CN102193310B - 一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，该方法包括：1)光栅尺胚基材涂覆紫外光固化胶层；2)在辊筒形模具表面制备出具有母光栅结构的辊压模具，作对准标记；对辊压模具表面抛光、低表面能处理；3)在光栅尺胚基材的胶层上覆柔性薄膜，一次曝光，薄膜剥离；4)对光栅尺胚基材的对准标记和辊压模具表面的对准标记图像采集对比，调节、校准；5)将辊压模具与光栅尺胚贴合，施压印力，辊压模具表面的母光栅结构复型在基材表面的胶层上；6)复型后的紫外光固化胶层进行二次曝光；7)光栅尺收集封装。本发明所需压印力小，避免了基材的变形和应力集中。该方法生产效率高，可实现大面积、高线数机床测量用光栅尺的批量制造。

Description

一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法

技术领域

本发明涉及机床测量用光栅制造加工领域，特别涉及一种机床测量用大面积长光栅制造中三维功能性微结构的辊压印成型方法。

背景技术

计量光栅技术的基础是莫尔条纹(Moire fringes)，1874年由英国物理学家L.Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950年德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。

位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。

从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80％，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级。

目前，机床测量用光栅的制造技术主要有有刻划机刻划、全息光栅工艺和光刻工艺方法等。刻划方法对刻划机元件精度要求非常高，而且要在刻划过程中防止挤压和温度变化，效率较低，成本较高，不能连续生产，且分辨率有限。全息光栅工艺和光刻方法制造的光栅分辨率比刻划机刻划高，但同样存在上述缺点。全息光栅工艺是应用激光干涉，利用光致抗蚀剂做记录材料，通过曝光显影定影来制造光栅，衍射效率较低。光刻的方法设备投入较大，量产成本居高不下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机床测量用光栅尺两步固化辊压印成型方法，可用于大面积、高线数机床测量用光栅的批量、连续制造。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种机床测量用光栅尺两步固化辊压印成型方法，该方法采用辊压印技术，实现光栅功能性微结构由辊压模具向柔性或刚性光栅尺胚基材的图形化转移。首先是辊压母光栅尺模具的制造，通过有掩膜微细电解加工工艺、刻划或者全息光栅工艺等微细加工工艺在具有低体积膨胀系数的辊压模具表面加工出栅形功能性微结构，并在辊压模具两侧制作出辊压印对准标记；然后启动涂胶装置，采用喷涂工艺、印刷胶辊涂覆等涂覆工艺在低体积膨胀系数的基材上涂覆一层紫外光固化胶；在胶层表面覆一层高紫外透过率的柔性薄膜，先进行一次软固化；软固化完成，将透明的柔性薄膜进行剥离；与此同时对模具进行降低表面能处理(比如蒸镀聚四氟乙烯)，使模具和基材接触，并在基材表面施加一定的辊压印力，使模具表面的栅形功能微结构转移到基材的软固化胶层上；最后对成型的光栅结构层进行二次固化，以稳定其结构，完成图形转移即辊压模具的栅形微结构复型在柔性或刚性基材上。该转移过程，通过控制胶体在尺胚基材表面和辊压模具间的流变和粘附特性来实现。

上述一种机床测量用光栅尺两步固化辊压印成型方法，具体包括以下步骤：

1)光栅尺胚基材制备：选择金属带、陶瓷或玻璃作为光栅尺胚基材，增强表面能处理4-10s后，采取涂覆工艺在光栅尺胚基材上涂覆一层厚度为1-5um的紫外光固化胶层；

2)辊压模具制备：选择殷钢或铬作为辊压模具的材料，或在钢或铜基材的表面电镀一层铬镀层作为辊压模具的材料，采用微细加工工艺制作成辊筒形、且模具表面具有母光栅结构的辊压模具，在辊压模具表面的两侧制作出辊压模具表面的对准标记；

