一种防伪压印金属图片的生产方法

技术领域

本发明涉及金属印刷技术领域，具体涉及一种防伪压印金属图片的生产方法。

背景技术

微纳图片作为一种有效的防伪手段，已经在货币、纸张和塑料包装上得到了几十年的广泛应用。虽然印刷技术可以很容易地将特定的图片转移到纸或塑料材料上，但在制造过程中必须使用颜料，这对于很多产品来说都是不可取的，而且也有最小图片尺寸的限制。为了探索更多不使用颜料的图片或特征复制技术，目前，大部分研究人员主要是通过在不同材料上进行创新技术来完成视觉加工，从而达到图片加工的目的。比如，利用光刻技术制作药品的防伪二维码；直接利用激光书写技术在薄膜上加工灰度微特征等。但是目前仍然缺乏在金属工件直接加工灰度微纳图片的技术。

凹陷倒金字塔微纳结构是光学中常用的一种微结构。由于倒金字塔特征与平面镜表面的反射率差异较大，因此利用倒金字塔结构来表示每个像素点，其特征高度设计为与每个像素点的灰度值线性相关，可通过对加工刀具轨迹和进给深度的精确控制。通过控制加工金字塔结构的尺寸和纵横比，可以改变人眼在观察特征时所感受到的视觉亮度。因此，像控制数字图片的每个像素的灰度一样，控制包含微图案阵列的每个金字塔特征的亮度是可行的。总的来说，通过精确控制亮度分布，可以在平面上直接加工灰度微图片，从而实现理想的对比度和图片质量。

此外，加工使用的刀具是定制四棱锥压头，可以根据图片的加工要求尺寸、材料表面的屈服系数等，定制不同角度的压头，该压头在机床主轴上是可以转动角度的，在加工图片中，任意选取多个像素点，对像素点进行防伪编码。机床加工图片时，特定像素点进行不用转角的压印，即可实现二次防伪的目的。

目前，金属图片压印主要是根据所需图片设计制备出金属压印板或者模具。将金属压印板或模具放置在需要压印的金属表面上，然后施加适当的温度和压力，使图片或模具上的图案通过压力转移到金属表面上，但是这通常通过专用的压印机或设备完成。这些方法可以实现高精度的图片复制和图案转移，但是存在一些问题，例如当加工尺寸较小时，对于制造金属压印板或者模具的难度、成本大大提高。现有的金属压印技术尚未达到微纳尺寸要求，而且很难达到防伪功能。金属图片压印技术需要专门的设备和工具，通常需要定制专用的金属压印板或模具，定制成本较高，特别是对于小批量生产或者个性化定制的项目而言。成型的金属压印板只能加工一种图片，对于不用时间、地点等关键性信息无法进行防伪标识。此外，由于受到金属硬度和压印过程的限制，一些复杂或细小的图片细节可能无法呈现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种防伪压印金属图片的生产方法，所述生产方法不仅能够在金属表面加工生成定制的微纳尺寸的图片、而且保证了图片加工尺寸和质量，并且可以将防伪编码插入到加工的图片中；此外，所述生产方法还具有加工成本低的优点。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种防伪压印金属图片的生产方法，包括以下步骤：

S1、对所要印刷的图片进行处理，将图片转化为灰度图，并生成灰度矩阵；

S2、按照图片的目标尺寸和分辨率要求，设计单个像素点的最大压印深度，同时根据图片的灰度值生成图片的压印深度矩阵；

S3、根据压头的尺寸计算出单个像素点所需要的尺寸，并计算每个像素点的压印位置，生成图片像素点的加工点位矩阵；

S4、将防伪码转化为机床主轴转角，生成图片像素点的转角矩阵；

S5、将图片像素点的加工点位矩阵、压印深度矩阵、转角矩阵进行处理，并生成压头的运动轨迹；

S6、根据压头的运动轨迹生成刀具轨迹，通过机床在金属工件上进行加工；

S7、待加工完成后，利用高精密显微镜设备进行检测，读取转角信息，根据防伪编码表核对防伪数字。

优选的，在步骤S1中，图片由m×n个像素点组成，每个像素点的灰度值的计算公式为：

Gray(x

式中，i表示第i行，j表示第j列；R表示像素点的红色值，G表示像素点的绿色值，B表示像素点的蓝色值；所述的灰度值在0-255之间，其中，0表示黑色，255表示白色；

