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摘要：介紹了電子雕刻機雕刻頭的研究現(xiàn)狀與發(fā)展。目前成熟應(yīng)用的主要是電磁驅(qū)動式的，分為擺動式和直動式，具有雕刻頻率高、雕刻質(zhì)量好的特點；同時介紹了工作原理不同于電磁式雕刻頭的電子束雕刻和激光雕刻，尤其激光雕刻，具有強大的發(fā)展?jié)摿?；以及正在研究和發(fā)展的壓電陶瓷和超磁致伸縮驅(qū)動器，這些功能材料的應(yīng)用研究為雕刻頭的發(fā)展提供了很好的參考
方向。

關(guān)鍵詞：雕刻頭 電磁驅(qū)動；激光雕刻；電子束雕刻；壓電陶瓷；超磁致伸縮驅(qū)動器

凹版印刷以其印品墨層厚實、顏色鮮艷、飽和度高、印版耐印力高、印刷速度快等優(yōu)點在圖文出版和包裝印刷領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)重要的地位。目前，電雕凹版因技術(shù)*、成本低、制版質(zhì)量高且穩(wěn)定、適應(yīng)范圍廣、利于環(huán)保等優(yōu)點已在凹版制造中占主導(dǎo)地位，一直是近年來的主流雕刻方法。印版的好壞是決定印刷質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素，凹版電子雕刻效率的高低直接影響到整個凹版制版的進程。印版是電雕系統(tǒng)根據(jù)數(shù)字化的圖文信息驅(qū)動雕刻頭在版輥上雕刻網(wǎng)穴后處理而成，因此，雕刻頭的驅(qū)動裝置在整個制版過程中起著重要作用。從上個世紀60年代開始，此領(lǐng)域的科技人員不斷探索，希望能提高電子凹版雕刻的效率及質(zhì)量，雕刻效率及質(zhì)量可以從多方面提高，提高電子雕刻機的雕刻頻率是一種zui有效zui直接的途徑。德國、美國、瑞土和日本在電子雕刻技術(shù)方面處地位，我國在這方面的研究基本為空白「5」。文中主要介紹了電子雕刻頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向。

1 電子機械雕刻

電子機械雕刻是由電·機械轉(zhuǎn)換器驅(qū)動雕刻刀，在滾筒上雕刻出網(wǎng)穴的一種方法，其關(guān)鍵在于電·機械轉(zhuǎn)換器的工作性能。

1．1 常用結(jié)構(gòu)的原理及特點

一般而言，磁鋼產(chǎn)生穩(wěn)恒磁通，控制線圈產(chǎn)生控制磁通，二者差動疊加產(chǎn)生驅(qū)動銜鐵運動的電磁力，帶動銜鐵運動。

1．2 轉(zhuǎn)動式電磁鐵

結(jié)構(gòu)原理如圖1所示「2」，磁鋼在氣隙中產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，在控制線圈未加電時，通過裝配時的調(diào)試，銜鐵處于相對平衡位置；當控制線圈加電時，銜鐵被極化，產(chǎn)生磁力拉動銜鐵轉(zhuǎn)動，圖中顯示了銜鐵的一種極化方式。當控制線圈加以高頻變化的電流或電壓時，銜鐵便產(chǎn)生高頻擺動，帶動雕刻刀進行雕刻工作。

高剛度的回復(fù)彈簧是利用銜鐵所在扭桿的彈性扭轉(zhuǎn)來得到，結(jié)構(gòu)簡單，高剛度易實現(xiàn)；且?guī)в蟹€(wěn)恒磁場調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)電磁鐵系統(tǒng)的工作點，使磁鋼發(fā)揮效能；控制線圈只有一個，與采用2個控制線圈的相比，簡化了結(jié)構(gòu)，縮小了體積。

Hell公司的電雕機采用的擺動式雕刻頭如圖2所示，其銜鐵結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過銜鐵的擺動帶動金剛石雕刻刀在版輥上雕刻凹穴，利用扭桿的扭轉(zhuǎn)變形來實現(xiàn)高剛度回復(fù)彈簧的功能，并且其半圓型的一端用來調(diào)節(jié)扭桿的剛度，輸出桿上有阻尼環(huán)，用來調(diào)節(jié)電磁鐵系統(tǒng)的輸出特性。

