（机械制造及其自动化专业论文）激光雕刻柔性版图像处理及加工工艺的研究.pdf

激光雕刻柔性图像处理及加工工艺的研究 摘要 激光加工技广泛应用于印刷制版领域，如激光照排技术、计算机直接制版技 术、激光雕刻制版技术等。柔性版印刷具有投资少，效益高；设备简单，操作方 便；绿色环保，生产效率高等优点。随着激光雕刻技术的不断深入和新材料、新 工艺的发展，激光雕刻制版质量不断提高。但随着消费者对印刷产品质量要求的 提高，激光雕刻制版技术也需要向更高质量迈进。 要控制好激光雕刻制版质量，首先必须对雕刻图像进行有效处理以满足雕刻 和印刷需要。本文通过把不同格式的矢量图形转化为雕刻系统可以解析并输出加 工的图形格式，以输出高质量雕刻图案，主要针对p l t 文件进行处理，并对复杂 的多层叠加矢量图形提出最佳解决方案。位图图像( 经分色以后的灰度图像) 转 换为满足印刷要求的加网二值图像进行输出。 雕刻工艺方面本文从路径优化和斜坡雕刻两方面着手，针对印版幅面和质量 要求的不同，合理选择单向雕刻或者双向雕刻。双向雕刻定位精度稍差，对于一 般大幅面、低要求的印版可以采用以提高生产效率。对空程距离大小做了较为精 确的设置和验证。为了增加印版抗压强度提高印刷产品质量，通过图像边界阈值 分割法和边界功率控制两种方法来得到1 6 级斜坡雕刻效果。 本文针对指定设备进行大量试验确定最佳雕刻参数设置：图像输出分辨控制 在2 0 0 3 0 0 像素；加网线数不宜超过1 0 0 线英寸：雕刻输出功率输出电流控制在 1 0 1 5 m a 可以得到合适深度的雕刻印版；雕刻速度一般控制在1 0 0 2 0 0 m m s ；步 距选择的设置根据精度要求不同在0 1 m m 0 2 m m 范围内选取；焦平面位置的选择 根据图文形式和深度要求来确定：为防止严重烧蚀，选择阻燃性较好印版版材； 根据印版厚度和印版滚筒的曲率半径对印版周向尺寸进行压缩以防止印版变形影 响印刷尺寸。同时对上述参数之间相互关系进行系统的分析和论证以得到正确的 雕刻参数设置方法。 关键词：激光雕刻；柔性版；雕刻图像；雕刻参数 h 高校教师硕十学位论文一 a b s t r a c t 、l a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi s w i d e l yu s e di np r i n t i n gp l a t em a k i n gi n d u s t r y , s u c ha sl a s e rt y p e s e t t i n gt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt op l a t et e c h n o l o g y ，l a s e re n g r a v i n g p l a t et e c h n o l o g y f l e x o g r a p h yp r i n t i n gi sl e s si n v e s t m e n t ，h i g h e f f i c i e n c y ；a n d e q u i p m e n ti ss i m p l e ，e a s yt oo p e r a t e ；g r e e ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el a s e re n g r a v i n gt e c h n o l o g ya n dn e wm a t e r i a l s ， t h eq u a l i t yo fl a s e re n g r a v i n gh a sb e e nc o n t i n u o u s l y i m p r o v e d b u ta sc o n s u m e r s i n c r e a s e dt h e p r i n t i n gr e q u i r e m e n t s o f p r o d u c tq u a l i t y ，l a s e re n g r a v i n gp l a t e t e c h n o l o g ya l s on e e d sm u c hh i g h e rq u a l i t y t oc o n t r o lt h eq u a l i t yo fl a s e re n g r a v i n gp l a t e ，t h ei m a g eo ft h es c u l p t u r eh a s b e e ne f f e c t i v e l yd e a l tw i t ht om e e tt h en e e d so f e n g r a v i n ga n dp r i n t