超磁致伸缩驱动器
第8章超磁致伸缩材料及其智能化应用-石雅莹
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2 ,2 ( z y z y x zxz )
7
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
立方晶系和六方晶系对称的磁致伸缩模式
4
第8章 超磁致伸缩材料及其智能化应用
8.1.2磁致伸缩系数
◆磁致伸缩效应的大小用磁致伸缩系数表示。
线磁致伸缩系数， 以 表示。 l / l
体积磁致伸缩系数，以 表示。 /
S11 S22 S33
◆沿不同方向测量出的不同。有纵向磁致伸缩系数和横 向磁致伸缩系数
• 4)非晶RFe2化合物的磁晶各向异性
成分为RFe2的溅射非晶态合金在结构和磁性方面与晶态合金不同。其居 里温度在室温以下直到400 K。这些合金最突出的特点是在低温时矫顽力大。 这是由于磁晶各向异性大和没有晶体结构两个因素共同造成的。在4K时，由 非晶TbFe2计算的最大磁能积为2.35EA／m，这与钐钴合金测得的最大值差不 多。虽然内禀磁晶各向异性可以持续到室温，但热能太高以至于无法阻止磁 化反转。因此，室温下矫顽力只有7.96 kA／m。
8.2.3稀土超磁致伸缩材料制备和组织结构
•
Terfenol-D材料的性能与其制备工艺、成分和微观结
构密切相关。不同制备工艺得到的材料的性能可以相差甚
远。
• 超磁致伸缩材料Terfenol-D主要有两种成分，即 Tb0.27Dy0.73Fex
超磁致伸缩体内涡流效应有限元分析
ｔ ｓ ｍａ ｈ ｍａ ｉ ｄｅ ｏ ｇ ｉ ｈｅ ｃ ｒ ｅ ｐｏ ｉ ｅａ ｉ ｎ ｏｆｅ ｙ ｃ ｒ ｎｔａ ｒ ｑｕ ｎ ｙ ｏ ｎｐｕ ｕｒ ｈｉ ｔ ｅ ｔｃ ｍｏ ｌｔ ａ ｎ ｔ ｏ ｒ ｓ ｎｄ ｎｇ ｒ ｌｔｏ ｄｄ ｕｒ ｅ ｎｄ ｆ ｅ ｅ ｃ ｆｉ ｔｃ —
．
ｆ ｌ ｉｔ ｉ ｕ ｉ ｇ ｏ ｒ ｓ — ｅ ｔｏ ｎ ｔ ｅ ｇ ａ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｓ ｒｃ ｉ ｎ ｍｉ ｒ — ｉｐ ａ ｅ ｎ ｓ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｙ ｉ ｄ ｄ ｓ ｒｂ ｔｎ ｆｃ ｏ ｓ ｓ ｃ ｉ ｎ ｉ ｈ ｉ ｎ ｇ ｅ ｏ ｔｉ ｔ ｃ ｏ ｄ ｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔ ｗａ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ ｂ ｅ — ｏ —
超 磁 致 伸 缩 体 内涡 流 效 应 有 限元分 析
王 雷， 谭久彬， 刘玉涛
（ 哈尔滨工业大学 超精 密光电仪器工程研究所， 黑龙江 哈尔滨 １０ ０ ） ５０ １
摘 要 ： 补 偿 涡 流 效 应 产 生 的 温 度 与 反 相 磁 场 对 超 磁 致 伸 缩 微 位 移 驱 动 体 位 移 输 出 造 成 的 非 线 性 ， 电磁 场 基 本 原 理 出 为 从 发 ， 导 了 超 磁 致 伸 缩 驱 动 器 内的 涡 流 分 布 和 大 小 的数 学 模 型 。利 用 伽 辽 金 加 权 余 量 法 和 牛 顿一 夫 逊 迭 代 法 得 到 涡 流 推 拉 效 应 数 学模 型 的 解 析 公 式 。通 过 解 析公 式 分 析 超 磁 致 伸 缩 驱 动 器 内 驱 动 体 横 截 面 上 的 电磁 场 分 布 ， 而 得 到 驱 动 体 上 进
