专利名称：精密水准标尺的尺带加工系统及尺带加工检测方法
技术领域：
本发明属于测量仪器设备制造技术领域，涉及一种激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，另外，本发明还涉及利用该系统对激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工检测方法。
背景技术：
铟瓦水准尺作为精密水准测量系统的主要部件，已经广泛地应用到世界各国的精密水准测量中。铟瓦水准尺是国家长度标准的载体，配合水准仪使用。作为长度标准的载体，铟瓦水准尺必须具备量值准确并能够溯源至国家基准。量值准确并能够溯源至国家基准这一特质，是依赖载于尺带上分划条纹精确定位实现的。对铟瓦尺的评价，基于条纹分划的定位精度和条纹的影像质量。目前主要采用模板喷涂法生产条码型铟瓦水准尺尺带。模板喷涂法首先需要加工一高精度模板，该模板分划线宽度有lmm、l. 5mm和3_三种规格，模板长度通常有0. 5m、Im 和3m等不同规格。加工时将模板与涂有白色底漆的铟瓦带叠合，两者均以一定的拉力张紧，然后喷涂黑漆，这样就制成带有黑色分划的铟瓦水准尺带。当采用0. 5m或Im模板加工尺长大于模板长度的尺带时，在拼接处出现不连续现象，且分划线中存在周期性变化的分划误差。受模板本身精度的限制、模板受力变形、模板与尺带接触不良产生间隙时的喷漆溅射、以及起模时模板漆膜与尺带漆膜分离的撕裂等因素的影响，模板喷涂法很难获得高质量的分划边缘和高精度的分划位置。模板喷涂法生产的铟瓦尺带的分划标准差一般都大于 7 u m,分划线边缘的不规则性误差可达20 u m。过大的分划标准差和分划线边缘的不规则性误差，一定会导致水准尺不同位置的实际测量误差。此外，还有一种铣刻法生产条码型铟瓦水准尺尺带。铣刻法是用一台精密铣床刻制标尺的分划线。在铟瓦带上涂有两层涂料，外层呈白色，底层为黑色，当铣去外层后就形成黑色分划线。由于一般铣床的行程多为lm，故也存在拼接处不连续的问题。铣刻法生产的铟瓦尺带的分划标准差仅能达到10 ym，铣刻法同样存在分划线边缘的不规则性误差，其大小取决于纟先削时的表面质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，解决了现有水准标尺尺带的制造方法生产的水准标尺精度不够高的问题。本发明的另一目的是提供一种利用上述系统对激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工检测方法。本发明所采用的技术方案是，一种激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统， 包括在精密数控机床的大理石床身台面之下沿纵向水平设置有滚动丝杠，滚动丝杠与伺服电动机传动连接，伺服电动机与伺服控制器连接，伺服控制器通过运动控制接口与主计算机连接，伺服控制器和运动控制接口还同时与电控箱连接；
在大理石床身上表面沿纵向设置有线性滑轨，线性滑轨上安置有刻制滑台，刻制滑台下表面固定有丝母，丝母与滚动丝杠螺纹套接；刻制滑台上表面设置有固定尺带的夹具和测力传感器，夹具中夹持有纵向水平放置的待刻制尺带，待刻制尺带的一端设置有激光干涉仪，激光干涉仪与位移测量接口连接，位移测量接口同时与主计算机和电控箱连接； 待刻制尺带的另一端通过加载装置与测力传感器连接，测力传感器与主计算机连接；待刻制尺带的上方设置有固体激光器，固体激光器通过刻蚀激光头控制接口同时与主计算机和电控箱连接。