一种便携式光栅尺主尺刻画器及其刻画方法

摘要

本发明公开了一种便携式光栅尺主尺刻画器及其刻画方法，该刻画器包括第一电磁铁、支撑杆、精密注射泵、X轴直线导轨、Y轴直线导轨、控制系统、高压直流电源、转盘、伸缩系统以及第二电磁铁，X轴直线导轨安装在第一电磁铁的正上方，转盘固定在X轴直线导轨的正下方，Y轴直线导轨、伸缩系统及第二电磁铁从上至下依次设置在转盘的下方，第一电磁铁上设有直槽，精密注射泵安装在Y轴直线导轨上且下方设置有注射针头，精密注射泵内装有聚合物溶液，高压直流电源的正极与注射针头连接，负极接地。本发明可刻画面积大，刻画精度高，而且设计巧妙，结构简单、体积小，可以拆卸和组装，方便携带及移动，可广泛应用于光栅尺的刻画领域中。

说明书

技术领域

本发明涉及光栅尺刻画领域，特别是一种便携式光栅尺主尺刻画器及其刻画方法。

背景技术

目前，利用光栅尺来进行位移测量的技术已经日益成熟，而且基于光栅尺的位移测量，不仅测量分辨率高，而且由于光栅尺能够对被测系统进行全闭环控制，降低被测系统的形变等引起的误差，测量精度高，在生产业、制造业的发展中有重要的地位。

目前刻画光栅尺主尺的方法主要有两种，分别是机械刻画法和激光全息法。针对机械刻画法，目前大多应用罗兰研制的牛头刨式，即固定式刀桥做往复运动，并使工作台带动光栅尺主尺按栅距做分度运动。我国长春光学精密机械研究所研制出的闭环控制滑座连续运动的光栅刻画机，利用光电信号准确控制滑座的位移，提高光栅刻槽的直线性和刻画精度。但是，高精度的运动导轨相当昂贵，在提高光栅刻槽密度的前提下，光栅刻画成本居高不下。

全息光刻又称干涉光刻，其原理简单，即两相干光束相交时会产生一系列明暗交替的条纹，它们可用光敏材料例如光刻胶记录并用于形成光栅刻槽，条纹间距由两光束的夹角和波长确定。但是，好的光源价格相当昂贵，并且激光全息法存在栅线边沿粗糙等问题。

而且这两种光刻技术所采用的设备均造价昂贵，结构复杂且体积庞大，进行拆卸或移动后再次进行刻画时，需要多次尝试才能将设备调试到正常工作状态，耗费较多人力物力。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种便携式光栅尺主尺刻画器，本发明的另一目的是提供一种便携式光栅主尺刻画器的刻画方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式光栅尺主尺刻画器，包括第一电磁铁、支撑杆、精密注射泵、X轴直线导轨、Y轴直线导轨、控制系统、高压直流电源、转盘、伸缩系统以及第二电磁铁，所述支撑杆将X轴直线导轨平行地安装在第一电磁铁的正上方，所述控制系统安装在X轴直线导轨上，所述转盘垂直地固定在X轴直线导轨的正下方，所述Y轴直线导轨、伸缩系统及第二电磁铁从上至下依次设置在转盘的下方，所述第一电磁铁上设有直槽，所述第二电磁铁伸入该直槽中且可在伸缩系统的控制下在该直槽中上下移动；

所述X轴直线导轨、Y轴直线导轨、高压直流电源、转盘及伸缩系统均与控制系统连接，所述精密注射泵垂直地安装在Y轴直线导轨上且精密注射泵的下方设置有注射针头，所述精密注射泵内装有聚合物溶液，所述高压直流电源的正极与注射针头连接，负极接地。

进一步，所述注射针头可在X轴直线导轨及Y轴直线导轨的带动下刻画出方波形状的纳米纤维运动轨迹。

进一步，所述第一电磁铁可在通电后将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上，且待刻画的光栅尺主尺安装在所述的加工机床主轴或直线电机导轨上并位于刻画器的注射针头的下方。

进一步，所述刻画器在加工机床主轴的内侧底面或直线电机导轨的内侧底面进行近场电纺。

进一步，所述控制系统采用ARM芯片。

进一步，所述第一电磁铁的表面设有定位刻度。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种便携式光栅尺主尺刻画器的刻画方法，包括：

将待刻画的光栅尺主尺安装在加工机床主轴或直线电机导轨上，然后给第一电磁铁通电后通过第一电磁铁将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上并使得注射针头位于光栅尺主尺的上方；