采用压电微泵散热的超磁致精密驱动器
冷情 况 下大 电流 长 时 间测 试可 能 损 坏线 圈 ， 未 故 进 行 更 大 电流 的 实验 ． 试 时 保持 驱 动 器输 入 电 测 流值恒定 ， 隔 ２ｍｉ 每 ｎ采样 一 次ＧＭＡ 输 出轴 的位
罗亚 波Ｄ 陈 敏 舒 亮 ）
（ 昌工 程 学 院 机 械 与 动 力 系 ｚ 南 昌 ３ ０ ０ ） 南 ３ ０ ６
武汉 ４０６） ３ ０ ４ ４０ ６ ） （ 北 工 业 大 学 ３ ０ ４ 湖
摘 要 ： 对 超 磁 致 精 密 驱 动 器 （ Ｍ Ａ） 作 时 因 电 磁 线 圈 发 热 而 导 致 Ｇ Ａ 定 位 精 度 差 的 问 题 ， 针 Ｇ 工 Ｍ 采 用 体 积 小 、 声 低 、 电磁 干 扰 的压 电 微 泵 驱 动 水 流 进 行 散 热 ， 噪 无 以控 制 超 磁 致 伸 棒 的 温 度 ． 作 了 制
一
台Ｇ ＭＡ 样 机 ， 计 了一 个 热 变 形 测 试 系统 ， 行 了 ＧＭＡ 在 无 水 冷 和 有 水 冷 条 件 下 的 热 变 形 对 设 进 比实 验． 果 表 明 ， 出 的温 控 措 施 是 有效 的． 结 提
关 键 词 ： 密 驱 动 ；超 磁 致 ；水 冷 ； 电微 泵 精 压 中 图法 分 类 号 ： Ｈ７３ ６ Ｔ ０．３
散 热 ． 作 了一 台 Ｇ 制 ＭＡ 样 机 ， 设计 了相应 的 系 并 统 进 行水 冷效 果 测试 ， 验结 果表 明 ， 具有 良好 实 其 的温 控效果 ．
图 １ Ｇ Ａ 基 本 结 构 Ｍ
１入 水 口 ；－ 一 ２底座 ；－ ３电磁 线 圈 ；－ ４壳体 ； ５预 紧弹 簧 ；－ 节 螺母 ；－ 出轴 ；－ 圈 骨架 ； 一 ６调 ７输 ８线 ９超磁 致 伸 缩 棒 ；０套 筒 ；１出水 口 一 １一 １－
四种超磁致伸缩材料特性测量方法的比较
２ Ｃ ｎ ｐ ｃ ｌ ｑ ｉ ｎ ｓｅｔ ｎａｄＲｅｅ ｃ ｓｔｔ， ｅｉ ０ １， ｈｎ ） ｈ ａ ｅｉ ｕｐ ｔｎｐｃ ｏ ｓ ｒｈＩ ｔｕｅＢ ｉｎ １ ０ ３ Ｃ ａ ｉ Ｓ ａＥ ｍｅ Ｉ ｉ ｎ ａ ｎｉ ｊｇ ０ ｉ
ＡｂｔａｔＧｉ ｔ ｇ ｅｏｔｃｖ ｔ ｉ （ ｓ ｃ： ａ ｎ ｔｓｉｔ ｅ ｒ ｎ ｍａ ｒ ｉ ｍａｅ ａＧＭＭ） ｌ ｓ ｒ ｄｍｏｅ ｍｐ ｒ ｎ ｌ ｉ ｅ ｅ ｓｒｔｅ ｒｐ ｒｅ ｏ ｒｌ ｐａ ｍｏｅａ ｒ ｉ ｏｔ ｔｏｅ ｎｔ ｎｏ，ｈ ｏ ｅ ｉ ｆ ｙａ ｎ ａ ｒ ｈｓ ｐ ｔｓ
ｃ ｅ ｃｅ ｏ 伍 ｉ ｎｔ
Ｑｕ ｈ ａｇｕ， ｉｇＫ ， ｈｏ ｉｇａｇ ｕｎ ｒ Ｄ ｎ ｅ Ｓ Ｚ ａ ｎｌｎ １ Ｊ ｉ
（ ｒ ｉｅ ｉ ｆ ｈｎ，ｏ １Ｎｏｔ Ｕｎ ｒｔ ｏ Ｃ ｉａｃ ｍｍｕ ｃｔ ｎａｄ ｎｏｍａｏ ｓ ｍ，ｉｕｎ００ ５ ， ｈｎ ； ｈ ｖ ｓｙ ｉ ｉ ｎｉ ｎ ａｏ ｆｒ ｔ ｎｓ ｔ ｔｙ ａ ３ ０ １Ｃ ａ ｉ ｙｅ ａ ｉ
图２ 电阻应 变片测量磁 致伸 缩系数的电路
转 换率高 、能量密度大、响应 速度快、可靠性高、驱动方 式 简单等特点。从工 程应用的 角度看 ， ＭＭ 最 重要 的特 Ｇ 性参数是磁致伸缩系数 。因此 ，在超磁致伸缩 高速响应
电磁阀的设计研究 中需对 进 行测量 。
—
— ｌｌ — 仵 — ＋
