CN102544748B - 赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种赋形凸面高精度反射面板的成形方法，该反射面板具体包括三层铝板、两层蜂窝芯和用于连接的若干预埋件；其中三层铝板为工作板、中接板及背板；所述的成形方法至少包括：赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构三层板的三维建模、三层板的空间几何展开、工艺补偿面的建立、钉高的计算以及三层板在高精度钉床上的定位；逐层铺设夹层结构是赋形凸面反射面板制造的主要过程。本发明方法解决了赋形凸面高精度反射面板的制造问题以及有尖点的赋形凸面反射面板的制造难题，实现了高精度、大刚度、轻重量的赋形凸面天线反射面板的制造目标。

Description

赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法

技术领域

本发明涉及一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，属于机械工程/板料成形领域。

背景技术

随着卫星通讯、无线电测控、深空探测和大型射电望远镜等领域的高速发展，不仅对天线的需求越来越广泛，而且对天线反射面的精度提出了更高的要求。作为射电望远镜的副面，其作用用来收集整个主面的反馈信号。虽然副面比主面面积要小很多，副面直径只相当于主面直径的十几分之一，但是通常副面的表面精度要比主面表面精度要高很多，某射电望远镜副面单块面板表面精度要求更是高达30μm，其制造难度极大。采用分块制造、整体装配的方法建造的副面是赋形曲线绕中心旋转而成的凸面，和以往用于紧缩场的有标准方程的凹形高精度反射面有着根本的不同。

本申请中涉及赋形凸面的蜂窝夹层结构是由三层铝板、两层蜂窝、板芯胶以及连接预埋件组成，通过在柔性多点模具上逐层铺设，采用真空袋密封形成负压，待胶常温固化后形成的蜂窝夹层结构反射面板（下文简称夹层板）。

另经申请人在大量的研究与实验过程中所了解，现有技术中主要存在以下问题：

1、以前制造的高精度面板的工作面都是凹面，没有成形过工作面是凸面的高精度面板；

2、以前制造的高精度面板都是基于标准方程的，而现在要制造的高精度面板没有标准方程，只有赋形曲线；

3、凸面和凹面在成型过程中有着根本的不同。凸面成型时周边区域先贴膜，中心区域不易贴膜，而凹面成型时中心区域先贴膜，周边区域不易贴膜，并且前者比后者成型难度更大一些。

发明内容

本发明的目的是提供一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，实现赋形凸面天线所要求的高精度、大刚度、轻重量的技术目标。

本发明的基本原理为：根据单块反射面板在空间的位置进行建模，利用空间曲面的展开算法得到三层铝板的坯料加工图并确定其相对位置，以保证成形后获得很高的表面精度和工作面轮廓边缘精度；利用钉高计算软件算出工艺补偿面的钉高数值，把钉床按钉高数据调好，铺上垫板并定位；采用开缝方法对三层铝板开缝释放板内应力，把三层铝板和两层蜂窝的接触面上涂胶并逐层铺放在垫板上，定位；盖上真空袋抽真空固化。待固化完成后，针对工作面开缝带来的面板表面不连续的问题，采用铝粉导电胶填充实现了制造高精度、大刚度、轻重量的赋形凸面高精度天线反射面板的目标。针对圆形赋形凸面天线有尖点部分，采用型面分离方法，把有尖点部分分离出来采用机加的方法成形，其余部分采用本发明提供的方法，之后再采用型面拼接的方法拼成整个圆形赋形凸面。

本发明是一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，该反射面板具体包括三层铝板、两层蜂窝芯和用于连接的若干预埋件；其中三层铝板为工作板、中接板及背板；所述的成形方法具体如下：

步骤（一）根据赋形曲线建立三层铝板的三维模型

在YOZ坐标系下，导入工作板反射面的理论赋形曲线，以该理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成工作板理论赋形凸面；根据分块方案，对工作板理论赋形凸面进行分割形成单块工作板理论赋形凸面；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移49.5mm,得到单块中接板理论赋形曲线，以此单块中接板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成中接板理论赋形凸面，然后根据封边工艺要求，分割出单块中接板理论赋形凸面，并在此单块中接板理论赋形凸面上建立预埋件的连接孔；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移98.5mm,得到单块背板理论赋形曲线，以此单块背板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成背板理论赋形凸面；根据分块方案，对背板理论赋形凸面进行分割形成单块背板理论赋形凸面，并在背板上建立预埋件的中心位置标记孔；

