时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统及制造方法技术方案

本发明专利技术公开了一种时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统及制造方法，牵引辊作为主动辊以空域角速度ω1转动，驱动钢带基材从放卷辊匀速水平移动输出；线型飞秒激光单元在电子快门时域开关频率f的调控下，对钢带基材进行定域刻线形成光栅尺；清洗单元对光栅尺进行清洗；收卷辊完成光栅尺的成卷储存；监测单元用于对光栅制造质量和收卷外径的实时监测；辅助辊系用于保证制造系统的平稳传动。本发明专利技术以辊系传动实现超长钢带基材持续匀速水平移动，以电子快门调控的线型飞秒激光实现超长钢带光栅制造，通过空域参量ω1和时域参量f的协同控制，实现钢带光栅结构尺度和精度的调控，为超长钢带光栅的高精、高效制造提供了一种新技术。供了一种新技术。供了一种新技术。

【技术实现步骤摘要】
时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统及制造方法


[0001]本专利技术属于智能制造领域，特别提供一种时空参量协同控制的超长钢带光栅激光制造系统及制造方法。

技术介绍

[0002]精密光栅位移传感器，作为装备超精密定位的“眼睛”，是精密数控机床、电子制造装备、三坐标测量机等不可或缺的关键传感部件之一，并已逐渐拓展应用至光刻机领域。
[0003]相比透射光栅位移传感器，精密反射光栅位移传感器无回程误差，具有更高的位移测量精度。钢带光栅尺，作为精密反射光栅位移传感器的测量基准，其制造精度和制造幅面，决定测量精度和量程。因此，钢带光栅的高精、高效、超长连续制造，成为精密反射光栅位移传感器的关键技术之一。
[0004]钢带光栅的典型制造工艺方法包括：1)光刻曝光工艺，以模板作为掩蔽对基材曝光形成光栅结构，是应用最为广泛的光栅制造工艺，光栅制造精度取决于模板精度，制造长光栅时需要多次拼接，存在拼接误差；2)全息曝光工艺，利用激光干涉对基材曝光形成光栅结构，栅距精度取决于干涉光路调整精度，光栅制造幅面受限于激光束半径；3)辊对辊纳米压印复型工艺，原理上可以实现超长光栅制造，但制造精度受限于辊压印模具的制造误差及磨损、以及辊压印过程的滑移误差等；4)机械微刻划工艺，利用金刚石刀具的微刻划实现光栅制造，刀具步进精度、刀具磨损等制约光栅制造精度，且机械刻划效率低；5)飞秒激光直写工艺，以“光刀”代替“钢刀”，利用聚焦激光对基材进行刻划，不存在刀具磨损问题，且光栅边缘光滑锐利，但依旧面临制造精度受限于“光刀”步进精度、加工超长光栅效率低的问题。
[0005]中国专利技术专利CN107322170A公开了一种使用激光干涉反馈的超长金属带式光栅尺刻划系统，将金属带传送到激光蚀刻区域，激光蚀刻区域的反馈由激光干涉仪组成，此时有一个反复移动的机构，它可以带动金属带移动，每移动一定距离，激光器就被触发一次，每次触发就会把金属带的保护膜蚀刻出一条线。该机构移动一段距离后，金属带被锁紧装置锁定，该机构自己返回初始点，重复开始刻线。该超长金属带式光栅尺刻划系统采用的是步进式移动的方式进行刻线，刻线精度受限于激光干涉仪长时工作下的精度稳定性、以及步进控制精度，并且步进式移动效率低，难以实现批量生产。
[0006]因此，针对超长钢带光栅的制造，目前的制造工艺在一定程度上面临着制造精度与制造幅面、制造效率相矛盾的问题。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提供一种时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统及制造方法，相比与传统激光直写工艺以准静态启停基材为加工对象的模式，本专利技术以空域匀速水平移动基材作为加工对象，以时域开关调控的飞秒激光为能
