Область техники

Изобретение относится к способам гравирования на плоской поверхности металлических или каменных изделий и устройствам для их осуществления, а более точно к созданию на обрабатываемой поверхности изображений, состоящих из отдельных точек (лунок), образуемых от ударов гравировальным инструментом.

Уровень техники

Известен способ гравирования, включающий перемещение гравировального инструмента и нанесение ударов гравировальным инструментом по обрабатываемой поверхности для образования лунок в соответствии с отображаемым изображением. Этот способ представлен в следующих патентных документах: ЕР 1724070, RU2121444, TF013030, FR2666278, RU2350476 и RU96817.

Недостатком этого известного способа является низкая производительность из-за инерционности гравировального инструмента, средств его удерживающих и привода ударного действия, поскольку удары наносятся гравировальным инструментом из его нахождения в покое в нейтральном положении.

Известно гравировальное устройство, патент РФ М° 2230670, включающее гравировальный инструмент, установленный на консоли или коромысле, с приводом ударного действия, и выполненное с возможностью перемещения по обрабатываемой поверхностью и нанесения ударов гравировальным инструментом путем поворота консоли или коромысла.

Недостатком этого известного устройства также является низкая производительность из-за инерционности гравировального инструмента, средств его удерживающих и привода ударного действия, поскольку удары наносятся гравировальным инструментом из его нахождения в нейтральном положении.

Известно также гравировальное устройство, патент РФ N° 2350476, включающее гравировальный инструмент и привод ударного действия с пружиной или пружинами, возвращающими гравировальный инструмент в нейтральное положение после нанесения удара по обрабатываемой поверхности.

Недостатком этого известного устройства является низкая производительность из- за инерционности гравировального инструмента, средств его удерживающих и привода ударного действия, поскольку используются механические пружины, сила упругости которых только линейно зависит от величины сжатия или растяжения, что ограничивает скорость возвращения гравировального инструмента в нейтральное положение после удара. Кроме того, механические пружины растягиваются в процессе эксплуатации, что приводит к образованию люфта и запаздыванию возвращения гравировального инструмента в нейтральное положение после удара.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый в заявленном способе гравирования, заключается в увеличении производительности - нанесении большего числа ударов гравировальным инструментом по обрабатываемой поверхности в единицу времени. Гравировальный инструмент постоянно колеблется, а амплитуда его каждого колебания остается неизменной или изменяется в зависимости от того, наносится удар или нет и от силы удара, соответствующей глубине лунки, образуемой на обрабатываемой поверхности, и яркости точки отображаемого изображения. Благодаря тому, что гравировальный инструмент постоянно колеблется с заданной частотой, нет необходимости наносить удары из его нейтрального положения, что позволяет увеличить количество ударов в единицу времени. Если удары наносятся один за другим, их частота будет равна частоте колебаний гравировального инструмента.

Техническим результатом первого варианта заявленного устройства является, во- первых, указанный выше технический результат способа. Во-вторых, техническим результатом является использование для создания постоянных колебаний гравировального инструмента дополнительного магнитного привода.

Техническим результатом второго варианта заявленного устройства является также указанный выше технический результат способа. Другим техническим результатом является использование магнитных пружин в приводе ударного действия. Магнитные пружины обеспечивают усилие, возвращающее гравировальный инструмент в нейтральное положение после удара, пропорциональное, по меньшей мере, кубу величины смещения из нейтрального положения. Это позволяет, благодаря быстрому «отскоку» гравировального инструмента из лунки, избежать разрушения лунки из-за движения гравировального инструмента вдоль обрабатываемой поверхности. Кроме того, использование магнитных пружин позволяет расширить диапазон полутонов, отображаемых на обрабатываемую поверхность, поскольку отсутствует люфт, усталость, деформации, которые есть у механических пружин. Таким образом, благодаря использованию магнитных пружин сохраняется качество гравирования при увеличении производительности.

Указанный технический результат достигается в способе гравирования, включающем перемещение гравировального инструмента и нанесение ударов гравировальным инструментом по обрабатываемой поверхности для образования лунок в соответствии с отображаемым изображением, при этом осуществляют колебания гравировального инструмента в плоскости перпендикулярной обрабатываемой поверхности, которые синхронизируют с перемещением гравировального инструмента по координатной сетке, совмещенной с обрабатываемой поверхностью, причем перемещают гравировальный инструмент между двумя соседними узлами координатной сетки за интервал времени равный или кратный периоду колебаний гравировального инструмента, или период колебаний выбирают кратным интервалу времени, за который перемещают гравировальный инструмент между двумя соседними узлами координатной сетки, а для нанесения или пропуска удара изменяют амплитуду соответствующего колебания гравировального инструмента.

