Подготовка управляющих программ для лазерной деревообработки с применением графических редакторов

Литература

1. Берлинер М. А. Электрические измерения, автоматический контроль и регулирование влажности. -М.: Энергия, 1965.

2. Карпов А. С., Цветков Е. И. Кондукто-диэлько-метрические методы и средства влагометрии древесины // Деревообраб. пром-сть. - 1997. - № 3.

3. Леонов Л. В., Чубаров Е. П. Отчет о научно-иссле-

довательской работе «Разработка, изготовление и испытание опытных образцов датчиков (влажности)». - М.: МГУЛ, 1997.

4. Справочник по технологии лесопиления / Под ред.

Образцова С. А., Шибалова В. А. и др. - М.: Лесн. пром-сть, 1963.

5. Серговский П. С. Режимы проведения камерной суш-

ки пиломатериалов. - М.: Лесн. пром-сть, 1987.

ПОДГОТОВКА УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ДЕРЕВООБРАБОТКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРОВ

В.В. СЕДЫХ, аспирант кафедры АПП МГУЛа

Лазерные технологические установки (ЛТУ) - один из перспективных видов оборудования, применяемого в деревообработке. Данные установки обладают высокой точностью и могут быть использованы для самых различных целей. Лазерные технологические установки целесообразно использовать в тех случаях, когда традиционное механическое оборудование неприменимо или его использование связано со значительными технологическими трудностями.

Как правило, ЛТУ работают по сложным управляющим программам, подготовка которых вручную затруднительна или даже невозможна. По этой причине в состав лазерной установки обычно входит персональный компьютер, позволяющий автоматизировать процесс подготовки управляющих программ. Типичная лазерная технологическая установка состоит из следующих основных частей:

- компьютера (на котором производится подготовка исходного изображения или схемы раскроя, а также осуществляется генерация управляющих программ);

- системы числового программного управления (СЧПУ);

- технологического лазера (в деревообработке обычно используются СОг-лазеры);

- координатного стола.

Так как цены на персональные компьютеры значительно снизились, а их мощность постоянно возрастает, то в ЛТУ, вы-

пускаемых в последнее время, числовое программное управление может отсутствовать. В этом случае компьютер служит не только для проектирования траектории движения лазерного луча, но и осуществляет непосредственное управление технологической установкой (координатным столом и лазером).

Наиболее распространено применение лазерных установок для прецизионной резки и для нанесения декоративных рисунков на поверхность материала. При этом лазерный комплекс работает в одном из двух режимов: векторном или растровом.

В первом случае за основу для подготовки управляющей программы (УП) берется рисунок, подготовленный в векторном графическом редакторе. Этот рисунок представляет собой совокупность математических кривых, описывающих изображение, которое необходимо сформировать на поверхности материала. Лазерный луч перемещается по траектории, описанной этими математическими кривыми, и таким образом выполняет гравировку или резку по заданному контуру.

При втором режиме обработки за основу берется растровое изображение, например. отсканированная фотография. Растровое изображение представляет собой матрицу, элементы которой несут информацию о режиме работы лазера. В этом случае формирование изображения на поверхности материала осуществляется следующим обра-

зом: рисунок, зафиксированный в компьютере, считывается построчно с одновременным (синхронным) перемещением координатного стола. При обнаружении программой элемента матрицы, значение которого говорит установке о том, что надо включить лазер, программа подает соответствующий сигнал на исполнительный механизм, управляющий лазерным излучателем.

Можно сказать, что при работе в векторном режиме лазерная технологическая установка имитирует работу перьевого графопостроителя, а в растрЬвом режиме - принтера.

Обоим видам обработки присущи свои достоинства и недостатки, но далее будут рассматриваться только векторные изображения, т.к. они применяются чаще и при работе с ними возникает больше вопросов, связанных с автоматизацией.