因此 ，只要 测 出施加 激励 磁 场前 后的振 荡频 率变 化，
即可 获得 的值 。
２ ２． ｏ１ ２
Ｄｅ ｉ ＆ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｓ ｇｎ ｓａｃ
１ ． ４光杠杆法测量磁致伸缩系数
图７ 为光 杠杆 法测量 磁致伸缩 量 的实验 装 置简 图 嘲 ， 设被测样 品长度为 １ ，其在 磁场中伸长量为 ：
现代驱动技术纵览
个 调速范 围 内都具 有较 高效率 ，系 统 可靠性高 。其优点 主要表 现在 以 下几个方 面： 开关磁阻 电机效 率高 ， 且在很 宽 的功 率和转 速范 围内都能
对振 动加 以控 制及 阻尼 ，并 获得 预
定 动 态性 能 ；由 于 没有 润 滑 剂 ，因 此 也 就不 需 要 密 封 可 进 一 步 简化 结
高效率使 得工作 电流 和起动 时的 冲 通 过 调 整 开 通 角 和 关 断 角 ，开 关 磁 机有 限公 司生 产 的 高 速永 磁 电机 ， 功 率 １ ｋ 一 １ｋ 转 速 ６ ０ — ． Ｗ ３ ５ Ｗ， ５ ０ ０ 击电流较低 ，从而延长了电池 寿命 。 阻 电 机 具 有 良好 的控 制 特 性 ，很 少 “ 凑 型 无 刷 直 流 电 机 技 术 为 电动 需要 维护 ，适用 于各种 恶劣 、高 温 紧 工 具 行业 设 立 了一 个 新 的性 能 标 准 ， 环 境 ，具 有 良好 的 适 应 性 。 这 些 特
Ｊ ＯＮ 通 过 采 用 适 当 的 控 制 策 略 和 系统 设 而应 用 范 围极 为 广泛 ，几乎 遍 及航 ＨＮ Ｏ Ｓ 空航天 、国防 、工农业生产 和 日常 Ｅ Ｃ ｌ 计 满 磁 阻 电 机 有 很 好 的散 热 特 性 ； 生 活的各个领域 。泰安 阳光 动力 电 Ｔ 开 关 足 电动 车 四象 限运 行 的要 求 ； Ｌ Ｅ Ｒ Ｃ
新 一 代 无 极 调 速 系 统 。 系统 主 要 有 领 域 ，在各种 需要调 速和高效 率 的 广泛应用 ，并证明 了它无可估量的 优越性 。一是真空超净室技术 ：轴 开 关磁 阻电机 、功 率变换 器 、控 制
器 与位置 检测器 四部分 组成 。它 的 结 构简单坚 固，调 速范 围覆 盖功率 范 围 １Ｗ～ ＭＷ 的各种 高低 速驱动 ０ ５
电致和磁致伸缩材料的功能
电致和磁致伸缩材料的功能1 电致材料1.1 电致伸缩效应电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。
1.2 电致伸缩材料电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。
1.3 电致伸缩材料的发展方向一、多元化压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。
与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶瓷。
基于AMEsim的超磁致伸缩高速响应电磁开关阀仿真
