УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ МЕТАЛЛОГРАФСКОЙ ПЕЧАТИ СО МНОЖЕСТВОМ ИДЕНТИЧНЫХ РИСУНКОВ
DEVICE AND METHOD FOR MAKING DIES OF SCRATCH-OFF PRINTING WITH MULTIPLE IDENTICAL PATTERNS

Настоящее изобретение относится к устройству и способу изготовления изделий для производства форм металлографской печати или изготовления формы металлографской печати. Изобретение относится далее к устройству для изготовления форм металлографской печати со множеством идентичных рисунков.
Характерная особенность метода металлографской печати состоит в использовании для нее печатной формы с выполненными на ней в виде линий или точек углублениями, которые при печати частично или полностью заполняются краской. В процессе печати запечатываемая основа, например, бумага, с высоким усилием прижимается к печатной форме и вдавливается в ее углубления, что сопровождается переносом краски на запечатываемую основу и ее деформацией. В другом варианте углубления в печатной форме можно и не заполнять краской, и в этом случае основа будет подвергаться лишь деформированию, соответственно тиснению без переноса на нее краски (так называемому блинтовому тиснению). В обоих случаях на основе образуются выпуклые и ощутимые на ощупь рельефные структуры.
Ранее при изготовлении форм металлографской печати, обычно используемых для печатания высококачественной печатной продукции, такой как ценные бумаги, банкноты или иные аналогичные ценные документы, сначала гравер на первой стадии путем трудоемкого гравирования вручную изготавливал отдельные оригинальные печатные формы, так называемые одинарные печатные формы. При этом гравер штихелем вручную при высоких затратах времени выгравировывал в стальной или медной пластине требуемый двухмерный рисунок, передавая при этом градации тона, которые должен иметь оттиск, путем варьирования глубины гравируемых в печатной форме линий и варьирования плотности их расположения. Однако при изготовлении оригинальных печатных форм таким способом у гравера имелись ограниченные возможности по корректировке гравируемого рисунка. При повреждении или утере такой оригинальной печатной формы изготовить другую, полностью идентичную ей оригинальную печатную форму было невозможно, поскольку каждая оригинальная печатная форма изготавливалась индивидуально. С подобной оригинальной печатной формы затем изготавливали множество вторичных форм металлографской печати.
Современные технические возможности позволяют механизировать процесс изготовления оригинальных печатных форм. Так, в частности, из ЕР 1578604 А2 известен фрезерный или гравировальный станок для изготовления оригинальных печатных форм в виде одинарных печатных форм. При этом для обработки пластины-заготовки оригинальной печатной формы используется устройство с по меньшей мере тремя свободными осями, вдоль каждой из которых подвижные компоненты устройства, установленные на гидростатических опорах, могут совершать перемещения независимо от перемещений вдоль других осей, предпочтительно с приводом от индивидуальных для перемещения вдоль каждой оси линейных электродвигателей. Несколько компонентов устройства термически стабилизируют. В таком устройстве прежде всего для определения фактического положения фрезы или гравировального инструмента относительно поверхности гравируемой оригинальной печатной формы можно определять несколько корректировочных величин и учитывать их при регулировании глубины погружения фрезы или гравировального инструмента в гравируемую печатную форму.
После изготовления оригинальной печатной формы в виде одинарной печатной формы с нее изготавливают несколько вторичных печатных форм, из которых затем компонуют окончательную форму металлографской печати со множеством идентичных рисунков, т.е. печатную форму для одновременного получения множества одинаковых оттисков. Далее такую плоскую форму металлографской печати изгибают таким образом, чтобы ее можно было закрепить на формном цилиндре. Особое преимущество подобной последовательности изготовления нескольких вторичных печатных форм состоит в возможности изготовления с единственной оригинальной печатной формы практически неограниченного количества печатных форм-копий для металлографской печати, поскольку оригинальная печатная форма при многократном бесконтактном изготовлении с нее вторичных печатных форм подвергается лишь незначительному истиранию, соответственно износу. Так, например, с единственной оригинальной печатной формы можно изготовить более четырех вторичных форм металлографской печати.
