董望成，周照耀，劉亮，秦學(xué)鋒

(1. 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州510640;2. 東莞東運(yùn)機(jī)械制造有限公司，廣東東莞523563)

印版的圖文著墨部分凹陷下去，低于印版平面，這種印刷工藝稱(chēng)為凹版印刷，它與膠印、凸印和柔印組成四大印刷工藝體系，具有承印材料廣泛、承印幅面寬、印品質(zhì)量好、印刷圖案鮮艷、層次豐富和印刷速度快等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)前景［1］。

凹版印刷采用直接印刷方式，墨層厚實(shí)，印品有凹凸感，質(zhì)感強(qiáng)，層次豐富，適合于印刷郵票、有價(jià)證券、煙盒，而且是塑料印刷的主要方式［2］。

所謂無(wú)軟片雕刻［3］，就是用計(jì)算機(jī)圖文數(shù)據(jù)來(lái)代替電子雕刻的掃描原稿即分色軟片，利用計(jì)算機(jī)將圖文數(shù)據(jù)通過(guò)接口傳入雕刻機(jī)進(jìn)行雕刻的方法。

采用無(wú)軟片雕刻工藝后，降低了顯影、拷貝、軟片等制版成本，同時(shí)也省去了軟片記錄、顯影、拷貝、雕刻掃描等工藝，避免了中間誤差對(duì)凹印制版的影響，而且可以降低制版成本。為此，無(wú)軟片雕刻工藝越來(lái)越受到凹印制版廠(chǎng)的重視。

隨著近年來(lái)彩色桌面系統(tǒng)及分高端聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，凹印制版領(lǐng)域在考慮改進(jìn)傳統(tǒng)電子分色工藝的同時(shí)，也考慮到了同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)軟片雕刻工藝的問(wèn)題［4］。文中基于這種需求，為了提高凹版制版的速度和質(zhì)量，降低制版的成本，深入分析現(xiàn)有研究［5－8］的不足，研究適用于無(wú)軟片式電子雕刻系統(tǒng)的網(wǎng)穴深度控制模型，并將模型應(yīng)用于無(wú)軟片凹印制版高速電子雕刻機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 無(wú)軟片凹印雕刻系統(tǒng)描述

凹印制版雕刻技術(shù)是直接將數(shù)字化的圖文信息通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和電磁轉(zhuǎn)換變成雕刻頭機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，從而傳遞到板材上制作成印版滾筒［3］。

傳統(tǒng)電子雕刻的工藝流程如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)有軟片電子雕刻工藝流程

無(wú)軟片凹印制版雕刻的工藝流程如圖2 所示。

圖2 無(wú)軟片電子雕刻工藝流程

如圖3 所示，凹版電子雕刻控制系統(tǒng)是由圖像處理系統(tǒng)、雕刻控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制器、雕刻執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成［4］。

圖3 凹印制版雕刻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

凹印拼版系統(tǒng)負(fù)責(zé)將畫(huà)稿文件(PS，EPS，Tiff，PDF 等)進(jìn)行RIP 解析，根據(jù)客戶(hù)的工藝要求，設(shè)定工藝參數(shù)，然后在設(shè)定的版輥軸長(zhǎng)和周長(zhǎng)的幅面上進(jìn)行拼版輸出雕刻文件。

雕刻軟件系統(tǒng)在導(dǎo)入雕刻文件后，將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)接口寫(xiě)入運(yùn)動(dòng)控制器，并根據(jù)圖像尺寸和滾筒周長(zhǎng)以及工藝要求計(jì)算產(chǎn)生雕刻參數(shù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制端，此外軟件系統(tǒng)還負(fù)責(zé)人機(jī)交互，提供鍵盤(pán)輸入端和顯示輸出端，并配備有雕刻網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量輸出功能以檢驗(yàn)雕刻結(jié)果。

運(yùn)動(dòng)控制器是雕刻控制的重要組成，它將大容量的圖像文件寫(xiě)入存儲(chǔ)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)高速無(wú)縫傳輸，并通過(guò)雕刻參數(shù)產(chǎn)生脈沖和方向信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制進(jìn)給系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)。

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，雕刻系統(tǒng)的滾筒旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和帶齒皮帶傳動(dòng)的方式，雕刻頭的橫向運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠傳動(dòng)的方式，雕刻頭的軸向運(yùn)動(dòng)采用直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和絲杠傳動(dòng)的方式。此外，在凹印版輥的末端安裝有高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器，利用編碼器的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)的倍頻和整形來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的同步控制，從而實(shí)現(xiàn)圖像信息的版輥重現(xiàn)。

2 無(wú)軟片電子雕刻機(jī)控制原理

2.1 雕刻機(jī)電機(jī)速度控制

無(wú)軟片電子雕刻機(jī)［8］在雕刻時(shí)凹印滾筒以勻速旋轉(zhuǎn)，由于滾筒的圓周速度和雕刻頭的雕刻頻率都是勻速的，故形成的網(wǎng)穴間距在圓周方向上也是相等的，相鄰兩排網(wǎng)點(diǎn)相位差為180°，恰好交錯(cuò)半個(gè)網(wǎng)點(diǎn)，并且橫向雕刻重復(fù)長(zhǎng)度與滾筒每轉(zhuǎn)1 周雕刻頭在滾筒軸上水平移動(dòng)的距離相等。

