专利名称：一种复杂型面产品的激光防伪标刻方法
技术领域：
本发明属于激光加工应用领域，特别涉及一种复杂型面产品的激光防伪标刻方法。
背景技术：
防伪技术是指为了达到防伪目的而采取的措施，它在一定范围内能准确鉴别真伪，是使产品不易被仿制和复制的技木。防伪技术种类很多，主要有数码防伪技木、条形码·技术、ニ维码技术、激光全息防伪技术、隐形图像防伪技术、证券版纹技术、微缩防伪技木、折光潜影防伪技术、分期解密技术和射频识别防伪技术等。尤其是激光全息防伪技术应用十分广泛，其防伪原理主要是基于生产源全息产品所必需的原图信息、设备和技术很难获得，全息产品与印刷的商标看起来有很大的区別，并且伪造者传统用于伪造的工具(照相机和印刷机)对全息没有作用，从而全息图案难以被复制。目前各种激光全息防伪技术使用的防伪标识基本都设置于产品的外包装上，与产品本身是独立的，且防伪标识在真伪鉴别后，就不再有使用价值。因此，发展产品自身防伪技术具有非常重要的工程应用价值。一般而言，外形表面为曲面的机械制造产品主要有两类一类是仅由初等解析曲面如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等组成的规则曲面；另ー类是不规则、非回转型的曲面，不能由初等解析曲面组合而成，而是以NURBS等拟合曲面组成的复杂曲面，对应产品可称为复杂型面产品。由于具有美好的艺术观感和产品差异化特征，符合消费者越来越高的审美情趣，现代高端品牌产品已经越来越多地采用了复杂型面设计手段。激光标刻即激光打标、雕刻的通称，是利用激光束在各种不同的物质表面制作永久的标记，其加工原理是通过被标刻材料表层物质的蒸发露出深层物质，或是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需标刻的图形、文字。当前，一般采用所谓“3+2轴”技术方案实现大幅面的激光标刻加工应用，其中，3轴为XYZ直角坐标系运动机构,2轴指激光振镜的偏转扫描轴。“3+2轴”激光标刻技术方案将大幅面待标刻区域按照激光振镜扫描范围分成若干子块，姆一子块内的待标刻图形由激光振镜扫描加工完成，由XYZ三轴运动机构带动激光振镜定位到每一子块中心位置，然后启动激光振镜扫描加工该子块，直至所有子块加工完成。激光振镜系统一般包括两块激光平面反射镜和ー个扫描聚焦透镜，其工作原理是将从激光器谐振腔中导出的激光通过扩束，经过垂直安装、由伺服电机驱动的ー对折返镜(分别称为X、Y轴激光平面反射镜)的反射，由扫描聚焦透镜(F-theta物镜或远心透镜)聚焦后输出作用于待加工对象上。X、Y轴激光平面反射镜的转动使工作平面上的激光聚焦光斑分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光聚焦光斑可以在工作平面上完成直线段和各种曲线的移动，光束入射角与像面上的光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制光斑在像面上的位置。对复杂型面产品加工而言，主要有如下两种解决方案ー是专利号为201010115968. O、发明名称为“ー种自由曲面上的投影式激光刻蚀方法”的中国专利，它基于三轴数控机床+ニ轴偏转振镜的加工系统，采用对离散点云模型描述的复杂曲面零部件进行划分子块，将加工图形进行平行投影并按子块拆分，利用三轴数控机床定位各子块加工位置，各子块采用激光振镜扫描加工完成。这种方法利用了激光加工在聚焦镜焦深范围内光斑形状尺寸、能量分布等加工特性保持不变的特点，在分块加工时，主要依靠振镜中两块平面镜的高速旋转运动带动激光束的高速扫描，实现精密刻蚀加工。但是该发明采用基于“3+2轴”形式的激光振镜投影加工方式，存在着単一坐标系整体投影存在加工死角以及完全依赖离散点云数据模型的局限。ニ是申请号为201110048935. 