CN111516367A - 一种金属凹印版激光制造方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属凹印版激光制造方法及系统，其具有版纹深度误差可控、大幅面图案制造精度高以及制造过程对凹印版基板寿命影响小等优点。该方法主要步骤为：1、标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；2、版纹结构分层，得到单层扫描图案；3、凹印版基板位置校准及激光器出射光束焦点位置校准；4、单层扫描图案的轨迹规划；5、第一层图案加工制造；6、重复步骤5，直至版纹结构加工完成。
Description
技术领域
本发明涉及一种凹印版的制造技术，具体涉及一种金属凹印版激光制造方法及系统。
背景技术
凹版印刷是一种直接的印刷方法，它将凹印版凹坑中所含的油墨直接压印到承印物上，所印画面的浓淡层次是由凹坑的大小及深浅决定的，如果凹坑较深，则含的油墨较多，压印后承印物上留下的墨层就较厚；相反如果凹坑较浅，则含的油墨量就较少，压印后承印物上留下的墨层就较薄。这就将在承印物表面形成高低不平的三维微细结构，这种结构的还原度是由凹印版的制造品质决定的，同时也是印刷领域上一种通用的防伪手段。
在合金薄板(如：镍基镀铬板电铸镍版、镀铬镍版、黄铜合金版、镀铬黄铜合金版、镀铬多层金属版等)上制造复杂的三维形貌结构传统采用手工雕刻，但是手工雕刻效率和合格率都比较低。
从2007年开始，该领域已经开展采用数字化激光直接雕刻凹版制版技术的研究，较人工雕刻在制造品质及防伪的方面有了一定的提升，但制造质量仍不满足下一代产品品质及防伪的需求。
目前，采用激光制造金属凹印版，通常是采用分层制造的方式实现，主要存在以下三个问题：
1、版纹深度误差不可控，版纹还原度差；
2、版纹表面粗糙度差，传统激光加工输出的高斯光束会容易使版面存在微裂纹，导致凹印版寿命缩短；
3、大幅面版纹制造时图案拼接存在接缝，影响整体制造精度。
发明内容
为了解决背景技术指出的现有激光加工金属凹印版所存在版纹深度误差不可控以及大幅面版纹制造时图案拼接存在接缝，影响整体制造精度的问题，本发明提出一种基于深度反馈补偿、激光空间整形、视觉在线拼接的金属凹印版激光制造方法及系统，可有效解决上述制造难题。
本发明的具体技术方案是：
本发明提出了一种金属凹印版激光制造方法，具体的实施步骤如下：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
步骤2：版纹结构分层，得到单层扫描图案；
步骤3：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行凹印版基板位置校准及激光器出射光束焦点位置校准；
步骤4：单层扫描图案的轨迹规划；
步骤4.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光；
步骤4.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤2中形成的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划信息输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤5：第一层图案加工制造；
步骤5.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工；
步骤5.2：采用测距传感器测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到第一层图案的加工深度误差，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差；
若误差未超出阈值，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
6)重复步骤5，直至版纹结构加工完成。
进一步地，上述步骤1的具体实现过程为：通过激光加工设备在凹印版基板上进行单层图案加工，测试出激光加工设备加工出的单层图案深度范围，以及单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系。
进一步地，上述步骤2的具体实现过程为：根据步骤1获取的单层图案的深度范围，采用分层软件将设计完成的版纹结构进行分层，得到单层扫描图案。
基于上述制造方法，本发明还提供了一种金属凹印版激光制造系统，包括激光加工设备，其改进之处是，还包括衍射光学元件以及测距传感器；所述衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；
测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测。
针对版纹结构幅面较大的情况，还需要对版纹结构进行幅面划分(即加工区域划分)，因此本发明又提出了一种金属凹印版激光制造方法，具体的实施步骤如下：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
步骤2：将整幅的版纹结构划分成多个加工区域，并确定每个加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标值；
步骤3：获取每一个加工区域的单层扫描图案；
步骤4：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行凹印版基板位置校准及激光器出射光束焦点位置校准；
步骤5：对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划；
步骤5.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光；
步骤5.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤3中形成的每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤6：第一加工区域的加工制造；
步骤6.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一加工区域的第一层图案加工；
步骤6.2：采用测距传感器测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到第一层图案的加工深度误差，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差；
若误差未超出阈值，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
步骤6.3：重复步骤6.1和6.2，直至第一加工区域版纹加工完成；
步骤7：第二加工区域的加工制造；
步骤7.1：采用视觉图像识别的方式采集步骤6中完成的第一加工区域版纹的边界；
步骤7.2：通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待加工的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比，得到相邻版纹边界的位置偏差，若位置偏差超出第二阈值，所述第二阈值为8-12um，则移动工作台对该误差进行补偿，补偿之后执行步骤7.3；