步骤（二）三层铝板的空间几何展开及相对位置的确立

以单块工作板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块工作板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块工作板理论赋形凸面，得到单块工作板展开料；以单块中接板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块中接板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块中接板理论赋形凸面，得到单块中接板展开料；以单块背板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块背板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块背板理论赋形凸面，得到单块背板展开料；以单块工作板理论赋形凸面的切平面为基准平面，把中接板和背板理论赋形凸面的最低点投影到基准平面上，并测量出中接板和背板理论赋形凸面最低点相对工作板理论赋形凸面最低点的距离，即三层铝板展开基点的相对位置；

步骤（三）工艺补偿面的建立

在三维设计软件CATIA里，以单块工作面板理论赋形凸面最低点的切平面为草绘平面，绘制工艺补偿面的投影图形，该投影图形要比工作面板在草绘平面上的投影外缘大100到200毫米，使得工作面板在钉床上定位后边缘外有2到3排钉柱，保证工作面板边缘的成形精度；

步骤（四）钉高的计算

把单块工作板工艺补偿面导入到钉高计算软件中，根据实际使用的钉床设置钉床尺寸和钉柱球头半径，之后偏置单块工作板工艺补偿面，偏置的方向为工艺补偿面凸起的一侧，偏置的距离为垫板厚度加上钉柱球头半径；然后向制造坐标平面投影并选择钉高数据自变量所在的边线，计算工艺补偿面所对应的钉高数据，并输出三维钉柱排列图；

步骤（五）三层铝板在高精度钉床上的定位

以单块工作板理论赋形凸面最低点的切平面为基准平面，工艺补偿面在基准平面上的投影几何中心即为钉床的坐标原点，之后测得钉床的坐标原点到单块工作面板理论赋形凸面最低点的距离，这就确定了三层铝板的基点与钉床的相互位置关系；根据三层铝板的展开料与钉床的钉柱之间的位置关系，确定三层铝板的定位耳片的位置，一边为定位圆孔，另一边为定位长孔；

步骤（六）下料并逐层铺设夹层结构

下料，即是利用激光把三层铝板坯料切割成步骤（二）里三层铝板的展开料图形；所述的逐层铺设夹层结构是赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板制造的主要过程：

（1）将一个垫板放在根据步骤（四）计算出的钉高数据调好的钉床包络面上并定位；

（2）将工作板正面放在涂有润滑油的垫板上，利用定位销和定位孔进行定位；

（3）在工作板背面涂胶，第一蜂窝芯铺放在胶层上；

（4）然后将连接用预埋件通过标准螺钉安装在中接板上，在中接板没有预埋件的一侧涂好胶并铺在第一蜂窝层上定位；

（5）在中接板有预埋件的那面涂胶，放置第二蜂窝芯；

（6）将涂好胶的背板胶面向下放置于第二蜂窝芯上并定位，至此完成了夹层结构的逐层铺设过程；

（7）最后经过真空袋薄膜密封，抽真空，压强保持在0.03Mpa左右达到36小时以后，形成了三层铝板两层蜂窝的赋形凸面夹层结构反射板；

步骤（七）

成形完成后，用铝粉导电胶填充赋形凸面工作面的开缝，以利于赋形凸面反射面板的电气性能。

其中，所述的赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的工作板厚度为1.5毫米、中接板厚度为1毫米、背板厚度为1.5毫米以及蜂窝芯的厚度为48毫米。

本发明是一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，其优点及功效是：本发明采用了基于“离散钉模、真空负压、蜂窝夹层、应力释放”的高精度面板成形工艺来制造赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板，其优点是通过使用高精度柔性钉床形成包络面，利用开缝工艺充分释放板内应力易于赋形凸面工作板的贴膜，三层铝板两层蜂窝的双夹层结构固化成形后又有很大的刚度，有利于赋形凸面型面的保持，最终实现了赋形凸面天线所要求的高精度、大刚度、轻重量的技术目标。

