CN102148418B

CN102148418B - 腔体滤波器制造工艺参数选择方法

Info

Publication number: CN102148418B
Application number: CN201110043920.8A
Authority: CN
Inventors: 黄进; 王景
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: CN102148418A

Abstract

本发明属于腔体滤波器的制造领域，具体是在腔体滤波器的制造过程中对加工工艺参数的一种选择方法，确切说是腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：至少包括：步骤101至110，运用最小二乘回归的方法建立了加工工艺参数与耦合矩阵之间的函数关系，采用反推得到的工艺参数将得到更加接近设计要求的滤波器，减少了研制成本和调试时间。它满足了对腔体滤波器更高的电性能要求。

Description

腔体滤波器制造工艺参数选择方法

技术领域

本发明属于腔体滤波器的制造领域，具体是在腔体滤波器的制造过程中对加工工艺参数的一种选择方法，确切说是腔体滤波器制造工艺参数选择方法，用于减少或者消除制造误差对腔体滤波器电性能带来的影响，有助于降低研制成本，缩短研制周期，减少调试时间。

背景技术

在腔体滤波器的制造过程中，不同的工艺参数会带来不同的制造误差。制造误差是影响其电性能的主要因素。然而长期以来，在工程中对于腔体滤波器的研究多集中在滤波器理论和滤波器设计方法上，并未对滤波器的制造误差与电性能之间的关系进行深入的分析，对滤波器的制造工艺的选择由于受到加工条件和加工成本的影响，均采用一般的工艺参数选择方法，没有进行合理的选择或者优化，使加工后的滤波器的电性能与设计要求的电性能差距较大，必须通过附加的调试环节凭经验进行复杂的调试，才能达到要求的指标，从而造成滤波器的调试周期长，研制成本高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种合理选择腔体滤波器加工工艺参数的方法，确切说是腔体滤波器制造工艺参数选择方法，以满足对腔体滤波器更高的电性能要求。

为实现上述目的，腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：它包括：

步骤101，通过给定的腔体滤波器模型参数，依据公式计算需要加工的滤波器腔体和滤波器内导体误差；

步骤102，依据上述公式计算的含有加工误差滤波器模型输入到电磁场仿真软件HFSS中建立含有加工误差滤波器模型；

步骤103，由HFSS仿真得到S曲线；

步骤104，从仿真得到的S曲线得到传输函数表达式；

步骤105，通过滤波器等效电路推导出导纳函数的第一表达式；

步骤106，由传输、反射函数多项式经过同等变换得到导纳函数第二种形式的表达式；

步骤107，比较第一表达式和第二表达式提取出耦合矩阵；

步骤108，通过步骤101步至步骤107步选取工艺参数，得到耦合矩阵样本集；

步骤109，运用最小二乘回归分析法，依据耦合矩阵样本集建立模型，得到加工工艺参数与耦合矩阵之间的函数表达式；

步骤110，根据设计要求的滤波器的电性能参数反推出加工工艺参数。

所述的从仿真得到的S曲线得到传输函数表达式是运用改进的柯西法得到传输函数表达式。

所述的依据公式计算需要加工滤波器内导体误差通过如下四种公式之一计算，

两顶尖装卡的内导体误差计算公式：

Figure 2011100439208100002DEST_PATH_IMAGE001

一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式：

加跟刀架后两顶尖装卡的内导体误差计算公式：

Figure 2011100439208100002DEST_PATH_IMAGE003

加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式：

求出各种加工参数后，解以上方程就可以得到不同装卡方式下内导体的车削误差。

所述的两顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

先求出支座反力

和

：

，

离左端点A的距离为X的截面上的弯矩方程为：

其中为离A点距离为X的点的挠度。当X=时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程。(X

)