i n g i nt h i sp a p e r , t h eb e s ts o l u t i o nf o rc o m p l e xm u l t i - l a y e rs t a c k ，m a i n l yf o r p r o c e s s i n gt h ep l tf i l eh a s b e e np u tu pw i t hi n t e r p r e t i n gd i f f e r e n tf o r m a t so fv e c t o rg r a p h i c si n t o e n g r a v i n g g r a p h i c sf o r m a tt oo u t p u th i g hq u a l i t yc a r v i n g b i t m a pi m a g e s ( g r a y s c a l ei m a g e sb y c o l o rl a t e r ) m u s tb ec o n v e r t e dt om e e tt h ep r i n t i n gs c r e e n i n gr e q u i r e m e n t sf o rt h e o u t p u tb i n a r yi m a g e i nt h ep a p e rt h ee n g r a v i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e g i nm a i n l yf r o mt w o a s p e c t s o fp a t ho p t i m i z a t i o na n ds l o p e sc a r v e do far e a s o n a b l ec h o i c eo ft w o w a yo n e w a y c a r v i n gs c u l p t u r e w h i c hi s a c c o r d i n g t od i f f e r e n tf o r m a t p l a t e s a n d q u a l i t y r e q u i r e m e n t a l t h o u g hb i d i r e c t i o n a lc a r v i n ga c c u r a c yh a sab i tw e a kl o c a t i o n ，i tc a n b eu s e dt o i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yf o rt h e a v e r a g el a r g e f o r m a t ，l o w r e q u i r e m e n t so ft h ep r i n t i n gp l a t e s t h es i z eo ft h ea i rd i s t a n c ec a nm a k em o r ep r e c i s e s e t t i n g sa n da u t h e n t i c a t i o n s i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ep l a t e t oi m p r o v ep r i n t i n gq u a l i t y , t h e16 s l o p e sc a r v e de f f e c th a sb e e ng o tb yi m a g e b o u n d a r ys e g m e n t a t i o nm e t h o da n dt h eb o u n d a r yp o w e rc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r ，t h eb e s ts c u l p t u r ep a r a m e t e rs e t t i n g sh a v eb e e nd e t e r m i n e db ya l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t so ns p e c i f i e de q u i p m e n t t h ei m a g eo u t p u tr e s o l u t i o ni s c o n t r o l l e dt o2 0 0 30 0p i x e l s s c r e e n i n gl i n en u m b e rs h o u l dn o te x c e e d10 0l i