Построение векторных изображений производится в соответствующих графических редакторах, которые условно можно разделить на две группы. К первой группе относятся такие системы автоматизированного проектирования (САПР) как, например, АгйоСАО, Компас и др. Процесс создания изображений в этих редакторах похож на черчение на бумаге. Эти САПР создают очень точные изображения. Проектирование траектории в подобных векторных редакторах происходит с помощью так называемых примитивов, т.е. простейших элементов чертежа. В качестве примитивов выступают такие геометрические фигуры как точка, линия (отрезок), окружность, дуга, эллипс. Имеется также специальный примитив «полилиния», представляющий собой комбинацию некоторого количества дуг и отрезков. Большинство примитивов САПР имеют аналоги в

Рис. 1. Примерный вид сплайнов 3-го порядка

системах команд ЧПУ и за счет этого подготовка управляющих программ осуществляется довольно легко.

Второй тип графических редакторов, который обычно используется художниками, оперирует сплайнами 3-го порядка (кривыми Безье). К редакторам этого типа относятся CorelDRAW, Adobe Illustrator и др. Каждая кривая Безье описывается следующими уравнениями:

х(/) = (1 - t)jxI + 3/(1 - t)2X2 + 3^(1 - t)x3 + Рх4, y(t) = (1 - tYy\ + 3/(1 - f?y2 + ЗД1 - ()уг + t * [0; 1],

где х,. у, - координаты управляющих точек

A, В, С. D.

Кривые Безье - более гибкий инструмент по сравнению с примитивами САПР. На рис. 1 представлен внешний вид нескольких сплайнов третьего порядка в зависимости от положения их управляющих точек А,

B, С, D. При этом, следует отметить, что на готовом рисунке видна только кривая AD, которая и является сплайном. Точки В и С являются вспомогательными, они видны только при редактировании сплайна.

Изображения, сформированные в CorelDRAW, Adobe Illustrator и других подобных им программах, предназначенных для работы дизайнеров, обычно непригодны для непосредственной генерации программ, управляющих лазерными установками и требуют проверки и доработки. Эти операции производятся в САПР. В этом случае процесс подготовки УП выглядит следующим образом:

- построение исходного изображения в векторном графическом редакторе;

.в

-V

- вывод (экспорт) изображения из графического редактора в виде DXF-файла;

- вставка (импорт) DXF-файла в САПР;

- доработка изображения в САПР;

- вывод исправленного и проверенного изображения в DXF-файл;

- формирование управляющей программы.

При вставке изображения из графического редактора в САПР возникает проблема, связанная с тем, что большинство САПР не работают со сплайнами. Поэтому при экспорте в DXF-файл сплайны преобразуются с помощью кусочно-линейной аппроксимации в совокупность отрезков. При этом, например, CorelDRAW может выдать огромное количество отрезков для описания каждой кривой Безье (см. рис. 2, б). Многие из этих отрезков могут иметь длину в несколько микрометров. Это приводит к значительному разрастанию управляющих программ за счет элементов, не имеющих практической ценности (невидимых невооруженным глазом). Подобная особенность преобразования сплайнов является большим недостатком при использовании станков с ЧПУ, которые, как известно, имеют ограниченный (и небольшой по современным меркам) объем памяти. Разработана программа, которая просматривает базу данных чертежа, подготовленную в графическом редакторе и записанную в DXF-файле. Она автоматически удаляет из базы данных отрезки, имеющие длину меньшую, чем та, которая указана оператором. Это также важно потому, что, как показала практика, некоторые

системы ЧПУ, встретив команду о перемещении на очень маленькое расстояние (которое не может быть обеспечено координатным столом), становятся неуправляемыми, что приводит к порче заготовки. Пример работы этой программы приведен на рис. 2, в (длина отрезков, которые необходимо удалять, была взята довольно большой для того, чтобы более наглядно показать результаты работы программы).