量束，通过空域参量和时域参量的协同控制，实现超长钢带光栅的高精、高效制造。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0009]一种时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统，所述制造系统包括放卷辊、牵引辊和收卷辊，所述放卷辊和牵引辊之间设置有线型飞秒激光单元和电子快门，所述线型飞秒激光单元设置在所述电子快门正上方，所述牵引辊和收卷辊之间设置有清洗单元，所述清洗单元和收卷辊之间设置有第一检测单元，所述收卷辊的正上方设置有第二检测单元，沿钢带传送方向上设置有若干个辅助辊系，均为从动辊，能够实现钢带从电子快门下方水平移动，也能够实现钢带顺利进入清洗单元中进行清洗。
[0010]所述牵引辊为主动辊，以空域角速度ω1转动，所述收卷辊为主动辊，其空域角速度为ω2。所述牵引辊的外圆柱面具有磁性或负压结构，钢带经过电子快门下方时水平移动速度V＝R1ω1，其中，R1为牵引辊的半径。
[0011]所述线型飞秒激光单元由飞秒激光器、振镜、聚焦镜组组成，其输出线型飞秒激光光斑。所述电子快门的时域开关频率为f。
[0012]进一步地，所述线型飞秒激光光斑的长度为2—10mm，光斑的宽度为0.5—200μm。所述钢带为具有一定柔性的不锈钢带条。优选地，所述不锈钢带的厚度为0.1—1.5mm，宽度为3—15mm，长度为1—500m。
[0013]进一步地，所述收卷辊由金属刚性部件和塑胶弹性部件组成；所述金属刚性部件内环制造有刚性内齿；所述塑胶弹性部件的弹性臂采用镂空结构，其端部制造有与所述刚性内齿啮合的弹性外齿。金属刚性部件和塑胶弹性部件相互配合，能够实现过载保护，当(R2+Δr)ω2＞R1ω1时，收卷辊过载空转，以保证收卷辊的转动不影响牵引辊的转速稳定性，其中，R2为收卷辊的半径，ω2为收卷辊的转动角速度，Δr为钢带光栅收卷过程引入的收卷辊等效半径的增量。
[0014]进一步地，第一检测单元为光学显微镜；第二检测单元为激光三角位移传感器。所述清洗单元采用的清洗剂为无水乙醇。
[0015]一种采用所述时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统的制造工艺过程，包括如下步骤：
[0016]S1.钢带基材上料：将钢带成卷装入放卷辊，并牵引钢带起始端通过牵引辊、清洗模块、收卷辊、辅助辊系，完成钢带的预张紧，等待加工；
[0017]S2.系统参数设置：
[0018]S2
‑
1.设置空域角速度ω1和f。钢带光栅尺的几何结构特征由所述牵引辊的空域角速度ω1和所述电子快门的时域参量f协同控制，钢带光栅的周期尺度为P：
[0019]P＝V/f＝R1ω1/f (1)
[0020]其中，R1为牵引辊的半径；
[0021]牵引辊的半径R1为已知量，以钢带光栅的结构尺度P为目标值，设置牵引辊的空域角速度ω1和电子快门的时域开关频率f，使其满足约束条件P＝R1ω1/f；
[0022]S2
‑
2.设置空域角速度ω2。收卷辊的半径R2为已知量，设置空域角速度ω2，使其满足约束条件R2ω2＝(0.7～0.8)R1ω1；
[0023]S3.钢带匀速移动：牵引辊在电机驱动下以空域角速度ω1转动，带动钢带从放卷辊中持续匀速输出，经过辅助辊系，水平从电子快门下方移动；
[0024]S4.飞秒激光加工光栅：线型飞秒激光单元在电子快门时域开关频率f的调控下，对匀速水平移动的钢带进行定域加工，形成钢带光栅尺；
[0025]S5.钢带光栅清洗与检测：通过清洗单元对制造的钢带光栅尺进行清洗，第一检测单元对清洗后的的钢带光栅尺进行在线质量检测；
[0026]S6.钢带光栅收卷存储：在收卷辊的作用下，钢带光栅尺逐渐缠绕在收卷辊上，第二检测单元对收卷辊等效半径增量Δr进行实时监测，当Δr达到阈值后，收卷辊实现过载保护，工作人员剪断钢带光栅，取下当前收卷辊外环及钢带光栅卷，完成当前钢带光栅的成卷储存；更换下一个收卷辊外环，继续收卷储存钢带光栅；
[0027]S7.钢带的接续上料、加工：放卷辊上缠绕的当前钢带基材加工完毕后，换装下一卷钢带，重复S1—S6的步骤，开始下一卷钢带的光栅加工。
[0028]进一步地，在牵引辊上连接大减速比减本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时空参量协同控制的超长钢带光栅飞秒激光制造系统，所述制造系统包括放卷辊(2)、牵引辊(1)和收卷辊(6)，所述放卷辊(2)和牵引辊(1)之间设置有线型飞秒激光单元(3)和电子快门(4)，所述线型飞秒激光单元(3)设置在所述电子快门(4)正上方，所述牵引辊(1)和收卷辊(6)之间设置有清洗单元(5)，所述清洗单元(5)和收卷辊(6)之间设置有第一检测单元(7