此时弯矩方程为：

挠曲线微分方程为：

所述的一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

利用B点的挠度为0，用叠加法求解支座反力和

：

取离左端点A的距离为X(X

)的点的弯矩方程为：

其中

为离A点距离为X的点的挠度。当X=

时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程。

此时弯矩方程为：

挠曲线微分方程为：

所述加跟刀架后两顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

求解方法参照两顶尖装卡的内导体误差计算公式，最终得到的挠曲线微分方程为：

。

所述的加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

求解方法参照一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式，最终得到的挠曲线微分方程为：

。

所述的依据公式计算需要加工的滤波器腔体误差是通过对铣刀的受力分析得到腔体内壁铣削后的误差模型表达式获取：

。

所述的得到S曲线是通过间接的方法完成。

所述的HFSS依据滤波器腔体加工误差和滤波器内导体加工误差生成滤波器模型所需记录语句的编写流程，分为如下步骤：

步骤111，计算腔体内壁铣削后表面误差的周期；

步骤112，根据精度要求，将一个周期内的曲面分割成小曲面；

步骤113，用小平面代替112步中分割后的小曲面；

步骤114，编写一个周期内的所有小平面所对应的记录语句；

步骤115，编写将一个周期内的小平面结合在一起组成一个周期的近似曲面的记录语句；

步骤116，编写将一个周期的近似曲面复制并结合在一起组成整块曲面的记录语句；

步骤117，用步骤111到步骤116的方法编写创建腔体另外三个曲面并添加上下底面的记录语句；

步骤118，编写将腔体六个面组合在一起形成一个完整腔体的记录语句；

步骤119，编写将步骤118得到的完整腔体复制三次得到四个腔体的记录语句；

步骤120，编写添加内导体、矩形框以及耦合环的记录语句；

步骤121，编写将上述所有部件组合在一起形成一个完整的四腔滤波器的记录语句；

通过步骤111步到步骤121步就得到创建腔体滤波器的完整的记录语句文件。

然后设置好腔体材料以及激励，对模型进行仿真即可得到S曲线。

本发明运用最小二乘回归的方法建立了加工工艺参数与耦合矩阵之间的函数关系，采用反推得到的工艺参数将得到更加接近设计要求的滤波器，减少了研制成本和调试时间。本发明为工艺参数的合理选择提供了依据。

附图说明

下面结合实例附图具体说明本发明：

图1为腔体滤波器结构图；

图2为本发明实现过程的流程图；

图3为车削加工示意图；

图4为车削时两顶尖装卡简化图；

图5为车削时一端三爪卡盘一端顶尖装卡简化图；

图6为车削时加跟刀架后两顶尖装卡简化图；

图7为车削时加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡简化图；

图8为铣削加工示意图；

图9为立铣刀的静态模型；

图10为立铣刀的受力模型；

图11为HFSS中实体模型创建的流程图；

图12A为车削误差仿真曲线图；

图12B为车削误差仿真曲线图；

图12C为车削误差仿真曲线图；

图12D为车削误差仿真曲线图；

图13为铣削加工误差仿真图。

图中：1、内导体；2、腔体；3、腔体滤波器；4、侍加工表面；5、过渡表面；6、给进运动方向；7、已加工面；8、车削；9、刀具；10、工件。

具体实施方式

如图1所示，腔体滤波器3是由内导体1和腔体2两部分组成，内导体1采用车削加工工艺，腔体内壁采用铣削加工工艺。因此，本方法从车削和铣削加工工艺入手对腔体滤波器的制造误差进行分析。

参照图2，首先，针对腔体滤波器3不同的加工方式建立了车削后内导体1和铣削后腔体2内壁的模型；其次，依据模型给出含误差的实体模型的仿真方法，将含误差的滤波器模型导入到HFSS中，实现了对含误差的滤波器电性能的仿真。最后，从仿真得到的S曲线数据提取出耦合矩阵，并根据不同加工工艺参数仿真得到的电性能数据建立回归模型，从而建立了加工工艺参数与滤波器电性能之间的关系，为滤波器加工工艺参数的选择提供了依据。

参照图3，建立了车削后内导体1的模型，根据车削8加工时工件10的装卡方式的不同，将车削加工分为如下四种类型分别进行力学分析，侍加工表面4、过渡表面5、给进运动方向6和已加工面7，车削8从已加工面7通过过渡表面5到侍加工表面4从右到左沿给进运动方向6前进，工件的装卡方式有第一种两顶尖装卡，第二种一端三爪卡盘一端顶尖装卡，第三种加跟刀架后两顶尖装卡和第四种加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡。