Однако недостаток известных из уровня техники решений состоит в исключительно высоких временных и материальных затратах, поскольку с оригинальной печатной формы необходимо сначала изготавливать соответствующее количество копий для компоновки последующей формы металлографской печати. Помимо этого объединение множества одинарных печатных форм в одну пластмассовую печатную форму, которая обычно рассчитана на получение от 40 до 60 одинаковых оттисков (печатных изображений), не позволяет создавать так называемые обрезанные по краю изображения. Выражение "обрезанный по краю" означает при этом возможность нанесения оттиска металлографской печатью на каждый отдельный экземпляр печатной продукции, например, на одну банкноту, вплоть до самого ее края. При использовании же печатных форм, изготовленных известным способом, на каждом отдельном экземпляре печатной продукции остается незапечатанным край шириной порядка 4 мм.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать устройство и способ изготовления форм металлографской печати, каковые устройство и способ не имели бы недостатков, присущих известным из уровня техники решениям.
Указанная задача решается с помощью соответствующих объектов, заявленных в независимых пунктах формулы изобретения. Различные возможные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
В изобретении предлагаются также изделие для производства форм металлографской печати или для изготовления формы металлографской печати, изготовленное с помощью предлагаемого в изобретении устройства, а также сама форма металлографской печати.
Согласно изобретению предлагаемое в нем устройство имеет по меньшей мере один цилиндрический элемент, например, барабан с цилиндрической основной (рабочей) поверхностью, к которому можно крепить по меньшей мере одно обрабатываемое изделие. Термин "изделие" в данном случае и в последующем описании охватывает оригинальную печатную форму, рабочий оригинал и все другие получаемые в процессе изготовления вторичных печатных форм промежуточные печатные формы, называемые также "матрицами", а также форму металлографской печати. Цилиндрический элемент по меньшей мере одним приводным модулем приводится в возвратно-вращательное движение вокруг своей оси, при котором по меньшей мере один обрабатывающий модуль удаляет материал с изделия по меньшей мере на отдельных его участках.
Для изготовления форм металлографской печати со множеством идентичных рисунков предлагаемое в изобретении устройство имеет по меньшей мере один второй обрабатывающий модуль, который, как и первый обрабатывающий модуль, позволяет удалять материал с изделия, соответственно обрабатывать его по меньшей мере на отдельных его участках. Первый и второй обрабатывающие модули имеют при этом по меньшей мере по одному из следующих обрабатывающих инструментов: механический фрезерный модуль для механического гравирования, лазерный модуль для лазерного гравирования или резцовый (скрайбирующий) модуль, например, алмазный резец, для надрезания, соответственно протачивания. Оба обрабатывающих модуля могут при этом иметь одинаковые или разные обрабатывающие инструменты. Так, например, первый обрабатывающий модуль может быть оснащен лазерным модулем, а второй обрабатывающий модуль - механической фрезерной головкой. Помимо этого первый обрабатывающий модуль может быть оснащен, например, лазерным модулем и механической фрезерной головкой, а второй обрабатывающий модуль - механической фрезерной головкой и алмазным резцом.
При необходимости выполнения в изделии надрезанных структур (надрезов) алмазным резцом цилиндрический элемент вместе с изделием приводят во вращение и к изделию подводят обрабатывающий модуль, обрабатывающий инструмент которого врезается или погружается в изделие на требуемую глубину. По достижении заданной длины надрезаемой структуры обрабатывающий модуль вновь отводят от изделия и выводят из контакта с ним. Таким путем в изделии в окружном направлении цилиндрического элемента можно выполнять, например, структуры в виде цилиндрических линз. Помимо этого путем циклического перемещения инструмента в горизонтальном направлении, т.е. в направлении z, по синусоидальному закону при вращении цилиндрического элемента можно создавать структуры в виде расположенных по типу растра или решетки линз.
При необходимости же проточить в изделии алмазным резцом диагональные структуры цилиндрический элемент вместе с изделием приводят во вращение, подводят к изделию обрабатывающий модуль и перемещают его в продольном направлении, т.е. в направлении х. С этой целью алмазный резец поворачивают в направлении результирующего вектора перемещения.
На изделии наиболее предпочтительно выполнять оптические структуры, например, в виде цилиндрических или лентикулярных линз, или микрооптические структуры, например, структуры в виде блестящих решеток, структуры в виде дифракционных решеток, голограммы, структуры в виде микролинз, структуры типа линз Френеля или системы так называемого муарового увеличения, либо соответствующие негативные формы. Подобные оптические или микрооптические структуры позволяют создавать различные оптические эффекты.
Под "муаровым увеличением" подразумевается явление, которое наблюдается при рассматривании растра из идентично повторяющихся графических изображений через линзовый растр с примерно таким же шагом. При этом линейная периодичность повторения графических изображений и периодичность линзового растра составляет от 3 до 50 мкм. Появляющийся муаровый узор воспроизводит расположенные в виде растра графические изображения увеличенными и повернутыми.