对注射针头施加高压直流电压后，采用精密注射泵控制聚合物溶液从注射针头中渗出，同时控制系统控制X轴直线导轨及Y轴直线导轨带动注射针头沿方波形状的运动轨迹进行移动，使得渗出的聚合物溶液到达光栅尺主尺后形成方波形状的纳米纤维轨迹，实现光栅尺主尺的刻画；

控制系统判断X轴直线导轨是否移动到尽头，若否，则继续刻画，若是，则将X轴直线导轨旋转180度后继续刻画。

进一步，所述将X轴直线导轨旋转180度后继续刻画的步骤，其具体为：

控制系统控制伸缩系统进行拉伸从而驱动第二电磁铁下降并穿过第一电磁铁的直槽后将刻画器支撑起来，进而控制转盘进行转动从而带动X轴直线导轨旋转度，旋转结束后控制伸缩系统进行收缩使得第二电磁铁上升从而将刻画器放下，继续进行刻画。

本发明的有益效果是：本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器，包括第一电磁铁、支撑杆、精密注射泵、X轴直线导轨、Y轴直线导轨、控制系统、高压直流电源、转盘、伸缩系统以及第二电磁铁，支撑杆将X轴直线导轨平行地安装在第一电磁铁的正上方，控制系统安装在X轴直线导轨上，转盘垂直地固定在X轴直线导轨的正下方， Y轴直线导轨、伸缩系统及第二电磁铁从上至下依次设置在转盘的下方，第一电磁铁上设有直槽，第二电磁铁伸入该直槽中且可在伸缩系统的控制下在该直槽中上下移动，X轴直线导轨、Y轴直线导轨、高压直流电源、转盘及伸缩系统均与控制系统连接，精密注射泵垂直地安装在Y轴直线导轨上且精密注射泵的下方设置有注射针头，精密注射泵内装有聚合物溶液，高压直流电源的正极与注射针头连接，负极接地。本刻画器可刻画面积大，刻画精度高，而且设计巧妙，结构简单、体积小，可以拆卸和组装，方便携带及移动，可以实现对光栅尺主尺的实时实地刻画，使用方便。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器的刻画方法，包括：将待刻画的光栅尺主尺安装在加工机床主轴或直线电机导轨上，然后给第一电磁铁通电后通过第一电磁铁将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上并使得注射针头位于光栅尺主尺的上方；对注射针头施加高压直流电压后，采用精密注射泵控制聚合物溶液从注射针头中渗出，同时控制系统控制X轴直线导轨及Y轴直线导轨带动注射针头沿方波形状的运动轨迹进行移动，使得渗出的聚合物溶液到达光栅尺主尺后形成方波形状的纳米纤维轨迹，实现光栅尺主尺的刻画；控制系统判断X轴直线导轨是否移动到尽头，若否，则继续刻画，若是，则将X轴直线导轨旋转180度后继续刻画。本方法可刻画面积大，刻画精度高，而且可以实现对光栅尺主尺的实时实地刻画，使用方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器的结构示意图；

图2是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器的正视图；

图3是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器的侧视图；

图4是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器将X轴直线导轨4旋转180度时的第一示意图；

图5是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器将X轴直线导轨4旋转180度时的第二示意图；

图6是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器将X轴直线导轨4旋转180度时的第三示意图；

图7是本发明的一种便携式光栅尺主尺刻画器刻画出的光栅尺主尺的示意图。

具体实施方式

参照图1、图2及图3，本发明提供了一种便携式光栅尺主尺刻画器，包括第一电磁铁1、支撑杆2、精密注射泵3、X轴直线导轨4、Y轴直线导轨5、控制系统7、高压直流电源8、转盘9、伸缩系统10以及第二电磁铁11，所述支撑杆2将X轴直线导轨4平行地安装在第一电磁铁1的正上方，所述控制系统7安装在X轴直线导轨4上，所述转盘9垂直地固定在X轴直线导轨4的正下方，所述Y轴直线导轨5、伸缩系统10及第二电磁铁11从上至下依次设置在转盘9的下方，所述第一电磁铁1上设有直槽，所述第二电磁铁11伸入该直槽中且可在伸缩系统10的控制下在该直槽中上下移动；

所述X轴直线导轨4、Y轴直线导轨5、高压直流电源8、转盘9及伸缩系统10均与控制系统7连接，所述精密注射泵3垂直地安装在Y轴直线导轨5上且精密注射泵3的下方设置有注射针头6，所述精密注射泵3内装有聚合物溶液，所述高压直流电源8的正极与注射针头6连接，负极接地。