‑
1)，所述收卷辊(6)的正上方设置有第二检测单元(7
‑
2)，沿钢带传送方向上设置有若干个辅助辊系(8
‑
i)，均为从动辊，能够实现钢带从电子快门(4)下方水平移动，也能够实现钢带顺利进入清洗单元(5)中进行清洗。2.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，所述牵引辊(1)为主动辊，以空域角速度ω1转动，所述收卷辊(6)为主动辊，其空域角速度为ω2；所述牵引辊(1)的外圆柱面具有磁性或负压结构，钢带经过电子快门(4)下方时水平移动速度V＝R1ω1，其中，R1为牵引辊(1)的半径。3.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，所述线型飞秒激光单元(3)由飞秒激光器(3
‑
1)、振镜(3
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2)、聚焦镜组(3
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3)组成，其输出线型飞秒激光光斑；所述电子快门(4)的时域开关频率为f。4.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，所述线型飞秒激光光斑的长度为2—10mm，光斑的宽度为0.5—200μm；所述钢带为具有一定柔性的不锈钢带条；所述不锈钢带的厚度为0.1—1.5mm，宽度为3—15mm，长度为1—500m。5.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，所述收卷辊(6)由金属刚性部件(6
‑
1)和塑胶弹性部件(6
‑
2)组成；所述金属刚性部件(6
‑
1)内环制造有刚性内齿；所述塑胶弹性部件(6
‑
2)的弹性臂采用镂空结构，其端部制造有与所述刚性内齿啮合的弹性外齿；金属刚性部件(6
‑
1)和塑胶弹性部件(6
‑
2)相互配合，能够实现过载保护，当(R2+Δr)ω2＞R1ω1时，收卷辊(6)过载空转，以保证收卷辊(6)的转动不影响牵引辊(1)的转速稳定性，其中，R2为收卷辊(6)的半径，ω2为收卷辊(6)的转动角速度，Δr为钢带光栅收卷过程引入的收卷辊(6)等效半径的增量。6.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，第一检测单元(7
‑
1)为光学显微镜；第二检测单元(7
‑
2)为激光三角位移传感器；所述清洗单元(5)采用的清洗剂为无水乙醇。7.如权利要求1所述制造系统，其特征在于，牵引辊(1)上还连接有大减速比减速器(9)；所述大减速比减速器(9)由精密主动齿轮(9
‑
1)和精密从动齿轮(9
‑
2)构成减速传动结构，减速比为K；所述精密主动齿轮(9
‑
1)在电机驱动下的转动空域角速度为ω0；所述牵引辊(1)为从动轮，从动轮转动空域角速度为ω1＝Kω0，超长钢带光栅的匀速水平移动速度V＝R1ω1＝KR1ω0，R1为牵引辊(1)的半径。8.一种采用权利要求1
‑
6中任意一项所述的制造系统实现超长钢带光栅制造的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.钢带基材上料：将钢带成卷装入放卷辊(2)，并牵引钢带起始端通过牵引辊(1)、清洗模块(5)、收卷辊(6)、辅助辊系(8
‑
i)，完成钢带的预张紧，等待加工；S2.系统参数设置：S2
‑
1.设置空域角速度ω1和f；；钢带光栅尺的几何结构特征由所述牵引辊(1)的空域角速度ω1和所述电子快门(4)的时域参量f协同控制，钢带光栅的周期尺度为P：P＝V/f＝R1ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶国永，刘振东，金少搏，肖海峰，文笑雨，刘旭玲，张亚琳，
申请(专利权)人：武汉海默机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：