（机械电子工程专业论文）电子雕刻机高频电—机械转换器的研究.pdf

本文摘要 本方案是可行的。 第五章：对全文进行了总结并对后续研究进行了展望。 关键词：电一机械转换器，磁场，磁路，涡流，仿真，列主消元法 i l a b s t r a c r t a b s t r a c t h i g hf r e q u e n c y e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r s i o nd e v i c e i sai l e w s t y l e e l e c t r o m a g n e t i c i ti sap r i m a r yc o m p o n e n to fe l e c t r o n i ce n g r a v e r sm a c h i n ea n di t s s i g n i f i c a n c ei si n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c yo fp l a t em a k i n g al o to fa d v a n c e dc o u n t r i e s h a v em a d eg r e a tp r o g r e s si ni t b a s e do n p u b l i s h e dd o c u m e n t s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e s t h ec o n s t r u c t i o na n d p r i m a r ya s s e m b l y o f h i g h - f r e q u e n c y e l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e r s i o nd e v i c e ，硅ep a p e rb u i l d sm a t h e m a t i c sm o d e l 。t h e ng i v e sas i m u l a t i o nt o t h em a t h e m a t i c sm o d e l i t p r o v e st h a tt h ec o n s t r u c t i o ni sp r e c i s e 。髓ep a p e rw a sa l s o s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e dv i aat h e o r ya n a l y s i s 弧er e s e a r c hi n c l u d e s ： a n a l y s i ss y s t e mc o n s t r u c t i o np r i n c i p l ea n ds y s t e mf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；c a l c u l a t e a n dv e r i f yt h eb e s tw o r k p o i n t 、t h ed y n a m i cw o r kp o i n ta n dr e v e r s i o n - p e r m e a b i l i t y ： b u i l dm a t h e m a t i c sm o d e lo f m a g n e t i cf i e l da c c o r d i n gt om a x w e l l se l e c t r o m a g n e t i s m t h e o r y , g i v e at h e o r y a n a l y s i st om a g n e t i c m o d e l t h r o u g hc o l u m n - p i v o t i n ge l i m i n a t i o n ， g e tt h er e l a t i o nb e t w e e n t h es i z eo fa r m a t u r ea n dt h ep o s i t i o n ；b u i l dm a g n e t i cc u r r e n t m o d e la n dm a k e sat h e o r i e sa n a l y s i s t h e ng e tt h em 鲥l a b s i m u l a t i o n ；e s t a b l i s ht h e d y n a m i cf u n c t i o nr e s p e c t i v e l yf o rt h ed i f f e r e n tc o n t r 0 1w a yo fe l e c t r i cc u r r e n ta n d e l e c t r i cv o l t a g e ，a n a l y s i st h er e s p o n d st os t e pi n p