Технология автоматизированного гравирования художественных изображений

МОСКОВСКИЙ 

ГОСУдАРСГВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ 

УНИВЕРСИТЕТ 

РЕQАКUИОННЫЙ 

СОВЕТ 

Председотель 

ПА. ПУЧКОВ 

Зам. председотеля 

л.хгитис 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 

А.П. ДМИТРИЕВ 

Б.А. КАРТОЗИЯ 

МВ. КУРЛЕНЯ 

В.И. ОСИПОВ 

Э.М СОКОЛОВ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 

В.В.ХРОНИН 

В.А. ЧАНТУРИЯ 

Е.И. ШЕМЯКИН 

ректор .fl."fГJY, 

чл.-корр. РАН 

директор 

Издательства МГГУ 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАЕН 

академик РАН 

академик РАН 

академик МАНВШ 

академик РАН 

профессор 

академик РАН 

академик РАН 

и.н. миков 

В.И. МОРОЗОВ 

ТЕХНОПОГИЯ 

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 

ГРАВИРОВАНИЯ 

ХУДОЖЕСГВЕННЬIХ 
ИЗОБРАЖЕНИЙ 

~ 
1 

МОСКВА 

Изаатепьство 

ссМИР ГОРНОЙ КНИГИ)) 
2007 

УДК 622:681.3 

ББК 32.965 

м 59 

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и 

массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы 

«Культура России» 

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям кни:жным для 

взрослых. СанПиН 1.2.1253-03», утвержденным Главным государственным 

санитарным врачом России 30 марта 2003 г. 

Рецеюенть~: 
• 
д-р техн. наук, проф. М.С. Островский (кафедра «Технология машиностроения и ремонт горных машин>> Московского государственного горного 

университета); 
• 
д-р техн. наук МП. Козочкин (ОАО «Экспериментальный научноисследовательский инстmуr металлорежущих сrанков>>) 

Мнков И.Н., Морозов В.И. 

М 59 
Технология автоматизированного гравирования художественных 

изображений. М.: Издательство «Мир горной книги», 2007. 346 с.: ил. 
ISBN 978-5-91003-018-7 (в пер.) 

Рассмотрены факсимильные растровые станки с компьютерным ЧПУ 

для механического копирования полуюновых изображений на плоских поверхностях хрупких материалов. Описана технология получения растрового 

изображения, обеспечивающая заданную интегральную оптическую плотность за счет амплитудно-частотно промодулированных силовых ударных 

импульсов, амплитуда и период повторения которых учитывают параметры 

видеосигнала, физико-механические параметры материала заготовки и частотные характеристики исполнительных механизмов. Предложены иерархическая система управления и методы внугренней диагностики. 

Для инженеров, работающих в области конструирования факсимильных 

станков и использующих технологни механического гравирования. Может 

бьrrь полезна аспирангам и студентам старших курсов технических вузов, 

специализирующимся на художественном гравировании изображений. 

ISBN 978-5-91003-018-7 

УДК 622:681.3 

ББК 32.965 

© И.Н. Миков, В.И. Морозов, 2007 
© Издательство «Мир горной книГИ>>, 2007 

© Дизайн книги. Издательство 

МГГУ, 2007 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Автоматическое изготовление художественных изображений механическим способом для камнеобрабатывающих и ювелирных производств в настоящее время возможно только на 

станках с CNC (компьютерном ЧПУ) с использованием, в зависимости от поставленных задач, следующих технологических 

методов: 

1) сканерно-растрового с микродолблением или микрофрезерованием (для плоских или круглых полутоновых изображений размером от- 20 до 1000 мм); 
2) векторного с микростроганием (для плоских или круглых 

штриховых, размером от- 3 до 100 мм); 
3) векторного с фрезерованием, включая барельеф (для плоских, размером от- 20 до 1000 мм). 

В работе рассматривается только сканерно-растровый способ с микродолблением. При этом другие вышеназванные способы находятся в разных технологических стадиях внедрения: 

от опытных разработок до серийного применения и требуют отдельного описания. 

Одной из новых технологий является компьютерное станочное растровое гравирование полутоновых плоских или круглых художественных изделий на металле, камне, керамике, 

стекле и т.д. 

Применяемые ранее ручные технологии гравировки и чеканки художественных полутоновых изображений на плоских 

поверхностях не обеспечивали высокой производительности и 

качества, в том числе факсимильности. В настоящее время гравировка может осуществляться на фрезерных станках с ЧПУ, 

имеющих традиционное векторное управление. Однако в этом 

случае производительность гравировального процесса остается 

крайне низкой, а управляющая программа является сложной и 

большой по объему. 

5 

Одной из новых технологий, которая может обеспечить высокую производительность при резком уменьшении объема 

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 НИИполиграфмаше (г. Москва) проводились работы (получен ряд авторских свидетельств), а «Одесское СКБ полиграфического машиностроения» серийно выпускало устройства ЭГ 
А, которые применялись для производства (гравировки) 

клише. Это были безкомпьютерные аналоговые устройства, узко 

направленные, дающие невысокие производительность и качество изображения. 

Проведеиные экспериментальные работы показали, что художественные образы должны воспроизводиться гравированием 

заготовки на факсимильна-гравировальных станках, оснащенных компьютерными устройствами числового программнаго 

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 дол. 

6 

США в год, то становится очевидной экономическая значимость проблемы и, как следствие, актуальность работы, направленной на ее 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 100 мкм- обычный класс), 

до высшего (при станочном шаг точек менее 5 мкм высокий класс); 
4) отсутствие экологического ушерба при гравировании 

материалов за счет удаления вредной пыли (стекло, «папыленные» горные породы т.д.). 

В связи с вышеизложенным разработка автоматизированной технологии растрового факсимильного механического 

копирования изображений и создание гравировальных станков с ЧПУ является актуальной научной проблемой. 

Целью работы является автоматизация процесса нанесения 

полутонового изображения на различные твердые 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 счет 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 

7 

превышающей существующие технологии с переводом качества 

из обычного класса в высокий. 

В работе содержится следующее. 
1. Развитие теории растрирования, обеспечивающее повышение качества гравирования, которое заключается в замене непрерывной функции видеосигнала решетчатой функцией, при 

этом для увеличения четкости 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 физико-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 надежности. 

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлены использованием теории 

8 

растрирования, теории передачи факсимильных изображений, 

теории анализа и синтеза дискретных и цифровых систем автоматического регулирования, теории колебаний. Экспериментальная проверка и промышленное использование факсимильнокопировальных 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 четкости 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 приведеиной 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 введенных энергетических 

передаточных характеристик, что позволяет определить технологические характеристики процессов чеканки и гравировки и 

ввести дополнительные коррекции в исходную управляющую 

импульсную последовательность; 
• 
на основе анализа объемов и скорости обработки и передачи информации применяется двухуровневая цифровая система 

9 

управления, организованная на базе компьютера и контроллера, 

в которую для повышения надежности включен аппаратнопрограммный диагностический комплекс. 

Практическое значение работы заключается: 
• 
в разработке технологии компьютерного факсимильного 

гравирования полированной поверхности материала сканернорастровым способом; 
• 
в проектировании, изготовлении и опытной эксплуатации 

партии факсимильна-гравировальных станков, защищеных патентами, прошедшими регистрацию в Госстандарте, и получивших сертификат безопасности; 
• 
в разработке и практическом применении методики расчета 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 факсимильна-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. 

Глава первая написана д-ром техн. наук, проф. В.И. Морозовым, главы вторая-шестая д-ром техн. 
наук, доц. 

И.Н. Миковым.