专利名称：单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法
技术领域：
本发明涉及单码道绝对式光栅尺技术领域，尤其涉及一种单码道绝对式光栅尺的棍压印制造方法。
背景技术：
光栅尺作为数控机床运行位置的测量、闭环反馈控制元件，是精密、超精密数控机床的关键基础性功能部件，也是最为关键的计量元件，在精密、超精密制造和计量测试领域有着不可替代的作用。

目前的光栅尺按测量方法可以分为增量式和绝对式两种。与增量式光栅尺寸相t匕，绝对式光栅尺在开机时立即提供当时位置值，由于它不需要执行参考点回零程序，因此技术可靠和安全，在数控机床及检测仪器行业有着日益广泛的使用需求。单码道绝对式光栅尺可以从编码原理上实现位置信息的唯一性，相对于多码道绝对光栅尺，光学系统及电路处理部分更为简单，码道具有固定零点，抗干扰能力强，响应速度快的优点。然现有单码道绝对式光栅尺的制备工艺复杂，效率低且成本高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，以解决现有制备方法工艺复杂，效率低且成本高的问题。本发明方法采用经过旋转曝光结合金属湿法刻蚀工艺制作的螺旋形辊压印模具来在光栅尺胚上的铝薄膜层压印复型出单码道的绝对式光栅尺。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单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，包括以下步骤(I)辊压印模具加工在圆柱形模具基体上加工出螺旋线带；(2)辊压印模具上母光栅线纹加工通过旋转光刻及湿法刻蚀工艺，在辊压印模具的螺旋线带上加工母光栅的光栅线纹；(3)光栅尺胚制造在光栅尺胚基材上沉积一层金属薄膜作为光栅压印材料层；(4)绝对式光栅辊压印将光栅尺胚放在辊压印模具与支撑辊之间呈0角放置，并施加压印力，辊压印模具进行旋转，光栅尺胚随辊压印模具的定心旋转，始终定位于辊压印模具的螺旋线带下方，在压力的作用下，在光栅尺胚的表面的光栅压印材料层压印复型出单码道绝对光栅尺栅线；e角为螺旋线带的螺旋升角。本发明进一步的改进在于步骤(I)中辊压印模具基体的材料为Cu、不锈钢或石英玻璃；加工工艺为在圆柱形模具基体上经车、磨及抛光加工出螺旋线带；螺旋线带的外径为50-100_，螺旋升角e为5-20°，螺旋线带宽度为8-15mm，圈数为4_8圈，螺旋线带总长度0. 5-3m，抛光加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度〈I U m。本发明进一步的改进在于步骤(2)中旋转光刻工艺中光刻胶为瑞虹系列光刻胶、安智系列光刻胶或永光系列光刻胶；光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为I-IOmm/s，胶层厚度为5-10 iim。本发明进一步的改进在于步骤(2)中光刻胶涂覆完成后，对辊压印模具基体进行旋转曝光；旋转曝光所使用的掩膜版中图形为单根栅线，其宽度为单码道绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即最窄线纹的宽度，为10-30 u m,其长度为单码道绝对式光栅尺栅线区域的宽度，亦即螺旋线带的宽度8-15mm。本发明进一步的改进在于旋转曝光所采用的精密旋转分度台最小分度为0. Iarcsec,精度为 ±larc sec。本发明进一步的改进在于步骤(2)中，曝光完成后，进行显影和湿法刻蚀，在辊压印模具的螺旋线带上加工母光栅的光栅线纹。本发明进一步的改进在于步骤(3)中，光栅尺胚基材选择厚度为3_6mm的浮法玻璃；光栅尺胚上形成的光栅压印材料层为铝薄膜，其沉积方式为热蒸镀、电子束蒸镀或溅 射，厚度为10-15 iim。本发明进一步的改进在于步骤(4)中，辊压印模具为主动辊，支撑辊及两侧的走料辊为从动辊，在压印过程中，辊压印模具首先向下运动，提供压印力，带动光栅尺胚向前走料，支撑辊在光栅尺胚下表面摩擦力的作用下转动；光栅尺胚放置的初始位置位于螺旋线带的起始位置的正下方。本发明进一步的改进在于步骤(4)中，支撑辊两侧的设置有走料定位机构，该走料定位机构由U型定位滑块和线性导轨组成，光栅尺胚放置于定位滑块的U型槽内，U型定位滑块安装于线性导轨上，采用耐摩擦的特氟龙材料制造。本发明进一步的改进在于步骤(4)中，光栅尺胚随辊压印模具旋转，在其压印作用下向前走料过程中，U型定位滑块沿导轨滑动，使光栅尺胚在走料过程中始终在于辊压印模具螺旋线带的正下方。本发明进一步的改进在于步骤(4)中，辊压印过程中，压印力为200-500N，辊压印模具转动速度为0. 1-lm/s。相对于现有技术，本发明具有以下优点本发明一种单码道绝对式光栅尺滚压印制造方法，利用螺旋线在圆柱辊模具基体上的多圈绕制，在辊压印模具压印力的作用下，光栅尺胚上的金属材料层发生塑性变形，向辊压印模具螺旋线带上的光栅栅线凹槽中填充，从而在光栅尺胚上形成单码道绝对式光栅尺栅线；本发明方法能够以辊压印工艺制造定制化长度的单码道绝对式光栅尺，相对于传统的光刻制造方式，具有辊压印工艺方案批量、快速、低成本的技术优势，具备产业化的潜力。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。图I是螺旋形辊压印模具结构示意图。图2是单码道绝对式光栅线纹示意图。图3是单码道绝对式光栅辊压印机构示意图。图4是走料定位机构示意图。图5是辊压印复型原理示意图。