u to ft w oe q u a t i o n 、a d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g er e s p e c t i v e l y t h ep a p e rg i v e s as i m u l a t i o nt o d y n a m i ce q u a t i o n c o n t r o l l e db yc u n - e n tw i 出i n p u t so fd i f f e r e n ts i n es i g n a l d i s c u s st h ei n f l u e n c eo f c o n s t r u c t i o n sg i v i n gt od y n a m i c e q u a t i o na n da n a l y s i si m p r o v e m e n tm e t h o da n dt h e i n f l u e n c et h a tt h ee d d y g i v e s t ot h es y s t e m 。 t h e p a p e rd e s i g n sa ne x p e r i m e n ts y s t e m 、撕氆p i e z o e l e c t r i c i t ys e n s o ra n d d o e si t t h ed a t ag e t sf r o n it h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h ea c c u r a c yo f m a t h e m a t i c sm o d e l a tt h e s a m et i m e ，i nd i f f e r e n t a s p e c t t e s tt h ei n f l u e n c et ot h ed e v i c ew i t hd i f f e r e n t c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tc o n s t r u c t i o nd e s i g nc a na t t a i n t h er e q u e s to f f r e q u e n c yr e s p o n d ，n i c e rs y s t e ms t a b i l i t ya n dl i n e a r i t ya r ec o n f i r m e d b ye x p e r i m e n t s t h et h e o r i e sa n a l y s i sa n dt h ec o n c l u s i o nf r o me x p e r i m e n to ft h e p a p e r h a v et h el e a d i n gm e a n i n gi nd e s i g n i n g h i g h - f r e q u e n c yr e s p o n de l e c t r o m a g n e t i c a n df u t u r eg o i n gd e e pi n t ot h er e s e a r c h t h ep a p e rc o n t e n t sa sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ：o v e r v i e wa p p l i c a t i o nf i e l da n dd e v e l o p m e n tc o n d i t i o no f h i g h f r e q u e n c ye l e c t r o - m e c h a n i c a ic o n v e r s i o nd e v i c e n a r r a t et h ef u n c t i o nr e q u e s to f t h er e s e a r c ha n dc o m p a r ee v e r yk i n do fc o n v e r s i o nd e v i c e s ，a tt h es a m et i m e ，p o i n t o u tt h em e a n i n go f t h er e s e a r c ho f t h e p a p e r i nt h es e c o n dc h a p t e r ：g i v et h ec o n s t r u c t i o no f t h ec o n v e r s i o nd e i c ea c c o r d i n gt o h i 商一f r e q u e n c y , s i m p l yd e s c r i b ei t sa s s e m b l ew a ya n dw o r kp r i n c i p l e ，r e s p e c t i v e l y i n t r o d