下面分别进行四种装卡方式力学分析：

如图4所示，第一种两顶尖装卡结构，其建立力学模型具体步骤过程是：

先求出支座反力

和

：

，

离左端点A的距离为X的截面上的弯矩方程为：

其中

为离A点距离为X的点的挠度。当X=

时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程。(X

)

此时弯矩方程为：

挠曲线微分方程为：

如图5所示，第二种一端三爪卡盘一端顶尖装卡结构，其建立力学模型具体步骤过程是：

利用B点的挠度为0，用叠加法求解支座反力

和

：

取离左端点A的距离为X(X)的点的弯矩方程为：

其中

为离A点距离为X的点的挠度。当X=

时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程。

此时弯矩方程为：

挠曲线微分方程为：

如图6所示，第三种加跟刀架后两顶尖装卡结构，其建立力学模型具体步骤过程是：

求解方法参照两顶尖装卡，最终得到的挠曲线微分方程为：

如图7所示，第四种加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡结构，其建立力学模型具体步骤过程是：

求解方法参照一端三爪卡盘一端顶尖装卡，最终得到的挠曲线微分方程为：

选取合适的背吃刀量、进给量和车削速度，根据公式求出上述四个微分方程中的各参数值，解出此方程即可得到不同装卡方式车削后的误差曲线。上述各式中、

分别为内导体左装卡点上X轴和Y轴作用力，

、

分别为内导体右装卡点上X轴和Y轴作用力，

、分别为刀具与内导体之间的X轴和Y轴作用力，

为跟刀架与内导体之间的作用力， L为内导体的长度，为弹性模量，

为惯性矩。

参照图8，依据公式计算需要加工的滤波器腔体误差是通过如下过程：

铣削加工时的加工误差是通过铣刀的变形反映到铣削后的表面，将铣刀轴向切深内的部分划分为

个小圆盘微元，如图9所示，每个小圆盘微元以增量

旋转。如图10所示，对铣刀做受力分析。

个小圆盘微元的每个微元的切削深度为，根据斜角切削理论得到微元产生的切削力微元为：

式中，

为每齿进给率；

和

为切削力系数；

为螺旋槽

在轴向切深Z处的接触角。

施加在个小圆盘微元的微元

上的切削力在接触点

处产生的向偏差可以用悬臂梁的公式给出：

式中，

为弹性模量；

为刀具的惯性矩，

；D为刀具的有效直径，

；

L

L

；L为刀具的悬伸长度。

在轴向接触点

处产生的总静态偏差可以通过将作用在立铣刀上的所有

个微元切削力产生的偏差叠加得到：

偏差量

复制为工件表面的尺寸误差。随着刀具的旋转，所产生的工件侧壁尺寸误差可以显现在刀具轴和表面法向轴

组成的平面上。

选取合适的刀具9、轴向切削深度、悬伸长度以及进给率，经过仿真得到铣削后腔体内表面误差模型。

电磁波腔体滤波器3实体模型包括内导体1和腔体2。内导体1采用车削加工工艺，加工后呈纺锤型，可以直接在HFSS中画出其母线然后旋转得到内导体的实体模型。

腔体2采用铣削加工工艺，加工后内表面呈现波浪形状，由于HFSS中不能直接画出曲面形状，因此将腔体内表面分割成无数的小平面再组合起来，近似的表达曲面形状。而在HFSS中每画出一个小平面和其它对小平面的操作例如平面的合并、翻转、移动、截取、删除等都对应了一段记录语句，写出生成模型所需要的所有记录语句再运行这些语句，即可在HFSS中自动生成腔体内表面模型。