Удары по обрабатываемой поверхности могут наноситься гравировальным инструментом в узлы координатной сетки.

Удары по обрабатываемой поверхности могут наноситься гравировальным инструментом со смещением относительно узлов координатной сетки.

Можно изменять силу удара гравировального инструмента пропорционально яркости соответствующих точек отображаемого изображения.

Осуществлять колебания гравировального инструмента возможно с начальной амплитудой, не превышающей зазор между гравировальным инструментом и обрабатываемой поверхностью при нахождении гравировального инструмента в нейтральном положении, а для нанесения удара увеличивать начальную амплитуду колебания гравировального инструмента.

Осуществлять колебания гравировального инструмента и увеличивать амплитуду колебания гравировального инструмента для нанесения удара возможно одним приводом ударного действия.

Осуществлять колебания гравировального инструмента возможно магнитным приводом колебаний гравировального инструмента, а увеличивать амплитуду колебания гравировального инструмента для нанесения удара приводом ударного действия, при этом необходимо синхронизировать работу привода ударного действия с приводом колебаний по данным датчика перемещения гравировального инструмента. Возможно перемещение по координатной сетке, совмещенной с обрабатываемой поверхностью, гравировального инструмента, установленного на консоли или коромысле, и осуществление угловых колебаний консоли или коромысла относительно их нейтрального положения (соответствующего нейтральному положению гравировального инструмента), а для нанесения удара увеличивать амплитуду углового колебания консоли или коромысла в плоскости перпендикулярной обрабатываемой поверхности до значения, при котором амплитуда колебаний гравировального инструмента превышает величину зазора между гравировальным инструментом и обрабатываемой поверхностью при нахождении консоли или коромысла в нейтральном положении.

Возможно осуществление угловых колебаний консоли или коромысла и увеличение амплитуды углового колебания для нанесения удара приводом, включающим электродвигатель или соленоид с якорем и магнитные или механические пружины, или магнитную и механическую пружины.

Возможно осуществление угловых колебаний консоли или коромысла и увеличение амплитуды углового колебания для нанесения удара приводом, включающим шаговый электродвигатель и^ механические (цилиндрические или другой формы) пружины.

Угловые колебания консоли или коромысла могут осуществляться магнитным приводом колебаний гравировального инструмента, а приводом ударного действия возможно увеличение амплитуды угловых колебаний консоли или коромысла для нанесения удара гравировального инструмента, при этом синхронизируют работу привода ударного действия с магнитным приводом колебаний гравировального инструмента по данным об угле поворота от датчика поворота (например, датчика Холла), установленного на оси поворота консоли или коромысла (в частности, на валу двигателя привода ударного действия).

Консоль или коромысло в нейтральном положении могут быть расположены под углом а = arcsin δ/L к обрабатываемой поверхности, где δ - зазор между гравировальным инструментом и обрабатываемой поверхностью при нахождении консоли или коромысла в нейтральном положении, a L - кратчайшее расстояние от оси поворота консоли или коромысла до продольной оси гравировального инструмента, проходящей через вершину его наконечника.

Значения δ могут быть выбраны из интервала от 0,02 мм до 4,0 мм, а угол а может быть установлен равным значению arcsin δ/L. Значения δ могут быть выбраны из интервала от 0,03 мм до 1,0 мм, а угол а может быть установлен равным arcsin 0,35 мм/ мм).

Возможно перемещение по координатной сетке, совмещенной с обрабатываемой поверхностью, гравировального инструмента, закрепленного на консоли, установленной на плоской пружине, защемленной с противоположной стороны, при этом колебания гравировального инструмента осуществляют путем колебаний консоли на плоской пружине относительно ее нейтрального положения (соответствующего нейтральному положению гравировального инструмента), а перемещают гравировальный инструмент между двумя соседними узлами координатной сетки за интервал времени, равный или кратный периоду колебаний консоли, и для нанесения удара увеличивают амплитуду колебания консоли в плоскости перпендикулярной обрабатываемой поверхности до значения, при котором амплитуда колебания гравировального инструмента превышает значение зазора между гравировальным инструментом и обрабатываемой поверхностью при нахождении консоли в нейтральном положении.