若误差未超出第二阈值，则不进行误差补偿，直接执行步骤7.3；
步骤7.3：按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造；
步骤8：重复步骤7，实现整个整幅版纹结构的加工制造。
基于上述制造方法，本发明还提供一种金属凹印版激光制造系统，包括激光加工设备，其改进之处是，还包括衍射光学元件、测距传感器以及图像采集装置；
衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；
测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测
图像采集装置安装在激光器侧方，图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的边界图像。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对版纹结构进行分层处理，并采用实时对每层图案深度进行探测，从而对版纹结构进行深度误差补偿，避免了现有深度误差不可控，版纹还原度差的问题。
2、本发明采用衍射光学元件对激光器输出的高斯光束整形成平顶光在凹印版基板上进行版纹加工，大大减少了微裂纹出现的几率，确保了凹印版的使用寿命。
3、本发明采用对大幅面版纹结构进行分区域加工，并且通过视觉图像识别的方式实现了各区域间的边界处衔接误差的获取，从而实现了衔接误差补偿，大大提升了大幅面版纹结构的制造精度。
附图说明
图1为加工小幅面版纹结构时的流程图；
图2为加工大幅面版纹结构时的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本实施例中提供的金属凹印版激光制造方法是在凹印版基板上加工幅面为150mmx70mm的图案，其具体实施过程如图1所示：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
采用激光加工设备在凹印版基板上进行尺寸为40mmx40mm的单层图案加工，测试出单层图案制造的深度范围，以及单层图案制造深度与激光加工参数(功率、频率等参数)的对应关系；
步骤2：版纹结构分层，得到单层扫描图案；
将设计好的印版结构(幅面150mmx70mm，深度范围5μm-500μm)采用分层软件进行分层，采用均匀分层模式，单层分层厚度为10μm，得到单层扫描图案；
步骤3：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行基板位置及焦点位置校准，要求基板位置精度为50μm，对焦精度20μm；
步骤4：单层扫描图案的轨迹规划；
步骤4.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光，要求光束不均匀性小于10％；
步骤4.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤2中形成的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划信息输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤5：第一层图案加工制造；
步骤5.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工；
步骤5.2：采用测距传感器(测量精度为2μm)测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到单层图案扫描制造深度误差(第一层)，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前(第二层)调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差，若不超出误差，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
6)重复步骤5，直至整幅版纹结构加工完成。
在该实施例中，采用的金属凹印版激光制造系统包括激光加工设备、衍射光学元件以及测距传感器；衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测。
实施例2
本实施例中提供的金属凹印版激光制造方法是在凹印版基板上加工幅面为1500mmx800mm的图案，由于幅面尺寸较大，需要进行分区域加工，其具体实施过程如图2所示：：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
采用激光加工设备在凹印版基板上进行尺寸为40mmx40mm的单层图案加工，测试出单层图案制造的深度范围，以及单层图案制造深度与激光加工参数(功率、频率等参数)的对应关系；
步骤2：将整幅(幅面为1500mmx800mm，深度范围5μm-500μm的图案)的版纹结构划分成多个加工区域，并确定每个加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标值；
步骤3：获取每一个加工区域的单层扫描图案；
根据步骤1获取的单层图案的深度范围，采用分层软件将每一个加工区域的版纹结构进行分层，采用均匀分层模式，单层分层厚度为10μm，得到每一个加工区域的单层扫描图案。
步骤4：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行基板位置及焦点位置校准，要求基板位置精度为50μm，对焦精度20μm；
步骤5：对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划；
步骤5.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光；
步骤5.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤3中形成的每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤6：第一加工区域的加工制造；
步骤6.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一加工区域的第一层图案加工；
步骤6.2：采用测距传感器(测量精度为2μm)测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到第一层图案的加工深度误差，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差；
若误差未超出阈值，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
步骤6.3：重复步骤6.1和6.2，直至第一加工区域版纹加工完成；
步骤7：第二加工区域的加工制造；
步骤7.1：采用视觉图像识别的方式采集步骤6中完成的第一加工区域版纹的边界；
步骤7.2：通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待加工的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比，得到相邻版纹边界的位置偏差，若位置偏差超出第二阈值，所述第二阈值为8-12um，则移动工作台对该误差进行补偿，补偿之后执行步骤7.3；