在计算出的图片的每个像素点的灰度值后，即可生成图片的灰度矩阵。

优选的，在步骤S2中，设置压印最大深度为L；根据图片的灰度矩阵，计算每个像素点的压印深度：

式中，i表示第i行，j表示第j列；Gray(x

优选的，在步骤S3中，所述的压头采用90°维式金刚石压头，该压头呈现金字塔状的正四棱锥结构。

优选的，在步骤S3中，所述压头的截面为等腰三角形，其顶角为a，单个像素点的尺寸为：

接着，以图片的中心点为坐标原点建立直角坐标系，计算出每个像素点的加工坐标：

其中，x

优选的，在步骤S4中，设置90度为旋转可识别角度。将0-9共10个数字与可识别转角进行组合，即有90°/10份＝9°/份；然后将防伪编码进行编码，确定与所述防伪编码对应的位置处的像素点的加工旋转角度。

优选的，在步骤S5中，利用计算机将图片的加工点位矩阵、压印深度矩阵、防伪转角矩阵处理生成金刚石压头轨迹，并写成机床可以识别的TNT文件。

优选的，在步骤S6中，在超精密五轴数控机床上安装好实验设备，运行TNT文件即可进行加工。

优选的，采用光学显微镜对金属工件上的图像进行检测。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本发明的防伪压印金属图片的生产方法通过图片的目标尺寸控制压头的压印深度和转角，实现图像像素点的灰度加工和图像防伪加密功能，实现了在金属表面加工防伪图像的技术，降低了加工成本。

2、本发明的防伪压印金属图片的生产方法通过在金属材料表面压印出不同深度的凹槽微结构完成视觉加工，即可将图片复制到金属表面。通过缩小每个凹槽的间距，即可达到微纳尺寸的加工要求，达到一次防伪目的；通过对任一点压印凹槽进行角度旋转，形成与初始设定角度形成对比，即可将图片的任意信息转换成数字信息，然后加工到图片中，达到二次防伪的目的。

附图说明

图1为本发明的防伪压印金属图片的生产方法的流程示意图。

图2为压印示意图。

图3为压印凹槽倒金字塔结构光学图。

图4为灰度图生成示意图。

图5为压头形状示意图。

图6为压头截面示意图。

图7为压头压印面积示意图。

图8为无旋转时，压印示意图。

图9为编码示意图。

图10为加工完成的蒙娜丽莎压印示意图。

图11为防伪编码示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

参见图1，本发明的防伪压印金属图片的生产方法，包括以下步骤：

S1、对所要印刷的图片进行处理，将图片转化为灰度图，并生成灰度矩阵；

S2、按照图片的目标尺寸和分辨率要求，设计单个像素点的最大压印深度，同时根据图片的灰度值生成图片的压印深度矩阵；

S3、根据压头的尺寸计算出单个像素点所需要的尺寸，并计算每个像素点的压印位置，生成图片像素点的加工点位矩阵；

S4、将防伪码转化为机床主轴转角，生成图片像素点的转角矩阵；

S5、将图片像素点的加工点位矩阵、压印深度矩阵、转角矩阵进行处理，并生成压头的运动轨迹；

S6、根据压头的运动轨迹生成刀具轨迹，通过机床在金属工件上进行加工；

S7、待加工完成后，利用高精密显微镜设备进行检测，读取转角信息，根据防伪编码表核对防伪数字。

实施例2

本实施例以在红铜表面加工蒙娜丽莎图片为例，对本发明的防伪压印金属图片的生产方法进行阐述：

本实施例中所采用的压头为定制金刚石压头，所述定制金刚石压头具有极高的硬度、不易磨损变形、高热导性、耐腐蚀等特点，主要应用于材料硬度测试和研究中，将金刚石压头施加在待测试的材料表面上，根据金刚石压头对材料的压痕产生的变形或者缺口来估测材料的硬度。通过在不同金属材料表面压印出不同深度的凹槽微结构完成视觉加工，即可将图片复制到金属表面。缩小每个凹槽的间距，即可达到微纳尺寸的加工要求，达到一次防伪目的；通过对任一点压印凹槽进行角度旋转，形成与初始设定角度形成对比，即可将图片的任意信息转换成数字信息，然后加工到图片中，达到二次防伪的目的。