Помимо этого цилиндрические линзы можно, например, использовать для выполнения элемента с оптически переменными свойствами, для чего через цилиндрические линзы на расположенную под ними основу лазером наносят информацию, например, в виде чернения поверхности. Лазером при этом в различных угловых диапазонах наносят разную информацию, в результате чего на готовом продукте при его рассматривании с разных направлений и/или под разными углами становится видна, соответственно считывается разная информация.
В одном из наиболее предпочтительных вариантов непосредственно изготавливают рабочий оригинал со множеством идентичных рисунков, с которого в последующем гальваническим способом изготавливают матрицу, а с нее затем изготавливают печатную форму. После изготовления матрицы и формы металлографской печати гальваническим способом форму металлографской печати необходимо согнуть и подогнать под формный цилиндр.
В предпочтительном варианте цилиндрический элемент рассчитан на закрепление на нем нескольких изделий, например, двух полуцилиндрически согнутых металлических пластин, которые практически полностью покрывают окружную поверхность цилиндрического элемента. Подобная конструкция с цилиндрическим элементом обладает по сравнению с известными из уровня техники портальными или одностоечными компоновками особо высокой компактностью, поскольку согнутые изделия занимают гораздо меньше места, чем плоские изделия. Помимо этого отпадает необходимость в перемещении обрабатывающих модулей вдоль вертикальной оси изделия, т.е. вдоль оси у, поскольку такое перемещение заменяется возвратно-вращательным движением цилиндрического элемента. Тем самым в принципе возможна обработка изделия по такой же схеме, что и при плоском его закреплении, но без чрезмерной громоздкости всей конструкции, обычно неизбежной при подобном креплении изделия и обусловленной сравнительно большой протяженностью путей перемещения подвижных компонентов устройства вдоль отдельных осей.
Изделия можно обрабатывать либо одновременно, либо последовательно, т.е. сначала можно обрабатывать одно из изделий, а затем - одно из других изделий.
Выше и в последующем описании за направление или ось х принимается продольное направление вдоль цилиндрического элемента, за направление или ось у принимается вертикальное направление, тангенциальное к окружной поверхности цилиндрического элемента, а за направление или ось z принимается направление в горизонтальной плоскости, перпендикулярное двум остальным указанным направлениям.
Цилиндрический элемент приводится не в однонаправленное вращение с постоянной скоростью, а в зависимости от обрабатываемого контура приводится во вращение в одном и другом направлениях, т.е. в возвратно-вращательное движение. В предпочтительном варианте при этом выполняется соответствующая интерполяция перемещений в направлении x и/или у, т.е. согласование перемещений в обоих направлениях. При необходимости выполнить на изделии, например, зигзагообразную линию, которая в целом проходит параллельно оси x, но отдельные участки которой не ориентированы ни параллельно оси x, ни параллельно оси у, обрабатывающий модуль перемещают вдоль изделия и одновременно цилиндрический элемент приводят в возвратно-вращательное движение. При необходимости же выполнить на изделии окружность обрабатывающий модуль приводят относительно изделия в возвратно-поступательное движение по синусоидальному закону и одновременно цилиндрический элемент приводят в возвратно-вращательное движение также по синусоидальному закону. Наложение обоих таких перемещений дает окружность.
Обрабатывающий модуль предпочтительно устанавливать на двух салазках (суппортах), одни из которых перемещают обрабатывающий модуль в радиальном направлении к цилиндрическому элементу или от него. т.е. в направлении z. Другие салазки перемещают обрабатывающий модуль вдоль оси вращения цилиндрического элемента, т.е. в направлении х. По меньшей мере один обрабатывающий модуль наиболее предпочтительно устанавливать на салазках, которые перемещаются в направлении z и которые в свою очередь установлены на салазках, перемещающихся в направлении х. Салазки могут приводиться в движение линейными электродвигателями, ходовыми винтами, ременными передачами или тросовыми передачами.
В предпочтительном варианте на первых салазках установлен по меньшей мере один обрабатывающий модуль, а на вторых салазках - по меньшей мере один другой обрабатывающий модуль. При этом, например, на первых салазках расположен лазерный модуль, а на вторых салазках - фрезерный модуль.
При обработке изделия фрезерным модулем он оснащен шпинделем с приводом от высокочастотного электродвигателя, вращающимся с частотой от 100000 до 300000 об/мин. В принципе мелкие инструменты для прецизионной обработки необходимо приводить во вращение с особо высокой частотой, в связи с чем их целесообразно даже приводить во вращение с частотой 500000 об/мин и более. Фрезерный модуль оснащен далее смазочно-охлаждающей системой с подачей минимальных количеств смазочно-охлаждающей жидкости, которая под высоким давлением подается в виде аэрозоля на вершину режущей части инструмента, наблюдательной видеокамерой, отсасывающей системой и различными датчиками.