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系［9］，若雕刻頭的震蕩頻率為f，即雕刻一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)的時(shí)間t =1/f，雕刻頭振動(dòng)一次，即雕刻頭雕刻出一個(gè)網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)。若滾筒的外徑為R，則滾筒旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度為φz，由此可知滾筒的角速度ωz為

其中:α 為網(wǎng)穴角度，d 為網(wǎng)穴在網(wǎng)線(xiàn)方向的分布寬度，L 為沿網(wǎng)線(xiàn)方向的網(wǎng)線(xiàn)數(shù)。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)關(guān)系［9］，滾筒的角速度為ωz，可設(shè)定滾筒旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為t'。若雕刻頭以連續(xù)方式沿滾筒軸向水平移動(dòng)，橫向絲杠與傳動(dòng)電機(jī)采用減速器連接，減速比為ix。設(shè)定絲杠螺距為p，若雕刻頭以步進(jìn)的方式沿滾筒軸向水平移動(dòng)。在滾筒旋轉(zhuǎn)一周后，絲杠傳動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度為φx，可知x 軸伺服電機(jī)的角速度ωx為:

在實(shí)際的雕刻系統(tǒng)中，由式(1)和(2)可知，針對(duì)已知半徑R 的滾筒，在一定的雕刻頻率下，只需確定網(wǎng)線(xiàn)數(shù)L 和網(wǎng)線(xiàn)角度α，即可確定滾筒的旋轉(zhuǎn)角速度ωx和絲杠的旋轉(zhuǎn)角速度ωz。所以通過(guò)控制滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和雕刻頭的橫向進(jìn)給速度，與雕刻頻率相匹配，即可正確控制所需的網(wǎng)線(xiàn)數(shù)與網(wǎng)穴角度，獲得理想的網(wǎng)穴形態(tài)和凹版質(zhì)量。

2.2 網(wǎng)穴深度和形態(tài)控制

無(wú)軟片電子雕刻系統(tǒng)采用在穩(wěn)定正弦波信號(hào)上疊加數(shù)字化圖文信息控制的直流信號(hào)驅(qū)動(dòng)雕刻頭。開(kāi)始雕刻后，由控制板卡產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的正弦信號(hào)使雕刻頭在靜態(tài)平衡位附近擺動(dòng);當(dāng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到雕刻要求后，系統(tǒng)將數(shù)字化圖像信息控制的直流信號(hào)疊加在正弦信號(hào)上共同驅(qū)動(dòng)雕刻頭，直流信號(hào)的疊加使銜鐵的極化強(qiáng)度發(fā)生變化從而帶動(dòng)雕刻刀偏離不同的角度，使雕刻刀在不同位置擺動(dòng)從而雕刻不同深淺的網(wǎng)穴。

作者以文獻(xiàn)［7］ 中關(guān)于有軟片式 (即含掃描頭)的電子雕刻機(jī)的網(wǎng)穴深度控制模型為基礎(chǔ)，結(jié)合高速雕刻機(jī)的工作原理，推導(dǎo)網(wǎng)穴形態(tài)控制模型。

在無(wú)軟片電子雕刻系統(tǒng)中，雕刻頭的工作頻率決定了單位時(shí)間內(nèi)雕刻的網(wǎng)穴數(shù)，雕刻頭在正弦波的驅(qū)動(dòng)下，每1 個(gè)周期完成一次完整的雕刻動(dòng)作，每一次雕刻動(dòng)作生成一個(gè)完整的網(wǎng)穴。

雕刻頭的雕刻電流I 是由一個(gè)交流分量和兩個(gè)直流分量疊加形成的，即雕刻頭振動(dòng)信號(hào)I'、圖像信號(hào)I1和補(bǔ)償信號(hào)I2。圖像信號(hào)I1與圖像數(shù)據(jù)深度相關(guān)，它以直流信號(hào)的形式來(lái)控制雕刻深度h。由于雕刻頭的內(nèi)部電磁特性等諸多因素的影響，雕刻頭的輸出特性曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性變化［7］。因此，需要在拼版輸出時(shí)利用圖像算法進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，使得補(bǔ)償后得到的雕刻深度控制信號(hào)和雕刻深度呈近似線(xiàn)性關(guān)系［3－4］。

圖像信號(hào)I1和補(bǔ)償信號(hào)I2均為直流分量，假設(shè)直流分量的疊加為I12。當(dāng)I12=0 時(shí)，雕刻頭在雕刻滾筒表面振動(dòng)，此時(shí)雕刻深度為零。雕刻頭振動(dòng)信號(hào)I'使雕刻頭產(chǎn)生高頻振動(dòng)，如圖4 所示，采用的是正弦波信號(hào)，假設(shè)其幅值為I0，振動(dòng)角頻率為ω，則交流分量I'可以表示為