基于AMEsim的超磁致伸缩高速响应电磁开关阀仿真席建敏;何忠波;李冬伟;李玉龙【摘要】针对所设计的超磁致伸缩致高速响应电磁开关阀(GMV)进行了结构分析.采用AMEsim软件建立超磁致伸缩高速响应电磁开关阀模型,在模型下仿真分析了不同占空比、不同工作频率下PWM信号、电流、阀芯位移的关系,同时分析了不同占空比、不同压力、不同电流对GMV流量的影响.通过仿真结果提出改进方法,找到最适合超磁致伸缩高速响应电磁阀设计要求的占空比和流体压力.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】4页(P55-58)【关键词】超磁致伸缩高速响应阀;流量;阀芯位移;PWM信号【作者】席建敏;何忠波;李冬伟;李玉龙【作者单位】军械工程学院,研究生二队,石家庄,050003;军械工程学院,研究生二队,石家庄,050003;军械工程学院,研究生二队,石家庄,050003;军械工程学院,研究生二队,石家庄,050003【正文语种】中文【中图分类】TH1371 引言超磁致伸缩高速响应电磁开关阀（GMV）是近年发展起来的一种数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作，响应速度极高，可小于1ms。
脉冲流的形成和调节方法有多种，其中脉宽调制（Pulse Width Modulation 简称PWM）是用得最多的一种方法。
与伺服阀、比例阀相比，GMV 具有结构简单、价格低廉、阀口对污染不敏感等特点，能将ON/OFF 数字信号直接转换成流体脉冲信号，使计算机控制技术无需D/A 转换接口便可实现与液压技术的有机结合。
目前用于高速阀的新型材料是稀土超磁致伸缩材料（Giant Magneto Strictive Material，GMM），此材料具有磁致伸缩效应，即当材料的磁化状态改变时，其尺寸会产生显著的变化。
这类材料输出力大、应变显著、响应速度快，是改变现有自动控制技术现状，提高产品精确度，提高系统响应速度的新型智能材料，超磁致伸缩高速电磁开关阀就是应用的典型例子［1］。
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍
铽镝铁(TbDyFe)合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍铽镝铁（TbDyFe）合金稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D介绍天津华安旭阳国际贸易有限公司孙庆仑铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。
它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上。
可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。
在10-5～10-6秒的极短时间内，精密、稳定地形成与磁场静、动态特性相匹配的无滞后型响应。
其响应稳定，速度敏捷，使铽镝铁合金作为驱动元件的机械系统反应滞后时间显著降低，这也是铽镝铁合金元件在交变磁场中快速产生伸缩应变响应的重要特性，从而使它在工业的科技开发中作为执行元件、控制元件、敏感元件得到了越来越广泛的应用稀土超磁致伸缩材料在声学领域的应用成果之一，是平板扬声器技术。
平板扬声器（Flat panel technology）具有优异的频响特性和音质，可以产生360度的声场，几乎穿越任何平面，开辟了设计各种新型扬声器的可能性。
把稀土超磁致伸缩材料元件用于微位移机构，可以快速、精确、稳定地控制复杂的位移运动。
在机器人准确的关节控制；机床部件的精密位移控制；成型加工机床的伺服刀架控制；机构传动误差和刀具磨损的补偿控制；电力分配系统中开关、继电器的强力触头控制；激光镜、望远镜、电子显微镜的精细聚焦等控制中，可显著地优化结构、改善性能、提高效率、降低损耗。