3、发明名称为“ー种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置”的中国专利，则通过采用对复杂曲面划分曲面片并建立各曲面片坐标系的处理步骤以及五轴联动数控机床，有效解决了前一种方案中采用“3+2轴”形式激光振镜投影加工技术，由于只有ー个固定的光线投影方向，只能采用单一坐标系进行整体投影的局限。激光标刻技术效果主要是刻划十分精细，同时对材料的适应性广，可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记，且耐久性非常好；采用激光标刻技术制作的标记仿制和更改都很难，在一定程度上具有很好的防伪作用。传统的激光防伪标刻往往需要采用昂贵的激光标刻设备，而制假者为了获得高额利润不愿意投资昂贵的设备，所以假冒产品的标·记一般不会像激光标刻那样有清晰的痕迹，因此传统的激光防伪标刻在一定程度上能实现防伪功能。但是，如果制假者真的购置价格昂贵的激光标刻设备来标刻产品，假冒产品上也会出现清晰的激光标刻痕迹，使得真假难辨，正规产品得不到有效的防伪保护。为此，秦应雄、郑启光等人(防伪激光标刻系统的研究，《激光杂志》，2002年第23卷第3期)提出了一种与信息网络防伪技术相结合的激光防伪标刻技木，即通过一定的矢量标刻数据产生特定的防伪信息，并随标刻数据一起标刻在产品上，同时利用数据库技术、计算机网络技术将标刻数据及防伪信息保存在数据库服务器上，通过网络供客户鉴别。但是，这种信息网络防伪技术与激光矢量标刻技术的组合，仍然存在两个不足1)该技术只是在原有激光防伪标刻方法的基础上，简单地加上了随机产生的防伪特征图案以及后续信息网络防伪鉴别这两种防伪信息增强手段，对激光防伪标刻技木本身并无改进，显然制假者只要获取了防伪特征图案或防伪特征图案的随机产生算法，仍然可以通过购置激光标刻设备来在假冒产品上标刻出正版标记，使防伪失效；2)该技术采用的是ニ维矢量激光标刻系统，无法在复杂型面产品上应用激光防伪标刻手段。
发明内容
本发明针对上述现有激光全息防伪以及ニ维激光防伪标刻技术的不足，提供了一种复杂型面产品的激光防伪标刻方法，采用该激光防伪标刻方法标刻出来的防伪标记具有产品自身防伪和多重防伪壁垒，仿制难度极高，兼具防伪和艺术装饰、品牌识别等多重功倉^:。本发明是通过如下技术方案实现的一种复杂型面产品的激光防伪标刻方法，其特征在于，包括以下步骤(I)建立复杂型面产品表面的复杂曲面的三维模型；(2)在复杂曲面的三维模型上的任意位置选择ー个区域作为防伪区域，防伪区域的形状和大小要求防伪区域能够完全落入待使用的激光振镜系统的扫描范围内；(3)在防伪区域内任意选择一点作为原点，以复杂曲面在原点的法线方向为Z轴方向，建立复杂曲面的XYZ直角坐标系；(4)在防伪区域内设计ー个防伪标记图形，将防伪标记图形用直线段进行拟合，得到防伪标记矢量图形；(5)将防伪标记矢量图形拆分成若干条短线段，每条短线段的两个端点的Z坐标差值均小于待使用的激光振镜系统输出的激光束焦深值的5倍；(6)调节激光振镜系统与待加工复杂型面产品的相对安装方位，使其扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与Z轴方向平行，使复杂型面产品的防伪区域完全位于激光振镜系统的扫描范围内；(7)选择ー个未加工的短线段，在该短线段上任意选择一点作为エ艺基准点，调节扫描聚焦透镜，使エ艺基准点与扫描聚焦透镜镜面中心处的Z坐标之差等于扫描聚焦透镜的焦距；