Указанный технический результат достигается в гравировальном устройстве, включающем гравировальный инструмент, установленный на консоли или коромысле, с приводом ударного действия, и выполненным с возможностью перемещения по координатной сетке, совмещенной с обрабатываемой поверхностью и сопряженной с отображаемым на обрабатываемой поверхности изображением, и нанесения ударов гравировальным инструментом по обрабатываемой поверхности путем поворота консоли или коромысла, включающем также магнитный привод колебаний для осуществления начальных угловых колебаний (с начальной амплитудой) консоли или коромысла и датчик поворота консоли или коромысла, а привод ударного действия выполнен с возможностью изменения (увеличения и уменьшения) амплитуды угловых колебаний консоли или коромысла для нанесения ударов синхронно с колебаниями вызванными магнитным приводом колебаний.

Привод ударного действия может включать электродвигатель (в частности, шаговый) и механические (в частности, цилиндрические) пружины, связывающие установленные на валу двигателя консоль или коромысло с корпусом двигателя, а датчиком поворота консоли или коромысла может являться, в частности, оптический датчик или датчик Холла, установленные на валу двигателя.

Привод ударного действия может включать соленоид с якорем, установленным на консоли или коромысле, и механические пружины и/или магнитные пружины, удерживающие консоль или коромысло в нейтральном положении. W

6

Привод ударного действия может включать две магнитные пружины, первые постоянные магниты которых установлены на консоли или на разных плечах коромысла, а их вторые постоянные магниты установлены на корпусе (остове) устройства напротив первых и обращены к ним одноименными полюсами.

Магнитный привод для осуществления колебаний гравировального инструмента может включать двигатель и два постоянных магнита, обращенных друг к другу одновременно обоими своими полюсами, при этом первый постоянный магнит может быть закреплен на консоли или коромысле, а второй постоянный магнит установлен, в частности, на ориентированном вдоль направления удара гравировального инструмента валу двигателя магнитного привода, с возможностью угловых колебаний или вращения для периодического изменения расположения полюсов второго постоянного магнита на противоположное относительно обращенных к нему полюсов первого постоянного магнита.

Указанный технический результат достигается в гравировальном устройстве, включающем гравировальный инструмент и привод ударного действия по меньшей мере, с одной пружиной возвращающей гравировальный инструмент в нейтральное положение после нанесения удара по обрабатываемой поверхности, при этом оно выполнено с возможностью осуществления колебаний гравировального инструмента в плоскости перпендикулярной обрабатываемой поверхности и нанесения ударов по обрабатываемой поверхности путем изменения амплитуды колебания гравировального инструмента, а пружина, возвращающая гравировальный инструмент после нанесения удара по обрабатываемой поверхности в нейтральное положение выполнена магнитной.

Привод ударного действия может включать шаговый электродвигатель и две магнитные пружины, а гравировальный инструмент может быть закреплен на консоли или коромысле, установленных на валу двигателя, при этом первые постоянные магниты магнитных пружин установлены на консоли или на разных плечах коромысла, а их вторые постоянные магниты установлены на корпусе (остове) устройства напротив первых и обращены к ним одноименными полюсами.

Привод ударного действия может включать соленоид и две магнитные пружины, а гравировальный инструмент может быть закреплен на консоли или коромысле, установленных с возможностью поворота, при этом первые постоянные магниты магнитных пружин установлены на консоли или на разных плечах коромысла, а их вторые постоянные магниты установлены на корпусе (остове) устройства напротив первых и обращены к ним одноименными полюсами. Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан гравировальный станок с гравировальным устройством.

На фиг. 2 показано гравировальное устройство, установленное в гравировальном станке.

На фиг. 3 показана консоль, на которой крепится гравировальный инструмент, установленная на валу шагового электродвигателя и связанная с корпусом гравировального устройства механическими цилиндрическими пружинами.

На фиг. 4 схематично изображено гравировальное устройство с приводом, включающим шаговый электродвигатель и магнитные пружины.

На фиг. 5 и фиг. 6 схематично изображены варианты использования в гравировальном устройстве коромысла, соответственно с механическими и магнитными пружинами. На фиг. 6 показано коромысло, начальное положение которого наклонено относительно обрабатываемой поверхности.

На фиг. 7 схематично изображено гравировальное устройство с приводом, включающим соленоид с якорем и две магнитные пружины, и магнитным приводом для осуществления угловых колебаний консоли, на которой закреплен гравировальный инструмент.