图中1为模具基体；2为螺旋线带；3为支撑辊；4为走料辊；5为定位滑块；6为线性导轨；7为光栅尺胚基材；8为光栅压印材料层。
具体实施例方式下面通过附图及具体实施实例详细介绍本发明。但以下实施实例仅限于解释本发明，本发明的保护范围就包括权利要求的全部内容。如图3所示，本发明的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法的一种具体实施方式
是通过下述步骤实现的。该方法包括以下步骤第一步辊压印模具加工。在圆柱形模具基体I上经由车、磨及抛光工序加工出一定宽度和升角的螺旋线带2，如图I所示。本实施例所用的模具基体I材料为不锈钢4Crl3，螺旋线带2外径为D=IOOmm,宽 度为15mm，升角为10度，圈数为8，总长度为I. 5m，抛光后表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度〈I U m。第二步辊压印模具上母光栅线纹加工。首先使用提拉法在辊压印模具上涂铺上一层光刻胶，再将之置于旋转曝光机构上，进行逐线曝光操作。掩模版图形为单根光栅线纹，其宽度为绝对式光栅尺的标称线纹宽度(如图2中一条黑线宽度)，在曝光操作中，精密旋转分度台按照编码程序旋转一定角度a，掩膜版逼近辊压印模具，然后开启紫外光源，曝光一定时间t (2_6s)，然后掩膜版远离辊压印模具，精密旋转分度台按照编码程序旋转一定角度P，同时掩膜版向下移动距离S，使之正对螺旋线，进行下一工位的曝光操作。待整条螺旋线曝光完成后，将之置于显影液中进行显影，最后进行湿法刻蚀，完成母光栅线纹的制造。显影完成后，根据所选用的模具基体材料，选择湿法刻蚀液体，如金属Cu或者不锈钢，使用HCl和FeCl3,石英使用HF溶液，溶液浓度及刻蚀时间根据所需要栅线的宽度及栅线槽深确定。本实施例所用的光刻胶为瑞虹光刻胶，提拉速度为5mm/s,胶层厚度为6 ii m,掩膜版上线纹图形宽度为20 ii m,精度旋转分度台最小分度为0. Iarc sec,曝光时间为4s。第三步光栅尺胚制备。在光栅尺胚基材7 (玻璃)上蒸镀一定厚度的金属薄膜作为光栅压印材料层8;本实施例所用的光栅尺胚基材7为厚度为4mm的浮法玻璃，经过研磨、抛光、清洗后，进行铝薄膜层的沉积，镀膜方式采用电子束蒸镀的方法，镀层厚度为20 ym。第四步单码道绝对式光栅尺辊压印复型。将光栅尺胚置于辊压印模具与支撑辊3之间，使之与辊压印模具轴线的垂直方向呈e角(螺旋线带2的螺旋升角)，如图3所示。以辊压印模具为主动辊，其下的支撑辊3及走料辊4为从动辊，在辊压印模具的压力驱动下，光栅尺胚走料方向为m，与y方向(辊压印模具轴线垂直方向)呈0角。为保证光栅尺胚在走料过程中始终沿m方向，即在辊压印模具沿其轴线旋转过程中始终位于辊压印模具螺旋线带下方，在辊压印装置上安装一走料定位机构，如图4所示。走料定位机构由U型定位滑块5和线性导轨6组成，光栅尺胚放置于定位滑块5的U型槽内，U型定位滑块5安装于线性导轨6上，采用低摩擦系数的特氟龙材料制造。在压印过程中，光栅尺寸需要从辊压印模具螺旋线带2的起始位置横向移动(X方向)移动到结束位置，在此过程中，U型定位滑块5保证其向m方向走料，同时能够在线性导轨6上进行X方向的滑动。在光栅尺胚的走料过程中，辊压印模具上螺旋线区域的母光栅线纹槽形通过压力，使光栅尺胚基材7上的光栅压印材料层8发生塑性变形，从而形成如图2中的单码道绝对式光栅栅线，辊压印复型原理如图5所示。本实施例所用的压印速度(辊压印模具转速)为lm/s，压力350N。
上述单码道绝对式光栅尺的制造方法，利用螺旋线在圆柱辊模具基体上的多圈绕制，能够以棍压印工艺制造定制化长度的单码道绝对式光栅尺，相对于传统的光刻制造方式，具有辊压印工艺方案批量、快速、低成本的技术优势，具备产业化的潜力。
权利要求