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(8)按照预先设计的エ艺參数，将激光器所发射出的激光束经过导光系统和激光振镜系统，从短线段的ー个端点扫描至另外ー个端点，完成该短线段的加工；(9)按照(7)-(8)的步骤，遍历所有短线段，直至所有短线段加工完成；(10)通过鉴别复杂型面产品上防伪标记图形的标刻质量，判断产品的真伪。进ー步的，步骤(10)中所述的判断产品的真伪的方法包括(10. I)初步对比；通过识别防伪标记图形上激光标刻痕迹的线条边缘质量和表面光洁度，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比，发现不一致即可认为是赝品;(10. 2)深度对比；通过放大镜观察或数码相机微距拍照进行放大识别和測量，将防伪标记图形中的特定位置的线宽和线长，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比，发现不一致即可认为是赝品。本发明所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法的有益效果在于一、与现有激光全息防伪、条形码防伪或涂层刮开查询防伪等将防伪标记置于产品外包装上的方法相比，本发明所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法将防伪标记制作在产品本身表面上，具有产品自身防伪的效果。ニ、与采用随机防伪特征图案和后续信息网络防伪鉴别的现有ニ维激光防伪标刻技术相比，本发明通过设置多重防伪壁垒，实现了防伪信息与防伪标记图形设计的无关性，从而无须后续信息网络防伪鉴别，防伪标记图形可以任意设计，兼具防伪和艺术装饰、品牌识别等多重功能。三、与现有复杂曲面(自由曲面)的激光标刻エ艺方法相比，本发明在加工步骤和所需设备方面有着重要改进，首先是根据防伪标记的实际应用情形，限定防伪区域的大小和形状在待使用的激光振镜系统的扫描范围内(目前激光振镜系统的扫描范围可达250mmX 250mm，完全可以满足防伪需求)，在加工过程中只采用了激光振镜系统和与之配套的Z方向调节运动轴，相对现有方法必须的三轴或五轴联动数控机床+ ニ轴偏转振镜的加エ系统方案大大简化；其次是加工エ艺规划步骤中省去了对复杂曲面进行分子块、图形按子块拆分、计算子块加工焦距等步骤，采用简化的短线段拆分、任意选择エ艺基准点的方法(与专利CN201110048935. 3《一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置》中取平均值不同，任意取值方式增强了保密性)，因此，加工エ艺规划的计算量小，加工流程简单，加工エ艺參数控制的灵活性大，更适合防伪技术的要求。四、与现有ニ维平面激光防伪标刻技术相比，本发明实现了复杂型面产品的防伪，具有多重防伪壁垒和仿制难度极高的特点；第一道防伪壁垒是防伪区域选择壁垒；本发明在复杂曲面的三维模型上，任意选择ー个区域作为防伪区域，并在防伪区域内设计ー个防伪标记图形；该防伪标记图形也是一个复杂曲面图形，其可以是产品的品牌标识或装饰图案等。由于复杂曲面具有非回转和不规则特性，因此防伪标记图形仅仅是与防伪区域处的曲面形状完全吻合；防伪标记图形与防伪区域的任何相对偏移都可能使防伪标记图形变形，从而被消费者鉴别出来。而防伪区域的具体位置，由正版生产厂商确定，也只有正版生产厂商知道，假冒厂商只能通过测量等间接手段来推测该位置。由于复杂曲面本身的复杂性，假冒厂商要做到防伪标记位置准确，防伪标记图形清晰不变形是很困难的，因此防伪区域选择成为本发明的第一道防伪壁垒。
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第二道防伪壁垒是矢量图形拆分和短线段エ艺基准点选择算法壁垒；本发明首先将防伪标记图形矢量化，之后再将防伪标记矢量图形拆分成若干条短线段，每条短线段的两个端点的Z坐标差值均小于待使用的激光振镜系统输出的激光束焦深值的5倍。由于对激光标刻エ艺而言，加工离焦量对激光标刻エ艺效果(刻划线条的深度、宽度)有着直接影响，如果每条短线段的激光束离焦距离不同，被刻划的线条深度、宽度是不同的。由于对每条短线段来说，其两个端点的Z坐标差值具体是激光束焦深值的几倍(0 5. 