u c ef i m c t i o nr e q u e s ta n dc o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f e v e r ym a i np a r t s ，m a k e s u r eo f t h ew o r k p o i n to f m a g n e t i ct r a c k s i m p l yi n t r o d u c et h ed y n a m i c w o r k p o i n to f m a g n e t i ct r a c ka n d c a l c u l a t et h er e v e r s i o n - p e r m e a b i l i t yo f d y n a m i cw o r k p o i n t i nt h et h i r dc h a p t e r ：b u i l dm a g n e t i cm a t h e m a t i cm o d e la c c o r d i n gt om a x w e l l s e q u a t i o n ，d r a wu pc a l c u l a t i o np r o c e d u r eu s i n gc o l u m n - p i v o t i n ge l i m i n a t i o n s o l u t e m a t h e m a t i cm o d e la n dd r a wc o n t o u rl i n eo fm a g n e t i cf i e l d 。b u i 瑶m a g n e t i ct r a c k m o d e l ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t et h es u 蔬五n g s i t u a t i o no f t w i s ts t a l k g e td i f f e r e n tm o d e l o fd y n a m i cf u n c t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n t r o lw a ya n dc o m p a r et h e m a tl a s t i l l a b s t r a c r t s i m u l a t ea1 0 to fd y n a m i cf u n c t i o nw i t hm a t l a b ，a n da n a l y s i st h ei n f l u e n c et h a t e v e r yp a r a m e t e r sg i v e t os y s t e mf u n c t i o n i nt h ef o u r t hc h a p t e r ：a n a l y s i st h ec o n s t r u c t i o no f t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t sa n d t h ed e m a r c a t i o no ft h es e n s o r , r e s e a r c ht h es i n ei n p u t st h r o u g he x p e r i m e n t su n d e r d i 腩r e n tc o n d i t i o n s a l s om a k e e x p e r i m e n t w i t ho t h e ri n f l u e n tp a r a m e t e r t h er e s u l t s p r o v e t ob ef e a s i b l e i nt h ef i f t hc h a p t e r ：s u m m a r i z et h ep a p e ra n d p r o s p e c tt h ef u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d s ：e l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r s i o nd e v i c e ，m a g n e t i c f i e l d ，m a g n e t i c c i r c u i t ， e d d yc u r r e n t ，s i m u l a t i o n ，c o l u m n p i v o t i n g e l i m i n a t i o n 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 印版的图文着墨部分凹陷下去，低于印版平面，这种印刷工艺即凹版印刷， 它是最常见的印刷方法之一，在图文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。