论文-激光雕刻技术的发展历史和研究现状.doc

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1、 1 1 绪论 1.1 引言 随着科技的进步，越来越多的新技术走进了我们的视野，它们替代了传统 的工艺，提高了我们的生产效率，在我们大呼过瘾的同时，顺理成章地走入了 我们的生活，渗透到我们所能接触到的方方面面，不知不觉中颠覆了我们传统 的观念以及生活方式。让我们把从前不曾想像的事情转变成为一种习惯，而慢 慢融入我们日常的生活中。我们通常会说，是需求引导技术的进步，因为有需 求的存在，人们就会有动力去提高技术以满足需求，然而，在另一方面，又恰 恰是技术的进步在引导需求，当人们发现飞翔成为可能以后，他们会希望可以 飞得更高、更快、更稳。激光就是这样的一种新技术，它的出现也不过几十年 时间，却已在人

2、们的生产生活中起到了巨大的作用，并在不知不觉中走入了千 千万万的家庭。 激光是二十世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大 发明，被称为“最快的刀”、 “最准的尺”、 “最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为 太阳光的 100 亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现， 但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫 切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光 的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴 产业的出现，并带动了一些新型学科的发展，如全息光学、傅立叶光学、非线 性光学

3、、光化学等1。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段， 去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。 激光技术推动了诸多领域的迅猛发展, 应用范围越来越广,在加工领域中的 应用成果尤为显著。由于激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性 能, 加上激光的空间控制性和时间控制性很好, 易获得超短脉冲、尺度极小的光 2 斑, 能够产生极高的能量密度和功率密度, 足以融化世界上任何金属和非金属物 质, 特别适用于材料自动化加工, 而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环 境的自由度都很大。通过外光路系统可以使光束改变方向,因而可以和数控机床、 机器人连接起来, 构成各种加工系统2。

4、水墨书法是一门传统的中国艺术，中国水墨书法仿真雕刻有着非常广泛的 市场前景，但是，对传统艺术的仿真模拟是当今计算机艺术领域里最具有挑战 性的课题之一。本文通过计算机模拟了水墨在宣纸中的扩散与流动，利用编程 实现了虚拟毛笔实时书写的效果。此外，用计算机艺术模拟毛笔书法对吸取传 统文化的营养，弘扬民族文化，促进中国传统书画的普及具有积极意义。 综上，本文将对激光雕刻和毛笔书法仿真两个方面进行深入探讨。 1.2 激光雕刻技术的发展历史和研究现状激光雕刻技术的发展历史和研究现状 1.2.1 激光雕刻技术的背景 激光雕刻是利用高能量密度的激光束作用于目标,利用高能量，极短脉冲的 激光，使物质瞬间被汽化，

5、不伤及周围物质，并可精确的控制作用深度，使目 标表面发生物理或化学的变化,它代替传统的凿子和刻刀,对工件多余的部分去除 雕刻,从而获得可见图案的雕刻方式。激光雕刻与传统的雕刻工艺相比有明显的 优点:雕刻窄,节省材料;只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序;工件无机 械应力、变形小;非接触式加工、污染小、无磨损;能雕刻易碎的脆性材料, 和极 软、极硬的材料;速度快,可向任何方向行进,可从任何一点开始,雕刻清晰永久,防 伪功能强、经济效益好;易于数控或计算机自动化控制,并可多工位操作。近年来,随 着激光器的可靠性和实用性的提高,加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改 进促进了激光雕刻技术的发展,

6、使得激光雕刻技术得到广泛应用 。 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,实现激光直接雕刻先在钢辊上电镀一 3 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

7、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。 激光脉冲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 (New Super Halfautotyp ical Cell)调整方法使每个激光脉冲的 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

8、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3。 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。 1.2.2 激光刻蚀技术的研究现状 目前，随着激光雕刻设备在应用技术、工艺上的开发推广，激光平面打标、 雕刻设备的制造销售已呈现良好的上升态势。国内从事激光设备开发、制造、 销售的公司，以及代理国外激光设备的公司迅速增加。竞争也日趋激烈。 但是，国内市场的所有激光设备都停留在激光平面雕刻阶段，尚没有一家 公司或科研单位能拿出一台激光三维雕刻

9、系统。一些精细的三维模具雕刻仍然 依靠电脑机雕，或者是手雕。但是机雕和手雕都有极大的弱点和局限，制约了 一些精细工艺的发展。国内已有几家激光科研机构在对激光三维精雕机进行研 究。 在精雕领域，国内传统机械精雕设备做得最好的是北京精雕，其在解决精 细雕刻模具方面赢得了巨大的市场和成功。但由于机械刀雕的先天局限，仍有 很多高精端雕刻无法实现。一部分领域，不得不借助高超的手工工艺，进行手 雕或修模工作。在激光雕刻模具方面，则有桂林星辰激光，其主要是利用功率 4 较强的激光打标机销往模具制造行业，目前销售态势良好。但由于其雕刻技术 只能雕刻平面文字与图案，离激光三维雕刻还有一段距离，所以目前其在该领