0任选)，因此在短线段上只有エ艺基准点处离焦量为0，短线段上的其他位置的离焦量不相同(是激光束焦深值的0 5. 0倍，由短线段的空间长度和端点坐标决定)，所以该短线段各个位置被激光刻划的线条深度、宽度是不同的；换言之，短线段上エ艺基准点的位置选择将直接决定短线段被激光标刻的エ艺效果。而防伪标记矢量图形拆分和エ艺基准点选择的具体算法，是由正版生产厂商选定的，也只有正版生产厂商知道，假冒厂商无法精确的获得矢量图形拆分和各短线段的エ艺基准点选择的具体算法，从而无法获得与正品完全一致的激光标刻エ艺效果。可见，矢量图形拆分和短线段エ艺基准点选择算法是ー种极理想的隐含防伪信息，并通过激光标刻后在防伪标记图形上显性表示，成为消费者可以鉴别的防伪特征。第三道防伪壁垒是激光标刻エ艺參数壁垒；任何材料、任何形状的激光加工エ艺都有一定的エ艺參数容许范围，即采用该エ艺參数容许范围内的任何エ艺參数都是满足エ艺质量要求的。因此，我们可以在エ艺參数容许范围内，对防伪标记图形中的某些特定位置的短线段，选用多种特定的激光エ艺參数，既满足エ艺质量要求，又利用不同的激光エ艺參数恰当地创造特殊的エ艺效果，如刻划线宽、刻划深度的精细差别，这种差别就成为消费者可以识别的真伪鉴别手段。換言之，激光エ艺參数是隐含性的，掌握在正版生产厂家手中，消费者无从得知，制假者也无从得知，但消费者可以通过放大识别、測量等显现手段，将防伪标记图形中的某些特定位置的线宽、线长，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比来鉴别真伪。综上所述，本发明所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法，通过在特定防伪区域设计防伪标记图形，按照特定拆分算法拆分防伪标记矢量图形和选择エ艺基准点，按照特定エ艺參数进行短线段扫描加工，最终实现了将防伪标记图形标刻于复杂型面产品的表面。由于复杂型面产品的自由曲面无法精确复现，以自由曲面特征为基础加工出的防伪标记图形，更加无法复现；同时防伪标记图形本身携帯有位置信息、拆分信息和加工エ艺參数信息。造假者要想仿制采用本发明所述的激光防伪标刻方法标刻出来的防伪标记，除了要具备适用于复杂曲面标刻的激光加工设备之外，还必须获得复杂型面的精确曲面模型、防伪标记区域的精确轮廓位置、防伪标记矢量图形拆分的具体算法、エ艺基准点选择的具体算法、各短线段的激光エ艺參数等，缺ー不可，因此制假仿制技术难度非常高，因此本发明所述的激光防伪标刻方法的防伪效果极好。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明做进ー步详细的说明。采用本发明所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法，在不锈钢材质的复杂曲面水龙头产品表面标刻防伪标记，具体过程描述如下首先，选择待使用的激光振镜系统；本发明根据待加工复杂曲面产品的材质为不锈钢，选用波长355nm、输出功率IOW的调Q脉冲激光器，对应选用扫描范围为50mm*50mm、·焦距为60mm的激光振镜系统,激光束聚焦焦深为40 ii m ;之后，按照本发明所述的具体步骤进行防伪标记的标刻；(I)建立水龙头产品表面的复杂曲面的三维模型；比如可以采用UG、ProE等软件建立复杂曲面的三维CAD模型，复杂型面可以用NURBS、Bezier等拟合曲面形式表达。(2)在复杂曲面的三维模型上，任意选择ー个区域作为防伪区域，防伪区域的形状和大小要求防伪区域能够完全落入激光振镜系统的扫描范围内；本实施例中在不锈钢水龙头以复杂曲面造型的手柄位置，选择ー个大小为20mm*20mm的正方形区域作为防伪区域。(3)在防伪区域内任意选择一点作为原点，以复杂曲面在原点的法线方向为Z轴方向，按右手原则建立复杂曲面的XYZ直角坐标系；(4)在防伪区域内设计ー个防伪标记图形，将防伪标记图形用直线段进行拟合，得到防伪标记矢量图形。