1.一种单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)辊压印模具加工在圆柱形模具基体上加工出螺旋线带； (2)辊压印模具上母光栅线纹加工通过旋转光刻及湿法刻蚀工艺，在辊压印模具的螺旋线带上加工母光栅的光栅线纹； (3)光栅尺胚制造在光栅尺胚基材上沉积一层金属薄膜作为光栅压印材料层； (4)绝对式光栅辊压印将光栅尺胚放在辊压印模具与支撑辊之间呈9角放置，并施加压印力，辊压印模具进行旋转，光栅尺胚随辊压印模具的定心旋转，始终定位于辊压印模具的螺旋线带下方，在压力的作用下，在光栅尺胚的表面的光栅压印材料层压印复型出单码道绝对光栅尺栅线；0角为螺旋线带的螺旋升角。
2.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(I)中辊压印模具基体的材料为Cu、不锈钢或石英玻璃；加工工艺为在圆柱形模具基体上经车、磨及抛光加工出螺旋线带；螺旋线带的外径为50-100mm，螺旋升角0为5-20°，螺旋线带宽度为8-15mm，圈数为4_8圈，螺旋线带总长度0. 5_3m，抛光加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度〈I Pm。
3.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(2)中旋转光刻工艺中光刻胶为瑞虹系列光刻胶、安智系列光刻胶或永光系列光刻胶；光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为1-lOmm/s，胶层厚度为5-10 ym。
4.按照权利要求3所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(2)中光刻胶涂覆完成后，对辊压印模具基体进行旋转曝光；旋转曝光所使用的掩膜版中图形为单根栅线，其宽度为单码道绝对式光栅尺的标称线纹宽度，即最窄线纹的宽度，为10-30 y m，其长度为单码道绝对式光栅尺栅线区域的宽度，亦即螺旋线带的宽度8-15mm。
5.按照权利要求4所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(2)中，曝光完成后，进行显影和湿法刻蚀，在辊压印模具的螺旋线带上加工母光栅的光栅线纹。
6.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(3)中，光栅尺胚基材选择厚度为3-6mm的浮法玻璃；光栅尺胚上形成的光栅压印材料层为铝薄膜，其沉积方式为热蒸镀、电子束蒸镀或溅射，厚度为10-15 u m。
7.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(4)中，辊压印模具为主动辊，支撑辊及两侧的走料辊为从动辊，在压印过程中，辊压印模具首先向下运动，提供压印力，带动光栅尺胚向前走料，支撑辊在光栅尺胚下表面摩擦力的作用下转动；光栅尺胚放置的初始位置位于螺旋线带的起始位置的正下方。
8.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(4)中，支撑辊两侧的设置有走料定位机构，该走料定位机构由U型定位滑块和线性导轨组成，光栅尺胚放置于定位滑块的U型槽内，U型定位滑块安装于线性导轨上，采用耐摩擦的特氟龙材料制造。
9.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(4)中，光栅尺胚随辊压印模具旋转，在其压印作用下向前走料过程中，U型定位滑块沿导轨滑动，使光栅尺胚在走料过程中始终在于辊压印模具螺旋线带的正下方。
10.按照权利要求I所述的单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，其特征在于步骤(4)中，辊压印过程中，压印力为200-500N，辊压印模具转动速度为0. 1-lm/ s。
全文摘要
本发明公开一种单码道绝对式光栅尺辊压印制造方法，使用螺旋形辊压印模具，通过辊压印工艺对光栅尺胚表面的金属材料层进行压印复型；所述螺旋形辊压印模具的外形为升角为θ的螺旋线带，单码道绝对式光栅栅线通过旋转光刻和湿法刻蚀制作在螺旋线带之上；将光栅尺胚平置于辊压印模具与支撑辊之间，在辊压印模具压印力的作用下，光栅尺胚上的金属材料层发生塑性变形，向辊压印模具螺旋线带上的光栅栅线凹槽中填充，从而在光栅尺胚上形成单码道绝对式光栅尺栅线。本方法利用螺旋线带在圆柱辊模具基体上的多圈绕制，能够以辊压印方法制造定制化长度的单码道绝对式光栅尺，相对于传统的绝对式光栅尺制造方式，具有批量、快速、低成本的技术优势。
文档编号G01B11/02GK102759857SQ20121024752
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者冯龙, 刘红忠, 卢秉恒, 史永胜, 尹磊, 蒋维涛, 赵效忠 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司