CN107121075A - 基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，包括以下步骤：直线运动部件上光栅线纹的制造：对直线运动部件表面进行研磨、抛光，然后在其表面上制作光栅线纹结构；光栅线纹保护膜涂覆：在光栅线纹表面涂覆一层SiO2保护膜；紧凑型反射式光栅读数头制造：使用LED光源和栅状传感器组成光电转换部分，再配以细分电路部分，组成完整的紧凑型反射式光栅读数头；光栅读数头的装配。本发明的一体式直线运动定位系统，在数控机床和测量仪器中使用时，能够免除光栅安装时繁琐复杂的调试环节，能够有效避免阿贝误差，减小测量不确定度，提高设备的定位测量精度，具有广泛的市场前景和推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，特别是涉及一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法。
背景技术
数控机床、半导体设备以及精密测量仪器等设备运行的精密定位是加工和测量精度的重要保障，目前应用最为广泛的直线运动定位系统是由直线运动部件（如U型直线电机、直线导轨）和测量部件（光栅、磁栅、容栅等）组成。常规直线运动定位系统采用的是分离式的安装方式，即先将直线运动部件安装于设备的基体上，然后将测量部件（光栅、磁栅、容栅等）安装于相应的基体位置，最后再将读数头安装在直线运动部件的运动单元上。这种安装方式对安装的精度要求较高，且容易产生阿贝误差。且占用的安装空间较大，使得设备结构不够紧凑。目前使用较多的直线运动定位系统是光栅测量系统，光栅测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min至480m/min。测量长度从1m、3m至30m和100m，其制造成本也较低，抗干扰能力较强。但是由于其是分离式的安装方式，限制了其应用范围。另外，光栅尺表面的抗污、耐磨能力是光栅副读数精度和耐用性的重要保障，目前还未见具有高透光性、低反射性、耐磨、耐酸碱以及耐有机溶剂的光栅尺保护膜。
现有的直线运动定位系统不具备集直线运动导向、支撑和高精度位移测量于一体的优点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，直线运动定位系统具备集直线运动导向、支撑和高精度位移测量于一体。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，包括以下步骤：
（1）直线运动部件上光栅线纹的制造：对直线运动部件表面进行研磨、抛光，使其满足光栅线纹制作要求，然后在研磨、抛光后直线运动部件表面上制作光栅线纹结构；
（2）光栅线纹保护膜涂覆：在光栅线纹表面涂覆一层SiO2保护膜；
（3）紧凑型反射式光栅读数头制造：使用LED光源和栅状传感器组成光电转换部分，再配以细分电路部分，组成完整的紧凑型反射式光栅读数头；
（4） 光栅读数头的装配：在直线运动部件的运动单元上通过安装紧凑型反射式光栅读数头，组成完整的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的直线运动部件为U型直线电机或直线导轨，光栅线纹为增量式光栅线纹结构或绝对式光栅线纹结构；步骤（1）中进行研磨、抛光后的直线运动部件的表面粗糙度为10-200nm。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中采用光刻图形化工艺或者辊压印图形化工艺在研磨、抛光后直线运动部件表面上制作光栅线纹结构。
在本发明一个较佳实施例中，所述的光刻图形化工艺使用提拉法或喷涂法在研磨、抛光后直线运动部件表面上涂覆光刻胶，胶层厚度为1-10mm。
在本发明一个较佳实施例中，光刻胶涂覆完成后进行前烘，然后进行曝光工艺，进行曝光，曝光所使用的掩膜版中栅线图形为增量式栅线或者绝对式栅线，增量式栅线栅距为2-80mm，绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即最窄线纹的宽度为10-30mm，栅线区域宽度为2-15mm，曝光完成后，进行显影和湿法刻蚀，在研磨、抛光后直线运动部件表面上刻蚀出光栅线纹结构。
在本发明一个较佳实施例中，在研磨、抛光后直线运动部件表面上涂覆一层UV固化光刻胶，通过辊压印的方式将模具上的光栅线纹结构复制到光刻胶上，得到光栅线纹结构。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中使用的SiO2溶胶溶液主要成分为正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸，正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸的体积配比：10-15:35-45:4-6:0.05-0.09；使用提拉法、刷涂或喷涂方式将SiO2溶胶溶液涂覆到光栅线纹表面上，并经过烘干及热处理使其固化，得到SiO2保护膜。