本发明的防伪压印金属图片的生产方法是采用金刚石压头，按照设计的压印路径，加工出不同深度、不同角度的凹槽倒金字塔微表面结构的一种技术方法，所加工的结构一般可以达到微米级别的形状精度，图片尺寸最小可以达到微米级别。如图2和图3所示，定制金刚石压头安装在机床主轴上，主轴可以旋转任意角度，并在空间中做三轴高精度运动；金属工件安装在快刀伺服系统上，相对于金刚石压头做进给运动，快刀伺服系统的精度可以达到纳米级别。加工参数包含主轴转角、工件平面上的X轴、Y轴运动和快刀伺服系统的进给运动(Z轴)；所加工的微纳防伪图片主要取决于压头的纵横比、主轴的转角(编码)、快刀伺服系统进给量(单次压印深度)和机床的XOY平面运动，具体的加工过程为：

第一步：图片处理

如图4所示，利用图像处理软件将蒙娜丽莎图片处理成灰度图，根据分辨率要求生成灰度矩阵。图片可以理解成为m×n个像素点组成(m行，n列)，每一个像素点由三原色R(红色)G(绿色)B(蓝色)组成。每个像素点的灰度值计算如下：

Gray(x

式中，i表示第i行，j表示第j列；R表示像素点的红色值，G表示像素点的绿色值，B表示像素点的蓝色值；所述的灰度值在0-255之间，其中，0表示黑色，255表示白色；

在计算出的图片的每个像素点的灰度值后，即可生成图片的灰度矩阵。

第二步：尺寸设计

设置压印最大深度为10微米，根据图片的灰度矩阵，计算每个像素点的压印深度：

式中，i表示第i行，j表示第j列；Gray(x

第三步：计算每一个像素点的位置

加工压头采用90°维式压头，压头呈现金字塔结构，如图5所示；压头为正四棱锥结构，压头的截面为一个等腰直角三角形，

考虑到压头的旋转，所以应该计算最大压印深度下的单个像素点的尺寸。当压头发生旋转时，压印情况如图7所示。所以，每一个像素点所占尺寸都是正方形，可以计算单个像素点尺寸为：

式中，应当考虑材料表面压印是会有隆起的，故而设置比例系数1.1。

以蒙娜丽莎图片的中心点为坐标原点建立直角坐标系，可以计算出每个像素点的加工坐标：

式中，m表示蒙娜丽莎图片灰度矩阵的行数，n表示蒙娜丽莎图片灰度矩阵的列数；(i，j)表示第i行、第j列。至此，图片的每个加工点位的空间位置信息已经数字化完成，x

第四步：防伪编码

如图8所示，由于压头独特的正四棱锥结构，所压印的凹槽都为倒金字塔结构，只有深度不同，倒金字塔的四条棱、压印表面的正方形指向都应该相同。

当其中的某些像素点的压印凹槽发生旋转时，就会与无旋转压印的凹槽微结构形成对比，然而凹槽表面为正方形，所以旋转可识别角度为90度。将0-9十个数字与可识别转角进行组合，即有90°/10份＝9°/份。编码示意图如图9所示。

取蒙娜丽莎眼睛处某一行进行防伪编码，例如将防伪编码值取π进行编码。即可将3.1415926……数字编写而成一个m×n的矩阵:

这个矩阵只有防伪编码行为数字31415926……，其余各点都为0，此时即可计算加工单个像素点时的金刚石压头的旋转矩阵：

第五步：刀具轨迹生成

利用计算机将蒙娜丽莎图片的坐标矩阵、压印深度矩阵、防伪转角矩阵处理生成金刚石压头轨迹，并写成机床可以识别的TNT文件。

第六步：机床加工

在超精密五轴数控机床上安装好实验设备，运行TNT文件即可进行加工。

第七步：图片检测

采用光学显微镜观看实验结果；图10为压印的蒙娜丽莎高质量图片，此图片尺寸为3.671mm×5.476mm。该图片由118×176＝20768个深度不用的凹槽组成，可以清晰看见蒙娜丽莎的图片。

图11为加工的防伪编码示意图，防伪编码为π(3.14159265358……)，此处只有第5行进行了防伪加工，以其他未进行防伪编码的点位作为参考坐标系，根据图9所示的编码示意图进行防伪编码读取。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。