Варианты осуществление изобретения

Изображенный на фиг. 1 гравировальный станок включает гравировальное устройство 1, установленное с возможностью перемещения над поверхностью обрабатываемого изделия 2 по трем декартовым координатам - направляющим 3, 4 и 5, и блок управления 6. На фиг. 2 гравировальное устройство 1 этого же гравировального станка изображено более детально. Гравировальный инструмент 7, представляющий собой стержень с алмазным наконечником, закреплен на консоли 8, установленной на валу шагового электродвигателя, находящегося в корпусе гравировального устройства 1. Движения консоли 8 ограничены двумя магнитными пружинами 9 и 10, каждая из которых включает два постоянных магнита, обращенных друг к другу одноименными полюсами. Один из магнитов каждой из пружин установлен на консоли (сверху и снизу), а другой на корпусе гравировального устройства. Магнитные пружины 9 и 10 выполнены с возможностью регулировки расстояния между магнитами в соответствии с выбранной частотой колебаний гравировального инструмента. На корпусе гравировального устройства установлен датчик смещения 11 гравировального устройства относительно поверхности обрабатываемого изделия с щупом 12, выполненным с возможностью скольжения (качения) по поверхности обрабатываемого изделия. На валу шагового двигателя установлен датчик смещения гравировального инструмента. Гравировальное устройство 1 установлено на каретке 13, перемещаемой в вертикальном направлении шаговым двигателем 14 (рис.1). Датчик смещения гравировального инструмента используется для контроля касания обрабатываемой поверхности заготовки вершиной наконечника гравировального инструмента 7, находящегося в нейтральном положении, и выставления зазора между ними. Слежение за изменением положения гравировального устройства 1 относительно поверхности заготовки 2 обеспечивается датчиком 1 1 смещения гравировального устройства. Данные датчика 11 смещения гравировального устройства поступают в блок управления 6. Из-за неровности профиля поверхности заготовки 2, зазор между вершиной наконечника гравировального инструмента 7 и поверхностью заготовки 2, т.е. положение гравировального устройства, может меняться. Сохранение положения гравировального устройства 1 относительно поверхности обрабатываемого изделия 2 обеспечивается шаговым двигателем 14 совместно с датчиком 11 смещения гравировального устройства.

Представленное на фиг. 1 и фиг. 2 гравировальное устройство 1 имеет следующие характеристики. Частота колебаний гравировального инструмента 7 (угловых колебаний консоли 8) - [1 -500] Гц. Величина зазора между нейтральным положением гравировального инструмента 7 и гравируемой поверхностью - δ=[0.2-Й).6] мм. Например, для частоты колебаний гравировального инструмента /=300 Гц, 5=0.35 мм

На фиг. 3 изображено гравировальное устройство, принципиально отличающееся от гравировального устройства, изображенного на фиг. 2 тем, что движения установленной на валу шагового электродвигателя 15 консоли 16, в которой крепится гравировальный инструмент 7, ограничены механическими (цилиндрическими) пружинами 17 и 18.

На фиг. 4 схематично изображено гравировальное устройство с приводом, включающим шаговый электродвигатель 19 и магнитные пружины: первая с магнитами 20 и 21, обращенными друг к другу одноименными полюсами, и вторая с магнитами 22 и 23 также обращенными друг к другу одноименными полюсами. Магниты 21 и 22 установлены на консоли 24, а магниты 20 и 23 установлены на корпусе шагового двигателя с возможностью регулировки винтами 25 и 26 промежутка, соответственно, между магнитами первой и второй пружин. На консоли 24, установленной на валу 27 шагового двигателя, закреплен гравировальный инструмент 28, представляющий собой стержень с заточенным алмазным наконечником. Вершина наконечника отстоит от обрабатываемой поверхности на величину зазора δ. При нанесении удара гравировальным инструментом на обрабатываемой поверхности образуется лунка 29. Правильная форма лунок и их градация по глубине в соответствии с силой удара и, соответственно, яркостью отображаемого изображения, обеспечивает создание качественного изображения на обрабатываемой поверхности.