n e sp e r i n c h e s o u t p u tp o w e rc a r v i n gi sc o n t r o l l e da t10 15m at om a k ee n g r a v e dp l a t e si n t h ea p p r o p r i a t ed e p t h t h ec a r v i n gs p e e di si nt h eg e n e r a lr a t eo f10 0 2 0 0 m m p e r s e c o n d s t h ec h o i c eo fs t e pi s s e t t i n gd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sa c c o r d i n gt ot h e p r e c i s i o ni nt h er a n g eo f0 1m m - 0 2 m m t h ec h o i c eo ff o c a lp l a n el o c a t i o no f i i i d i f f e r e n t o p t i o n si sd e t e r m i n e d r e q m r e m e n t su n d e r a c c o r d i n g t ot h e e n g r a v i n gd e p t ha n d d e p t h t h eg r a p h i cf o r m a t g o o df l a m e r e s i s t a n c es e l e c t i o np l a t ei s u s e d t 。p r e v e n ts e r i o u se r 。s i o n a c c o r d i n gt op l a t et h i c k n e s sa n d r a d i u s 。fc u r v a t u r eo ft h e k e y w 。r d s ：l a s e r e n g r a v i n g ；f l e x o g r a p h i c p l a t e ；e n g r a v i n gi m a g e ；e n g r a v i n g p a r a m e t e r s i v 幻 蜘 州 昭 一 罴她 p ， 翟 e 玎 叫 眦 a c 硫m 话 引 吾 m 心山 l h 吼 e u m 讯m m = 胁 引 巳 呛 。 默 豇 鹬盹 哪 n g 巧 汜 删嘴蚵断 向州 m m 献喜 印 一 u p ： 憾 一 叩玳 批 哳呶 w 钉 。 姒址烹慧 耐 砌b 丽 m m y a ， 瞳 吖删 鲫 煳蒜罴 出晰洲阪 高校教师硕士学位论文 插图索引 图2 1 优化直线插补算法原理1 2 图2 2p l t 文件程序打开流程图1 3 图2 3 基于c + + b u i l d e r 编辑的打开界面1 3 图2 4p l t 文件雕刻输出程序流程图1 3 图2 5 基于c + + b u i l d e r 编辑的输出界面1 3 图2 6 结构单元模板图：l4 图2 7 以p l t 格式导出的文字1 5 图2 8p l t 格式的图形1 5 图2 9 以p l t 格式直接输出效果图1 5 图2 1 0 复杂矢量图转换过程及效果图1 6 图2 1 1 超细胞结构示意图18 图2 1 2 加网界面截图2 0 图2 1 3c m y k 四色版加网图2 l 图2 1 4 合并通道后模拟印刷效果图一2 1 图2 1 5 加网处理的灰度图像及其雕刻效果一2 l 图2 1 6 颜色调整为全黑的位图2 2 图2 1 7 位图矢量化雕刻输出效果2 2 图3 1 激光雕刻机的构造2 3 图3 2 控制卡开关量控制线路2 5 图3 3 控制卡脉冲方向输出信号控制电路2 5 图3 4 激光输出信号控制电路1 2 6 图3 5 激光输出信号控制电路2 2 6 图3 6 激光加工处理流程图2 6 图3 7 激光功率测试2 7 图3 8 雕刻参数设置一2 8 图3 9 雕刻加工参数定义2 8 图3 1 0 单向雕刻行程示意图3 0 图3 1 l 单向雕刻步骤3 0 图3 1 2 双向雕刻行程示意图一3 l 图3 1 3 双向雕刻步骤3 2 图3 1 4 单双向雕刻效果对比图3 2 v l i 激光雕刻柔性图像处理及加工工艺的研究 图3 1 5 恒功率垂直雕刻3 4 图3 1 6 斜坡雕刻3 4 图3 1 7 二值图像边界阈值分割示意图3 5 图3 1 8 阂值分割斜坡雕刻效果3 5 图3 1 9 + 阈值分割雕刻边界效果3 6 图3 2 0 输出功率与输出电压关系3 7 图3 2 l 输出电压与输出电流关系图一3 7 图3 2 2 