若误差未超出第二阈值，则不进行误差补偿，直接执行步骤7.3；
步骤7.3：按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造；
8)重复步骤7，实现整个基板全幅面版纹制造。
在该实施例中，由于进行了分区域加工，为了满足拼接后图案的精度要求，采用的金属凹印版激光制造系统包括激光加工设备、衍射光学元件、测距传感器以及图像采集装置；衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测图像采集装置安装在激光器侧方，图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的边界图像。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种金属凹印版激光制造方法，其特征在于，具体的实施步骤如下：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
步骤2：版纹结构分层，得到单层扫描图案；
步骤3：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行凹印版基板位置校准及激光器出射光束焦点位置校准；
步骤4：单层扫描图案的轨迹规划；
步骤4.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光；
步骤4.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤2中形成的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划信息输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤5：第一层图案加工制造；
步骤5.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一层图案的加工；
步骤5.2：采用测距传感器测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到第一层图案的加工深度误差，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差；
若误差未超出阈值，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
6)重复步骤5，直至版纹结构加工完成。
2.根据权利要求1所述的金属凹印版激光制造方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现过程为：通过激光加工设备在凹印版基板上进行单层图案加工，测试出激光加工设备加工出的单层图案深度范围，以及单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系。
3.根据权利要求1所述的金属凹印版激光制造方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现过程为：根据步骤1获取的单层图案的深度范围，采用分层软件将设计完成的版纹结构进行分层，得到单层扫描图案。
4.一种金属凹印版激光制造系统，其特征在于：包括激光加工设备，其改进之处是，还包括衍射光学元件以及测距传感器；
所述衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；
测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测。
5.一种金属凹印版激光制造方法，其特征在于，具体的实施步骤如下：
步骤1：标定单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系；
步骤2：将整幅的版纹结构划分成多个加工区域，并确定每个加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标值；
步骤3：获取每一个加工区域的单层扫描图案；
步骤4：将凹印版基板放置在激光加工设备的工作台上，进行凹印版基板位置校准及激光器出射光束焦点位置校准；
步骤5：对每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划；
步骤5.1：采用衍射光学元件将激光器输出的高斯光束整形成能量分布均匀的平顶光；
步骤5.2：采用焦点分析仪测量所述平顶光的直径，依据该直径对步骤3中形成的每个加工区域的单层扫描图案进行轨迹规划，并将轨迹规划输入激光加工设备的振镜控制器；
步骤6：第一加工区域的加工制造；
步骤6.1：采用激光加工设备在凹印版基板上进行第一加工区域的第一层图案加工；
步骤6.2：采用测距传感器测量已加工区域的制造深度，与设置值进行比较，得到第一层图案的加工深度误差，若误差超出阈值，所述阈值为5-10um，则利用步骤1中得到单层图案制造深度与激光加工参数的对应关系，在下一层制造前调整激光加工参数，以此来补偿第一层制造的深度误差；
若误差未超出阈值，则不进行误差补偿，直接加工第二层；
步骤6.3：重复步骤6.1和6.2，直至第一加工区域版纹加工完成；
步骤7：第二加工区域的加工制造；
步骤7.1：采用视觉图像识别的方式采集步骤6中完成的第一加工区域版纹的边界；
步骤7.2：通过第一加工区域版纹边界在激光加工设备坐标系下的坐标信息与待加工的第二加工区域的相邻边界在激光加工设备坐标系下的理想坐标信息进行对比，得到相邻版纹边界的位置偏差，若位置偏差超出第二阈值，所述第二阈值为8-12um，则移动工作台对该误差进行补偿，补偿之后执行步骤7.3；
若误差未超出第二阈值，则不进行误差补偿，直接执行步骤7.3；
步骤7.3：按照步骤6完成第二加工区域版纹的加工制造；
步骤8：重复步骤7，实现整幅版纹结构的加工制造。
6.根据权利要求5所述的金属凹印版激光制造方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现过程为：通过激光加工设备在凹印版基板上进行单层图案加工，测试出激光加工设备加工出的单层图案深度范围，以及单层图案不同深度与激光加工参数的对应关系。
7.根据权利要求5所述的金属凹印版激光制造方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现过程为：根据步骤1获取的单层图案的深度范围，采用分层软件将每一个加工区域的版纹结构进行分层，得到每一个加工区域的单层扫描图案。
8.一种金属凹印版激光制造系统，包括激光加工设备，其改进之处是，还包括衍射光学元件、测距传感器以及图像采集装置；
所述衍射光学元件安装在激光加工设备的激光器和振镜加工头之间，用于对激光器输出的高斯光束整形为平顶光；
测距传感器安装在激光加工设备上用于对加工的图案深度进行探测
图像采集装置安装在激光器侧方，图像采集装置用于拍摄每个加工区域所对应的边界图像。
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