本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述系统对激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工检测方法，该方法利用上述的装置，在主计算机中设置预先编制的加工程序， 通过以下各个部分配合实施，A、主计算机通过激光干涉仪用电路卡与激光干涉仪用并行接口卡控制激光干涉仪的工作，用于测量拖板运行的位移量；B、主计算机通过拖板驱动控制D/A卡控制拖板驱动控制单元工作，拖板驱动控制单元控制伺服电动机工作，实现刻制滑台的精确移动，同时，拖板驱动控制单元通过拖板驱动控制开关量卡分别实现刻制滑台两端进行尺带的限位检测和尺带的零位检测；C、拖板驱动控制开关量卡与烧蚀控制计算机连接，烧蚀控制计算机通过烧蚀设定操作界面进行操作设置，烧蚀控制计算机控制固体激光器的加工激光器光头工作，对待加工尺带进行烧蚀刻制；D、利用图像预检模块中的图像传感器采集尺带加工图像信息，图像检测系统进行加工质量判定，图像检测系统与主计算机连接输出结果，对刻蚀加工后的尺带进行质量检测。本发明的有益效果是，极大提高铟瓦水准标尺制造中的分划线纹位置精度、线纹边缘规则程度和长度朔源精度，得以制造出高精度的水准标尺尺带。
图I是本发明的尺带加工系统的结构示意图；图2是本发明的尺带检测方法的工作原理示意图。图中，I.激光干涉仪，2.固体激光器，3.待刻制尺带，4.夹具，5.加载装置，6.测力传感器，7.伺服电动机，8.刻制滑台，9.线性滑轨，10.滚动丝杠，11.大理石床身，12.刻蚀激光头控制接口，13.位移测量接口，14.主计算机，15.运动控制接口，16.伺服控制器， 17.电控箱，18.减震可调床身支架，19.丝母，20.烧蚀控制计算机，21.动力电源，22.烧蚀设定操作界面，23.激光干涉仪用并行接口卡，24.激光干涉仪用电路卡，25.控制操作界面，26.拖板驱动控制单元，27.拖板驱动控制开关量卡，28.拖板驱动控制D/A卡，29.加工激光器光头，30.激光器光学部件，31.激光电源Q调制器，32.固体激光器电源，33.固体激光器及电源冷却系统，34.图像传感器，35.影像显示器，36.图像检测系统，37.零位传感器，38.限位传感器。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的尺带加工系统的结构是，包括在精密数控机床的大理石床身 11台面之下沿纵向水平设置有滚动丝杠10，滚动丝杠10与伺服电动机7传动连接，伺服电动机7与伺服控制器16连接，伺服控制器16通过运动控制接口 15与主计算机14连接，伺服控制器16和运动控制接口 15还同时与电控箱17连接；在大理石床身11上表面沿纵向设置有线性滑轨9，线性滑轨9上安置有刻制滑台8，刻制滑台8下表面固定有丝母19，丝母 19与滚动丝杠10螺纹套接；刻制滑台8上表面设置有固定尺带的夹具4和测力传感器6， 夹具4中夹持有纵向水平放置的待刻制尺带3，待刻制尺带3的一端(后端)设置有激光干涉仪1，激光干涉仪I与位移测量接口 13连接(此处是信号连接，有保证信号匹配的电平转换电路)，位移测量接口 13同时与主计算机14和电控箱17连接；待刻制尺带3的另一端(前端)通过加载装置5与测力传感器6连接，测力传感器6与主计算机14连接；待刻制尺带3的上方设置有固体激光器2，固体激光器2通过刻蚀激光头控制接口 12同时与主计算机14和电控箱17连接。大理石床身11下表面设置有减震可调床身支架18。刻制滑台8以下简称为“拖板”。参照图2，本发明上述系统经过下述的外接设备扩充后，能够实现尺带加工及其检测控制的双重功能。本发明的激光漆层剥离精密水准标尺尺带检测控制过程中，包含以下几个控制部分协调实现加工及检测控制a)由偏振型激光干涉仪朔源并提供长度基准基准精度高，朔源直接。采用激光干涉仪为长度基准，设置合理的位移测量、定位系统，能够保证线纹加工基准线和尺带基准线接近重合，减少阿贝误差以降低对机床导轨和环境的要求。此部分见图2中虚线框①内容。激光干涉仪I通过激光干涉仪用电路卡24与激光干涉仪用并行接口卡23连接，激光干涉仪用并行接口卡23与主计算机14连接，主计算机14与控制操作界面25连接。b)基于固体激光器2的漆层剥离线纹加工方法和加工模块控制固体激光器的功率、激光脉冲频率、光束移动速度之间的配合关系，精确控制漆层剥离深度、边缘质量。此部分见图2中虚线框③内容。