1．3 直動式電磁鐵「2-3」

結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，帶有雕刻刀的直動軸固定在銜鐵上，裝配時調(diào)節(jié)銜鐵，使之在磁場中處于相對平衡狀態(tài)，當控制線圈未加電時，磁鋼的引力不能使銜鐵產(chǎn)生動作；當控制線圈加電時，銜鐵產(chǎn)生極性，在電磁力的作用下，克服銜鐵剛度，運動一定位移。給控制線圈加以高頻電壓或電流，銜鐵產(chǎn)生上下運動，從而帶動雕刻刀的垂直運動，完成在版輥上雕刻凹穴的工作。

在此結(jié)構(gòu)中，銜鐵的運動是平動，氣隙兩側(cè)是異名磁極；高剛度回復(fù)彈簧通過銜鐵的彈性變形得到。

國外某些公司采用該結(jié)構(gòu)原理，也可以達到很高頻率。該結(jié)構(gòu)電磁鐵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積也較大，裝配調(diào)試也有一定的難度。在電子機械雕刻方面，Hell公司雕刻頭的雕刻頻率由起初的4000Hz發(fā)展到如今的12800Hz，MDC公司的VISION3雕刻頭達到8100Hz，在網(wǎng)穴深度稍減時可達8600Hz，提高了生產(chǎn)效率，電子雕刻具有雕刻網(wǎng)穴的深度和面積均可變化、重復(fù)性強的優(yōu)點，且雕刻過程中無污染。

2 激光雕刻和電子束雕刻

2．1 激光雕刻「5-8」

20世紀70年代，激光就開始在膠印、凹印制版領(lǐng)域發(fā)揮作用，在90年代，國外的公司開始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻銅版，在技術(shù)上一直認為是不可行的，但它可以直接雕刻鋅。瑞士MDC公司通過制版工藝的改進，實現(xiàn)激光直攘雕刻。先在鋼輥上電鍍一薄層鎳，然后再在其表面鍍銅，隨后又鍍了一層鋅。這層鋅可吸收激光能量并被蒸發(fā)，隨之蒸發(fā)的還有其下面的銅，便生成了載墨的網(wǎng)穴。雕刻后，像其他雕刻滾筒一樣，zui終在滾筒上鍍一層堅硬的鉻。還開發(fā)了大約500W功率的YAG激光器，每秒能雕刻7萬個網(wǎng)穴。

直接激光雕刻系統(tǒng)主要由3部分組成：高能量的激光；激光傳輸系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)焦距，來調(diào)節(jié)單位面積上的能量。激光的原理如圖5所示。

激光脈；中的聚焦點直徑和入射能量決定網(wǎng)點的幾何形狀。簡單的直接激光雕版系統(tǒng)只能調(diào)整能量的大小，而激光聚焦點的直徑根據(jù)所需的網(wǎng)點預(yù)先設(shè)置，在雕版過程中不能改變。網(wǎng)點直徑由激光聚焦點的直徑?jīng)Q定。


*的SHC（NewSuperHalfautotypiealCell）調(diào)整方法使每個激光脈；中的2個參數(shù)：能量和聚焦點的直徑都可以調(diào)整。“*”意味著每個網(wǎng)點的幾何形狀——網(wǎng)點的直徑和網(wǎng)點的深度可以相互獨立，在確保直接激光雕版的精度下任意調(diào)整。Hell解決了激光直接雕刻銅版的技術(shù)困難，在Drupa2004上展示了所研制的可直接在銅版或鉻版上進行雕刻的激光雕刻機樣機，給業(yè)界帶來了巨大反響。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雕刻不僅體現(xiàn)了電子機械雕刻的優(yōu)點，而且具有許多自身的優(yōu)點，比如無接觸雕刻等，目前該方法制作版輥成本稍高，但其眾多優(yōu)點使其成為雕刻發(fā)展的一個方向。