输出电流与激光功率关系图3 7 图3 2 3 雕刻坡度设计3 8 图3 2 4 功率控制斜坡雕刻效果图3 8 图3 2 5 功率控制斜坡雕刻边界效果图3 9 图4 1 灰梯尺4 2 图4 2 不同加网线数处理的b m p 灰度梯尺4 2 图4 3 加网线数对雕刻质量的影响：4 3 图4 4 灰梯尺的雕刻效果4 4 图4 5 调节分辨率对加网的影响4 4 图4 6 加网图像雕刻效果4 5 图4 7 功率过小雕刻效果4 5 图4 8 功率过大雕刻效果4 5 图4 9 雕刻步距过大的图像和雕刻效果4 7 图4 1 0 不同焦平面位置的作业效果一4 8 图4 1 1 激光光路横截面能量分布4 8 图4 1 2 聚焦操作一4 8 图4 1 3 不同焦平面位置的作业效果4 8 图4 1 4 侧蚀效应4 9 图4 1 5 普通橡皮版出现的烧焦现象一4 9 图4 1 6 经特殊处理的橡皮版4 9 图4 17 打样效果图5l 图4 1 8 凸包滚压示意图5 1 v 1 1 1 高校教师硕士学位论文 附表索引 表3 1 雕刻系统信号传输分配表2 3 表3 2 空程距离设置3 3 表4 1 不同加工速度下的雕刻深度4 7 表4 2 变形测量数据表5 0 1 x 高校教师硕1 二学位论文 第1 章绪论 1 1 激光加工技术的发展与应用 激光自上世纪6 0 年代问世以来，以其独特的单色性、相干性、平行性以及高 能量密度等特点，为各种类型的材料加工提供了经济效益显著、生产效率高的生 产技术，被应用于各个领域、各种材料加工之中。激光应用最有发展前途的领域 之一就是激光加工，其应用已遍及各个行业，例如在电子、机械、轻工、兵工、 车船及航空航天等部门均占有重要地位。激光加工技术己渗透到各项技术领域， 目前比较成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打 孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存 储技术、激光清洗技术、激光热处理、激光测量和材料及工件表面处理技术等2 0 余项【1 ，2 1 。 激光加工是一门发展极快的高新技术，已成为发展我国新兴产业关键技术之 一。各种激光系统、设备已经或正在进入各个工业生产领域，为我国传统工业的 技术改造，新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术装备。从2 0 世纪 6 0 年代起，经过近5 0 年来的努力，我国激光技术取得了巨大的发展。科技部提 出的“十五 激光项目设想是：把握激光技术发展中的新机遇，利用产业结构调 整和科研体制改革带来的有利条件，以激光加工技术为重点，在“攻关键技术、 抓示范应用、建推广体系 这三个有机结合的层次上，重点解决激光产业化的关 键技术、重点制造业中急需的激光加工集成装备以及激光技术推广应用的服务体 系等，使我国激光加工朝高稳定、整体化、智能化、柔性化方向发展，进而促进 传统产业技术升级和激光产业的发展1 3 j 。 目前激光加工技术己从特殊用途的加工技术变成通用的具有多种加工能力的 精加工技术。激光对加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大， 其空间控制性( 射束的方向变化、旋转、扫描等) 和时间控制性( 开、关、脉冲 间隔) 优异，特别适用于自动化加工1 4 j 。激光加工系统与计算机数控技术相结合 构成的高效自动化加工技术，已成为企业实行实时生产的关键技术，为优质、高 效、低成本的加工开辟了广阔的前景。 随着我国国民经济的飞速发展，加快了激光产业在我国发展的迅猛步伐。中 国国内激光加工应用市场也因中国加入w t o 以来国内正在迅速形成的“全球制 造基地 而获得快速增长。海外投资者和海外激光同行正在抢滩这一市场。因此 中国的激光加工技术急需有一个大的突破，激光加工技术产业化急需有一个大的 激光雕刻柔性图像处理及加工_ t 艺的研究 发展。国内从事激光器和激光加工技术系统研发、生产的企业正面临极好机遇和 挑战1 5 j 。近年来，我国激光市场以l5 左右的年平均发展速度增长。目前，国内 激光产业主要集中在北京、上海和武汉、广东等地区，全国从事激光器和激光应 用产品生产的厂家已有5 0 0 多家，其中有5 个国家级的激光技术研究中心、1 0 多 个研究机构，全国有2 1 个省、市、地区生产和销售激光产品。其中从事激光加工 系统开发和生产的较有影响的企业单位有大恒科技、华工科技、电子十一所、湖 北楚天、上海激光( 集团) 总公司、武汉三工、大族粤铭公司等【6 】。 激光雕刻是利用激光束在材料表面产生的三种作用：熔融、汽化以及光化学 反应，使材料表面烧蚀一定的深度。熔蚀区材料的表面质地、颜色和反射率均会 发生变化，从而造成可以识别的符号标记。激光熔融就是利用激光束的高能量密 度的聚焦，打断材料中的化学键，导致表面材料熔融与重新流布，造成目视反差 效果。