如图11所示，HFSS依据滤波器腔体加工误差和滤波器内导体加工误差生成滤波器模型所需记录语句的编写流程，分为如下步骤：

步骤111，计算腔体内壁铣削后表面误差的周期；

步骤113，用小平面代替112步中分割后的小曲面；

步骤114，编写一个周期内的所有小平面所对应的记录语句；

步骤120，编写添加内导体、矩形框以及耦合环的记录语句；

对于二端口无耗互易网络，通常用散射参数来表征，即

，它们由三个特征多项式

构成，如下所示：

从仿真得到的S曲线数据中取

个频点，建立如下的方程组求多项式

，

的系数。

其中

，

为纯实向量；

为实Vandermonde矩阵的转置矩阵，其元素均为实数。求得

，

后再利用下式可以得到满足要求的多项式系数

，

。

，

最后由Feldtkeller方程计算出

。

传输函数多项式求出以后，然后由等效电路入手推导出导纳函数的表达式，如下所示：

其中

，

，分别为多项式

，

的复系数。

得到和

的多项式后，由部分分式展开法得到各自的留数

和

，通过求解

多项式得到纯实对角元素

。将

用留数表达：

再由传输、反射函数多项式入手经过同等变换得到导纳函数另一种形式的表达式，如下所示：

经过对这两种形式的导纳函数的比较，可以得出

然后将结果带入下表就可以得到耦合矩阵。

选取不同的工艺参数，通过以上步骤得到大量的耦合矩阵样本集，运用最小二乘回归分析法建立回归模型。

运用本方法建立工艺参数与耦合矩阵之间的关系，根据设计要求的滤波器的电性能综合出耦合矩阵，再运用本方法所建立的回归模型即可反推出合理的工艺参数。

本方法的可行性可用下述例子说明。

假定内导体的直径D为5mm，长度L为100mm，材料为45#钢，精车的背吃刀量为1mm，进给量为0.2mm/r，车削速度为22m/min，弹性模量E为

MPa，惯性距I=，根据公式计算得出

，

，。令弹性顶尖上的轴向力

。

如图12所示，求解文中列举的车削四种不同装卡方式的误差方程，得到如图12所示的车削误差曲线图。图12A case1为两顶尖装卡的装卡方式；图12B case2是一端三爪一端顶尖装卡的装卡方式；图12C case3是加跟刀架后两顶尖装卡的装卡方式；图12D case4是加跟刀架后一端三爪一端顶尖装卡的装卡方式。

铣削刀具选用立铣刀中的莫氏锥柄铣刀，刀齿数

=3，直径

=20

，螺旋角=

，前角=，轴向切削深度

=15

，刀具的悬伸长度L=60

，进给率

=0.04

每齿，

=2

，摩擦系数

=0.15，

，剪切屈服强度

=355

。

如图13所示，最后仿真得到的铣削误差模型。

将含误差的滤波器模型导入HFSS中仿真并计算出耦合矩阵M如下式所示：

在不考虑铣削误差且车削速度固定的条件下，选取不同的车削背吃刀量及进给量，并经过仿真和计算得到大量的耦合矩阵样本，建立回归模型。

假定根据滤波器设计时的电性能要求所计算出来的耦合矩阵如下所示：

运用回归模型反推出车削加工的背吃刀量为1.158mm，进给量为0.188mm/r，从而为车削工艺参数的合理选择提供了依据。

Claims

1.腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：它包括：

步骤101，通过车削加工内导体和铣削加工腔体内壁，得到滤波器模型，依据公式计算需要加工的滤波器腔体和滤波器内导体误差；

步骤103，由HFSS仿真得到S曲线；

步骤104，从仿真得到的S曲线得到传输函数表达式；

步骤107，比较第一表达式和第二表达式提取出耦合矩阵；

步骤108，通过步骤101步至步骤107步选取不同的车削背吃刀量及进给量，并经过仿真和计算得到大量的耦合矩阵样本集；

步骤110，根据设计要求的滤波器的电性能参数反推出加工工艺参数；加工工艺参数为背吃刀量、进给量和车削速度；

两顶尖装卡的内导体误差计算公式：

E \cdot I \cdot y^{''} = \frac{- F_{Y} \cdot L \cdot x + F_{Y} \cdot x^{2}}{L} - (F_{BX} + F_{X}) \cdot y

一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式：

EI \cdot y^{''} = - \frac{F_{Y} \cdot x^{2}}{{2 L}^{2}} (3 - \frac{x}{L}) (L - x) + F_{BX} \cdot y

加跟刀架后两顶尖装卡的内导体误差计算公式：

E \cdot I \cdot y^{''} = \frac{- (F_{Y} + F_{K}) \cdot (L - x)}{L} \cdot x - (F_{BX} + F_{X}) \cdot y