传 统的凹版制造方法有雕刻凹版、蚀刻凹版和照相凹版三种，其中雕刻凹版又分为 手工雕刻凹版和电子雕刻凹版。2 0 世纪6 0 年代以来，电子雕刻技术开始实用化； 随后的几十年内，随着计算机软硬件技术、微电子技术和控制技术等相关技术的 发展，电子雕刻系统日渐成熟；德国、美国、瑞士和日本在电子雕刻技术方面处 于领先地位，我国在这方面的研究基本为空白【l 】【2 】。 电子雕刻凹版印刷是目前最常见的图文印刷复制方法之一，在图文出版和包 装印刷领域内一直占据着重要地位。如今，对高质量印刷品的需求日益增长，尤 其在装饰品( 如宝丽版纸、装饰纸等) 、商品包装等方面更为突出，在这种趋势下， 要求我们雕刻出高质量的凹版来满足需要口】1 5 _ | 。 电子雕刻机制凹版相对于传统的制版方法来讲，主要有以下优点： 1 计算机代替手工修拼版工作、操作准确、精细，提高了产品的质量。 2 电子雕刻较腐蚀雕刻更可靠、重复性强，并且无环境污染。 3 计算机辅助电子雕刻，使得整页拼版系统突破了手工制作和修版的局限 性，可以充分发挥创作人员的想象力，提高了设计制作能力，并且降低了工人学 习制版的难度。 4 电一机械转换器雕刻出的凹版，其网点面积大小和网点深度均可以改变， 所以这种凹版可以印制层次丰富，轮廓清晰，立体感和质感较强的印刷品。 自电子雕刻技术开始实用化后，随着电子、控制、计算机技术的不断发展和 应用，目前电子雕刻系统日渐成熟。如今电子雕刻机制凹版无论是从质量、成本、 环保上看，还是从市场发展的角度考虑，它都更具有优势，因此电子雕刻机被越 来越多的制版单位所青睐，并有逐步代替传统腐蚀制版的趋势。 随着现代工业技术的不断发展，工业自动化程度的不断提高，能否生产出高 频率，高性能的电一机械转换器将直接影响印刷品的质量和凹版印刷的推广程 度，凹版的质量决定了印刷品的质量，而高频电一机械转换器则是影响凹版制版 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 印版的图文着墨部分凹陷下去，低于印版平面，这种印刷工艺即凹版印刷， 它是最常见的印刷方法之一，在图文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。传 统的凹版制造方法有雕刻凹版、蚀刻凹版和照相凹版三种，其中雕刻凹版又分为 手工雕刻凹版和电子雕刻凹版。2 0 世纪6 0 年代以来，电子雕刻技术开始实用化； 随后的几十年内，随着计算机软硬件技术、微电子技术和控制技术等相关技术的 发展，电子雕刻系统日渐成熟；德国、美国、瑞士和日本在电子雕刻技术方面处 于领先地位，我国在这方面的研究基本为空白【l 】【2 】。 电子雕刻凹版印刷是目前最常见的图文印刷复制方法之一，在图文出版和包 装印刷领域内一直占据着重要地位。如今，对高质量印刷品的需求日益增长，尤 其在装饰品( 如宝丽版纸、装饰纸等) 、商品包装等方面更为突出，在这种趋势下， 要求我们雕刻出高质量的凹版来满足需要口】1 5 _ | 。 电子雕刻机制凹版相对于传统的制版方法来讲，主要有以下优点： 1 计算机代替手工修拼版工作、操作准确、精细，提高了产品的质量。 2 电子雕刻较腐蚀雕刻更可靠、重复性强，并且无环境污染。 3 计算机辅助电子雕刻，使得整页拼版系统突破了手工制作和修版的局限 性，可以充分发挥创作人员的想象力，提高了设计制作能力，并且降低了工人学 习制版的难度。 4 电一机械转换器雕刻出的凹版，其网点面积大小和网点深度均可以改变， 所以这种凹版可以印制层次丰富，轮廓清晰，立体感和质感较强的印刷品。 自电子雕刻技术开始实用化后，随着电子、控制、计算机技术的不断发展和 应用，目前电子雕刻系统日渐成熟。如今电子雕刻机制凹版无论是从质量、成本、 环保上看，还是从市场发展的角度考虑，它都更具有优势，因此电子雕刻机被越 来越多的制版单位所青睐，并有逐步代替传统腐蚀制版的趋势。 随着现代工业技术的不断发展，工业自动化程度的不断提高，能否生产出高 频率，高性能的电一机械转换器将直接影响印刷品的质量和凹版印刷的推广程 度，凹版的质量决定了印刷品的质量，而高频电一机械转换器则是影响凹版制版 第一章绪论 戆一令蔓蟹毽素，零文藏是在这秘条譬 下藏溅刻黧敝爨邀子雅裁瓿谲刻头中关键 部分一电一机械转换器震开了研究n s 5 9 1 。 1 2 高频电一机械转换器 l 。2 1 高频电一棍械转换器发展挟琵襄疲耀 传统凹版制造工艺中虽然也有采用电子雕刻的，但当时的电子雕刻机还不完 善，具体体现在当时的电予雕刻机采用原稿的图像分色片作为输入信息，整个版 面的图文僚息需经过边扫描边处理、边雕刻的方法在凹版滚筒上进行雕刻；由于 没毒翼各裹速憝理能力窝大彩德容塞懿诗冀瓿耪微娥毽器徽辘动，擦锎系统豹集 成度、智化程度很低，所鞋溺时电一机械转换器釉整个电子雕刻系统之间的矛 盾还不明暇。 随糟计簿机和控制等相关技术的发展，凹版制造工艺在上世纪8 0 年代末发 生了巨大变化，德国h e l l 公弼、美国o h i o 公司等分别先螽研巷l 成功瑰代数字纯 奄子麟瓣系统，现代电子醚裁系统集成度亳，後繇稳定可靠，袋灸鞠敝翁主要截 造手段，从_ 黼进入了现代凹版制造工艺阶段。现代电子雕刻系统不褥需疆扫描单 元的信恩输入支持，所有的图像数据、设备驱动参数等信息都以数字化的形式传 输到电予雕刻设备上，这样电一机槭转换器的频率就成了提高电子雕刻梳效率的 一令瓶联。 