进一步作为优选的实施方式，所述注射针头6可在X轴直线导轨4及Y轴直线导轨5的带动下刻画出方波形状的纳米纤维运动轨迹。

进一步作为优选的实施方式，所述第一电磁铁1可在通电后将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上，且待刻画的光栅尺主尺安装在所述的加工机床主轴或直线电机导轨上并位于刻画器的注射针头6的下方。

进一步作为优选的实施方式，所述刻画器在加工机床主轴的内侧底面或直线电机导轨的内侧底面进行近场电纺。

进一步作为优选的实施方式，所述控制系统7采用ARM芯片。

进一步作为优选的实施方式，所述第一电磁铁1的表面设有定位刻度。

本发明还提供了一种便携式光栅尺主尺刻画器的刻画方法，包括：

将待刻画的光栅尺主尺安装在加工机床主轴或直线电机导轨上，然后给第一电磁铁1通电后通过第一电磁铁1 将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上并使得注射针头6位于光栅尺主尺的上方；

对注射针头6施加高压直流电压后，采用精密注射泵3控制聚合物溶液从注射针头6中渗出，同时控制系统7控制X轴直线导轨4及Y轴直线导轨5带动注射针头6沿方波形状的运动轨迹进行移动，使得渗出的聚合物溶液到达光栅尺主尺后形成方波形状的纳米纤维轨迹，实现光栅尺主尺的刻画；

控制系统7判断X轴直线导轨4是否移动到尽头，若否，则继续刻画，若是，则将X轴直线导轨4旋转180度后继续刻画。

进一步作为优选的实施方式，参照图4~图6，所述将X轴直线导轨4旋转180度后继续刻画的步骤，其具体为：

控制系统7控制伸缩系统10进行拉伸从而驱动第二电磁铁11下降并穿过第一电磁铁1的直槽后将刻画器支撑起来，进而控制转盘9进行转动从而带动X轴直线导轨4旋转180度，旋转结束后控制伸缩系统10进行收缩使得第二电磁铁11上升从而将刻画器放下，继续进行刻画。

下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例一

参照图1~图3，一种便携式光栅尺主尺刻画器，包括第一电磁铁1、支撑杆2、精密注射泵3、X轴直线导轨4、Y轴直线导轨5、控制系统7、高压直流电源8、转盘9、伸缩系统10以及第二电磁铁11，支撑杆2将X轴直线导轨4平行地安装在第一电磁铁1的正上方，控制系统7安装在X轴直线导轨4上，转盘9垂直地固定在X轴直线导轨4的正下方，Y轴直线导轨5、伸缩系统10及第二电磁铁11从上至下依次设置在转盘9的下方，第一电磁铁1上设有直槽，第二电磁铁11伸入该直槽中且可在伸缩系统10的控制下在该直槽中上下移动；

X轴直线导轨4、Y轴直线导轨5、高压直流电源8、转盘9及伸缩系统10均与控制系统7连接，精密注射泵3垂直地安装在Y轴直线导轨5上且精密注射泵3的下方设置有注射针头6，精密注射泵3内装有聚合物溶液，高压直流电源8的正极与注射针头6连接，负极接地。高压直流电源8用于为注射针头6提供高压直流电压，为静电纺丝提供电场。控制系统7与高压直流电源8连接，可以控制高压直流电源8的电压输出。另外，控制系统7可以控制X轴直线导轨4沿X轴方向运动，控制Y轴直线导轨5沿Y轴方向运动。

注射针头6可在X轴直线导轨4及Y轴直线导轨5的带动下刻画出方波形状的纳米纤维运动轨迹。此时，即控制系统7控制X轴直线导轨4沿X轴方向运动第一预设距离后暂停移动，然后控制Y轴直线导轨5沿Y轴方向运动第二预设距离暂停移动，重复这个运动过程，则可控制注射针头6沿方波形状的轨迹运动，运动过程中注射针头6边渗出聚合物溶液，在高压直流电源8施加的电场下，注射针头6即可刻画出方波形状的纳米纤维运动轨迹。

第一电磁铁1可在通电后将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上，且待刻画的光栅尺主尺安装在加工机床主轴或直线电机导轨上并位于刻画器的注射针头6的下方。