EI \cdot y^{''} = F_{BY} \cdot (L - x) + F_{BX} \cdot y = - \frac{(F_{Y} + F_{K}) x^{2}}{{2 L}^{2}} (3 - \frac{x}{L}) (L - x) + F_{BX} \cdot y

求出各种加工参数后，解以上方程就可以得到不同装卡方式下内导体的车削误差；上述各式中F_BX、F_BY分别为内导体右装卡点上X轴和Y轴作用力，F_X、F_Y分别为刀具与内导体之间的X轴和Y轴作用力，F_Ｋ为跟刀架与内导体之间的作用力，L为内导体的长度，E为弹性模量，I为惯性矩，y为离A点距离为X的点的挠度，x为在X轴上距离原点为x的点。

2.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的从仿真得到的S曲线得到传输函数表达式是运用改进的柯西法得到传输函数表达式。

3.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的两顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

先求出支座反力F_AY和F_BY：

F_{AY} = \frac{- F_{Y} \cdot (L - x)}{L}, F_{BY} = \frac{- F_{Y} \cdot x}{L}

离左端点A的距离为X的截面上的弯矩方程为：

M(X)＝F_AY·X+F_AX·y;

其中y为离A点距离为X的点的挠度；当X=x时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程(X≤x)；

此时弯矩方程为：

M (X) = F_{AY} \cdot X + F_{AX} \cdot y = \frac{- F_{Y} \cdot L \cdot x + F_{Y} \cdot x^{2}}{L} - (F_{BX} + F_{X}) \cdot y

挠曲线微分方程为：

E \cdot I \cdot y^{''} = \frac{- F_{Y} \cdot L \cdot x + F_{Y} \cdot x^{2}}{L} - (F_{BX} + F_{X}) \cdot y .

4.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

利用B点的挠度为0，用叠加法求解支座反力F_AY和F_BY：

F_{BY} = - \frac{F_{Y} \cdot x^{2}}{{2 l}^{2}} (3 - \frac{x}{L})

F_{YA} = - (F_{Y} + F_{BY}) = - F_{Y} + \frac{F_{Y} \cdot x^{2}}{{2 L}^{2}} (3 - \frac{x}{L})

取离左端点A的距离为X(X≥x)的点的弯矩方程为：

M(X)＝F_BY·(L-X)+F_BX·y

其中y为离A点距离为X的点的挠度，当X=x时的挠曲线方程就是车削加工后工件的误差方程；

此时弯矩方程为：

M (X) = F_{BY} \cdot (L - X) + F_{BX} \cdot y = - \frac{F_{Y} \cdot x^{2}}{{2 L}^{2}} (3 - \frac{x}{L}) (L - x) + F_{BX} \cdot y

挠曲线微分方程为：

EI \cdot y^{''} = - \frac{F_{Y} \cdot x^{2}}{{2 L}^{2}} (3 - \frac{x}{L}) (L - x) + F_{BX} \cdot y .

5.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述加跟刀架后两顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

E \cdot I \cdot y^{''} = \frac{- (F_{Y} + F_{K}) \cdot (L - x)}{L} \cdot x - (F_{BX} + F_{X}) \cdot y .

6.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的加跟刀架后一端三爪卡盘一端顶尖装卡的内导体误差计算公式其建立力学模型具体步骤过程是：

EI \cdot y^{''} = F_{BY} \cdot (L - x) + F_{BX} \cdot y = - \frac{(F_{Y} + F_{K}) x^{2}}{2 L^{2}} (3 - \frac{x}{L}) (L - x) + F_{BX} \cdot y .

7.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的得到S曲线是通过间接的方法完成。

8.根据权利要求1所述的腔体滤波器制造工艺参数选择方法，其方法是：所述的HFSS依据滤波器腔体加工误差和滤波器内导体加工误差生成滤波器模型所需记录语句的编写流程，分为如下步骤：步骤111，计算腔体内壁铣削后表面误差的周期；

步骤113，用小平面代替112步中分割后的小曲面；

步骤114，编写一个周期内的所有小平面所对应的记录语句；

步骤120，编写添加内导体、矩形框以及耦合环的记录语句；

通过步骤111步到步骤121步就得到创建腔体滤波器的完整的记录语句文件；