在本发明一个较佳实施例中， 步骤（3）中LED光源为发散型LED光源或准直LED光源，发散型LED光源的安装方法为垂直于印刷电路板，准直LED光源在安装时与印刷电路板保持一定夹角，发散型LED光源的发散角为20-60°，准直型LED光源的发散角小于20°。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（3）中栅状传感器的感光波长与LED光源的波长相同。
在本发明一个较佳实施例中， 步骤（4）中紧凑型反射式光栅读数头安装在直线导轨滑块或直线电机动子上，紧凑型反射式光栅读数头与光栅尺的安装距离为0.2-2mm。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用光刻或辊压印的图形化工艺在直线运动部件上制造光栅线纹，并在光栅尺表面涂覆一层SiO2保护膜，提高光栅尺的耐磨性以及保证光栅副的读数精度；同时，在该直线运动部件的运动单元上装配紧凑型反射式光栅读数头，组成集直线运动导向、支撑和高精度位移测量于一体的直线运动定位系统。
2、本发明的一体式直线运动定位系统，在数控机床和测量仪器中使用时，能够免除光栅安装时繁琐复杂的调试环节，能够有效避免阿贝误差，提高设备的定位测量精度，具有广泛的市场前景和推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是光栅微结构截面示意图；
图2 是本发明基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统一较佳实施例的结构示意图；
图3 是发散型LED光源光栅读数头结构示意图；
图4 是光栅光刻制造工艺原理示意图；
图中：1、导轨，2、光栅线纹结构，3、读数头连接块，4、紧凑型反射式光栅读数头，5、直线导轨滑块，6、SiO2保护膜，7、读数头线缆，8、栅状传感器，9、发散型LED光源，10、印刷电路板；11、掩膜版，12、光刻胶，13、UV光源。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2，实施例1
一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，包括以下步骤：
（1）直线运动部件上光栅线纹的制造：对直线运动部件表面进行研磨、抛光，研磨、抛光后的直线运动部件的表面粗糙度为10-200nm，使其满足光栅线纹制作要求，然后采用光刻图形化工艺在研磨、抛光后直线运动部件表面上制作光栅线纹结构；
所述的直线运动部件为直线导轨，在导轨1的上表面安装孔一侧沿滑块移动方向制作增量式光栅线纹结构，对该表面进行研磨、抛光加工，使其表面粗糙度达到50nm；光刻图形化工艺使用正性光刻胶12，采用提拉法在研磨、抛光后导轨1的上表面上涂覆一层厚度为2mm的光刻胶膜；光刻胶涂覆完成后进行前烘，然后利用UV光源13进行曝光，曝光使用的掩膜版11图形为增量式的栅线结构，栅距为20mm，栅线区域宽度为3mm；曝光完成后，进行显影得到光刻胶图形层，使用三氯化铁腐蚀液进行湿法刻蚀，将光刻胶层上的图形转移到导轨1的上表面上，得到栅距为20mm的栅线线纹结构2。
（2）光栅线纹保护膜涂覆：在光栅线纹表面涂覆一层SiO2保护膜，增强光栅线纹的抗污能力和耐磨性能，从而提高该一体式直线运动定位系统的定位精度和使用寿命；使用的SiO2溶胶溶液主要成分为正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸，正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸的体积配比：12:41:5:0.08；使用提拉法将SiO2溶胶溶液涂覆到光栅线纹表面上，胶厚度为2mm，并经过烘干及热处理使其固化，得到SiO2保护膜6。
（3）紧凑型反射式光栅读数头制造：使用LED光源和栅状传感器组成光电转换部分，再配以细分电路部分，组成完整的紧凑型反射式光栅读数头4；LED光源为发散型LED光源9，发散角为30°，光源波长主峰为850nm，发散型LED光源9的垂直安装于印刷电路板10上，使用的栅状传感器8的感光波长也为850nm。
（4） 光栅读数头的装配：在直线导轨滑块5上借由读数头连接块3安装紧凑型反射式光栅读数头4，组成完整的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统，紧凑型反射式光栅读数头4安装在直线导轨滑块5上，读数头与光栅尺面的安装距离为1mm，由于该直线导轨滑块5尺寸较大，读数头采用一体式的安装方式，即读数光电转换和细分电路整体安装在滑块上。通过读数头线缆7将光电信号传输到读数系统。