固体激光器2主要包括加工激光器光头29、激光器光学部件30、 激光电源Q调制器31、固体激光器电源32、固体激光器及电源冷却系统33连接组成，固体激光器2还与烧蚀控制计算机20连接，烧蚀控制计算机20与烧蚀设定操作界面22连接， 烧蚀控制计算机20还与拖板驱动控制开关量卡27连接，接受烧蚀启动控制。c)特殊的刻划控制方法及控制软件采用两个不同宽度的刻划区域分别刻划并衔接的刻划方式，称为“两级刻划宽度衔接”的刻划方式。设计激光束在一个小范围内扫描， 以调整剥离加工宽度适应不同编码形式的最小基码宽度，能够在小范围内获得较高的烧蚀边缘精度。承载尺带的刻制滑台8在基码宽度的基础上定位运行，按编码进行全尺带范围内的定位,这样能够兼顾刻划精度和刻划效率。此部分见图2中虚线框②和④的内容。虚线框④的控制部分是，包括主计算机14及其控制操作界面25。虚线框②的控制部分是，包括与伺服电动机7连接的拖板驱动控制单元26，拖板驱动控制单元26同时与拖板驱动控制D/A卡28、拖板驱动控制开关量卡27连接，拖板驱动控制D/A卡28还与主计算机14连接；拖板驱动控制单元26相当于伺服控制器16的作用。拖板驱动控制D/A卡28、拖板驱动控制开关量卡27共同构成运动控制接口 15。拖板驱动控制开关量卡27分别与零位传感器37和限位传感器38同时连接，用于在大理石床身11两端进行限位检测和尺带的末端位置检测，零位传感器37安装在大理石床身尺带的前端(图2所示的右端)，限位传感器38安装在大理石床身(或滚动丝杠10) 的后端(图2所示的左端)。d)条码尺带显微图像预检模块；在于加工相同的环境下，不拆卸前述加工完成的尺带，直接在大理石床身上即时实现对尺带进行加工质量的(预先)检测。预检采用显微图像和激光干涉仪I同步采集数据，显微图像采集各线纹影象，将边缘线纹位置和激光干涉仪测量的长度按各条线纹对应，称为同步采集数据，对每个条纹和边缘进行记录，所提供的数据能够评价尺带精度、也能够及时发现加工过程中的故障，比如能够评价线纹刻划的位置精度；可以发现刻划的线纹宽度是否在要求范围内；能够发现尺面上是否有污染物导致刻划变形等，图像数据档案分析还能够对质量控制和质量提高提供资料。此部分见图2 中虚线框⑤内容。虚线框⑤的部分是，图像预检模块包括对向所加工尺带的图像传感器34，图像传感器34与影像显示器35、图像检测系统36互相连接，图像检测系统36另与主计算机14连接。图像检测系统作用是指控制图像传感器和影响显示器协调工作，并将测得数据送至主计算机。此外工作前还需从主计算机进行一些基本参数的设置，如环境参数，温度、气压；工作参数，测量尺带型号、规范、测量范围等。所述的图像检测系统(还)包括与激光干涉仪I对应设置的测量反射镜、零位传感器37、限位传感器38，激光干涉仪的测量反射镜安装在工作台上；零位传感器37安装在滚动丝杠10的右端部，为系统提供零位标识信号；限位传感器38安装在滚动丝杠10的左端部。本发明控制系统中设置有动力电源21，为各个用电部件提供电力。上述的各个传感器及控制部件均与主计算机连接，分别传输信号或者接受统一的控制，实现尺带的精密加工。本发明方法利用上述的装置，在主计算机14中设置预先编制的加工程序，通过以下步骤实施，A、主计算机14依次通过激光干涉仪用并行接口卡、及用电路卡控制激光干涉仪I 的工作；B、主计算机14通过拖板驱动控制D/A卡28控制拖板驱动控制单元26工作，拖板驱动控制单元26控制伺服电动机工作，同时，拖板驱动控制单元26通过拖板驱动控制开关量卡27分别实现拖板两端的检测；C、拖板驱动控制开关量卡27与烧蚀控制计算机20连接，烧蚀控制计算机20通过烧蚀设定操作界面22进行操作设置，烧蚀控制计算机20控制固体激光器2的加工激光器光头29工作，对待加工尺带3进行烧蚀刻制；D、对刻蚀好的尺带进行预检，图像预检模块包括图像传感器，图像传感器与影像显示器、图像检测系统互相连接，图像检测系统与主计算机14连接。