在用稀土超磁致伸缩材料驱动的线性马达、伺服阀、强力液压泵、精密输液泵（医用）、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等装置中进行随机控制，有效地提高自动化程度，简化液压控制系统，达到高效节能，安全可靠。
利用铽镝铁合金元件的即时响应特性，可有效地控制机械系统的振动，达到消振、降噪之目的。
反之，利用稀土超磁致伸缩材料元件的可控特性，改善振动工艺过程（抛光、振动切削），提高产品质量和生产效率。
磁滞伸缩驱动器磁滞特性的Persiach模型建模
磁滞伸缩驱动器磁滞特性的Persiach模型建模冒鹏飞;王传礼;喻曹丰;钟长鸣【摘要】Giant magnetostrictive material (GMM) exists intrinsic magnetic hysteresis nonlinearity, large hysterisis error will happened when it is used for precision positioning, accurate mathematical model to describe the hysteresis nonlinearity seems very important in control the output accuracy of the giant magnetostrictive actuatort.%超磁致伸缩材料具有本征磁滞非线性,用于精密定位时具有较大的回程误差.为控制超磁致伸缩驱动器的输出位移精度,需要建立准确的数学模型来描述其磁滞非线性.基于经典的Preisach磁滞模型,通过对Preisach磁滞模型的离散化,建立了超磁致伸缩驱动器的Preisach磁滞数学模型;并进行了超磁致伸缩驱动器输出位移实验研究.实验结果表明:模型计算的结果和实验结果基本吻合,证明所建模型能够较好地反映实际情况.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)009【总页数】4页(P149-152)【关键词】超磁致伸缩材料(GMM);磁滞非线性;Preisach磁滞模型;离散化【作者】冒鹏飞;王传礼;喻曹丰;钟长鸣【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,淮南 232001;安徽理工大学机械工程学院,淮南 232001;安徽理工大学机械工程学院,淮南 232001;安徽理工大学机械工程学院,淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TB34超磁致伸缩材料(gaint magnetostrictive material，GMM)是铁磁性功能材料[1]，具有磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大、磁机耦合系数大、居里温度高等优点[2]，并且能够实现电磁能—机械能的可逆转化，被称作是21世纪战略性高科技材料[2，3]。
微位移驱动器的控制模型及仿真技术研究
ａｐ ｎ ａｏ ａｌ ａｊｓ ｒ ｐｅ ｄａｒ ｓｎｂ ｄｕｔ ． ｅ ｅ ｏ Ｋｅ ｏ ｄ ： ａｔ ａｎｔｓｉｔ ｅ ｍ ｃ －ｉ ｌ ｅ ｅ ｔ ｃ ａ ｒ ａｎｔｍ ｍ ｃ ｉｅｃｕｌ ｇ ｓ ｕａｏ ｙｗ ｒ ｓｇ ｎ ｇｅｏｔｃｖ ： ｉｒ ｄｓ ａ ｍ ｎ ｔ ｔ ；ｍ ｇｅ ｓ － ａｈｎ ｏ ｐｉ ； ｉ ｌｔ ｎ ｉ ｍ ｒ ｉ ｏ ｐｃ ａｕ ｏ ｉ ｎ ｍ ｉ