汽化工艺可以去除如印刷在纸张上的油墨、烧蚀铝基片上的阳极氧化膜等 等。这两种作用通常都是相互伴随发生的。光化学反应主要是发生在塑料以及其 它有机化合物上。很多材料在紫外光波段具有极高的吸收系数，吸收一般发生在 o 1 微米到0 5 微米厚度的范围之内。这种高光子能量能够有效的断裂有机材料中 的结合键。当结合键的断裂超过某一个临界值时，材料就会开始烧蚀并且逐渐分 解，形成碎片，并且会高速的飞发，这也就是我们通常所说的光致烧蚀作用。通 过分子分解，可以产生颜色变化的图案，如果使用有限的添加剂，则能提高标志 的对比度【7 1 。 1 2 柔性版制版现状 1 2 1 柔性版印刷技术发展现状 随着社会信息化及经济全球化的发展，印刷也在发生着巨大的变化。在“平、 凸、凹、柔”四大印刷工艺中，作为凸版印刷衍生的柔印，经过了几十年的曲折 历程，终于初露曙光，柔印市场从小到大，由弱至强的走势，已引起市场的普遍 关注。 柔版印刷在我国的包装印刷市场上已初步形成了规模。印品范围、种类不断 扩大，柔印市场份额也逐渐提升。但与国外先进国家相比，我们还相差甚远。例 如北美、欧洲等包装印刷市场比较成熟的国家和地区，柔印市场份额已占包装印 刷市场的7 0 ；而我国基本占据市场份额低于1 0 ，并且大多属于中、低档印刷 产品。 目前，我国柔印技术已完全能满足烟包、医药包装、食品包装、商标标签、 不干胶印刷等包装印刷品的要求，且能联机完成印刷涂胶、模切烫印等多种加工， 可提高工效，降低成本，提高生产效率。但据统计，现在国内的柔印机用于烟包 高校教师硕上学位论文 印刷的占2 0 ；用于标签印刷的占15 ；用于不千胶印刷的占3 5 ；其他印刷 仅占2 2 。 此外国内现在生产的餐具、纸杯、饮料包装，8 0 都采用柔版印刷。食品行 业包装纸及包装盒的印刷，也逐步采用柔版印刷。例如，汉堡包包装纸、麦当劳 食品包装盒、伊利冰淇淋盒等都采用了柔印方式。尤其是，国内当前柔印应用最 好且比例最大的是瓦楞纸箱的印刷，每年柔性版材销量的7 0 左右都是在纸箱行 业。另外，上海、北京一些国际跨国公司设在国内的企业，出于“柔印是绿色印 刷”的考虑，认为柔印使用水性油墨，印品没有污染，利于健康和环保，产品的 “绿色包装”一定会大大赢得客户的认同，所以，这些名牌企业的产品包装都采 用了柔印1 8 j 。 柔性版印刷与其他印刷方式相比有以下优势： ( 1 ) 设备结构比较简单，投资少。柔性版印刷机的传墨系统简单，同样色组 的设备，柔印生产线比胶印机价格低4 0 一5 0 ，是凹印机的1 3 。 ( 2 ) 正常情况下，制版周期短，制版设备简单，制版费用低。 ( 3 ) 应用范围广泛，既可用于包装印刷，也可用于报刊杂志的印刷。 ( 4 ) 承印材料广泛，几乎不受限制，既特别适于印刷瓦楞纸板类承印物，也 能印刷纸张、纸板、塑料、铝箔、不干胶材料、玻璃纸、金属箔、真丝织品等。 ( 5 ) 使用水性油墨或u v 油墨，没有污染，干燥快，特别适合印刷食品、药 品和儿童玩具包装。 ( 6 ) 柔印机的最大优势在于联线加工能力强，可实现印后加工连续化，因此 生产周期短。 ( 7 ) 经济效益高。正常情况下，柔版制版费用仅为凹版的lo ，耗电量比 凹印少1 3 ，并可节电4 0 。 近几年，随着柔性版材、油墨及网纹辊雕刻技术的进步，柔印质量得到了很 大提高，已达到或接近凹印和胶印的水平。所以柔性版印刷已突破了传统包装印 刷的市场界限，开辟了更广泛的应用空间。在欧洲，其市场份额己超过凹印，跃 升到第二位。据预测，美国柔性版印刷也将以每年10 的速度递增。可以说，柔 性版印刷具有广阔的前景 9 , 1 0 】。 1 2 2 柔性版制版技术发展现状 柔性版印刷最初名为苯胺( a n i l i n e ) 印刷，19 2 0 年起源于美国，因使用含有 苯胺挥发性油墨印刷而得名。早期的柔性版是采用手工雕刻橡胶制成的，在发明 橡胶硫化技术后便开始以硫化橡胶制版，因此被称为手工橡胶雕版。作为一种富 有弹性的印刷凸版，后期的柔性印版一般由三部分组成：柔性的感光树脂、尺寸 稳定的底基片以及覆盖其上并可以揭掉的保护膜片l l 。 激光雕刻柔性图像处理及加t t 艺的研究 随着印刷技术的快速发展和材料工业的进步，柔印制版技术经历了从模拟技 术向数字技术发展的过程，即由传统制版技术一菲林成像技术向数字技术一激光 直接成像技术、干式热敏制版技术发展的过程。 ( 1 ) 传统柔性制版技术一一菲林成像技术 传统的柔性制版技术工艺分五步： 用紫外线光源对版材背面进行曝光( 背曝光) ，以形成印版的底基并提高印 版的感光敏感度； 揭去印版正面的保护膜片，放在阴图软片上并覆盖真空膜，进行抽真空， 真空抽好后，再进行曝光( 主曝光) ，将软片上的图文转移到印版上； 将曝光后的印版送入洗版机，洗刷掉印版未曝光部分的感光树脂，形成印 版凹凸形式的印版表面( 洗版) ： 对洗刷完毕的印版进行烘干( 烘干) ； 最后用紫外线光源对印版进行曝光，去除印版表面的黏性( 去黏) ，再对印 版进行曝光，达到印版的设计硬度( 后曝光) 。 