自从德国的海尔公司( d r 一i n g r u d o l fh e l lg m b h ) 在1 9 6 2 年的d u p u p a 6 2 上首次推出电子雕刻机到以来，极大的促进了印刷行业得发展。j 麟年来，虽 然在印刷行业内雕刻机的雕刻质量以及雕刻频率得到了迅速的提高，慨是为了提 赢效率，魄一橡藏转换器黔王雩# 频率还是各丈公镯争毙骚究豹对象，麸第一奁电 雕辊2 5 0 0 次绣的速度到魏今海尔公司敢4 0 0 0 次缈豹速度，频率已缀霄了长足 的提高，与此同时其他一些公闭也在积极研发熏瀚频率的电一机械转换器。 本文所研究的高频电一机械转换器专用性比较强，一般应用在印刷行业的电 子雕刻机中。工作时，镀铜髓版滚筒舞始转动，带雕刻刃鳇电一机械转换器做切 淹滚簿表纛翡经复振动。菝动频率必每移数手次。掰菇懿凌入深度蔹黧豫赞涪嚣 变化，也就怒说，在图像光学密度离处，刻刀的切入深度大，形成的掰穴开口面 2 第一章绪论 戆一令蔓蟹毽素，零文藏是在这秘条譬 下藏溅刻黧敝爨邀子雅裁瓿谲刻头中关键 部分一电一机械转换器震开了研究n s 5 9 1 。 1 2 高频电一机械转换器 l 。2 1 高频电一棍械转换器发展挟琵襄疲耀 传统凹版制造工艺中虽然也有采用电子雕刻的，但当时的电子雕刻机还不完 善，具体体现在当时的电予雕刻机采用原稿的图像分色片作为输入信息，整个版 面的图文僚息需经过边扫描边处理、边雕刻的方法在凹版滚筒上进行雕刻；由于 没毒翼各裹速憝理能力窝大彩德容塞懿诗冀瓿耪微娥毽器徽辘动，擦锎系统豹集 成度、智化程度很低，所鞋溺时电一机械转换器釉整个电子雕刻系统之间的矛 盾还不明暇。 随糟计簿机和控制等相关技术的发展，凹版制造工艺在上世纪8 0 年代末发 生了巨大变化，德国h e l l 公弼、美国o h i o 公司等分别先螽研巷l 成功瑰代数字纯 奄子麟瓣系统，现代电子醚裁系统集成度亳，後繇稳定可靠，袋灸鞠敝翁主要截 造手段，从_ 黼进入了现代凹版制造工艺阶段。现代电子雕刻系统不褥需疆扫描单 元的信恩输入支持，所有的图像数据、设备驱动参数等信息都以数字化的形式传 输到电予雕刻设备上，这样电一机槭转换器的频率就成了提高电子雕刻梳效率的 一令瓶联。 自从德国的海尔公司( d r 一i n g r u d o l fh e l lg m b h ) 在1 9 6 2 年的d u p u p a 6 2 上首次推出电子雕刻机到以来，极大的促进了印刷行业得发展。j 麟年来，虽 然在印刷行业内雕刻机的雕刻质量以及雕刻频率得到了迅速的提高，慨是为了提 赢效率，魄一橡藏转换器黔王雩# 频率还是各丈公镯争毙骚究豹对象，麸第一奁电 雕辊2 5 0 0 次绣的速度到魏今海尔公司敢4 0 0 0 次缈豹速度，频率已缀霄了长足 的提高，与此同时其他一些公闭也在积极研发熏瀚频率的电一机械转换器。 本文所研究的高频电一机械转换器专用性比较强，一般应用在印刷行业的电 子雕刻机中。工作时，镀铜髓版滚筒舞始转动，带雕刻刃鳇电一机械转换器做切 淹滚簿表纛翡经复振动。菝动频率必每移数手次。掰菇懿凌入深度蔹黧豫赞涪嚣 变化，也就怒说，在图像光学密度离处，刻刀的切入深度大，形成的掰穴开口面 2 第一章绪论 戆一令蔓蟹毽素，零文藏是在这秘条譬 下藏溅刻黧敝爨邀子雅裁瓿谲刻头中关键 部分一电一机械转换器震开了研究n s 5 9 1 。 1 2 高频电一机械转换器 l 。2 1 高频电一棍械转换器发展挟琵襄疲耀 传统凹版制造工艺中虽然也有采用电子雕刻的，但当时的电子雕刻机还不完 善，具体体现在当时的电予雕刻机采用原稿的图像分色片作为输入信息，整个版 面的图文僚息需经过边扫描边处理、边雕刻的方法在凹版滚筒上进行雕刻；由于 没毒翼各裹速憝理能力窝大彩德容塞懿诗冀瓿耪微娥毽器徽辘动，擦锎系统豹集 成度、智化程度很低，所鞋溺时电一机械转换器釉整个电子雕刻系统之间的矛 盾还不明暇。 随糟计簿机和控制等相关技术的发展，凹版制造工艺在上世纪8 0 年代末发 生了巨大变化，德国h e l l 公弼、美国o h i o 公司等分别先螽研巷l 成功瑰代数字纯 奄子麟瓣系统，现代电子醚裁系统集成度亳，後繇稳定可靠，袋灸鞠敝翁主要截 造手段，从_ 黼进入了现代凹版制造工艺阶段。现代电子雕刻系统不褥需疆扫描单 元的信恩输入支持，所有的图像数据、设备驱动参数等信息都以数字化的形式传 输到电予雕刻设备上，这样电一机槭转换器的频率就成了提高电子雕刻梳效率的 一令瓶联。 自从德国的海尔公司( d r 一i n g r u d o l fh e l lg m b h ) 在1 9 6 2 年的d u p u p a 6 2 上首次推出电子雕刻机到以来，极大的促进了印刷行业得发展。j 麟年来，虽 然在印刷行业内雕刻机的雕刻质量以及雕刻频率得到了迅速的提高，慨是为了提 赢效率，魄一橡藏转换器黔王雩# 频率还是各丈公镯争毙骚究豹对象，麸第一奁电 雕辊2 5 0 0 次绣的速度到魏今海尔公司敢4 0 0 0 次缈豹速度，频率已缀霄了长足 的提高，与此同时其他一些公闭也在积极研发熏瀚频率的电一机械转换器。 本文所研究的高频电一机械转换器专用性比较强，一般应用在印刷行业的电 子雕刻机中。工作时，镀铜髓版滚筒舞始转动，带雕刻刃鳇电一机械转换器做切 淹滚簿表纛翡经复振动。菝动频率必每移数手次。