При обработке изделия лазерным модулем лазерный луч направляют на изделие либо через неподвижно установленную оптическую систему, либо через гальванометрический сканер с двумя поворачиваемыми зеркалами. Положение фокуса регулируют в следящем режиме в зависимости от измеренной волнистости изделия, перемещая лазерный модуль, соответственно фокус в направлении z.
Лазерный модуль необходимо тем самым перемещать только вдоль оси вращения цилиндрического элемента, поскольку радиальное перемещение в направлении к цилиндрическому элементу или от него заменяется в данном случае регулированием положения фокуса в направлении z. Поэтому для перемещения лазерного модуля требуются лишь вторые салазки, тогда как первые салазки могут полностью отсутствовать либо могут нести один из других обрабатывающих инструментов. При применении же лазера с постоянным положением фокуса, при недостаточном возможном диапазоне регулирования положения фокуса луча лазера со следящим регулированием положения фокуса либо при необходимости дополнительного механического следящего регулирования положения фокуса и в направлении z лазерный модуль также можно установить на двух салазках. Установка лазерного модуля или гальванометрического сканера на двух салазках целесообразна и в том случае, когда необходимо добиться повышенной точности обработки изделий.
При обработке изделия фрезерным модулем и дополнительно лазерным модулем, лазером которого выполняются углубления в рабочем оригинале, этот лазер можно также использовать для очистки или полирования изделия и удаления заусенцев, образовавшихся при выполнении фрезерованных структур. Помимо этого лазером можно подвергать чистовой обработке фрезерованные боковые поверхности и путем выглаживания фрезерованных структур создавать эффекты глянца либо путем придания фрезерованным структурам шероховатости создавать эффекты матовости. При этом лазером на гладких фрезерованных поверхностях путем придания им особо глубокой шероховатости можно также дополнительно создавать краскоулавливающие или - задерживающие структуры.
Комбинированное использование лазерной и фрезерной техники в одном устройстве позволяет далее объединить преимущества обоих таких методов обработки. Так, например, фрезерование позволяет получать фрезерованные рельефные структуры с определенной геометрией или определенным профилем, определяемым формой рабочей части инструмента. Получаемые в результате выгравированные углубления имеют более гладкие боковые поверхности и точно заданную глубину, чего невозможно добиться при лазерной обработке из-за непостоянства свойств обрабатываемого материала. При необходимости выгравировывания глубоких углублений (глубиной, например, 100 мкм и более) фрезерование позволяет за один технологический проход выбирать материал на всю требуемую глубину, тогда как при лазерном гравировании материал приходится подвергать многократному воздействию лазерных импульсов в каждой его обрабатываемой точке либо приходится удалять послойно, из-за чего общая продолжительность процесса гравирования возрастает. Под выгравированными при этом согласно изобретению подразумеваются углубления в изделии, выполненные в нем обработкой любыми возможными методами.
Преимущества лазерного гравирования проявляются помимо прочего при выполнении мелких (высоколиниатурных) точечных растров, одну точку которых можно при этом создавать в основном одним лазерным импульсом. Точки подобных растров можно с исключительно высокой скоростью выполнять именно с использованием двухкоординатного гальванометрического сканера. Фрезерная же обработка в данном случае связана с большими затратами времени, поскольку для выполнения каждой растровой точки вместе с обрабатывающим инструментом (фрезой) вдоль соответствующих осей требуется перемещать все подвижные компоненты приводов. Лазер целесообразно использовать и для придания определенной шероховатости гладким поверхностям фрезерованных структур.
Особое преимущество, связанное с комбинированным использованием методов лазерной и фрезерной обработки, состоит в возможности высокоточного наложения друг на друга или совмещения друг с другом получаемых лазерной обработкой структур и получаемых фрезерной обработкой структур, например, в возможности выполнения лазером других структур на боковых поверхностях выгравированных фрезерованием углублений. Под особо точным наложением друг на друга или совмещением друг с другом получаемых лазерной обработкой структур и получаемых фрезерной обработкой структур подразумевается допустимое смещение одних относительно других на величину лишь в несколько микрометров.
Для точного определения положения точки падения лазерного луча на поверхность изделия проводят измерения на пробном выгравированном углублении, используя видеокамеру и подключенную к ней электронную систему обработки изображений или же четырехквадрантный позиционный модуль.