菲林工艺使用了大量的照相材料及化学药品、溶剂，如四氯乙烯等易挥发性 的有机化合物，对环境造成了污染，对操作工人的身体健康形成了危害。 随着技术的发展，世界各国都力图寻找一种环保型感光聚合物树脂( l p r ) 以减少污染，业内曾一度出现数字式感光聚合物印版，其图像是使用红外激光从 蒙片上烧蚀掉的，不影响下层的感光聚合物，但它仍需使用传统的方法进行处理， 因此，软片的处理、定影剂和显影剂的排放和银的还原等污染环境的问题仍不能 解决。 ( 2 ) 数字柔性直接制版技术一一激光直接成像制版技术 激光直接成像制版工艺需要经过五个步骤：背曝光一主曝光一洗版一 烘干一去黏后曝光。除了第二步与传统制版工艺根本不同以外，其他都基本相 同。其中，数字制版工艺过程中的主曝光就是将揭去正面保护膜片的印版直接装 到数字成像设备的真空滚筒上，通过由印前系统数据控制的激光头，烧去数字柔 版上的黑膜，暴露出所需要的图像，然后再进行主曝光，因此省去了阴图软片和 抽真空，而且不需要任何溶剂。激光直接成像制版特别适合无接缝的套筒版印刷， 用于墙纸、包装纸等材料的印刷加工，同时u v 油墨和水性油墨也会得以广泛使 用。 在激光烧蚀过程中会产生部分灰烬，这些灰烬可通过封闭式的排风系统收集， 送到焚化炉中或以垃圾的方式处理。惟一需要后处理的工序是水洗和短暂的干燥 过程，以除去残留的灰，清洗的水可排放到公共的下水道里。因此，激光直接成 像制版技术工艺同时解决废水排放的问题。该技术工艺不仅具有环保的明显优点， 而且可以进行精确的色调校正，能得到最好的暗调面积而不致影响到高光区域， 高校教师硕士学位论文 提高了印版质量和印刷质量，使柔性版印刷的市场份额明显增加。 用于计算机直接制版的柔性版版材也称为”数字式柔性版材”。按版材的化学 构成，分为橡皮版和感光聚合物版。橡皮版材可由原生橡胶或人造橡胶制成。在 印版直接制版时，可以采用高能量的激光，将非图文部分的材料烧蚀掉，获得橡 皮柔性凸版。 感光聚合物版材分液体和固体两种，固体型感光聚合物版材较常用。感光聚 合物版材具有良好的制版性能，适于制作加网线数较高的柔性版。其作用机理是： 感光聚合物单体在紫外线的照射下能够发生网状聚合反应，形成不能溶解的图文 部分。 在直接制版的机制方面，可以采用”l a m s ( l a s e r a b l a t i o nm a s ks y s t e m ) ”， 即”激光烧蚀掩膜系统”进行直接制版。在感光聚合物层外面涂布一层黑色掩膜保 护层，用激光对其进行烧蚀成像，烧蚀掉图文部分的保护层，露出感光聚合物层。 激光烧蚀成像完毕，先用紫外线光源对整个版面的背面曝光，使其底层的感光聚 合物在一定厚度范围内交联，随后，对经烧蚀保护层的版材正面进行紫外线曝光， 图文部分的光聚合物受到紫外线照射，发生聚合而不能溶解；而非图文部分则受 到保护，未发生交联反应。清洗除掉非图文部分的感光聚合物以后，形成柔性凸 版。 在所应用的激光方面，橡皮版激光直接雕刻系统采用功率很高的二氧化碳激 光，功率甚至可以达到2 5 k w 。但在感光聚合物版材的保护层烧蚀技术方面，采 用的激光能量不需要像直接雕刻那样高，其激光的功率在1 0 6 0 w 的范围内。应 用激光类型大多为红外激光，例如：波长为10 6 4 n m 的y a g 激光，1 1 0 0 n m 的纤 维激光、8 3 0 n m 的半导体激光等。近期以来，纤维激光在柔性版雕刻设备上的应 用不断增多，其原因是：纤维激光所产生的激光光斑质量高、易于实现高分辨率 ( 光斑直径小) 、激光成像景深范围宽，对柔性版材表面的直径误差不敏感、激光 能效高( 约5 0 ) 、冷却成本低，维护简便等。 橡皮版激光直接雕刻系统的记录分辨率在6 0 0 d p i 左右，用于制作质量一般的 包装印刷版。感光聚合物版材的记录分辨率一般为2 0 0 0 - - 3 0 0 0 d p i ，最高者达到 4 2 0 0 d p i 。依据设备的配置不同，柔性版直接制版设备的生产效率各不相同，最低 者为o 7 平方米小时，最高者达到5 平方米小时。 与传统非直接记录方法制作的柔性版相比，激光直接制版所获得的柔性版质 量更好。激光制作的凸版网点根部呈斜坡状，而根部以上则垂直于版面，这种网 点具有更好的印刷稳定性。同时，小面积率网点的再现性也更好。直接烧蚀记录 减掉了激光照排机输出胶片带来的材料、显影加工设备、化学药品成本，同时也 避免了胶片晒版中由于光线扩散及吸收所造成的网点变化，这些因素都是数字直 接制版的优势所在。 激光雕刻柔性图像处理及加工工艺的研究 相信在激光技术、印版材料开发等多方面条件的推动下，柔性版数字直接制 版技术能够迅速发展，将成为柔性版制版的主流技术。