附图说明

图1本发明方法中三层铝板的理论赋形曲线

图2本发明方法中三层铝板的空间几何展开及相对位置的确立

图3本发明方法中工艺补偿面的建立

图4本发明方法中钉高计算流程

图4-1赋形凸面的三维钉柱排列图

图5本发明方法中三层铝板在钉床上的定位

图6本发明方法赋形凸面高精度反射面板的成形示意图

图7整个工作板理论赋形凸面的分块示意图

图中标号及符号说明如下：

1、工作板；2、中接板；3、背板；4、垫板；

5、第一蜂窝芯；6、第二蜂窝芯

7、预埋件；11、工作板反射面的理论赋形曲线；

12、单块中接板的理论赋形曲线；13、单块背板的理论赋形曲线；

21、单块工作板展开料；22、单块中接板展开料；23、单块背板展开料；

24、三层铝板展开基点的相对位置；

31、单块工作板理论赋形凸面；32、单块工作板工艺补偿面；

51、三层铝板的定位圆孔；52、钉床的坐标原点；53、三层铝板的基点与钉床的位置关系；54、钉柱；55、三层铝板的定位长孔。

a、外环  b、中环  c、内环

具体实施方式

本发明是一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，该夹层结构具体包括三层铝板、两层蜂窝芯以及用于连接的若干预埋件；其中三层铝板为工作板1、中接板2及背板3；所述的成形方法包括：赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构三层铝板的三维建模、三层铝板的空间几何展开、工艺补偿面的建立、钉高的计算以及三层板在高精度钉床上的定位。其中三维建模、空间几何展开是直接影响夹层板轮廓精度的要素，工艺补偿面的建立和钉高的计算是形成钉床包络面的基础，三层板在高精度钉床上的精确定位是制造赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板的关键。

本发明是一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，总的实现过程为先根据单块反射面板的赋形曲线、预埋件的空间位置和反射面板的定位孔等特征进行三维建模，经过空间曲面展开获取铝板下料图，再通过激光切割加工，得到边缘轮廓准确的铝板坯料。再将三层铝板两层蜂窝的夹层结构逐层铺设胶接，经过密封、抽真空、保压一定时间，待胶固化后形成整体大刚度的赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板。最后再用导电胶对凸面工作板的缝隙进行填充处理，实现赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板的制造。下面进行具体的描述。

步骤（一）根据赋形曲线建立三层铝板的三维模型

如图1所示，在YOZ坐标系下，导入工作板反射面的理论赋形曲线11，以该理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成工作板理论赋形凸面；根据分块方案，对工作板理论赋形凸面进行分割形成单块工作板理论赋形凸面；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移49.5mm,得到单块中接板理论赋形曲线12，以此单块中接板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成中接板理论赋形凸面，然后根据封边工艺要求，分割出单块中接板理论赋形凸面，并在此单块中接板理论赋形凸面上建立预埋件的连接孔；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移98.5mm,得到单块背板理论赋形曲线13，以此单块背板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成背板理论赋形凸面；根据分块方案，对背板理论赋形凸面进行分割形成单块背板理论赋形凸面，并在背板上建立预埋件的中心位置标记孔。

步骤（二）三层铝板的空间几何展开及相对位置的确立

以单块工作板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块工作板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块工作板理论赋形凸面，得到单块工作板展开料21；以单块中接板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块中接板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块中接板理论赋形凸面，得到单块中接板展开料22；以单块背板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块背板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块背板理论赋形凸面，得到单块背板展开料23。以单块工作板理论赋形凸面的切平面为基准平面，把中接板和背板理论赋形凸面的最低点投影到基准平面上，并测量出中接板和背板理论赋形凸面最低点相对工作板理论赋形凸面最低点的距离，即三层铝板展开基点的相对位置24，详见图2。