并对具有母光栅结构辊压模具表面进行电化学抛光或者化学抛光，在具有母光栅结构的辊压模具结构表面进行降低表面能处理时间10-30s；

3)软固化：在光栅尺胚基材表面的紫外光固化胶层上覆一层高紫外透过率的柔性薄膜，采取一次固化紫外线线光源透过高紫外透过率的柔性薄膜对紫外光固化胶层进行曝光，然后将薄膜剥离；

4)辊压复型前对准：采用CCD图像采集对准系统对光栅尺胚基材的对准标记和辊压模具表面的对准标记进行采集对比，获得两者的相对位置参数，然后通过微驱动调整光栅尺胚基材的位置；

5)辊压复型：将辊压模具与步骤3)经软固化后的光栅尺胚基材接触，并对接触面施加压印力，辊压模具在电机动力下旋转，光栅尺胚随辊压模具做同步平面运动，辊压模具表面的母光栅结构复型在光栅尺胚基材的经软固化紫外光固化胶层上；

6)二次固化：将经母光栅结构复型压印成型后的光栅尺胚，用二次固化紫外线线光源进行二次固化，固化时间为1-5min；

7)光栅尺收集封装：辊压成型后的光栅尺胚进行尺面密封，并在其表面覆一层透明保护膜(BOPP膜)，即完成光栅两步固化辊压印成型过程。

本发明进一步的特征在于：

所述涂覆工艺为喷涂工艺、印刷胶辊涂覆工艺或刮涂工艺。

所述紫外光固化胶层为紫外光固化硅油、紫外光固化丙烯酸树脂或者紫外光固化环氧树脂。

所述的高紫外透过率的柔性薄膜为BOPP膜(双向拉伸聚丙烯薄膜)或者紫外增透膜。

所述微细加工工艺为掩膜化学腐蚀工艺、机械刻划或激光刻蚀工艺。

所述步骤2)中一次固化紫外线线光源为灯头功率3W的冷紫外光线光源，灯头处加透镜，线光源宽度为8mm，曝光时间为0.5s。

所述对高紫外透过率的柔性薄膜覆膜环节、剥离环节过程是通过覆膜放卷辊子与覆膜收卷辊子将覆膜卷材收送于紫外光固化胶层表面，并通过电磁离合器控制覆膜放卷辊子与覆膜收卷辊子收送料张力。

所述覆膜放卷辊子与覆膜收卷辊子覆膜卷材之间设置有一次固化紫外线线光源。

所述辊压模具通过柔性对辊实现对光栅尺胚基材表面进行辊压印复型，柔性对辊通过气缸控制与辊压模具间的压力；光栅尺胚基材与辊压模具做同步平面运动的圆周线速度为0.1-50m/min；辊压模具辊压压应力28-340MPa。

所述辊压模具表面的母光栅结构为用于增量式光栅尺的周期性平行栅线结构、绝对式光栅尺的非周期性平行栅线结构或衍射光栅用锯齿波或正弦波结构。

本发明采取的是一种低温、常气压、适合于大面积基材上生成微纳米级尺度特征结构的微压印复型技术，是制造大面积微纳米结构的并行制造技术，其具有成本低，生产效率高的特点。特别是辊压印技术是能将辊压模具表面的功能性微结构连续地、精确地复型在基材上，可满足连续大幅面、高产能、低成本的要求。辊压印技术可通过对辊压母光栅模具高精度连续回转运动的精确控制，可以实现超长长度、高精度、高线数光栅功能性微结构的制造。

本发明所述的胶层曝光使用冷紫外光源进行固化，减小了紫外固化胶层的光栅微结构的热变形；对紫外固化胶层进行两步固化，一次固化使紫外固化胶层处于软固化状态，而且在紫外固化胶层的上、下两个界面处紫外光能量密度较大，固化度较紫外固化胶层内部高，既便于光栅结构的复型，又便于紫外固化胶层和基材的黏附，二次固化使结构最终固定。