Дополнительно к обработке изделия механическим фрезерным модулем или лазером либо вместо такой обработки на поверхности изделия можно также выполнять надрезы в виде царапин или рисок предназначенным для этого обрабатывающим модулем. Такой обрабатывающий модуль, называемый резцовым модулем, оснащенный прежде всего алмазным резцом или твердосплавной режущей пластинкой, перемещают по гладкой поверхности изделия и срезают или соскабливают с нее материал, из которого выполнено изделие. Подобная обработка позволяет наиболее эффективным путем выполнять бороздчатые структуры, которые по всей своей длине имеют постоянную глубину, неизменную ширину и постоянный наклон боковых поверхностей или которые имеют непрерывно уменьшающуюся или увеличивающуюся глубину. Помимо этого надрезание (скрайбирование), соответственно протачивание алмазным резцом позволяет создавать оптические и микрооптические структуры. Подобные микрооптические структуры представляют собой, например, цилиндрические или лентикулярные линзы, структуры в виде блестящих решеток, структуры в виде дифракционных решеток, голограммы, структуры в виде микролинз, структуры типа линз Френеля, а также системы так называемого муарового увеличения, необходимые для создания муаровых структур. Такие структуры в особенно предпочтительном варианте имеют особо гладкую поверхность без следов на ней от фрезерного инструмента и наибольшую высоту неровностей профиля, не превышающую несколько нанометров.
Для выполнения на изделии структур в виде цилиндрических линз используют резцовый модуль с обрабатывающим инструментом, вершина режущей части которого имеет сферическую форму. Для выполнения же на изделии дифракционных структур используют резцовый модуль с обрабатывающим инструментом, вершина режущей части которого имеет коническую форму.
В принципе режущая кромка обрабатывающего инструмента в резцовом модуле должна быть ориентирована перпендикулярно направлению перемещения изделия. Поэтому при использовании неподвижного инструмента на изделии можно выполнять канавки или структуры, ориентированные в направлении у. Поворачивая резцовый модуль вокруг его продольной оси вокруг центра режущей кромки установленного в нем обрабатывающего инструмента на изделии можно также выполнять канавки или структуры, ориентированные в любых направлениях, что позволяет выгравировывать на изделии линии с любой, произвольно задаваемой формой.
Изделие предпочтительно обрабатывать одновременно по меньшей мере двумя обрабатывающими модулями, что позволяет вдвое сократить продолжительность обработки всего изделия.
С по меньшей мере одной стороны цилиндрического элемента можно дополнительно разместить по меньшей мере одну систему смены инструмента. Такая система смены инструмента в предпочтительном варианте имеет около 60 расположенных на кольце и ориентированных в его радиальном направлении гнезд под различные обрабатывающие инструменты, а также другие дополнительные модули.
Для смены обрабатывающего инструмента предназначенная для этого система поворачивается в соответствующее положение, после чего обрабатывающий модуль подводится к ней и забирает из нее необходимый обрабатывающий инструмент, находящийся в соответствующем гнезде.
В предпочтительном варианте система смены инструмента вращается вместе с цилиндрическим элементом. Однако более предпочтительно выполнять по меньшей мере одну систему смены инструмента кинематически отсоединяемой от цилиндрического элемента с тем, чтобы она не вращалась вместе ним и чтобы тем самым сама она и находящиеся в ней обрабатывающие инструменты подвергались меньшим механическим нагрузкам.
Особое преимущество, связанное с наличием системы смены инструмента, состоит в возможности оснащения каждого обрабатывающего модуля любыми обрабатывающими инструментами и тем самым в возможности выбора оптимального для выполнения каждой конкретной гравируемой структуры обрабатывающего инструмента. Помимо этого система смены инструмента позволяет в автоматическом режиме и за кратчайшее время заменять обрабатывающие инструменты.
В одном из предпочтительных вариантов перемещениями обрабатывающих модулей, а также приводным модулем цилиндрического элемента управляет управляющее устройство. В качестве такого управляющего устройства предпочтительно использовать компьютер или систему ЧПУ типа CNC с передачей управляющих данных в цифровом виде в соответствии со стандартами DIN 66025/ISO 6983.
Особое преимущество изобретения состоит в реализации полностью цифрового управления технологическим процессом и в возможности длительно стабильной обработки изделий в виде печатных форм со множеством идентичных рисунков за короткое время, например, в течение примерно одной недели.
Еще одно преимущество изобретения состоит в отсутствии излишней громоздкости конструкции станка, в особо высокой динамичности обработки и в возможности комбинирования между собой всех известных методов микропрофилирования при изготовлении оригинальных форм металлографской печати.
