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。
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)。
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。
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。
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。
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