圖4 雕刻電流交流分量波形圖

在實(shí)際工作中，在t =0 時(shí)刻，雕刻頭位于初始位置;t = T/2 時(shí)，此時(shí)雕刻頭的振幅最大，雕刻頭接觸滾筒表面，處于臨界雕刻狀態(tài);t = T 時(shí)，雕刻頭工作電流表示為

雕刻頭工作電流的波形如圖5 所示，當(dāng)I ＞I0時(shí)，雕刻頭的金剛石刻刀雕刻滾筒，假設(shè)Δt 為刻刀切削時(shí)間，則有:

圖5 雕刻電流直流交流疊加波形圖

在t1時(shí)刻，顯然，由式(4)可得:

已定義雕刻頭的震蕩頻率為f，則雕刻頭的振動(dòng)角頻率ω 為

雕刻網(wǎng)點(diǎn)的周向長(zhǎng)度l 為

將式 (1)、式 (5)— (6)代入式 (8)中，可得

如圖6 所示，網(wǎng)穴深度與網(wǎng)穴水平寬度和雕刻刀角度有關(guān)［3］

其中:h 為網(wǎng)穴深度，w 為網(wǎng)穴的表面寬度，β 為刻刀雕刻角度。

圖6 網(wǎng)穴深度與刻刀角度關(guān)系示意圖

假設(shè)網(wǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)寬比為K，且K = l/w，則根據(jù)式(9)、(10)可得

已知直流分量與雕刻深度呈線(xiàn)性關(guān)系［6－8］:I12∝h，假設(shè)I12=k'·h，則

其中:K 為網(wǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)寬比，α 為網(wǎng)穴角度，L 為雕刻網(wǎng)線(xiàn)數(shù)，h 為網(wǎng)穴深度，β 為刻刀雕刻角度，k'為直流分量與深度的線(xiàn)性參數(shù)，I0為正弦波分量幅值。

在正常雕刻時(shí)，雕刻網(wǎng)線(xiàn)數(shù)和網(wǎng)穴角度以及刻刀雕刻角度均為確定值，由式(12)可知，當(dāng)?shù)窨躺疃萮 一定時(shí)，雕刻網(wǎng)穴的形狀K 由雕刻頭的正弦信號(hào)的幅值I0來(lái)決定。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

在無(wú)軟片電子雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，假定雕刻頻率f為8 kHz，滾筒的半徑R 為150 mm，刻刀的雕刻角度β 為120°，絲杠螺距p 為10 mm。當(dāng)設(shè)定網(wǎng)線(xiàn)數(shù)L 為70 LPC，網(wǎng)穴角度α 為45°，根據(jù)文中的推導(dǎo)，利用式(1)、(2)、(12)可以計(jì)算出在正常雕刻時(shí)滾筒旋轉(zhuǎn)速度和雕刻頭的橫向移動(dòng)速度，并通過(guò)調(diào)整正弦波分量幅值I0和參數(shù)k'來(lái)控制網(wǎng)穴形態(tài)。圖7 所示是實(shí)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)雕刻結(jié)果。

圖7 實(shí)測(cè)雕刻網(wǎng)穴的顯微圖像

通過(guò)對(duì)無(wú)軟片電子雕刻機(jī)的理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出:

(1)對(duì)無(wú)軟片電子雕刻機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行分析，推導(dǎo)出滾筒轉(zhuǎn)速和雕刻頭進(jìn)給速度控制模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)穴位置的精確控制。

(2)對(duì)無(wú)軟片電子雕刻機(jī)雕刻原理進(jìn)行分析，推導(dǎo)出網(wǎng)穴形態(tài)和深度的控制模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)穴深度和形態(tài)的精確控制。

【1】天宇.凹印制版技術(shù)的發(fā)展［J］.今日印刷，2005(5):18－19.

【2】金楊.凹版電子雕刻原理及其技術(shù)發(fā)展［J］.印刷技術(shù)，1999(4):23 －29.

【3】陳娜.凹版電子雕刻制版綜述［J］.包裝技術(shù)，2005(5):31 －32.

【4】易麗芳，張逸新. 高速雕刻凹印制版技術(shù)［J］. 包裝工程，2006(4):82 －84.

【5】周政普，滿(mǎn)志紅.電子雕刻機(jī)及其微機(jī)控制系統(tǒng)［J］.大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，9(3):23 －25.

【6】何麗明.DDJ_160 型電子雕刻機(jī)計(jì)算機(jī)控制程序系統(tǒng)的研究［J］.光學(xué)機(jī)械，1989(2):44 －45.

【7】何麗明.電子雕刻機(jī)的控制原理［J］. 吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991(1):26 －30.

【8】朱廣宙，方平，王傳禮，等.現(xiàn)代電子雕刻系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2003(2):48 －51.

【9】劉亮，何克晶，周照耀，等.基于CTP 技術(shù)的凹印制版雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(5):72 －76.