本发明所述的复型过程是在紫外固化胶层处于软固化状态下复型，所需压印力小，避免了基材的变形和应力集中。

附图说明

图1为本发明光栅尺胚结构示意图。

图2为本发明辊压模具结构示意图。

图3为本发明机床测量用光栅两步固化辊压印成型工艺过程示意图；

图4为图3的A部局部放大图；

图5为本发明辊压复型工艺的定位对准过程示意图。

图中：1、光栅尺胚，2、紫外光固化胶层，3、微喷头，4、覆膜放卷辊子，5、一次固化紫外线线光源，6、覆膜收卷辊子，7、辊压模具，8、模具表面母光栅结构，9、聚四氟乙烯涂层，10、二次固化紫外线线光源，11、柔性对辊，12、尺胚基底的对准标记，13、辊压模具表面的对准标记，14、CCD图像采集对准系统。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

该系统包括送料环节、覆膜环节、一次曝光环节、剥离环节、辊压复型环节、二次曝光环节和产品收集封装环节。其中，覆膜环节、剥离环节采用印刷机械中的收送料机构及张力控制机构。辊压印型系统的核心部分辊压复型环节包括模具的装卡部分、压印力控制部分。为便于模具装拆，模具装卡采用轴套轴向预紧。压印力控制部分加装压力传感器，不断反馈压力信息，并进行精确的压力控制。一、二次曝光环节采用冷紫外光线光源，灯头处加透镜，以实现辊压复型区域的均匀曝光。

本发明的一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，具体的实施方式包括以下步骤。

1)光栅尺胚1基材制备：选择具有一定抗拉强度、抗压强度、体积膨胀系数较小的柔性或刚性基材(比如金属带：钢带、铜带等金属带、陶瓷或玻璃等)作为光栅尺胚1基材，并采取等离子体表面进行增强表面能处理4-10s后，采取喷涂工艺用微喷头3在光栅尺胚1基材上涂覆一层厚度为1-5um的紫外光固化胶层2；紫外光固化胶层2为紫外光固化硅油、紫外光固化丙烯酸树脂或者紫外光固化环氧树脂，经涂覆紫外光固化胶层2后的光栅尺胚见图1所示；

2)辊压模具7制备：选择殷钢或铬作为辊压模具7的材料，或在钢或铜金属材料的表面电镀一层铬镀层作为辊压模具7的材料，采用掩膜化学腐蚀工艺、机械刻划或激光刻蚀的微细加工的方法制作成辊筒形结构，在辊压模具7表面加工出100nm-500μm的具有母光栅结构8的辊压模具，在辊压模具7表面的两侧制作出辊压模具表面的对准标记13，用于辊压印光刻工艺过程的对准和校正；

并对微结构辊压模具7表面进行电化学抛光或者化学抛光，改善模具表面的光洁度和粗糙度；并在具有母光栅结构的辊压模具7表面蒸镀聚四氟乙烯涂层9进行降低表面能处理，使模具表面呈现不润湿或者弱润湿性，蒸镀时间10-30s；制备后的辊压模具7结构见图2所示；

本步骤中，采用干法或者湿法刻蚀工艺(比如有掩膜微细电解加工工艺、刻划或者全息光栅工艺等)加工出具有母光栅结构8的辊压模具7；

辊压模具7表面的母光栅结构8为用于增量式光栅尺的周期性平行栅线结构、绝对式光栅尺的非周期性平行栅线结构或衍射光栅用锯齿波或正弦波结构，并且辊压印模具7上的母光栅结构8特征尺度在亚微米和数百微米间可控。

3)软固化：在光栅尺胚1基材表面的紫外光固化胶层2上覆一层BOPP膜(双向拉伸聚丙烯薄膜)，然后先进行一次软固化；采取一次固化紫外线线光源5对紫外光固化胶层进行曝光，并将BOPP膜剥离；其中，一次固化紫外线线光源5为灯头功率3W的冷紫外光线光源，灯头处加透镜，线光源宽度为8mm，曝光时间为0.5s。对BOPP膜覆膜环节、剥离环节过程是通过覆膜放卷辊子4与覆膜收卷辊子6将覆膜卷材收送于紫外光固化胶层2表面，并通过电磁离合器控制覆膜放卷辊子4与覆膜收卷辊子6收送料张力；在覆膜放卷辊子4与覆膜收卷辊子6覆膜卷材之间设置有一次固化紫外线线光源5；