10、域还不能大展身手。 激光三维精雕系统（英文名字：3D laser engraving system）是激光设备家 族里的又一新成员，是激光技术进步的又一重要标志，是模具制造业的利器。 激光三维精雕模具是指通过高能量激光束在模具材料上或者铜电极上雕刻出您 需要的二维或三维形状。同时它与目前水晶内雕机有本质的区别，水晶内雕机 的三维概念是一定密度的点云造成感觉上的立体图像，而且只能应用在水晶工 艺品上。而激光三维精雕机是通过精确的 CAD 软件技术实现的三维立体实体空 间的雕刻，因而它不仅可以应用在一般产品精加工领域，还可以应用的模具制 造领域。 国外，已经有设备商开发出相应的激光三维雕刻系统与应

11、用，并已将销售 触角伸入国内。有几个商家代理该类设备，但尚无样机，其售价在 100 万元以 上。如加拿大 VIRTEK 公司研制的 FOBA.G-SERIES，目前也主要应用在模具 雕刻行业。5相信三维雕刻会是激光雕刻的一个很重要的发展方向。 激光加工技术从最初的 Nd:YAG 激光器、激光器，发展到大功率二极 2 CO 管模块、半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、飞秒激光器等各种新兴技术。 其中，尤其以光纤激光器最为关注。传统激光行业中的大部分主要厂商都在 2007 年宣布进军光纤激光器市场，有的甚至推出了具体产品，这堪称是 2007 年度行业内发生的一个重大事件6。 2. 激光雕刻的原理

12、5 2.1 激光雕刻的理论基础 2.1.1 扫描原理 与点阵式打印机相似，激光雕刻所输出的图文信息也是由点阵组成的。激 光束的每一点都称为像素，利用点阵理论，就可以形成一幅幅的图文信息。像 素和电信号一一对应，当完成一行扫描时，开始扫描第二行、第三行。这和电 视机的扫描方式是一样的，直到扫描完成最后一页。因为一幅图像是由一系统 的单个点形成的，因此，单位面积上点的数目越多，则组成一个字符的点阵越 多，即像素越小，图像的分辨率就越高，而且雕刻出来的图像、文字越清晰、 雕刻质量越好。 2.1.2 图像分析和处理 对于一般的几何图形，只要进行坐标转换，数据转换即可，通过插补即可 产生相应的图像。对于

13、复杂的图像，如彩色等图形要进行中值滤波、二值化处 理、直方图均衡化等处理，并将处理后的图像通过转换成数据格式后进行雕刻。 (1)256 色位图转换成灰度图。 运用点处理法中的度处理为实现数字图像的阈值变换提供前提条件。将 256 色位图转变为灰度图，首先必须计算每种颜色对应的灰度值。灰度与 RGB 颜色的对应关系如下： Y=0.299R+0.587G+0.114B （1） 这样,按照上式可以方便地将 256 色调色板转换成灰度调色板。 (2)灰度图像二值化处理。 现实世界中黑白二值图像很少用,大多数图像都是灰度图像或是彩色图像。 要使这些图像适用于激光雕刻中,就需要对其进行二值化处理。利用点运

14、算中的 阈值变换理论将灰度图像变为二值图像,为图像分析提供有利条件。它的操作是 先由用户指定一个阈值 T, 如果图像中某像素的灰度值小于该阈值,则将该像素 的灰度值设置为 0,否则灰度值设置为 255。按下式对图像进行处理可得到二值 图像 g(x,y): 6 g(x,y)= （2） 255,( , ) 0,( , ) f x yT f x yT 灰度图像的二值化处理有很多种方法,有全局阈值、局部阈值、动态阈值等 方法。这些方法基本可分为三大类:第一类是将实际图像的灰度(或特性) 直方图 假定为由一组高斯分布构成,如最小误差法。第二类是基于一些准则,如类间方差 法。第三类通过对直方图中峰值和谷值

15、的分析直接确定阈值,如 Sezan 峰值搜索 法,Tsai 的聚类法,应用小波变换零交叉点的方法等。这些方法是基于度量空间的 空间域聚类的,实际上它利用了直方图作为图像中不同区域的统计特征。图像的 灰度范围为(0 ,255) ,设灰度级 I 的象素数为 ,一幅图的总象素数为 N ,灰度级 I i n 出现的概率为= /N,灰度直方图就是灰度的象素数与灰度的二维关系。通过 i p i n 做直方图就可得到图像灰度的变化曲线。5 1.全局阈值法 效果比较好求全局阀值的方法是迭代法，迭代法是基于逼近的思想,其步骤 如下: a.求出图像的最大灰度值和最小灰度值,分别记为和,令初始阈值 MAX Z MI

16、N Z = ( + )/2 （3） 0 T MAX Z MIN Z b. 根据阈值 将图像分割为前景和背景,分别求出两者的平均灰度值和 k T 0 Z ; B Z c.求出新阈值 = ( + )/2 （4） 1k T 0 Z B Z d. 若 = ,则所得即为阈值;否则转 2 ,迭代计算。迭代所得的阈值分割 k T 1k T 的图像效果良好。基于迭代的阈值能区分出图像的前景和背景的主要区域所在, 但在图像的细微处还没有很好的区分度. e.应用小波变换零交叉点的方法来选取阈值,该方法能有效地克服噪声的干 扰,自动确定阈值。小波变换f(x) 实际相应于信号 f(x) 在尺度 s 下平滑后的一 s W 次或二次微分。信号的某些特征点在一次或二次微分后都能有特殊的反映。对 7 于一个典型的具有两个波峰一个波谷的直方图模型来说,可看出其波谷点相应于 一阶微分的斜率为正的零交叉点,同时相应于二阶微分的局部极大值点。直方