2，2 鍍銅凹版的電子束雕刻「1」

如圖6所示，采用高能電子束可以對鍍銅的凹版滾筒進行雕刻。電子束由熱陰極產(chǎn)生，在2．5-5萬V電場的加速下射向滾筒表面。在此過程中、電子束受到電磁場的會聚控制。在小于1的時間內(nèi)使電子束會聚到網(wǎng)穴所應(yīng)該達到的直徑。電子束按所需網(wǎng)穴深度大小在鍍銅層上作用一定時間，以便達到所需深度。每個網(wǎng)穴的雕刻時間不長于6，以此達到巧萬個網(wǎng)穴／a的高頻率。在滾筒表面上，電子束的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使銅熔化和汽化，殘留在網(wǎng)穴邊緣的熔化物被刮刀刮掉。由此可知，電子束凹版雕刻所形成的網(wǎng)穴是開口面積和凹下深度都變化類型的。

由手電子束的能量會與空氣中的各種離子碰撞而損失，因此，電子束雕刻必須在真空裝置內(nèi)進行。使用高能電子束發(fā)生器和真空倉，造成設(shè)備成本高昂，zui終導(dǎo)致其難以實用化。由于電子束離子與金屬表面的吸附作用，使得所雕刻的網(wǎng)穴偏深，尤其在雕刻中調(diào)顏色的網(wǎng)穴時，得不到預(yù)期效果「9」。

3正在研究和發(fā)展的雕刻頭

3，1 壓電陶瓷（PZT）

在壓電陶瓷兩端加以電場，壓電陶瓷發(fā)生伸長現(xiàn)象，這是壓電陶瓷內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，實現(xiàn)電機械轉(zhuǎn)換「10」。單片壓電陶瓷的伸長量很小，一般要多片疊加成壓電陶瓷堆，以滿足雕刻位移要求；其輸出力很大，可以比電磁力大10倍左右。對壓電陶瓷堆力口以高頻變化電壓時，其伸縮隨之變化。理論上可達1—2．5萬網(wǎng)穴／s的雕刻頻率「4」。

壓電晶體會產(chǎn)生較大的滯環(huán)，必須設(shè)計合適的驅(qū)動電路以減小壓電晶體的滯環(huán)影響kllJ。壓電陶瓷9區(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

超磁致伸縮材料（Giant Magnetostrictive Material，簡寫為GMM）是一種新型功能材料，具有高剛度、磁滯小、應(yīng)變大、響應(yīng)速度快、能量傳翰密度高和輸出力大等特點「12-13」。

GMM電呻幾械轉(zhuǎn)換98常見結(jié)構(gòu)如圖8所示，當給線圈提供電流時，在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場，超磁致伸縮材料便產(chǎn)生長度變化，推動輸出件工作，其具體工作情況見文獻「13」在電子雕刻中需要高頻率，輸出力并不需要很大，因此GMM的翰出力大的優(yōu)點并不適用于此處；GMM的輸出是非線形的，受熱效應(yīng)的影響較大，這些都需要進行補償，特別是高頻時必須處理好焦耳熱效應(yīng)和渦流；此外，GMM需專門的驅(qū)動裝置來提供磁場，材料本身價格也較高「12」。雖然如此，GMM所具有的許多優(yōu)異性能，仍使其成為高頻電斗幾械轉(zhuǎn)換器開發(fā)的尸個參考方向。

4 結(jié) 語

電子機械雕刻頭主要有擺動式和直動式，其特點是雕刻頻率高，雕刻質(zhì)量好，且已產(chǎn)品化，為許多制版企業(yè)應(yīng)用；激光雕刻，經(jīng)過多年的發(fā)展，在版輥雕刻方面已表現(xiàn)出了優(yōu)異性能，目前雖然成本較高，但其表現(xiàn)出了強大的發(fā)展?jié)摿?。在發(fā)展電子機械雕刻頭方面，壓電陶瓷和超磁致伸縮等功能材料是很好的發(fā)展方向