Устройство работает в соответствии с заявленным способом гравирования следующим образом. На обмотки управления шагового электродвигателя с многополюсным статором, поступает последовательность импульсов управления. Во время действия импульса управления вал 27 поворачивается и приводит в движение консоль 24 и связанные с ней магниты 21 и 22 магнитных пружин. Поворот консоли 24 относительно оси вращения вала 27 ограничен действием отталкивающих сил магнитного поля, созданного магнитами 20 и 23. Магниты 20, 21, 22 и 23 выбирают и располагают так, чтобы обеспечить оптимальные по амплитуде и частоте колебания консоли 24, а, следовательно, и гравировального инструмента 28. Консоль 24 вместе с гравировальным инструментом 28 начинает совершать угловые колебательные движения. В отличие от механических пружин, упругие силы взаимодействия в которых линейно зависят от величины деформации (по закону Гука), силы отталкивания постоянных магнитов нелинейно зависят от расстояния между ними, по меньшей мере, пропорционально кубу величины смещения, что обеспечивает быстрый «отскок» гравировального инструмента из лунки 29, позволяет избежать разрушения лунки из-за движения гравировального инструмента вместе с гравировальным устройством вдоль обрабатываемой поверхности, повысить частоту колебаний гравировального устройства и, в конечном счете, повысить качество гравированного на камне изображения и увеличить производительность.

На фиг. 5 схематично изображен вариант использования в гравировальном устройстве коромысла 30 с механическими пружинами 31 и 32.

На фиг. 6 показано коромысло 33 с магнитными пружинами 34 и 35, повернутое на некоторый угол в нейтральном положении. Этот угол задается из следующих соображений. Важным условием увеличения ресурса работы гравировального инструмента является обеспечение угла между продольной осью инструмента, проходящей через вершину наконечника, и поверхностью заготовки максимально близким к прямому углу в момент касания вершиной наконечника поверхности заготовки. При ударе алмазного наконечника о поверхность заготовки наконечник испытывает огромные напряжения, вызванные продольными и поперечными составляющими реакции удара. Известно, что алмаз не предназначен для работы в условиях ударных нагрузок. Тем не менее, практика показывает, что он прекрасно справляется с ударными нагрузками, если направление удара строго перпендикулярно поверхности заготовки, то есть, если алмаз работает при ударе только на сжатие. С другой стороны, обеспечить условие строгой перпендикулярности не удается. В практике направление удара гравировального инструмента всегда отклонено от перпендикуляра, что вызывает возникновение поперечных составляющих реакции удара, которые действуют перпендикулярно продольной оси наконечника гравировального инструмента и заставляют работать наконечник на изгиб. Запас прочности на изгиб алмаза на порядок ниже чем запас прочности на сжатие, и поэтому поперечные силы реакции вызывают быстрое изгибное разрушение алмазного наконечника. Как показывают теоретические исследования и многочисленные эксперименты, оптимальный диапазон изменения угла отклонения а продольной оси инструмента, проходящей через вершину наконечника, от прямого угла в момент касания поверхности заготовки составляет 6°, то есть а=[-3°-И-3°]. Поэтому при способе гравировки и изготовлении гравировального устройства необходимо повернуть консоль или коромысло на угол а таким образом, чтобы при прохождении наконечником гравировального инструмента зазора δ в момент удара, обеспечивался угол, близкий к прямому, с отклонением, не превышающим оптимальный диапазон.

На фиг. 7 схематично изображено гравировальное устройство с консолью 36, установленной с возможностью поворота и двумя приводами. Устройство работает в соответствии с заявленным способом гравирования следующим образом. Первый привод включает соленоид 37 с якорем 38, установленным на консоли 36, и две магнитные пружины с магнитами 39 и 41 расположенными на консоли и магнитами 40 и 42 - на корпусе устройства. Второй привод - магнитный привод 43, предназначенный для осуществления угловых колебаний консоли, включает двигатель 44 и два постоянных магнита, обращенных друг к другу одновременно обоими своими полюсами, при этом первый постоянный магнит 45 закреплен на консоли 36, а второй постоянный магнит 46 установлен на валу двигателя 44 ориентированном вдоль направления удара гравировального инструмента 48, который при ударе разрушает поверхность заготовки 47, оставляя лунку. Двигатель 44 вращает магнит 46, и при этом периодически изменяется взаимное расположение полюсов первого и второго магнитов на противоположное, соответственно, притягивая или отталкивая консоль 36. Таким образом, осуществляются колебания гравировального инструмента с задаваемым значением начальной амплитуды. Датчик поворота 49, установленный на оси вращения консоли 36 позволяет обеспечить синхронность в работе обоих приводов и синфазность колебательного движения консоли 36, вызванного двигателем 44 магнитного привода и приращения амплитуды колебания для удара гравировальным инструментом соленоидом 37. Колебание гравировального инструмента с заданной частотой и увеличение амплитуды для удара позволяет значительно увеличить частоту колебаний рабочего инструмента и, следовательно, производительность работы.