本发明方法的一个完整加工过程是给主计算机14输入预先编制好的编码尺带条纹位置参数组，依据这组参数，通过伺服驱动系统控制拖板移动，固定装夹于拖板上的待加工尺带随之移动，尺带的位移量由激光干涉仪测量，当尺带到达某一条码的起始位置时， 主计算机发出指令，开启高能激光头，进行最窄条码的漆层剥离烧蚀；最窄条码烧蚀完成后主计算机发出指令，关闭高能激光头，完成一个条码的生成。对后继其他条码计算机按事先安排好的程序，通过控制程序控制尺带位移，进行拼接，当尺带到达该黑色条码的终止位置时，停止加工，从而沿全尺长在规定的位置剥离烧蚀出宽度不等的黑色条码，完成一根尺带的加工。本发明装置，对加工完成的条码尺带，在不拆卸加工完成的尺带情况下，还能够对尺带进行预检。预检采用显微图像和激光干涉仪同步采集数据。本发明的检测系统不同于水准尺成尺的鉴定系统，不仅需要对水准尺的合格与否给出评价，作为制造水准标尺尺带系统的一个组成部分，还能够提供更丰富的信息，为生产高水准的尺带提供支持。本发明的方法的特点包括以下几点I)激光漆层的剥离加工，条码线纹的形成。目前广泛应用于激光加工的长波长红外激光器是基于热效应激光蒸发原理实现加工的，即在激光照射下，材料表面被加热，当表面温度达到熔点时，材料表面首先发生熔化。若提高激光的入射功率密度(单位J/cm2)， 使表面温度上升到沸点，材料表面部分物质将开始蒸发。若进一步提高入射激光的功率密度，表面汽化的气体温度随之升高，会引起物质爆炸性的喷溅，固态物质形成烟雾状气体。引起的爆炸性的喷溅条件是，入射激光的功率密度超过某一阈值Q(导致某一物理现象所必须的最小值)，否则不会发生，阈值与激光的脉冲宽度、材料对光的吸收率、光的穿透深蹲(即光射入物质中，强度变为1/e处的深度)、热传导率、比热、热容量的参量有关。 所以，只有合理的选择激光的功率、激光脉冲宽度、激光波长及被气化材料的参数，才能实现条码尺带漆层的有效剥离，即烧蚀气化。要得到需要的条纹质量，还需与合适的激光光斑直径相配合。实际应用中，激光器瞬时功率在600 1300瓦之间,激光波长为I I. 2微米，光斑直径为0. 05 0. 2毫米，其他参数参照确定。2)长度朔源和线纹位置定位在大理石基座上安装有滚动丝杠和线性滑轨，组成刻制运动系统，通过伺服电动机产生进给运动。线性滑轨的滑块上固装有工作台和夹具，夹具上固定有待加工的尺带，加载装置可按规定给尺坯加力，加力值通过测力传感器测量并显示。激光干涉仪的测量反射镜安装在工作台上，与尺带一起作位移运动，由激光干涉仪测量运动位移。漆层剥离加工激光头提供剥离烧蚀用聚焦激光光束，并产生扫描运动，实现最窄条码的刻制。3)尺带的安装和运动定位加工条码前尺带带坯固定在拖板上的夹具上，要保证尺带带坯横断面中心线与激光干涉仪激光束同轴。为保证带坯与实际使用状况相近并尽量使之平整，在带坯的一端按规定预加一定拉力，拉力大小通过数显加力指示。
权利要求
1.一种激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，其特征在于包括在精密数控机床的大理石床身(11)台面之下沿纵向水平设置有滚动丝杠(10)，滚动丝杠(10)与伺服电动机(7)传动连接，伺服电动机(7)与伺服控制器(16)连接，伺服控制器(16)通过运动控制接口(15)与主计算机(14)连接，伺服控制器(16)和运动控制接口(15)还同时与电控箱(17)连接；在大理石床身(11)上表面沿纵向设置有线性滑轨(9)，线性滑轨(9)上安置有刻制滑台(8)，刻制滑台(8)下表面固定有丝母(19)，丝母(19)与滚动丝杠(10)螺纹套接；刻制滑台(8)上表面设置有固定尺带的夹具(4)和测力传感器￠)，夹具(4)中夹持有纵向水平放置的待刻制尺带(3)，待刻制尺带(3)的一端设置有激光干涉仪(I)，激光干涉仪(I)与位移测量接口(13)连接，位移测量接口(13)同时与主计算机(14)和电控箱(17)连接；待刻制尺带(3)的另一端通过加载装置(5)与测力传感器(6)连接，测力传感器(6)与主计算机(14)连接；待刻制尺带(3)的上方设置有固体激光器(2)，固体激光器(2)通过刻蚀激光头控制接口(12)同时与主计算机(14)和电控箱(17)连接。