由于防伪区域位于产品复杂曲面外形的特定位置，以及复杂曲面的非回转、不规则特性，显然，防伪标记图形仅仅是与防伪区域处的曲面形状完全贴合。该防伪标记图形可以是产品的品牌标识或装饰图案等。本实施例中选择品牌的英文字母“M”作为防伪标记图形，可以采用优美的symbol矢量字体设计。在将防伪标记图形用直线段进行拟合时，若原始防伪标记图形是位图形式，则需要把原始防伪标记图形的位图栅格数据转换成用直线段、圆弧或光滑曲线拟合的矢量数据描述的防伪图形；然后将防伪标记图形进行直线段拟合矢量化，即将防伪标记图形中的圆弧或光滑曲线都用直线段进行拟合，得到防伪标记矢量图形。若原始防伪标记图形是矢量图，则只需将防伪标记图形中的圆弧或光滑曲线用直线段进行拟合，即可得到防伪标记矢量图形。(5)将防伪标记矢量图形拆分成若干条短线段，每条短线段的两个端点的Z坐标差值均小于待使用的激光振镜系统输出的激光束焦深值的5倍；拆分方法可以是现有矢量图形分割/拆分算法如随机法、线条生成法、栅格法等的任意ー种，只要设定好拆分后的各个短线段两个端点的Z坐标差值的变化规律；本实施例中，采用线条生成法进行拆分，将防伪标记图形的symbol矢量字体“M”，按照英文书写笔顺，从“M”的笔顺起点开始，设定拆分后短线段的两个端点的Z坐标差值为激光束焦深值(40 u m)的I至5倍(按照1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5的顺序，往复循环)，依次求得各个拆分短线段。(6)调节激光振镜系统与待加工复杂型面产品的相对安装方位，使其扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与Z轴方向平行，使复杂型面产品的防伪区域完全位于激光振镜系统的扫描范围内；在激光标刻加工过程中，可以通过调节待加工复杂型面产品的夹持安放姿态，使得Z轴方向与激光振镜系统上下移动的运动方向一致,使复杂型面产品的防伪区域完全位于激光振镜系统的扫描范围内；具体是使激光振镜中的扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与Z轴方向平行，即可以通过调节激光振镜系统在Z轴方向的位置，来调整激光振镜系统输出的聚焦激光束的焦点Z坐标，这是实现激光标刻的エ艺保证，因为离焦过大将使得能量密度不够而无法实现良好的激光标刻效果。(7)选择ー个未加工的短线段，在该短线段上任意选择一点作为エ艺基准点，调节·扫描聚焦透镜，使エ艺基准点与扫描聚焦透镜镜面中心处的Z坐标之差等于扫描聚焦透镜的焦距；エ艺基准点的选择算法可以是随机法、数列法等方法的任意ー种，本实施例中采用随机法进行选择，首先生成ー个(0，1)之间的随机数X，即1，然后以短线段的任ー个端点为起点，计算出短线段的エ艺基准点，计算依据是要求短线段的起点距离エ艺基准点的长度与该短线段的总长度之比等于X。(8)按照预先设计的エ艺參数，将激光器所发射出的激光束经过导光系统和激光振镜系统，从短线段的ー个端点扫描至另外ー个端点，完成该短线段的加工；所述エ艺參数包括激光输出功率、重复频率、脉冲宽度、扫描速度等，激光エ艺參数应该满足标刻エ艺质量要求，即刻划清晰、边缘平整美观；激光扫描加工的原理为激光光束进入激光振镜系统后，经过两个X、Y轴激光平面反射镜的反射，进入扫描聚焦透镜并聚焦在短线段上，X、Y轴激光平面反射镜的协同偏转动作，使激光聚焦光斑可以在短线段上移动，激光聚焦光斑在短线段上移动的轨迹即为标刻图形。本发明中各短线段可以采用不同的加工エ艺參数，本实施例为了简化，设定所有短线段的扫描加工參数均为激光功率6W、脉冲频率50KHz、脉冲宽度35ns、扫描速度