维普资讯
２０ ０ ７年 第 （ ｒ ｓｕｅ ｎ ｃｏｙｔｍ Ｔ ｃｎｌｇ ｓ Ｔａ ｄ ｃｒ ｄＭｉ ｓｓ ｅｈ ｏ ｉ ） ｎ ａ ｒ ｅ ｏｅ
９ ３
｛ ） 前沿技术 ｌ Ｉ
、
微 位 移 驱 动 器 的控 制模 型 及 仿 真 技 术研 究
宋仁 旺 ，陈琳 英
（ 兰州物理研究所 。 甘肃 兰 州 ７０ ０ ） ３ ００
摘 要 ：介绍 了超磁致伸缩驱动器 （ Ｍ ） Ｇ Ａ 的结构 、 工作原理 、 特性方程 以及 超磁致伸缩效 应模 型 ， 从有助 于理解压磁效应 的角度 ， 建立了 Ｇ Ａ的静态位 移～ Ｍ 力模 型和磁一 机耦合模型 。 并对后者进行了仿 真研究 ， 仿
ｅ ｃ ｅ ｉｇ ｑ ａ ｔｔ ａ ｄ ｉｃ ｅ ｓｎ ｎ ｕａ ｉｎ Ｉ ｉ ｍｐ ｒ ｎ ｏ ａ ｌ ｒ ｔ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｏ ｈ ｙ ｔ ｍ ｔ ｘ ｅ ｄ ｎ ｕ ｎ ｉ ｎ ｎ ｒ ａ ｉ ｇ ｕ ｄ ｌｔ ． ｔ ｓｉ ｏ ａ ｔ ｍｅ ｉ ａ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆｔｅ ｓ ｓ ｏ ｙ ｏ ｔ ｔ ｏ ｉ ｅ
０ 引 言
量 的磁 畴 。 各个磁畴的 自发磁化方 向不相 同， 在没有加 外磁 场 时， 自发磁化引起的形变互相抵消 。外加磁场后 ， 个磁 各 畴 的 自发磁化都转 向外施磁 场方 向， 于是 产生 了宏观磁 致
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电子雕刻机雕刻头的使用及发展
发布：2008-9-6 10:29:08 来源:模具网 编辑：佚名
摘要：介绍了电子雕刻机雕刻头的研究现状与发展。目前成熟应用的主要是电磁驱动式的，
分为摆动式和直动式，具有雕刻频率高、雕刻质量好的特点；同时介绍了工作原理不同于电
磁式雕刻头的电子束雕刻和激光雕刻，尤其激光雕刻，具有强大的发展潜力；以及正在研究
和发展的压电陶瓷和超磁致伸缩驱动器，这些功能材料的应用研究为雕刻头的发展提供了很
好的参考
方向。
关键词：雕刻头 电磁驱动；激光雕刻；电子束雕刻；压电陶瓷；超磁致伸缩驱动器
凹版印刷以其印品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐印力高、印刷速度快等优点在图
文出版和包装印刷领域内占据重要的地位。目前，电雕凹版因技术先进、成本低、制版质量
高且稳定、适应范围广、利于环保等优点已在凹版制造中占主导地位，一直是近年来的主流
雕刻方法。印版的好坏是决定印刷质量的一个关键因素，凹版电子雕刻效率的高低直接影响
到整个凹版制版的进程。印版是电雕系统根据数字化的图文信息驱动雕刻头在版辊上雕刻网
穴后处理而成，因此，雕刻头的驱动装置在整个制版过程中起着重要作用。从上个世纪60
年代开始，此领域的科技人员不断探索，希望能提高电子凹版雕刻的效率及质量，雕刻效率
及质量可以从多方面提高，提高电子雕刻机的雕刻频率是一种最有效最直接的途径。德国、
美国、瑞土和日本在电子雕刻技术方面处领先地位，我国在这方面的研究基本为空白「5」。
文中主要介绍了电子雕刻头的研究现状及发展方向。
1 电子机械雕刻
电子机械雕刻是由电·机械转换器驱动雕刻刀，在滚筒上雕刻出网穴的一种方法，其关键在