Предлагаемое в изобретении устройство можно также оборудовать одним или несколькими дополнительными модулями. Так, например, на одних из двух салазок можно на собственной направляющей для перемещения в направлении z установить измерительный микроскоп, позволяющий на станке анализировать выгравированные углубления. Основное назначение такого микроскопа состоит при этом в анализе пробного выгравированного углубления с целью определения и компенсации величины радиального биения инструментов.
В качестве еще одного дополнительного модуля на одних из двух салазок можно либо на собственной направляющей для перемещения в направлении z, либо на направляющей измерительного микроскопа установить датчик для трехмерного измерения расстояний, позволяющий анализировать продольный профиль выгравированных углублений. В качестве такого датчика можно, например, использовать конфокальный хроматический датчик с очень малой сканирующей точкой (диаметром примерно от 1 до 2 мкм). Однако для исследования и анализа топологии выгравированных углублений можно использовать и любые иные принципы измерения.
Основное назначение подобного датчика для трехмерного измерения расстояний состоит в выборочном контроле выгравированных углублений непосредственно на станке. Проводя измерения вдоль нескольких линий (дорожек), отстоящих друг от друга на определенное расстояние, в пределах некоторого прямоугольника можно сосканировать и проанализировать трехмерный рельеф поверхности. Вместе с тем измерения можно также выполнять вдоль отдельных горизонталей, т.е. определять координаты z вдоль отдельной линии. Такие измерения можно также использовать в качестве альтернативы анализу пробного выгравированного углубления и определению радиального биения.
При использовании конфокального лазерного сканирующего микроскопа, позволяющего исследовать не только двухмерные, но и предпочтительно трехмерные рельефные структуры, в качестве измерительного микроскопа необходимость в дополнительном датчике для трехмерного измерения расстояний отпадает.
Протоколирование значений температуры и иных параметров станка происходит в соответствии с методами, описанными в публикации ЕР 1578604 А2, которая в этом отношении в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Предлагаемое в изобретении устройство дополнительно имеет одну или несколько описанных ниже специальных функций.
Контактирование с поверхностью изделия/определение длины инструмента
Механический фрезерный модуль в предпочтительном варианте состоит из фрезерного шпинделя с закрепленной в нем фрезой, соответственно с закрепленным в нем гравировальным инструментом, ниже для краткости называемым только фрезой. Фреза, диаметр вершины рабочей части которой составляет примерно 10 мкм, приводится во вращение вокруг собственной оси с частотой, предпочтительно составляющей от 100000 до 300000 об/мин или более, и рассчитана на гравирование или фрезерование 1 или 2 гравюр. После этого фрезу, износ которой не позволяет использовать ее в дальнейшем, необходимо заменить на новую. Для этого обрабатывающий модуль подводится к соответствующей системе смены инструмента и заменяет в этой позиции изношенную фрезу на новую. Однако перед началом следующего процесса гравирования сначала необходимо определить точное положение вершины рабочей части новой фрезы. С этой целью фреза в процессе ее подвода к изделию вплоть до момента касания с его поверхностью, т.е. до контакта с поверхностью изделия, снимается видеокамерой, к которой подключена система цифровой обработки изображений. Видеокамера, соответственно последующая система цифровой обработки изображений позволяет фиксировать этот момент времени и определять на основании данных о соответствующем положении обрабатывающего модуля положение и длину вершины рабочей части новой фрезы с точностью до примерно 0,1 мкм.
Альтернативно такому подходу положение вершины рабочей части фрезы можно также определять с помощью оптической системы с точностью порядка 10 мкм. На основании результатов таких измерений предварительно определяют положение вершины рабочей части фрезы и выгравировывают пробное углубление. Затем измеряют глубину пробного выгравированного углубления, например, с помощью конфокального микроскопа, и корректируют положение вершины рабочей части фрезы на величину, равную разности между заданной и фактической глубиной пробного выгравированного углубления.
Коррекция радиального биения инструмента
При вращении фрезы вокруг собственной оси фактическая ось вращения фрезы в принципе несколько не совпадает с ее заданной осью симметрии. Применительно к фрезе с конической вершиной ее рабочей части сказанное означает, что при вращении фрезы вершина ее рабочей части совершает круговое движение, описывая окружность диаметром обычно от 1 до 6 мкм. Для компенсации такого радиального биения фрезы на том участке изделия, на котором оно не гравируется, гравируют пробное углубление, соответственно выполняют пробное резание. Затем с помощью датчика для трехмерного измерения расстояний или с помощью измерительного микроскопа определяют ширину этого пробного выгравированного углубления, соответственно пробной срезанной части материала. При использовании фрезы с конической вершиной ее рабочей части радиальное биение фрезы можно скомпенсировать путем незначительной коррекции глубины гравируемого углубления на соответствующие поправочное значение, обеспечив тем самым последующее выгравировывание углублений требуемой ширины.