1000mm/so(9)按照(7)-(8)的步骤，遍历所有短线段，直至所有短线段加工完成；(10)通过鉴别复杂型面产品上防伪标记图形的标刻质量，判断产品的真伪。首先进行初步对比；通过识别防伪标记图形上激光标刻痕迹的清晰度，即线条边缘质量和表面光洁度，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比，发现不一致即可认为是赝品；之后进行深度对比；通过放大镜观察或数码相机微距拍照进行放大识别和測量，将防伪标记图形中的特定位置的线宽和线长，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比，发现不一致即可认为是赝品。
权利要求
1.一种复杂型面产品的激光防伪标刻方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)建立复杂型面产品表面的复杂曲面的三维模型； (2)在复杂曲面的三维模型上的任意位置选择一个区域作为防伪区域，防伪区域的形状和大小要求防伪区域能够完全落入待使用的激光振镜系统的扫描范围内； (3)在防伪区域内任意选择一点作为原点，以复杂曲面在原点的法线方向为Z轴方向，建立复杂曲面的XYZ直角坐标系； (4)在防伪区域内设计一个防伪标记图形，将防伪标记图形用直线段进行拟合，得到防伪标记矢量图形； (5)将防伪标记矢量图形拆分成若干条短线段，每条短线段的两个端点的Z坐标差值均小于待使用的激光振镜系统输出的激光束焦深值的5倍； (6)调节激光振镜系统与待加工复杂型面产品的相对安装方位，使其扫描聚焦透镜镜面中心处的法线方向与Z轴方向平行，使复杂型面产品的防伪区域完全位于激光振镜系统的扫描范围内； (7)选择一个未加工的短线段，在该短线段上任意选择一点作为工艺基准点，调节扫描聚焦透镜，使工艺基准点与扫描聚焦透镜镜面中心处的Z坐标之差等于扫描聚焦透镜的焦距； (8)按照预先设计的工艺参数，将激光器所发射出的激光束经过导光系统和激光振镜系统，从短线段的一个端点扫描至另外一个端点，完成该短线段的加工； (9)按照(7)-(8)的步骤，遍历所有短线段，直至所有短线段加工完成。
(10)通过鉴别复杂型面产品上防伪标记图形的标刻质量，判断产品的真伪。
2.根据权利要求I所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法，其特征在于，步骤(10)中所述判断产品的真伪的方法包括以下子步骤 (10. I)初步对比；通过识别防伪标记图形上激光标刻痕迹的线条边缘质量和表面光洁度，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对比，发现不一致即可认为是赝品; (10. 2)深度对比；通过放大镜观察或数码相机微距拍照进行放大识别和测量，将防伪标记图形中的特定位置的线宽和线长，与正版生产厂商提供的文字描述或正品图片进行对t匕，发现不一致即可认为是赝品。
全文摘要
本发明所述的复杂型面产品的激光防伪标刻方法，通过在特定防伪区域设计防伪标记图形，按照特定拆分算法拆分防伪标记矢量图形和选择工艺基准点，按照特定工艺参数进行短线段扫描加工，最终实现了将防伪标记图形标刻于复杂型面产品的表面。由于防伪标记图形本身携带有位置信息、拆分信息和加工工艺参数信息，造假者要想仿制，除了要具备激光加工设备之外，还必须获得复杂型面的精确曲面模型、防伪标记区域的精确轮廓位置、防伪标记矢量图形拆分的具体算法、工艺基准点选择的具体算法和各短线段的激光工艺参数等，缺一不可，因此制假仿制技术难度非常高，因此本发明所述的激光防伪标刻方法的防伪效果极好。
文档编号B23K26/36GK102785029SQ20121028755
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月5日 优先权日2012年8月5日
发明者庞继红, 张大伟, 曹宇, 李剑阳, 李峰平, 王陇花, 龙江启 申请人:温州大学