1 1 2 - 1 4 】 1 3 选题背景和主要研究内容 1 3 1 选题背景 激光雕刻橡皮版的优势突出，随着激光技术在雕刻方面的不断深入和新材料 新工艺的日新月异，带动激光雕刻版技术迅猛发展。由于传统制版工艺的存在着 突出缺点，例如制版工艺复杂，制版时间长，产生污染物质。在柔性版印刷迅猛 发展的今天，竞争也在不断加大，所以更新技术，转变发展观念成了柔性版印刷 企业的突破口。雕刻版技术以其制版工艺简单，速度快，污染少，成为柔性版企 业改良工艺技术的新方向。所以雕刻版在未来发展中将会对柔性版企业产生革命 性的影响1 1 5 j 。 近年来，激光雕刻系统的性能不断改进，激光束由l 束变为3 束，由于激光 能量可以改变，从而使网点更清晰。雕刻过程中，先由c 0 2 激光形成大致的浮雕 效果，而y a g 激光由于光点直径更小可以形成不同的网点。随着纤维激光的发 展和其在柔性版激光雕刻方面的应用，激光雕刻柔性版将在柔性包装领域显示出 更大的优势。激光雕刻柔性版可以采用雕刻版材的形式，也可以采用雕刻无缝印 版套筒的形式，因而与激光直接制柔性版相比，具有环保、操作简便、利于质量 控制等优点。激光雕刻系统和无缝套筒技术的结合，可使柔性版印刷的质量和速 度及印刷的适应性达到一个更好的效果【i 引。近年来，随着激光系统的发展，激光 系统具有较好的聚焦性能、高的功率和计算机控制性能，因而激光雕刻橡皮版技 术显得日益重要。 但实际雕刻生产中，存在不同产品雕刻时所需具体参数不同，雕刻设备精度、 稳定性要求不一，操作人员专业素质不高等众多因素。目前激光雕刻质量存在很 大的差异，尤其是柔性版印刷对印版要求很高且具有一定的特殊性，印版质量一 旦出了问题，将直接导致印刷产品质量不理想，甚至出现大量废品，给企业带来 巨大损失。 1 3 2 研究内容 本文针对不同类型和格式的图形图像处理，选用不同的处理方案。矢量图形 根据其类型和图形结构选用正确的处理方法，尤其是复杂的多层重叠矢量图形， 不能直接进行雕刻，应当进行特殊处理。图像分色处理后各个通道的灰度图像选 择正确的加网方式和加网参数，进行半色调二值图像的输出对控制印版质量至关 重要，研究过程中综合运用各种软件对图像进行不同的处理和设置，从格式选择、 参数设置等方面得出进行优化得到高质量的印版。 高校教师硕士学位论文 在加工路径方面，根据加工质量和效率等方面的要求，进行单向和双向雕刻 设计，并对不同的雕刻速度选择不同的空程距离和加速度避免因加速度过大导致 的传动皮带打滑及雕刻头跳动。 柔性版印刷由于印版柔软，在印刷压力作用下容易变形和出现严重网点增大， 采用斜坡雕刻可以有效增加印版抗压强度，从而提高印刷产品质量。本文通过两 种设置方案来解决边界斜坡雕刻问题，即包括图像边界阈值分割法和外围电路控 制输出功率的方法进行控制。 通过大量试验来确定雕刻参数的最佳设置，包括图像输出分辨率的大小以及 加网线数的大小的取值范围，雕刻功率和雕刻速度的匹配，正确选择焦平面位置 有效防止严重的侧蚀现象，确定和选取一定的雕刻步距，既要保证雕刻图像边缘 的光滑也要保证加工效率，正确判断不同材质对雕刻质量的影响，最后通过计算 和上机试验确定印版的缩版率取值大小。 1 4 本章小结 本章主要介绍激光雕刻制版的技术原理及工艺方法，综述激光雕刻技术的发 展及应用，柔性版印刷及其制版技术现状和发展前景，介绍了本文研究的主要内 容和方法。 激光雕刻柔性图像处理及加工工艺的研究 第2 章激光雕刻版图像处理与输出 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 也叫计算机图像处理，它是一个覆 盖面非常广泛的新兴学科。它包括利用计算机和其他电子设备完成的一系列工作， 如图像采集、获取、编码、存储和传输，图像的合成和产生，图像的显示、绘制 和输出，图像的变换、增强、恢复、和重建，特征的提取和测量，目标的检测和 描述，序列图像的校正，图像数据库的建立、索引、查询和抽取，图像的分类、 表示和识别，3 d 景物的重建，图像模型的建立，图像知识的利用和匹配，图像和 场景的解释和理解，以及基于它们的推理、判断、决策和行为规划等等。另外图 像处理技术还包括为完成上述功能而进行的硬件和系统的设计及制作等方面的技 术【1 7 】。本章主要探讨符合激光雕刻柔性版的各种类型图形图像的处理技术，使之 经过激光雕刻加工后符合柔性版印刷要求，主要包括矢量图形和位图图像。 2 1 矢量图形处理与输出 2 1 1 矢量图形特点 2 1 1 1 矢量图及其特性 矢量图像，也称为面向对象的图像或绘图图像，在数学上定义为一系列由线 连接的点。像a d o b ei l l u s t r a t o r 、c o r e l d r a w 、c a d 等软件是以矢量图形为基础进 行创作的。矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体， 它具有颜色、形状、轮廓、大小和位置等属性。