Обмер изделия/компенсация волнистости изделия в направлении z
Обмер изделия и компенсацию его волнистости в направлении z выполняют в соответствии с методами, описанными в публикации ЕР 1578604 А2, которая в этом отношении в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки.
Компенсация создаваемого гравюрой трапециевидного искажения оттиска с помощью компенсационных таблиц
При прижатии запечатываемой и/или подвергаемой тиснению бумаги к печатной форме полученный с нее оттиск оказывается трапециевидно искажен, соответственно "раскатан" в направлении х, т.е. перпендикулярно направлению приложения давления к бумаге. Для компенсации такого трапециевидного искажения оттиска в системе обработки данных, которая управляет обрабатывающим модулем и обрабатывающим инструментом, хранится поправка в функции координаты в направления у, т.е. в направлении, перпендикулярном направлению приложения давления. Такая поправка равна нулю для середины печатной формы, а начиная от ее середины принимает непрерывно возрастающие или убывающие в направлении х значения. Таким путем в гравюру на изделии, соответственно на изготовленной с него печатной форме вносится искажение со знаком, обратным знаку ожидаемого искажения оттиска, который в результате оказывается в основном не искаженным.
Компенсация волнистости изделия
Колебанием или изменением диаметра цилиндрического элемента обусловлено наличие волнистости у изделия в окружном направлении и соответственно в тангенциальном к нему направлении у, которую в принципе невозможно исключить полностью. Для компенсации такой волнистости изделия в направлении z цилиндрический элемент приводят во вращение и определяют периметр изделия. Чем больше измеренный периметр изделия, тем больше и диаметр цилиндрического элемента, с поправкой на каковой диаметр можно одновременно корректировать положение обоих обрабатывающих модулей в направлении х. Для обоих обрабатывающих модулей за основной при этом принимается средний диаметр цилиндрического элемента.
Компенсация волнистости направляющей обрабатывающего модуля в направлении х
Помимо этого направляющая обрабатывающего модуля также обладает волнистостью в направлении х, обусловленной прежде всего лежащими в пределах допуска погрешностями при монтаже на гидростатические опоры. Такую волнистость компенсируют, корректируя положение обрабатывающих модулей по высоте, т.е. смещая их в направлении у. Коррекция положения обрабатывающих модулей выполняется при этом статически путем установки регулировочных подкладных шайб либо динамически пьезоэлементами, размещаемыми между салазками, перемещаемыми в направлении z, и обрабатывающим модулем. Особое преимущество, связанное с применением пьезоэлементов, состоит в возможности изменения положения обрабатывающего модуля по высоте на любую требуемую величину и в возможности динамической компенсации при этом волнистости в любом положении в направлении х.
Ниже преимущества изобретения более подробно рассмотрены на примере различных предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на единственный прилагаемый к описанию чертеж, на котором схематично представлена принципиальная конструкция предлагаемого в изобретении устройства для изготовления рабочих оригиналов или форм металлографской печати.
В целях большей наглядности в последующих примерах, иллюстрирующих различные варианты осуществления изобретения, представлена только наиболее важная информация, которая необходима для пояснения сущности изобретения, а приведенное на прилагаемом к описанию чертеже изображение представлено в предельно упрощенном схематичном виде и не отражает реальные условия. При этом прежде всего следует отметить, что на прилагаемом к описанию чертеже пропорции не обязательно соответствуют реальным соотношениям размеров и служат исключительно для более наглядного пояснения лежащих в основе изобретения принципов. Помимо этого при практической реализации изобретения на поверхности форм металлографской печати, предназначенных для одновременного получения множества одинаковых оттисков, можно выполнять, соответственно выгравировывать гораздо более сложные узоры либо изображения. Равным образом и вместо рассмотренной в последующих примерах информации, несущей некоторое смысловое содержание, можно использовать изобразительную (графическую) или текстовую информацию любой сложности.
В приведенных ниже примерах представлены предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. При этом, в частности, различные варианты осуществления изобретения, проиллюстрированные в последующих примерах, не ограничены также их применением в том виде, как они описаны ниже, а для усиления тех или иных эффектов могут также использоваться в различных комбинациях между собой.