4)辊压复型前对准：采用CCD图像采集对准系统14对尺胚1基底的对准标记12和辊压模具表面的对准标记13进行采集对比，获得两者的相对位置参数，然后通过微驱动调整光栅尺胚1基材的位置；在连续辊压的过程中，辊压模具7每转一周，进行一次对准校正，保证复型区域的精确定位。辊压复型前对准过程见图5所示；

本步骤中，光栅尺胚1刚性基材可以采用移动式定位轴套定位在传送部件的传动面上，在光栅尺胚1刚性基材两侧制作出尺胚基底的对准标记12，并用CCD图像采集对准系统14中的CCD显微镜和CCD光路透镜检测该对准标记，通过微驱动机构调整光栅尺胚1的位置，使光栅尺胚1的刚性基材两侧的尺胚基底的对准标记12的连线和辊压模具表面的对准标记13的连线平行。光栅尺胚1的柔性基材的对准，可以通过CCD图像采集对准系统14中的CCD显微镜和CCD光路透镜检测辊压模具7上的对准标记后，通过微驱动机构对光栅尺胚1基材的收放卷机构的位置进行校正，使尺胚基底的对准标记12的连线和辊压模具表面的对准标记13的连线平行。通过对辊压模具7表面的标记的图像采集，并与光栅尺胚1基材表面的标记进行对比，设置初始的复型位置，对准完成。重复步骤4)可进行多层套印的对准。

5)辊压复型：如图3所示，将柔性或刚性的光栅尺胚1基材放置于辊压印系统的传送部件上，使辊压模具7与步骤2)经软固化后的光栅尺胚1基材接触，并且对接触面施加辊压印力，通过气缸作用于柔性对辊11实现辊压模具7对光栅尺胚1基材表面进行辊压印复型；柔性对辊11为尼龙材料，柔性对辊11通过气缸控制与辊压模具7间的压力。辊压模具7在电机动力下旋转，光栅尺胚1随辊压模具7做同步平面运动，平面运动的圆周线速度为0.1-50m/min；辊压模具7辊压压应力为28-340MPa。使光栅尺胚1基材的水平行进速度与辊压模具7的线速度相等，避免辊压印复型过程中光栅尺胚1基材和辊压模具7表面间的相对滑动；辊压模具7表面的母光栅结构8复型在基材的经软固化紫外光固化胶层2上；辊压模具7表面的母光栅结构8见图4所示；

6)二次固化：将经母光栅结构8复型压印成型后的光栅尺胚1，用二次固化紫外线线光源10进行二次固化，以稳定其结构，固化时间为1-5min；

7)光栅尺收集封装：辊压成型后的光栅尺胚1进行尺面密封，并在其表面覆一层BOPP膜，即完成光栅两步固化辊压印成型过程。

本发明的技术方案中，机床测量用光栅尺辊压印复型过程采用两步固化成型技术。辊压复型前，先在光栅尺胚1基材上涂覆一层紫外光固化胶层2，在胶层表面覆一层高紫外透过率的柔性薄膜(例如BOPP膜)，先进行一次软固化。由于界面效应，使紫外光固化胶层2的上、下两个界面处紫外光能量密度较大，固化度较内部高，既便于光栅结构的复型，又便于紫外固化胶层2和光栅尺胚1基材的附着。二次固化使辊压印后的栅形功能性微结构最终固定。

本发明通过采用辊压印技术、相应的对准技术、紫外光两步固化工艺，在柔性或刚性基材表面涂覆一层紫外光固化胶，辊压印光刻使紫外光固化胶图形化，制作出机床测量用光栅所需的三维功能性微/纳米尺度结构。该方法采用成膜工艺在光栅尺胚基材上涂覆一层紫外光固化胶层，使用冷紫外光源进行固化，有效地避免了紫外光固化胶层上辊压印光刻光栅微结构的热变形；对紫外固化胶层进行两步固化，一次固化使紫外光固化胶层处于软固化状态，并且在固化胶层的上、下两个界面处紫外光能量密度较大，固化度较固化胶层内部高，既便于光栅结构的复型，又便于胶层和基材的黏附，二次固化使结构最终固定；由于该方法是在紫外光固化胶层处于软固化状态下复型，所需压印力小，避免了基材的变形和应力集中。该方法生产效率高，可实现大面积、高线数机床测量用光栅尺的批量制造。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1)光栅尺胚基材制备：选择金属带、陶瓷或玻璃作为光栅尺胚基材，采取等离子体表面处理4-10s后，利用涂覆工艺在光栅尺胚基材上涂覆一层厚度为1-5μm的紫外光固化胶层；