Другой важной задачей является сортировка примитивов в базе данных чертежа. Так как большинство графических редакторов (и в том числе САПР) предназначены для отображения информации на экране монитора или вывода на принтер, то в них никакой сортировки примитивов обычно не производится. Элементы изображения запоминаются в базе данных в произвольном порядке (обычно в порядке их создания на чертеже). В управляющей программе, полученной из такого файла, возникает большое количество холостых перемещений установки, что может привести к значительному увеличению времени обработки одной заготовки (снижению производительности). Особенно важна последовательность отработки примитивов в УП при лазерной резке, т.к. это может сказаться на качестве реза. Нами была написана макрокоманда для AutoCADa, позволяющая автоматически преобразовывать все элементы чертежа (примитивы LINE и ARC) в полилинии. Это позволяет значительно уменьшить количество элементов в базе данных чертежа и, следовательно, облегчает последующую сортировку.

а б в

Рис. 2. Кусочно-линейная аппроксимация кривых Безье: а - кривая в СогеГОЯАМУ

Также разработан ряд алгоритмов, позволяющих выполнить сортировку примитивов с целью уменьшения холостых ходов установки и выполнения качественного резания лучом лазера.

Таким образом, использование графических редакторов, заслуженно пользующихся популярностью у пользователей РС,

облегчает проектирование траектории лазерной обработки. Однако, для обеспечения качественного технологического процесса (особенно это относится к процессу лазерной резки), данные, полученные из этих редакторов, необходимо дополнительно обрабатывать с использованием специализированного программного обеспечения.

ПРЕЦИЗИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА СТРОГАНОГО ШПОНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНКРУСТИРОВАННОЙ МЕБЕЛИ

В.Ю. ВИНОГРАДОВ, начальник сектора лазерных технологий ОАО ТИП «Техпомаш», Е.П. ЧУБАРОВ, д. т. п., профессор кафедры АПП МГУЛа,

В.В. СЕДЫХ, аспирант кафедры АПП МГУЛа

В настоящее время на рынке России имеется большой выбор мебели как отечественного, так и зарубежного производства. В условиях острой конкуренции к продукции предприятий мебельной промышленности предъявляются все более жесткие требования, сводящиеся к необходимости обеспечить качество продукции, соответствующее мировому уровню.

Одним из путей повышения качества является применение на предприятиях мебельной промышленности новых технологий, в том числе лазерных. Применение прецизионной лазерной техники позволяет не только улучшить качество продукции, но и в ряде случаев использовать новые дизайнерские решения, неосуществимые при традиционной механической обработке. При резке такого хрупкого материала, как строганый шпон, лазеры, не оказывающие механического воздействия на материал, очень перспективны. С их помощью обеспечивается изготовление деталей очень малых размеров сложной формы. При этом достигаются высокие производительность и гибкость производства. Последнее важно при выполнении индивидуальных заказов.

Однако, при резке шпона возникает целый ряд проблем, требующих экспериментального исследования режимов обработки. Основная проблема связана с тем, что

при производстве мебели, инкрустированной строганым шпоном, а также в ряде других производств, необходимо, чтобы прилегающие элементы как можно точнее соответствовали заданному рисунку и прилегали друг к другу с очень малым зазором (менее 0,1— 0,05 мм).

Другим важным требованием является недопустимость почернения (обугливания) лицевой поверхности материала, которое может возникнуть в результате лазерного воздействия.

И, наконец, третья проблема связана с тем, что при инкрустации используются различные материалы, существенно отличающиеся своими свойствами, а именно: плотностью, цветом, коэффициентом поглощения лазерного излучения, шероховатостью, толщиной и некоторыми другими, не оказывающими большого влияния на ход процесса. В данной работе использовались образцы строганого шпона следующих пород древесины и толщин: красное дерево (1,2 мм), бук (1,5 мм), орех (2,8 мм), сосна (1,5 мм), красный дуб (1,5 мм), белый дуб (1,4 мм).

Описанные проблемы относятся к проблемам управления распределенными системами с подвижными источниками воздействия [1]. Их решение чрезвычайно сложно осуществить теоретически, поэтому