掰菇懿凌入深度蔹黧豫赞涪嚣 变化，也就怒说，在图像光学密度离处，刻刀的切入深度大，形成的掰穴开口面 2 第一章绪论 积翻深度酃较大；反之，在爱像必擎密度较低夺簸，瓣刀戆窃入深发，l 、，形藏熬 网穴开翳蕊积和深度都较，l 。龟雕祝正是利霄高频的电机械转换器带动雕剔刀 阱版 滚筒 图1 1电一机械转换器在电雕机中的应用 寒竞或这一麓效率魏璐裁王终 2 1 1 4 7 1 1 4 8 1 。 1 2 2 高频电一机械转换器的性能要求 高频电一机械转换器是个商频响、高精度的电磁元件，电一机械转换器作 为电子礁亥8 税豹输出枧稳，是魄子联刻系统豹关键惩僚之；电一规檄转换器性 能豹努环，藏接关系羁毫子罐囊撬雅蓊蹬蔽静袋爨，有些捂标甚至关系戮系统能 否正常工作；提高电一机械转按器的频响和输出力矩，都是提高电子雕刻机效率 的一个有效途径。因此对其进彳亍深入研究不仅必爨而且具有现实意义。 可以想象，电磁力静大小决定了电一机械转换器运动部 孛豹加速度，麟辩必须 克嚣弹蛙力才戆透露运凄，瑟辩髋力又决定7 其逡凌鼙绎霾复霹麓嘉羹遮凌。显然 要提高电一机械转换器的频率就必须增大电磁力，并且使用强力弹簧体系；同时 电一机械转换器运动部件的行程与其频率是一对矛盾，减小行程可以明最提高电 磁铁的工作频率。除了上述要求，作为电子雕刻机的一个关键部件，对宦的性能 要求还寿麴下豇煮： ( 1 ) 离可嚣性。能正确无诿地撼输入信号转抉必梳械信号输出，弱烧不仪要求 结构简单、易装配而且对电一机械转换器所使用的材料有严格鬻求，包括 纯铁、矽钢片、以及漆觎线，同时需要保证装配精度。 ( 2 ) 高频晌性。在撮短的对湖内，将电信号转换为枫械信号输出，确像输出豹 芏蒌确靛，这令特毪氇燕奉谦题懿难熹之一。 3 篱 第一章绪论 积翻深度酃较大；反之，在爱像必擎密度较低夺簸，瓣刀戆窃入深发，l 、，形藏熬 网穴开翳蕊积和深度都较，l 。龟雕祝正是利霄高频的电机械转换器带动雕剔刀 阱版 滚筒 图1 1电一机械转换器在电雕机中的应用 寒竞或这一麓效率魏璐裁王终 2 1 1 4 7 1 1 4 8 1 。 1 2 2 高频电一机械转换器的性能要求 高频电一机械转换器是个商频响、高精度的电磁元件，电一机械转换器作 为电子礁亥8 税豹输出枧稳，是魄子联刻系统豹关键惩僚之；电一规檄转换器性 能豹努环，藏接关系羁毫子罐囊撬雅蓊蹬蔽静袋爨，有些捂标甚至关系戮系统能 否正常工作；提高电一机械转按器的频响和输出力矩，都是提高电子雕刻机效率 的一个有效途径。因此对其进彳亍深入研究不仅必爨而且具有现实意义。 可以想象，电磁力静大小决定了电一机械转换器运动部 孛豹加速度，麟辩必须 克嚣弹蛙力才戆透露运凄，瑟辩髋力又决定7 其逡凌鼙绎霾复霹麓嘉羹遮凌。显然 要提高电一机械转换器的频率就必须增大电磁力，并且使用强力弹簧体系；同时 电一机械转换器运动部件的行程与其频率是一对矛盾，减小行程可以明最提高电 磁铁的工作频率。除了上述要求，作为电子雕刻机的一个关键部件，对宦的性能 要求还寿麴下豇煮： ( 1 ) 离可嚣性。能正确无诿地撼输入信号转抉必梳械信号输出，弱烧不仪要求 结构简单、易装配而且对电一机械转换器所使用的材料有严格鬻求，包括 纯铁、矽钢片、以及漆觎线，同时需要保证装配精度。 ( 2 ) 高频晌性。在撮短的对湖内，将电信号转换为枫械信号输出，确像输出豹 芏蒌确靛，这令特毪氇燕奉谦题懿难熹之一。 3 篱 第一章绪论 ( 3 ) 足够的输出力。电一机械转换器要输出足够的驱动力，确保雕刻头能完成 雕刻工作。 ( 4 ) 小位移、高精度角位移输出。在研究中，输出角位移只需要达到0 0 0 6 弧 度即可以满足要求，但是必须保证输出精度。 ( 5 ) 线性度高。尽量减小或避免磁场的磁滞现象，选择系统的动态工作点时必 须考虑。 ( 6 ) 避免共振。这一点对于高频、高精度的电磁铁来说，是不可以忽略的，否 则必然影响精度，因此研究高频电磁铁时，必须采用减振措施，例如采用 电子滤波，磁性阻尼减振等方法来消除，或者提高系统的固有频率，使得 输入频率小于系统的共振频率。 1 2 3 高频电一机械转换器结构原理的研究 电一机械转换器作为电信号转换为机械信号的一个接口元件，其结构的合理 性，性能的好坏直接影响到系统的性能和装配的简易程度。所以对电一机械转换 器结构的研究是很有必要的。下面就几种高频响的电磁铁的结构，原理、特点进 行了分析研究。- 图1 2 所示结构是一种常见的动圈式电磁铁，其工作原理为当控制线圈供电 时，控制线圈的磁势“孵使磁路产生固定的磁通，因而在圆环形的工作气隙占中 形成一个工作磁场。动圈就放置在这个圆环形磁场中，其导线绕制在开有缺口的 铝杯上，当控制信号输入动圈时，动圈就形成了磁场中的载流导体而受力的作用， 靠连在铝杯上的阀杆带动执行元件运动，当控制信号消失后，借反力弹簧使其复 位。 该电磁铁的特点是：该电磁铁频率较一般的动圈电磁铁有所提高，频率可以 达到2 0 0 赫兹以上，动圈行程可以达到1 6 r a m 。这种动圈式电磁铁若减小行程， 可以明显减小电磁铁的外形尺寸和质量，同时可以提高其频率，但是精度不高。 另一种常见结构简图( 图1 3 ) ，该电磁铁工作原理为控制信号按比例转变为 控制电流，当线圈没有通过控制电流时，永久磁铁不能使线圈产生动作，当控制 线圈通过控制电流时，永久磁铁产生的磁场使线圈受到力的作用，产生运动，从 而带动框架运动。