = 0,2 (Н), f = 1/Тцикл = 28,57 (Гц).

Если для формирования лунки используется шпиндельный узел фрезерного станка, то реальная частота возвратно -поступательного движения не превышает 1-го Гц. При этом в общем случае {Vz, m} = const, следовательно, формообразующая траектория пробельного элемента, получаемая в результате сложения двух движений, имеет вид архимедовой спирали, а поверхность лунки соответствует форме конуса [6].

В случае применения электромеханического привода (ЭМП) скорость перемещения Vz = var, а, учитывая, что скорость вращения инструмента m = =const, то величина подачи на оборот тоже переменная. Поэтому рассматривается понятие мгновенной подачи как отношение приращений во времени глубины внедрения и dZy

угла поворота:

Su3H dy

dt

/dt

V,

a

где Бмгн отражает скорость подачи по оси Ъ при угле поворота в момент времени t. Следовательно формообразующая траектория пробельного элемента примет вид спирали с переменным шагом от центра к периферии. Важно отметить, что при больших скоростях подачи У2 процесс смещения рабочей точки инструмента и достижения ей нужного радиуса может происходить быстрее, чем выполняется 1 оборот инструмента. Это приводит к наличию значительной величины зоны «недореза» (рис. 5). Таким образом,

Z

Z

решая технологическую задачу динамического микрофрезерования, необходимо выбирать такие параметры, которые одновременно обеспечивают требуемую производительность и качество.

Проведенные теоретические расчеты на конкретных примерах доказывают, что в случае применения ЭМП и реализации процесса обработки материала методом динамического микрофрезеровании, производительность процесса, определяемая частотой ударов инструмента У = 1/Тцикл, увеличивается в 38, 5 раз в сравнении с технологией точечного фрезерования на станках с ЧПУ (где У ~ 1 Гц). Однако пробельный элемент при такой производительности образуется с наличием зоны «недореза» (рис. 5). Следовательно,

1. Миков И.Н. Технология растрового факсимильного механического копирования изображений и гравировальные СЫС-станки: Монография. -М: ИКФ "Каталог", 2004. - 140 с.

2. Миков И.Н., Дроздов В.И, Павлов Ю.А. Компьютерная технология и оборудование для художественного гравирования облицовочных и поделочных камней. // Горный информационноаналитический бюллетень, №3. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. С. 199-204.

3. Павлов Ю.А. Компьютерные системы проектирования и подготовки производства промышленных изделий из камня: Учеб. пособие в 3 частях. Ч. 1. Научные основы, методы и средства

необходимо подбирать такие параметры (Ег, п}, при которых форма пробельного элемента была бы с минимальными отклонениями от формы конуса, как показано на рис. 6. В случае, когда форма образующей траектории «идеально» соответствует форме конуса (рис. 7), т.е. достигается наиболее высокое качество изображения, производительность процесса падает до 28,6 Гц. Таким образом, сравнивая два метода обработки - ДМФ и точечного фрезерования, можно принять, что производительность процесса гравирования в среднем увеличивается в 30 раз, без потери качества. Это обуславливает целесообразность использования метода ДМФ в гравировальных станках с ЧПУ.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

создания программных приложений. - М.: МГГУ, 2002. - 108 с.

4. Друянов Б.А., Непершин Р.И. Теория технологической пластичности. - М.: Машиностроение, 1990, 272 с.

5. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и прибо-ростр. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 304 с., ил.

6. Науменко И.А. Теоретические основы

технологии динамического микро-фрезерования.// Горный информационно-аналити-

ческий бюллетень. - М.: Изд-во МГГУ, справка № 444/03-06 от 20.12.2005. - 35 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Павлов Ю. А. - кандидат технических наук, профессор,

Науменко И.А. - аспирантка, кафедра «Технология художественной обработки материалов», Московский государственный горный университет.