3 - 2018

Техническая гравировка в системе ГеММа-3D

Сергей Зарубин
Научный руководитель проекта Гемма-3D.
Сергей Щедрин
Инженер-консультант проекта ГеММа-3D.
Григорий Иванец
Главный конструктор проекта ОИПИ НАН Беларусии.

Гравировка как вид профессиональной деятельности человека берет свое начало из глубины веков, являясь чем­то пограничным между ремеслом и искусством. Техническая гравировка — это обычная технологическая дисциплина на заводе или в цехе, основной задачей которой является маркировка деталей, изготовление шильдиков и приборных панелей. Гораздо реже ее применяют для нанесения знаков и надписей на формы для литья пластмасс или металлов. Термин «художественная гравировка» применим к работам мастеров граверов старой школы, украшавших надписями, эмблемами и гербами ювелирные изделия, ныне являющиеся экспонатами музеев всего мира. В значительном объеме гравировка используется в полиграфии для производства клише для тиснения и высокой печати.

Есть области, в которых оба вида гравировки неразрывно связаны. Это в основном производство тех бытовых изделий, где гравировка является неотъемлемой частью дизайна, например в часах или стеклянной посуде. Кроме того, происходит внедрение приемов гравировки в других видах обработки, в первую очередь фрезерования и лазерной обработки. Например, при производстве обувных пресс­форм эти виды обработки сравнимы по трудоемкости.

В последние годы компьютеризация захватывает все области производства. Гравировка не является исключением. Поговорим об основных видах гравировки и о том, как они реализованы в системе ГеММа­3D.

Основной по объему задач гравировки является гравировка надписей.

Рассмотрим различные типы компьютерных шрифтов, применяемых в гравировке. Все используемые в компьютерных системах шрифты можно разделить на три типа: растровые, векторные и контурные. Разработчики системы приняли решение — создать собственный формат шрифта, сочетающий преимущества векторных и контурных шрифтов. В результате была разработана спецификация шрифта GSH. Этот формат имеет следующие особенности:

  • символ может быть и контурным, и векторным (скелетным);
  • для описания кривых можно использовать как отрезки прямых и дуги окружностей, так и кривые Безье;
  • шрифт может содержать таблицу кернинга;
  • скелетный шрифт может содержать предопределенную толщину обводки.

Благодаря компактному внутреннему формату шрифтовой файл имеет небольшой размер.

В поставку ГеММа­3D входит более 120 шрифтов формата GSH, причем их ассортимент от версии к версии обновляется и расширяется. Около 30 шрифтов являются векторными (скелетными), остальные — контурными. ГеММа­3D также позволяет использовать любые контурные шрифты True Type, инсталлированные в системе. Но наиболее удобными для гравировки являются именно скелетные шрифты. Среди них есть стандартные гравировальные шрифты по ГОСТ 2930­62, ГОСТ 26.008­85 и ГОСТ 50140­92, включающие греческие буквы и спецсимволы (рис. 1), шрифты для трафаретов по ГОСТ 14192­96 (исполнение 1, 2, 3) , а также типографские и декоративные шрифты (рис. 2).

Рис. 1. Скелетные гравировальные шрифты

Рис. 1. Скелетные гравировальные шрифты

Рис. 2. Шрифты для декоративной гравировки

Рис. 2. Шрифты для декоративной гравировки

Рис. 3. Гравировка панели прибора скелетным шрифтом ГОСТ 50140-92

Рис. 3. Гравировка панели прибора скелетным шрифтом ГОСТ 50140-92

Очевидные преимущества скелетных шрифтов таковы:

  • подготовка программы и процесс гравировки выполняются очень быстро, поскольку само начертание символа и есть траектория инструмента (рис. 3);
  • геометрия символов спроектирована таким образом, чтобы оптимизировать ходы инструмента;
  • гравировальные шрифты построены в точном соответствии со стандартом;
  • стандартную толщину обводки можно задавать в самом шрифте, благодаря чему выбор инструмента и глубина врезания задаются автоматически;
  • любой скелетный шрифт можно легко превратить в трафаретный (используется в покрасочных работах) с помощью масок.

В версии 12 в систему включен уже подготовленный набор трафаретных шрифтов, тоесть для создания модели текста трафарета достаточно выбрать шрифт и ввести текст надписи (рис. 4).

Рис. 4. Модель текста, полученная с помощью трафаретного шрифта

Рис. 4. Модель текста, полученная с помощью трафаретного шрифта

Рис. 5. Примеры шрифтов, адаптированных под толщину инструмента

Рис. 5. Примеры шрифтов, адаптированных под толщину инструмента

Также в версию 12 добавлены скелетные шрифты, учитывающие толщину символов (рис. 5). При такой стратегии гравировки уменьшается износ инструмента.

Мы уже упоминали, что для гравировки можно использовать контурные шрифты. В этом случае шрифтовые символы обрабатываются как обычные контуры. На рис. 6 показаны стратегии выборки материала внутри контура букв.