同时当控制电流消失时，依靠弹性膜使其复位。 第一章绪论 ( 3 ) 足够的输出力。电一机械转换器要输出足够的驱动力，确保雕刻头能完成 雕刻工作。 ( 4 ) 小位移、高精度角位移输出。在研究中，输出角位移只需要达到0 0 0 6 弧 度即可以满足要求，但是必须保证输出精度。 ( 5 ) 线性度高。尽量减小或避免磁场的磁滞现象，选择系统的动态工作点时必 须考虑。 ( 6 ) 避免共振。这一点对于高频、高精度的电磁铁来说，是不可以忽略的，否 则必然影响精度，因此研究高频电磁铁时，必须采用减振措施，例如采用 电子滤波，磁性阻尼减振等方法来消除，或者提高系统的固有频率，使得 输入频率小于系统的共振频率。 1 2 3 高频电一机械转换器结构原理的研究 电一机械转换器作为电信号转换为机械信号的一个接口元件，其结构的合理 性，性能的好坏直接影响到系统的性能和装配的简易程度。所以对电一机械转换 器结构的研究是很有必要的。下面就几种高频响的电磁铁的结构，原理、特点进 行了分析研究。- 图1 2 所示结构是一种常见的动圈式电磁铁，其工作原理为当控制线圈供电 时，控制线圈的磁势“孵使磁路产生固定的磁通，因而在圆环形的工作气隙占中 形成一个工作磁场。动圈就放置在这个圆环形磁场中，其导线绕制在开有缺口的 铝杯上，当控制信号输入动圈时，动圈就形成了磁场中的载流导体而受力的作用， 靠连在铝杯上的阀杆带动执行元件运动，当控制信号消失后，借反力弹簧使其复 位。 该电磁铁的特点是：该电磁铁频率较一般的动圈电磁铁有所提高，频率可以 达到2 0 0 赫兹以上，动圈行程可以达到1 6 r a m 。这种动圈式电磁铁若减小行程， 可以明显减小电磁铁的外形尺寸和质量，同时可以提高其频率，但是精度不高。 另一种常见结构简图( 图1 3 ) ，该电磁铁工作原理为控制信号按比例转变为 控制电流，当线圈没有通过控制电流时，永久磁铁不能使线圈产生动作，当控制 线圈通过控制电流时，永久磁铁产生的磁场使线圈受到力的作用，产生运动，从 而带动框架运动。同时当控制电流消失时，依靠弹性膜使其复位。 第一章绪论 该电磁铁的特点是：1 较高的位移精度和较高的频率响应。2 较大的行程和 ，衔铁 f 藏函 ，卜历i 7 r 上l 垫 图1 2动铁式电磁铁图1 3动圈式电磁铁 吸力大的特点。该结构由于选用了磁密度较大的稀土材料，同时供以足够的磁场， 线圈中通以较大的电流，这样使其的频率可以达到2 5 0 赫兹。如果减小执行机构 的质量以减小惯性，可以明显提高该电磁铁的工作频率；同时该结构具有体积小， 重量轻，惯性低，精度较高，伺服性好的优点，但是这种结构的缺点就是发热比 较严重；控制系统设计复杂和隔磁防磁问题，以至成本比较高。 上述电磁铁频率较低，是由于弹簧( 图1 2 ) 的刚度k 比较小( 由于弹簧的 限制) ，所以回复力厂= k x ( x 为位移量) 不可能很大；同时行程比较大，达到 十几毫米，所以频率不可能进一步提高；由于刚度k 太小，系统的动态响应特性 及抗干扰能力下降，导致精度明显降低，所以在该结构中，在保证输出力、精度 的前提下，要想使电磁铁运动部件的位移量达到电雕机的微米级是完全不可能 的。在结构二( 如图1 3 ) 中，虽然其行程可以达到微米级，但是由于弹性薄膜在 其刚度较小时( 谐振频率) 附近工作时，还是会带来很大的误差造成无法工作乃 至破坏系统，虽然这种情况可以通过预加载荷来弥补，但是其驱动力比较小限制 了这种结构的应用。虽然日本在这种弹性薄膜作回复力的的动圈式结构中，频率 可以达到几千赫兹，但是输出力不大，限制了其应用范围。 电子雕刻机对于输出的机械信号不仅在精度、频率上有要求，输出力也必须 满足驱动雕刻刀进行雕刻这一要求。显然上述两种结构不能满足电子雕刻机的要 求，所以必须采用特殊的非弹簧、弹性薄膜式结构。就目前而言，国外在电子雕 刻机中采用的电一机械转换器的结构有： 直动式电一机械转换器( 如图1 4 ) ，该装置主要由永久磁铁，衔铁，以及控 第一章绪论 制线圈组成。其工作原理为：直动轴2 固定在衔铁3 上，装配时调节衔铁在磁场 中处于相对平衡状态。在控制线圈l 无电流通过时磁钢4 的引力不能使衔铁3 产生动作；当控制线圈有电流以通过时，衔铁产生极性，在电磁力的作用下，克 图1 4 直动式电一机械转换器 1 控制线圈2 直动轴3 衔铁4 永久磁钢 服衔铁的刚度，上下运动一定位移，从而带动雕刻刀的垂直运动，并与电一机械 转换器的横向移动，及雕刻台的水平移动，完成雕刻动作。目前这种雕刻头的最 高工作频率为4 5 0 0 h z ，其最大运动幅度比较大，可以达到1 0 0 u r n ，但其体积略 大，这种结构的雕刻头在实际工艺操作中较难掌握，并且装配调试也有一定的难 度。如今美国的俄亥俄公司 ( o h i oe l e c t r o n i ce n g r a v e r s i n c ) 和瑞士的m a x d a e t w y l e r 公司的电子雕刻 机中均采用此电一机械转换 器。 第二种结构是摆动式电 一机械转换器，也是本文准 备采用的结构( 图1 5 ) ，主 要由永久磁铁，衔铁，以及 控制线圈组成。