步骤（三）工艺补偿面的建立

为了提高单块赋形凸面反射面板的边缘精度，需要外扩单块工作板理论赋形凸面31，外扩的部分是整个工作板理论赋形凸面的一部分。整个工作板理论赋形凸面可以分成三个圆环（包括外环a、中环b和内环c），其中外环又分为16个单块面板，中环分为8个单块面板，内环为一个单块面板如图7所示。整个工作板理论赋形凸面作为赋形卡塞格伦天线的副反射面，在进行电气设计时，整个工作板理论赋形凸面母线上的点与主面母线上的点是一一对应的。在制造外环单块面板时，依据现有的整个工作板理论赋形凸面母线无法生成制造外环单块面板所需的工艺补偿面，故要对整个赋形曲线进行切向延伸。对于最外圈面板外侧即外环没有理论赋形曲线的部分，可先对整个工作板理论赋形曲线进行切向延伸，再做旋转得到单块工作板工艺补偿面32所在的完整曲面。在三维设计软件CATIA里，以单块工作面板理论赋形凸面最低点的切平面为草绘平面，绘制工艺补偿面的投影图形（一般为矩形），要比工作面板在草绘平面上的投影外缘大100到200毫米，使得工作面板在钉床上定位后边缘外有2到3排钉柱，保证工作面板边缘的成形精度，该投影图形沿草绘平面法向拉伸并分割整个工作板理论赋形凸面得到制造单块工作面板的工艺补偿面。该工艺补偿面为计算钉高数据所用的图形。详见图3。

步骤（四）钉高的计算

把单块工作板工艺补偿面导入到钉高计算软件中，根据实际使用的钉床设置钉床尺寸和钉柱球头半径，之后偏置单块工作板工艺补偿面，偏置的方向为工艺补偿面凸起的一侧，偏置的距离为垫板厚度加上钉柱球头半径。然后向制造坐标平面投影并选择钉高数据自变量所在的边线，计算工艺补偿面所对应的钉高数据，并输出三维钉柱排列图（如图4-1），钉高计算流程图详见图4，具体的钉高数据见下表1所示。表中X、Y为钉柱在制造平面的坐标数值，Z为钉柱从制造平面调到工艺补偿面的位移。

表1

步骤（五）三层铝板在高精度钉床上的定位

以单块工作面板理论赋形凸面最低点的切平面为基准平面，工艺补偿面在基准平面上的投影几何中心即为钉床的坐标原点52，之后测得钉床的坐标原点到单块工作面板理论赋形凸面最低点的距离，这就确定了三层铝板的基点与钉床的相互位置关系53（具体确定方法为：单块工作面板理论赋形凸面最低点、单块工作板工艺补偿面的外轮廓均在基准平面内。基准平面也就是高精度钉床的制造平面。单块工作板工艺补偿面的外轮廓的几何中心是钉高计算软件输出钉高的坐标原点。然后找到中接板和背板理论赋形凸面的最低点向基准平面投影，从而确立三层铝板在制造平面上的位置53）。根据三层铝板的展开料与钉床的钉柱54之间的位置关系，确定三层铝板的定位耳片的位置，一边为定位圆孔51，另一边为定位长孔55，详见图5，具体如下：钉柱在制造平面内以50×50的间距排列，然后在展开料的边缘处寻找适当的钉柱作为定位位置（钉柱离展开料边缘要尽可能的近，这样以直线代替弧线时，定位孔对边缘的位置精度影响小）。面板制造时，把定位孔所在位置的钉柱取下，插上定位销钉。两个定位孔要在同一排或同一列钉柱上，一边为定位圆孔，一边为定位长孔。

步骤（六）下料并逐层铺设夹层结构

下料即为利用激光把三层铝板坯料切割成步骤（二）里三层铝板的展开料图形。所述的逐层铺设夹层结构是赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板制造的主要过程：

（1）将一个垫板4放在根据步骤（四）计算出的钉高数据调好的钉床包络面上并定位；

（2）将工作板1正面放在涂有润滑油的垫板4上，利用定位销和定位孔进行定位；

（3）在工作板1背面涂胶，第一蜂窝芯5铺放在胶层上；

（4）然后将连接用预埋件7通过标准螺钉安装在中接板2上，在中接板没有预埋件的一侧涂好胶并铺在第一蜂窝层5上定位；

（5）在中接板2有预埋件的那面涂胶，放置第二蜂窝芯6；

（6）将涂好胶的背板3胶面向下放置于第二蜂窝芯6上并定位，至此完成了夹层结构的逐层铺设过程。

（7）最后经过真空袋薄膜密封，抽真空，压强保持在0.03Mpa左右达到36小时以后，形成了三层铝板两层蜂窝的赋形凸面夹层结构反射板，见图6。

步骤（七）用铝粉导电胶填充开缝

成形完成后，用铝粉导电胶填充赋形凸面工作面的开缝，以利于赋形凸面反射面板的电气性能。

Claims (2)