2)辊压模具制备：选择殷钢或铬作为辊压模具的材料，或在钢或铜基材的表面电镀一层铬镀层作为辊压模具的材料，采用微细加工工艺制作成辊筒形、且模具表面具有母光栅结构的辊压模具，在辊压模具表面的两侧制作出辊压模具表面的对准标记；

并对具有母光栅结构的辊压模具表面进行电化学抛光或者化学抛光，在具有母光栅结构的辊压模具结构表面蒸镀聚四氟乙烯涂层，蒸镀时间10-30s；

3)软固化：在光栅尺胚基材表面的紫外光固化胶层上覆一层高紫外透过率的柔性薄膜，采取一次固化紫外线线光源透过高紫外透过率的柔性薄膜对紫外光固化胶层进行曝光，然后将薄膜剥离；

4)辊压复型前对准：采用CCD图像采集对准系统对光栅尺胚基材的对准标记和辊压模具表面的对准标记进行采集对比，获得两者的相对位置参数，然后通过微驱动调整光栅尺胚基材的位置；

5)辊压复型：将辊压模具与步骤3)经软固化后的光栅尺胚基材接触，并对接触面施加一定的压印力，辊压模具在电机动力下旋转，光栅尺胚基材随辊压模具做同步平面运动，辊压模具表面的母光栅结构复型在光栅尺胚基材的经软固化紫外光固化胶层上；

6)二次固化：将经母光栅结构复型压印成型后的光栅尺胚基材，用二次固化紫外线线光源进行二次固化，固化时间为1-5min；

7)光栅尺收集封装：辊压成型后的光栅尺胚基材进行尺面密封，并在其表面覆一层BOPP膜，即完成光栅两步固化辊压印成型过程。

2.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述涂覆工艺为喷涂工艺、印刷胶辊涂覆工艺或刮涂工艺。

3.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述紫外光固化胶层为紫外光固化硅油、紫外光固化丙烯酸树脂或者紫外光固化环氧树脂。

4.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述高紫外透过率的柔性薄膜为BOPP膜或者紫外增透膜。

5.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述微细加工工艺为掩膜化学腐蚀工艺、机械刻划或激光刻蚀工艺。

6.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述步骤3)中一次固化紫外线线光源为灯头功率3W的冷紫外光线光源，灯头处加透镜，线光源宽度为8mm，曝光时间为0.5s。

7.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述在光栅尺胚基材表面的紫外光固化胶层上覆一层高紫外透过率的柔性薄膜，采取一次固化紫外线线光源透过高紫外透过率的柔性薄膜对紫外光固化胶层进行曝光，然后将薄膜剥离过程是通过覆膜放卷辊子与覆膜收卷辊子将覆膜卷材收送于紫外光固化胶层表面，并通过电磁离合器控制覆膜放卷辊子与覆膜收卷辊子收送料张力。

8.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述辊压模具通过柔性对辊实现对光栅尺胚基材表面进行辊压印复型，柔性对辊通过气缸控制与辊压模具间的压力；光栅尺胚基材与辊压模具做同步平面运动的圆周线速度为0.1-50m/min；辊压模具辊压压应力为28-340MPa。

9.按照权利要求1所述的机床测量用光栅两步固化辊压印成型方法，其特征在于，所述辊压模具表面的母光栅结构为用于增量式光栅尺的周期性平行栅线结构、绝对式光栅尺的非周期性平行栅线结构或衍射光栅用锯齿波或正弦波结构。

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