于电·机械转换器的工作性能。
1．1 常用结构的原理及特点
一般而言，磁钢产生稳恒磁通，控制线圈产生控制磁通，二者差动叠加产生驱动衔铁运动的
电磁力，带动衔铁运动。
1．2 转动式电磁铁
结构原理如图1所示「2」，磁钢在气隙中产生稳恒磁场，在控制线圈未加电时，通过装配
时的调试，衔铁处于相对平衡位置；当控制线圈加电时，衔铁被极化，产生磁力拉动衔铁转
动，图中显示了衔铁的一种极化方式。当控制线圈加以高频变化的电流或电压时，衔铁便产
生高频摆动，带动雕刻刀进行雕刻工作。
高刚度的回复弹簧是利用衔铁所在扭杆的弹性扭转来得到，结构简单，高刚度易实现；且带
有稳恒磁场调节结构，可以调节电磁铁系统的工作点，使磁钢发挥最好效能；控制线圈只有
一个，与采用2个控制线圈的相比，简化了结构，缩小了体积。
Hell公司的电雕机采用的摆动式雕刻头如图2所示，其衔铁结构如图3所示。通过衔铁的
摆动带动金刚石雕刻刀在版辊上雕刻凹穴，利用扭杆的扭转变形来实现高刚度回复弹簧的功
能，并且其半圆型的一端用来调节扭杆的刚度，输出杆上有阻尼环，用来调节电磁铁系统的
输出特性。
1．3 直动式电磁铁「2-3」
结构原理如图4所示，带有雕刻刀的直动轴固定在衔铁上，装配时调节衔铁，使之在磁场
中处于相对平衡状态，当控制线圈未加电时，磁钢的引力不能使衔铁产生动作；当控制线圈
加电时，衔铁产生极性，在电磁力的作用下，克服衔铁刚度，运动一定位移。给控制线圈加
以高频电压或电流，衔铁产生上下运动，从而带动雕刻刀的垂直运动，完成在版辊上雕刻凹
穴的工作。
在此结构中，衔铁的运动是平动，气隙两侧是异名磁极；高刚度回复弹簧通过衔铁的弹性变
形得到。
国外某些公司采用该结构原理，也可以达到很高频率。该结构电磁铁结构较复杂，体积也较
大，装配调试也有一定的难度。在电子机械雕刻方面，Hell公司雕刻头的雕刻频率由起初的
4000Hz发展到如今的12800Hz，MDC公司的VISION3雕刻头达到8100Hz，在网穴深度
稍减时可达8600Hz，提高了生产效率，电子雕刻具有雕刻网穴的深度和面积均可变化、重
复性强的优点，且雕刻过程中无污染。
2 激光雕刻和电子束雕刻
2．1 激光雕刻「5-8」
20世纪70年代，激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥作用，在90年代，国外的公司开
始激光直接雕刻的研究。激光直接雕刻铜版，在技术上一直认为是不可行的，但它可以直接
雕刻锌。瑞士MDC公司通过制版工艺的改进，实现激光直攘雕刻。先在钢辊上电镀一薄层
镍，然后再在其表面镀铜，随后又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被蒸发，随之蒸发
的还有其下面的铜，便生成了载墨的网穴。雕刻后，像其他雕刻滚筒一样，最终在滚筒上镀
一层坚硬的铬。还开发了大约500W功率的YAG激光器，每秒能雕刻7万个网穴。
直接激光雕刻系统主要由3部分组成：高能量的激光；激光传输系统；光学系统，通过调
节焦距，来调节单位面积上的能量。激光的原理如图5所示。
激光脉；中的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。简单的直接激光雕版系统只能调
整能量的大小，而激光聚焦点的直径根据所需的网点预先设置，在雕版过程中不能改变。网
点直径由激光聚焦点的直径决定。
先进的SHC(NewSuperHalfautotypiealCell)调整方法使每个激光脉；中的2个参数：能量