图4~图6展示了X轴直线导轨4移动到尽头时在转盘9的带动下旋转180度的过程。第二电磁铁11伸入第一电磁铁1的直槽中且可在伸缩系统10的控制下在该直槽中上下移动，当X轴直线导轨4移动到尽头时，控制系统7控制伸缩系统10进行拉伸从而驱动第二电磁铁11下降并穿过第一电磁铁1的直槽后将刻画器支撑起来，进而控制转盘9进行转动从而带动X轴直线导轨4旋转180度，旋转结束后控制伸缩系统10进行收缩使得第二电磁铁11上升从而将刻画器放下，继续进行刻画，使得X轴直线导轨4沿X轴方向又有足够的运动行程，即本刻画器可以自动进行延长刻画。

转盘9旋转时Y轴直线导轨5不动，因此Y轴直线导轨5实际上是与伸缩系统10的上端面固定的，与转盘9之间是活动连接的。

刻画器在加工机床主轴的内侧底面或直线电机导轨的内侧底面进行近场电纺，图1中的附图标记12表示加工机床主轴或直线电机导轨，刻画器在其内侧底面进行近场电纺。图1中的附图标记13表示注射针头6刻画出的纳米纤维丝，纳米纤维丝13是不透光的，而加工机床主轴或直线电机导轨均是采用反光金属，因此，反光金属跟纳米纤维丝13形成亮暗条纹，从而得到反射式的光栅尺主尺，刻画出的光栅尺主尺如图7中所示。

优选的，本实施例中控制系统7采用ARM芯片来实现。

第一电磁铁1的表面设有定位刻度。

本发明的刻画器结构简单、体积小，可以拆卸和组装，方便携带及移动，可以实现对光栅尺主尺的实时实地刻画，而且可以直接将加工机床主轴或直线电机导轨作为光栅尺主尺的载体，不需要传统技术中的玻璃片作为光栅尺主尺的载体，使用更加方便，生产及使用成本低。另外，本发明还可以实现光栅尺主尺的自动延长刻画，无需多次进行人工定位，即可实现较大面积刻画。还有，本发明采用近场电纺技术刻画的方波形状的纳米纤维运动轨迹，栅线边缘平滑，精度可以达到±5μm，具有较高精度。

实施例二

实施例一的一种便携式光栅尺主尺刻画器的刻画方法，包括：

将待刻画的光栅尺主尺安装在加工机床主轴或直线电机导轨上，然后给第一电磁铁1通电后通过第一电磁铁1 将刻画器吸附在加工机床主轴或直线电机导轨上并使得注射针头6位于光栅尺主尺的上方；

对注射针头6施加高压直流电压后，采用精密注射泵3控制聚合物溶液从注射针头6中渗出，同时控制系统7控制X轴直线导轨4及Y轴直线导轨5带动注射针头6沿方波形状的运动轨迹进行移动，使得渗出的聚合物溶液到达光栅尺主尺后形成方波形状的纳米纤维轨迹，实现光栅尺主尺的刻画；

控制系统7判断X轴直线导轨4是否移动到尽头，若否，则继续刻画，若是，则将X轴直线导轨4旋转180度后继续刻画，具体为：

参照图4~图6，控制系统7控制伸缩系统10进行拉伸从而驱动第二电磁铁11下降并穿过第一电磁铁1的直槽后将刻画器支撑起来，进而控制转盘9进行转动从而带动X轴直线导轨4旋转180度，旋转结束后控制伸缩系统10进行收缩使得第二电磁铁11上升从而将刻画器放下，继续进行刻画。

电纺丝技术最早由Fomalas在年提出，他发明了一种用静电推力来产生聚合物细丝的设备，并申请了专利。随后Taylor等人于年对静电纺丝过程中带电聚合物的变形提出了泰勒锥这一概念，直到上个世纪年代人们开始广泛关注电纺丝技术。厦门大学的孙道恒教授等人提出近场电纺，令电纺针头与收集装置之间的距离大约为0~10mm，使得静电纺丝的过程更加容易控制，孙道恒教授等人已经成功纺织出来直径为100nm~3μm的纳米纤维。

本发明中，采用的近场电纺技术的工作原理如下：聚合物溶液从注射针头6的注射孔渗出之后，在高压直流电源8施加的电场力的作用下，依附在小孔上的小液珠突破表面张力、黏力以及摩擦力的作用形成泰勒锥。高压直流电源8施加的高电压使注射针头的聚合物溶液带电，并产生射流。射流中的溶剂在射流到达机床的过程中挥发，使到达机床的纤维固化，形成纳米纤维。近场电纺技术的具体原理还可参照现有技术文件做进一步了解，本发明不进行更详细的描述。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。