本发明的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法的有益效果是：本发明使用光刻或者辊压印的图形化工艺在直线运动部件上制作增量式或者绝对式的光栅线纹结构，使用SiO2保护膜涂覆工艺，提高光栅的耐磨性以及保证光栅副的读数精度，并将光栅读数系统安装在滑块上。本发明的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统使用光栅测量技术，具有集直线运动导向、支撑以及高精度位移测量于一体的特点，能够有效避免阿贝误差，提高设备的定位测量精度；本发明的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统具有广泛的市场前景和推广应用价值。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）直线运动部件上光栅线纹的制造：对直线运动部件表面进行研磨、抛光，使其满足光栅线纹制作要求，然后在研磨、抛光后直线运动部件表面上制作光栅线纹结构；
（2）光栅线纹保护膜涂覆：在光栅线纹表面涂覆一层SiO2保护膜；
（3）紧凑型反射式光栅读数头制造：使用LED光源和栅状传感器组成光电转换部分，再配以细分电路部分，组成完整的紧凑型反射式光栅读数头；
（4） 光栅读数头的装配：在直线运动部件的运动单元上通过安装紧凑型反射式光栅读数头，组成完整的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统。
2.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的直线运动部件为U型直线电机或直线导轨，光栅线纹为增量式光栅线纹结构或绝对式光栅线纹结构；步骤（1）中进行研磨、抛光后的直线运动部件的表面粗糙度为10-200nm。
3.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，步骤（1）中采用光刻图形化工艺或者辊压印图形化工艺在研磨、抛光后直线运动部件表面上制作光栅线纹结构。
4.根据权利要求3所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，所述的光刻图形化工艺使用提拉法或喷涂法在研磨、抛光后直线运动部件表面上涂覆光刻胶，胶层厚度为1-10mm。
5.根据权利要求4所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，光刻胶涂覆完成后进行前烘，然后进行曝光工艺，进行曝光，曝光所使用的掩膜版中栅线图形为增量式栅线或者绝对式栅线，增量式栅线栅距为2-80mm，绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即最窄线纹的宽度为10-30mm，栅线区域宽度为2-15mm，曝光完成后，进行显影和湿法刻蚀，在研磨、抛光后直线运动部件表面上刻蚀出光栅线纹结构。
6.根据权利要求3所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，在研磨、抛光后直线运动部件表面上涂覆一层UV固化光刻胶，通过辊压印的方式将模具上的光栅线纹结构复制到光刻胶上，得到光栅线纹结构。
7.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，步骤（2）中使用的SiO2溶胶溶液主要成分为正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸，正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和盐酸的体积配比：10-15:35-45:4-6:0.05-0.09；使用提拉法、刷涂或喷涂方式将SiO2溶胶溶液涂覆到光栅线纹表面上，并经过烘干及热处理使其固化，得到SiO2保护膜。
8.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，步骤（3）中LED光源为发散型LED光源或准直LED光源，发散型LED光源的安装方法为垂直于印刷电路板，准直LED光源在安装时与印刷电路板保持一定夹角，发散型LED光源的发散角为20-60°，准直型LED光源的发散角小于20°。
9.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于，步骤（3）中栅状传感器的感光波长与LED光源的波长相同。
10.根据权利要求1所述的基于光栅测量技术的一体式直线运动定位系统的制备方法，其特征在于， 步骤（4）中紧凑型反射式光栅读数头安装在直线导轨滑块或直线电机动子上，紧凑型反射式光栅读数头与光栅尺的安装距离为0.2-2mm。
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