2.根据权利要求I所述的激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，其特征在于 所述的激光干涉仪(I)通过激光干涉仪用电路卡(24)与激光干涉仪用并行接口卡(23)连接，激光干涉仪用并行接口卡(23)与主计算机(14)连接，主计算机(14)与控制操作界面 (25)连接。
3.根据权利要求I所述的激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，其特征在于 所述的固体激光器(2)主要包括加工激光器光头(29)、激光器光学部件(30)、激光电源Q 调制器(31)、固体激光器电源(32)、固体激光器及电源冷却系统(33)组成，固体激光器(2) 还与烧蚀控制计算机(20)连接，烧蚀控制计算机(20)与烧蚀设定操作界面(22)连接，烧蚀控制计算机(20)还与拖板驱动控制开关量卡(27)连接。
4.根据权利要求I所述的激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，其特征在于 所述的伺服电动机(7)与拖板驱动控制单元(26)连接，拖板驱动控制单元(26)同时与拖板驱动控制D/A卡(28)、拖板驱动控制开关量卡(27)连接，拖板驱动控制D/A卡(28)还与主计算机(H)连接；拖板驱动控制开关量卡(27)与零位传感器(37)和限位传感器(38)同时连接，零位传感器(37)安装在大理石床身尺带的前端，限位传感器(38)安装在滚动丝杠(10)的后端。
5.根据权利要求I所述的激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统，其特征在于 还包括图像预检模块，图像预检模块包括对向尺带的图像传感器(34)，图像传感器(34)与影像显示器(35)、图像检测系统(36)互相连接。
6.一种对激光漆层剥离精密水准标尺的尺带检测控制方法，其特征在于，该方法利用一种利用权利要求1-5所述的装置，在主计算机(14)中设置预先编制的加工程序，通过以下各个部分配合实施，A、主计算机(14)通过激光干涉仪用电路卡(24)与激光干涉仪用并行接口卡(23)控制激光干涉仪(I)的工作，用于测量拖板运行的位移量；B、主计算机(14)通过拖板驱动控制D/A卡(28)控制拖板驱动控制单元(26)工作，拖板驱动控制单元(26)控制伺服电动机(7)工作，实现刻制滑台(8)的精确移动，同时，拖板驱动控制单元(26)通过拖板驱动控制开关量卡(27)分别实现刻制滑台(8)两端进行尺带的限位检测和尺带的零位检测；C、拖板驱动控制开关量卡(27)与烧蚀控制计算机(20)连接，烧蚀控制计算机(20)通过烧蚀设定操作界面(22)进行操作设置，烧蚀控制计算机(20)控制固体激光器(2)的加工激光器光头(29)工作，对待加工尺带(3)进行烧蚀刻制；D、利用图像预检模块中的图像传感器采集尺带加工图像信息，图像检测系统进行加工质量判定，图像检测系统与主计算机(14)连接输出结果，对刻蚀加工后的尺带进行质量检测。
全文摘要
本发明公开了一种激光漆层剥离精密水准标尺的尺带加工系统及其检测方法，包括在大理石床身台面之下设置有滚动丝杠，滚动丝杠与伺服电动机传动连接，伺服电动机与主计算机连接；在大理石床身上表面设置有线性滑轨，线性滑轨上的刻制滑台通过丝母与滚动丝杠套接；刻制滑台上表面设置有夹具和测力传感器，夹具上表面夹持有待刻制尺带，待刻制尺带的一端通过激光干涉仪、位移测量接口同时与主计算机和电控箱连接，待刻制尺带的另一端通过加载装置与测力传感器连接；待刻制尺带的上方设置有刻蚀激光头，刻蚀激光头同时与主计算机和电控箱连接。本发明的装置及方法，能够制造及检测高精度的水准标尺尺带。
文档编号G01C25/00GK102589572SQ20121001599
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者朱凌建, 李林, 赵怀军, 赵敏, 邱宗明, 黄秋红 申请人:西安理工大学