На прилагаемом к описанию чертеже показан цилиндрический элемент 1 с выполненными в нем вакуумными каналами (не показаны), предназначенными для крепления двух изделий путем их присасывания. Создание вакуума осуществляется путем откачивания воздуха по шлангам, проложенным внутри цилиндрического элемента и подведенным непосредственно к его вакуумным каналам, что исключает необходимость в вакуумировании всей внутренней полости цилиндрического элемента 1 и тем самым позволяет избежать прогиба его стенок в продольном направлении. Цилиндрический элемент 1 следует выполнять из высококачественной стали, прежде всего из инвара, с тем, чтобы до минимально возможных уменьшить погрешности, обусловленные тепловым расширением цилиндрического элемента, до минимально возможной уменьшить его массу и обеспечить достаточную его прочность при малой толщине стенки. В другом варианте цилиндрический элемент 1 можно также изготавливать из пластмассы, например из углепластика, либо из гранита. Хотя при изготовлении из углепластика цилиндрический элемент и имеет меньшую массу, чем при его выполнении из высококачественной стали, тем не менее тепловое расширение, длительную стабильность и прочность углепластика контролировать сложнее.
За направление х принимается продольное направление вдоль цилиндрического элемента 1, за направление у принимается вертикальное направление, тангенциальное к окружной поверхности цилиндрического элемента, а за направление z принимается направление в горизонтальной плоскости, перпендикулярное двум остальным указанным направлениям.
Температура в цилиндрическом элементе 1 контролируется бесконтактно радиомодулем. Цилиндрический элемент установлен на гидростатических опорах 2, в которые подводится термостатируемое масло, позволяющее отводить тепло, возможно выделяемое электродвигателями.
Цилиндрический элемент 1 приводится во вращение на обоих своих концах двумя приводными модулями 3 в виде электродвигателей, предпочтительно тихоходных двигателей или моментных электродвигателей. Оба электродвигателя имеют водяное охлаждение. Кольцевой магнитопровод каждого электродвигателя также выполнен с водяным охлаждением через промежуточную пластину, что позволяет до минимально возможного уменьшить количество тепла, передаваемого гидростатическим опорам 2, соответственно цилиндрическому элементу. На оси между электродвигателями и гидростатическими опорами 2 расположен керамический диск в качестве дополнительного теплового барьера.
В другом варианте приводные модули можно также расположить между цилиндрическим элементом 1 и гидростатическими опорами 2. Однако в этом случае необходимо обеспечить особо эффективный отвод тепла, предусмотрев, например, многоступенчатую систему охлаждения. Керамический диск в этом случае располагается между электродвигателем и цилиндрическим элементом 1.
Все устройство закреплено на фундаментной плите в виде гранитного основания 4, которое в свою очередь установлено на активных пневматических упругих опорах. Гранитное основание 4 при этом представляет собой виброизолирующую и недеформирующуюся опорную плиту, на которой смонтировано устройство и которая тем самым прежде всего предотвращает передачу на него колебаний извне.
В гранитное основание интегрирована направляющая 4.1 для перемещения салазок 5 обрабатывающего модуля 7 в направлении х. Салазки 5 перемещаются по направляющей 4.1 линейными электродвигателями.
В показанном на чертеже примере предлагаемое в изобретении устройство оснащено двумя обрабатывающими модулями, однако его без особо высоких затрат можно оснастить также большим количеством обрабатывающих модулей, перемещаемых их линейными электродвигателями в направлении х по тому же магнитному пути.
В каждые салазки 5 интегрирована направляющая 5.1 для перемещения по меньшей мере одних салазок 6 обрабатывающего модуля 7 на гидростатических опорах в направлении z. Необходимое для работы гидростатических опор масло подается при этом под высоким давлением из напорных карманов на рабочую поверхность, на которой в результате образуется тонкая масляная пленка толщиной в несколько микрометров, по которой вдоль соответствующей оси бесконтактно скользят салазки. В предпочтительном варианте предлагаемое в изобретении устройство оснащают дополнительными салазками с менее сложным опорным узлом, например, для поперечной подачи измерительных систем.
На обоих концах цилиндрического элемента 1 расположены системы 8 смены инструмента. Инструментальный магазин одной системы 8 смены инструмента имеет примерно 60 гнезд, расположенных на кольце и ориентированных в его радиальном направлении. Система смены инструмента вращается вместе с цилиндрическим элементом 1, соответственно углу поворота которого можно тем самым сменить определенный инструмент. Систему 8 смены инструмента можно также кинематически отсоединять от цилиндрического элемента 1, чтобы она не вращалась вместе с ним в процессе обработки изделий.