和聚焦点的直径都可以调整。“先进”意味着每个网点的几何形状——网点的直径和网点的深
度可以相互独立，在确保直接激光雕版的精度下任意调整。Hell解决了激光直接雕刻铜版的
技术困难，在Drupa2004上展示了所研制的可直接在铜版或铬版上进行雕刻的激光雕刻机
样机，给业界带来了巨大反响。
随着激光技术的发展，激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻的优点，而且具有许多自身的优点，
比如无接触雕刻等，目前该方法制作版辊成本稍高，但其众多优点使其成为雕刻发展的一个
方向。
2，2 镀铜凹版的电子束雕刻「1」
如图6所示，采用高能电子束可以对镀铜的凹版滚筒进行雕刻。电子束由热阴极产生，在2．5
-5万V电场的加速下射向滚筒表面。在此过程中、电子束受到电磁场的会聚控制。在小于
1的时间内使电子束会聚到网穴所应该达到的直径。电子束按所需网穴深度大小在镀铜层上
作用一定时间，以便达到所需深度。每个网穴的雕刻时间不长于6，以此达到巧万个网穴／
a的高频率。在滚筒表面上，电子束的动能转化为热能，使铜熔化和汽化，残留在网穴边缘
的熔化物被刮刀刮掉。由此可知，电子束凹版雕刻所形成的网穴是开口面积和凹下深度都变
化类型的。
由手电子束的能量会与空气中的各种离子碰撞而损失，因此，电子束雕刻必须在真空装置内
进行。使用高能电子束发生器和真空仓，造成设备成本高昂，最终导致其难以实用化。由于
电子束离子与金属表面的吸附作用，使得所雕刻的网穴偏深，尤其在雕刻中调颜色的网穴时，
得不到预期效果「9」。
3正在研究和发展的雕刻头
3，1 压电陶瓷(PZT)
在压电陶瓷两端加以电场，压电陶瓷发生伸长现象，这是压电陶瓷内部的晶体结构变化引起
的。利用压电晶体的逆压电效应，实现电机械转换「10」。单片压电陶瓷的伸长量很小，
一般要多片叠加成压电陶瓷堆，以满足雕刻位移要求；其输出力很大，可以比电磁力大10
倍左右。对压电陶瓷堆力口以高频变化电压时，其伸缩随之变化。理论上可达1—2．5万
网穴／s的雕刻频率「4」。
压电晶体会产生较大的滞环，必须设计合适的驱动电路以减小压电晶体的滞环影响kllJ。压
电陶瓷9区动器结构如图7所示。
超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material，简写为GMM)是一种新型功能材料，具
有高刚度、磁滞小、应变大、响应速度快、能量传翰密度高和输出力大等特点「12-13」。
GMM电呻几械转换98常见结构如图8所示，当给线圈提供电流时，在线圈内产生磁场，
超磁致伸缩材料便产生长度变化，推动输出件工作，其具体工作情况见文献「13」在电子
雕刻中需要高频率，输出力并不需要很大，因此GMM的翰出力大的优点并不适用于此处；
GMM的输出是非线形的，受热效应的影响较大，这些都需要进行补偿，特别是高频时必须
处理好焦耳热效应和涡流；此外，GMM需专门的驱动装置来提供磁场，材料本身价格也较
高「12」。虽然如此，GMM所具有的许多优异性能，仍使其成为高频电斗几械转换器开发
的尸个参考方向。
4 结 语
电子机械雕刻头主要有摆动式和直动式，其特点是雕刻频率高，雕刻质量好，且已产品化，
为许多制版企业应用；激光雕刻，经过多年的发展，在版辊雕刻方面已表现出了优异性能，
目前虽然成本较高，但其表现出了强大的发展潜力。在发展电子机械雕刻头方面，压电陶瓷
和超磁致伸缩等功能材料是很好的发展方向。(end)