Рис. 6. Гравировка шрифтов с выборкой контуров

Рис. 6. Гравировка шрифтов с выборкой контуров

Учитывая стремление пользователей создавать собственные и дорабатывать существующие шрифты, в состав поставки включен редактор шрифтов (рис. 7). С его помощью можно извлечь символ из шрифта, изменить и вставить его в этот же или другой шрифт, изменить таблицу кернинга, проконтролировать движение инструмента по элементам.

Рис. 7. Процесс разработки трафаретного шрифта на базе ГОСТ 50140-92

Рис. 7. Процесс разработки трафаретного шрифта на базе ГОСТ 50140-92

Кроме обработки контурных шрифтов выборкой, в системе ГеММа­3D имеется еще одна интересная возможность — объемная гравировка по 2D­модели по технологии «конгрев» (рис. 8). Это особый вид гравировки коническим инструментом, при которой переменная толщина штриха получается за счет разной глубины врезания. Разумеется, конгрев можно использовать и при гравировании других декоративных элементов, например розеток и орнаментов. Основное применение — декоративные шрифты со штрихами переменной толщины.

Рис. 8. Гравировка коническим инструментом с переменной глубиной врезания (конгрев)

Рис. 8. Гравировка коническим инструментом с переменной глубиной врезания (конгрев)

В системе ГеММа­3D технология «конгрев» реализована в опциях модуля объемной гравировки. Модуль относится к виду 2D­обработки и предназначен для построения прохода выборки области, ограниченной совокупностью плоских замкнутых контуров коническим гравировальным резцом, конической или сферической фрезами. Обработка происходит с переменной глубиной, которая зависит от размера замкнутой области и возможности инструмента выбранной геометрии вписаться в эту область. Таким образом, создается эффект «объемности» обработки плоских контуров, и формируемый проход приобретает свойства 3D­прохода инструмента.

Модуль объемной гравировки включает два варианта формирования прохода инструмента: «Гравировка 3D» — для выборки коническим граверным резцом области внутри системы замкнутых контуров или обхода незамкнутых контуров, и «Конгрев 3D», который предназначен для создания штампов объемного тиснения кожи, бумаги, ткани и т.д. и выполняется инструментом со сферической режущей частью. Главное отличие обработки «Конгрев 3D» от «Гравировки 3D» и от фрезерования карманов состоит в том, что форма выемки определяется не только контуром детали и геометрией инструмента, но и параметрами профиля сечения. За счет специальных параметров расчета наклона стенки при обработке паза и профиля паза обеспечивается плавный переход от зон с шириной, меньшей диаметра фрезы, к зонам, в которые вписывается диаметр фрезы.

Рис. 9. Гравировка с постоянной глубиной резания (технология 2D-гравировки)

Рис. 9. Гравировка с постоянной глубиной резания (технология 2D-гравировки)

Собственно «гравировкой» (engraving) называется выборка области, ограниченной несколькими контурами. Гравировка может быть как плоской — при этом в рабочей зоне инструмент перемещается по двум координатам (рис. 9), так и пространственной — трехкоординатной, предназначенной для чистовой выборки близко расположенных контуров и подборки острых внутренних углов коническим инструментом. Такая гравировка обеспечивает полиграфическую точность при обработке шрифтов, логотипов, эмблем и широко используется при изготовлении различных клише (рис. 10). Отдельные задачи связаны с гравировкой на пространственных формах, в первую очередь на телах вращения (цилиндрические клише, формы для литья бутылок). В системе ГеММа­3D данная задача решается как развертка, или цилиндрическая проекция программ гравировки, рассчитанных на плоскости.

Рис. 10. Клише, полученное в модуле «Гравировка 3D» 
с совместным применением 3D-гравировки

Рис. 10. Клише, полученное в модуле «Гравировка 3D» с совместным применением 3D-гравировки

Плоская гравировка присутствует как вид обработки почти во всех системах программирования для станков с ЧПУ и хорошо освоена в производстве. Объемная гравировка является относительно новой технологией, но позволяет получить деталь без дополнительной доработки тонких элементов.

Для оптимизации времени гравировки с применением технологии послойной 2D­обработки (так называемая технология 2.5D­обработки) в версию 12 интегрирована новая функция — прерывистое врезание (постепенная обработка контура на полную глубину без поднятия оси Z до конца его обработки). В прерывистом врезании подъем на безопасную высоту выполняется только для перехода от одного контура к другому только один раз в программе, так как до перехода обработка контура уже будет закончена.

Рис. 11. Пример гравировки большого текста в версии 12 
по технологии прерывистого врезания

Рис. 11. Пример гравировки большого текста в версии 12 по технологии прерывистого врезания

Такая оптимизация позволяет сократить время гравировки при малой толщине слоя и большом количестве контуров в модели (рис. 11).

Мы надеемся, что новые разработки НТЦ «ГеММа» окажутся очень полезными для отечественных предприятий и для всех любителей гравировки.