既然每个对象都是一个自成一体 的实体，就可以在维持它原有清晰度和弯曲度的同时，多次移动和改变它的属性， 而不会影响图例中的其它对象。这些特征使基于矢量的程序特别适用于图例和三 维建模，因为它们通常要求能创建和操作单个对象。基于矢量的绘图同分辨率无 关，这意味着它们可以按任何分辨率显示到输出设备上。 矢量图形与分辨率无关，即可以将它缩放到任意大小和以任意分辨率在输出 设备上打印出来，都不会影响清晰度。因此，矢量图形是文字( 尤其是小字) 和 线条图形( 比如徽标) 的最佳选择。 有一些矢量图形( 如工程图、白描图、卡通漫画等) ，主要由线条和色块组成。 这些图形可以分解为单个的线条、文字、圆、矩形、多边形等图形元素。而这些 元素是可以用一个代数表达式来表示的。例如：一个圆我们可以表示成圆心在( x l ， y 1 ) ，半径为r 的图形；一个矩形可以通过指定左上角的坐标( x l ，y 1 ) 和右下角 的坐标( x 2 ，y 2 ) 的四边形来表示；线条可以用一个端点的坐标( x l ，y 1 ) 和另一 高校教师硕士学位论文 个端点的坐标( x 2 ，y 2 ) 的连线来表示。当然我们还可以为每种元素再加上一些 属性，如边框线的宽度、边框线是实线还是虚线、中间填充什么颜色等等。然后 把这些元素的代数式和它们的属性作为文件存盘，就生成了所谓的矢量图( 也叫 向量图) 。 2 1 1 2 矢量图的文件格式 矢量图形格式也很多，如a d o b ei l l u s t r a t o r 的宰a i 、幸e p s 和s v g 、a u t o c a d 的幸d w g 和d x f 、c o r e l d r a w 的牛c d r 、w i n d o w s 标准图元文件奉w m f 和增强型图元 文件宰e m f 等等。当需要打开这种图形文件时，程序根据每个元素的代数式计算 出这个元素的图形，并显示出来。就好象我们写出一个函数式，通过计算也能得 出函数图形一样。编辑这样的图形的软件也叫矢量图形编辑器。如：a u t o c a d 、 c o r e l d r a w 、i l l u s t r a t o r 、f r e e h a n d 等【1 8 】。 2 1 1 3 矢量图形文件的规律 各类矢量图像图形有共同的规律： ( 1 ) 可以无限放大图形中的细节，不用担心会造成色块失真和变形。 ( 2 ) 一般的线条的图形和卡通图形，存成矢量图文件就比存成点阵图文件数 据量要小很多。 ( 3 ) 存盘后文件的大小与图形中元素的个数和每个元素的复杂程度成正比。 而与图形面积和色彩的丰富程度无关。( 元素的复杂程度指的是这个元素的结构复 杂度，如五角星就比矩形复杂、一个任意曲线就比一个直线段复杂) ( 4 ) 通过软件，矢量图可以轻松地转化为点阵图，而点阵图转化为矢量图就 需要经过复杂而庞大的数据处理，而且生成的矢量图的质量绝对不能和原来的图 形比拟。 2 1 2 矢量图形的编辑处理 对于由一条直线段构成的图形，其生成非常简单，只需要知道直线段的起点 和终点就可以了，直线段上所有点可以通过直线段的数学模型由计算机去自动给 出。这种方法给出了一种不同于点阵图形表示的图形生成方法：给出一些基本的 数据，并以此为依据由计算机用一定的命令程序去生成图形。用此方法生成的图 形就称为矢量图形。 工程用图大多是由一些基本的几何图形构成的，如平面上的点、线、圆以及 椭圆等，空间的长方体、球体等，当然也有一些用复杂的数学模型描述的图形， 如现在很常见的各种各样的流线型物体。复杂图形的描述可以通过足够多的几何 图形的组合来表达。 当图形比较简单时，矢量图的优点十分明显：绘制一条直线，只需要两个端 激光雕刻柔性图像处理及加t 工艺的研究 点；绘制一个圆，只需要圆心和半径。如果用点阵图表示，就需要绘出直线段或 圆上的每一个点。但对于一个复杂的图形，矢量图会变得非常复杂，需要给出许 许多多的基本图形和生成各种基本图形的命令。 在矢量文件中，最重要的是如何得到模型上各个点的坐标，并且用这些点连 成许多个图形构成面，进而绘制出整个模型。在d x f 文件的结构中，可以看出， d x f 文件先叙述实体上各个点的坐标，然后叙述实体上有多少个面，每个面由哪 些点构成。至少需要2 个数组来存储一个实体的信息，一个用于存储点的坐标， 一个用于存储点序，可以把这2 个数组放到一个结构中，如果模型中实体的数目 不止一个时，就用这个结构来定义一个数组。在程序设计中，我们使用v i s u a lc + + 写一个读取d x f 文件的函数c d x f ：r e a d ( ) 。在实际应用中，模型中实体的数 目以及实体中点和面的数目都是不定的，为了有效地利用内存，选择m f c 类库 中的聚合类c o b a r r a y 类所创建的对象来存储和管理实体的点坐