其工作原理 二二i 三 厂广r j i _ 卜 托 匣一 n 图1 5 摆动式电一机械转换器 1 1 磁路调整装置2 导磁体3 永磁体 4 控制线圈5 扭轴6 衔铁 6 第一章绪论 为：凝铁霾定在怒 囊上，装配嚣调节鬻铁奁磁场中笼予程对乎鹜狻态，在控 帚线圈无电流通过时磁锻的躐力不能使衔铁产生渤作。当控制线圈肖电流通过 时，衔铁产生极性，在磁力的作用下，克服扭转的弹力，转动一个角度护，通过 机械装鼹，将偏转的角度转换成雕刻刀的垂直运幼，并与电一机械转换器的横向 移动，及黻刻台靛拳平移动，宠残黪袤动终，复发辩依靠投辘的剐发，产生酲复 力使箕复饿。这静电稚梳麓袤头鼹工作频率鬣躐可以达到4 0 0 0 h z ，最大运动 幅度为7 0 r a n 。德国的海尔公蠲( d n - - ingr u d o l f h e l lg m b h ) ，日本的火日本网 版公司( d a i n i p p o ns c r e e n ) 电子雕刻机均采用此结构。这种结构的电机械转 换器装配调试楣对简单一些 7 ) 【8 j f 9 】。 1 2 。4 未来的发展方向 如今随着电子技术的发展，雕刻刀的工作频率阻碍了电雕机工作效率的提 高，因而器大公司在提高雕刻头工作频率上展开了激烈的竞争，不断采照新方法， 耨蔽拳寒代替邀磁蓑电一规投转换器戳提毫毫予黢刻凝熬工季搴效搴。 i， i 7 | 。 一 l - - _ _ - _ _ _ | l i 1 。6 磁致誊錾缓稼瓣瓣蒸头零慧攀 i ? 嚣邀辫瓷驱动鼹戴头示意匿 目前可选择的提高雕亥h 跌工作频率的技术主骤有两种：一是采用磁教伸缩材 料，利用篡磁致伸缩效应。肖该材料被置于磁场中时，便可产生长度变化( 相对 长度变化约为1 ) 。新型的材料t c r f e n o l - - d 的磁致姊缭应变可达1 5 一一2 0 0 0 u m m 。农磁羧 枣缭毒毒凝照亥l 菰( 餮l 。5 ) 缝凌审，瓷绘线鋈疆供亳滚锻袋l ，囊 在线圈内产生磁场强度壬壬，麓磁致伸缩材辩便产嫩长度变纯l ，弓| 怒线圈中的 7 第一章绪论 为：凝铁霾定在怒 囊上，装配嚣调节鬻铁奁磁场中笼予程对乎鹜狻态，在控 帚线圈无电流通过时磁锻的躐力不能使衔铁产生渤作。当控制线圈肖电流通过 时，衔铁产生极性，在磁力的作用下，克服扭转的弹力，转动一个角度护，通过 机械装鼹，将偏转的角度转换成雕刻刀的垂直运幼，并与电一机械转换器的横向 移动，及黻刻台靛拳平移动，宠残黪袤动终，复发辩依靠投辘的剐发，产生酲复 力使箕复饿。这静电稚梳麓袤头鼹工作频率鬣躐可以达到4 0 0 0 h z ，最大运动 幅度为7 0 r a n 。德国的海尔公蠲( d n - - ingr u d o l f h e l lg m b h ) ，日本的火日本网 版公司( d a i n i p p o ns c r e e n ) 电子雕刻机均采用此结构。这种结构的电机械转 换器装配调试楣对简单一些 7 ) 【8 j f 9 】。 1 2 。4 未来的发展方向 如今随着电子技术的发展，雕刻刀的工作频率阻碍了电雕机工作效率的提 高，因而器大公司在提高雕刻头工作频率上展开了激烈的竞争，不断采照新方法， 耨蔽拳寒代替邀磁蓑电一规投转换器戳提毫毫予黢刻凝熬工季搴效搴。 i， i 7 | 。 一 l - - _ _ - _ _ _ | l i 1 。6 磁致誊錾缓稼瓣瓣蒸头零慧攀 i ? 嚣邀辫瓷驱动鼹戴头示意匿 目前可选择的提高雕亥h 跌工作频率的技术主骤有两种：一是采用磁教伸缩材 料，利用篡磁致伸缩效应。肖该材料被置于磁场中时，便可产生长度变化( 相对 长度变化约为1 ) 。新型的材料t c r f e n o l - - d 的磁致姊缭应变可达1 5 一一2 0 0 0 u m m 。农磁羧 枣缭毒毒凝照亥l 菰( 餮l 。5 ) 缝凌审，瓷绘线鋈疆供亳滚锻袋l ，囊 在线圈内产生磁场强度壬壬，麓磁致伸缩材辩便产嫩长度变纯l ，弓| 怒线圈中的 7 第一章绪论 铁心头部产生径向位移变化y 。改变供给线圈的电流，可以得到需要的径向位 移。磁致材料制造雕刻头具有结构简单，工作稳定的优点，但是其磁场强度与磁 致伸缩量之间不是成严格的线性；同时在磁场作用下还伴有发热，故而精度不是 很高，但是其频率可以达到一万赫兹以上。对这种结构材料的物理性能进行深入 研究，从而获取线性良好的材料，同时对线性度、温度、湿度等环境因素进行同 步补偿从而取得较好性能，基于磁致伸缩材料这一方向的研究前景十分广阔。 二是采用压电陶瓷驱动技术( 图1 6 ) 代替电磁式电一机械转换器，在压电 陶瓷两端加以电场，压电陶瓷发生伸长现象，这是由压电陶瓷内部的晶体结构变 化造成的，虽然这种加电伸长的量很小，但它产生的推力很大，可以比电磁力大 1 0 倍左右。单片压电陶瓷晶体的伸长量还不能满足刻刀位移的需要，可将多片 压电陶瓷组合成“压电陶瓷堆”，其总的加电伸长量可达到雕刻要求，当压电陶瓷 堆加以高频变化电压时，其伸缩也随之变化，理论上可达1 万至2 5 万个s 网穴 的雕刻频率；当然在开发压电陶瓷雕刻头时，还必须解决电能损失造成压电陶瓷 体的发热，影响其稳定性和寿命这一系列问题。基于压电陶瓷的研究对于理论研 究和现实应用乃具有相当重要的意义【4 5 】【4 8 】f 5 2 1 s 3 1 1 5 1 1 1 5 2 1 。 1 3 课题研究意义 当今电子雕刻技术比起传统的化学腐蚀制版明显具有速度快、质量高的优 点，