1.一种赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，该反射面板具体包括三层铝板、两层蜂窝芯和用于连接的若干预埋件；其中三层铝板为工作板、中接板及背板；所述的成形方法具体如下：

步骤（一）根据赋形曲线建立三层铝板的三维模型

在YOZ坐标系下，导入工作板反射面的理论赋形曲线，以该理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成工作板理论赋形凸面；根据分块方案，对工作板理论赋形凸面进行分割形成单块工作板理论赋形凸面；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移49.5mm,得到单块中接板理论赋形曲线，以此单块中接板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成中接板理论赋形凸面，然后根据封边工艺要求，分割出单块中接板理论赋形凸面，并在此单块中接板理论赋形凸面上建立预埋件的连接孔；以单块工作板理论赋形曲线为基准沿法向向上偏移98.5mm,得到单块背板理论赋形曲线，以此单块背板理论赋形曲线为母线绕Z轴旋转一周形成背板理论赋形凸面；根据分块方案，对背板理论赋形凸面进行分割形成单块背板理论赋形凸面，并在背板上建立预埋件的中心位置标记孔；

步骤（二）三层铝板的空间几何展开及相对位置的确立

以单块工作板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块工作板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块工作板理论赋形凸面，得到单块工作板展开料；以单块中接板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块中接板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块中接板理论赋形凸面，得到单块中接板展开料；以单块背板理论赋形凸面的最低点为基点，建立单块背板理论赋形凸面的切平面，之后在切平面上展开此单块背板理论赋形凸面，得到单块背板展开料；以单块工作板理论赋形凸面的切平面为基准平面，把中接板和背板理论赋形凸面的最低点投影到基准平面上，并测量出中接板和背板理论赋形凸面最低点相对工作板理论赋形凸面最低点的距离，即三层铝板展开基点的相对位置；

步骤（三）工艺补偿面的建立

在三维设计软件CATIA里，以单块工作面板理论赋形凸面最低点的切平面为草绘平面，绘制工艺补偿面的投影图形，该投影图形要比工作面板在草绘平面上的投影外缘大100到200毫米，使得工作面板在钉床上定位后边缘外有2到3排钉柱，保证工作面板边缘的成形精度；

步骤（四）钉高的计算

把单块工作板工艺补偿面导入到钉高计算软件中，根据实际使用的钉床设置钉床尺寸和钉柱球头半径，之后偏置单块工作板工艺补偿面，偏置的方向为工艺补偿面凸起的一侧，偏置的距离为垫层厚度加上钉柱球头半径；然后向制造坐标平面投影并选择钉高数据自变量所在的边线，计算工艺补偿面所对应的钉高数据，并输出三维钉柱排列图；

步骤（五）三层铝板在高精度钉床上的定位

以单块工作板理论赋形凸面最低点的切平面为基准平面，工艺补偿面在基准平面上的投影几何中心即为钉床的坐标原点，之后测得钉床的坐标原点到单块工作面板理论赋形凸面最低点的距离，这就确定了三层铝板的基点与钉床的相互位置关系；根据三层铝板的展开料与钉床的钉柱之间的位置关系，确定三层铝板的定位耳片的位置，一边为定位圆孔，另一边为定位长孔；

步骤（六）下料并逐层铺设夹层结构

下料，即是利用激光把三层铝板坯料切割成步骤（二）里三层铝板的展开料图形；所述的逐层铺设夹层结构是赋形凸面蜂窝夹层结构反射面板制造的主要过程：

（1）将一个垫板放在根据步骤（四）计算出的钉高数据调好的钉床包络面上并定位；

（2）将工作板正面放在涂有润滑油的垫板上，利用定位销和定位孔进行定位；

（3）在工作板背面涂胶，第一蜂窝芯铺放在胶层上；

（4）然后将连接用预埋件通过标准螺钉安装在中接板上，在中接板没有预埋件的一侧涂好胶并铺在第一蜂窝层上定位；

（5）在中接板有预埋件的那面涂胶，放置第二蜂窝芯；

（6）将涂好胶的背板胶面向下放置于第二蜂窝芯上并定位，至此完成了夹层结构的逐层铺设过程；

（7）最后经过真空袋薄膜密封，抽真空，压强保持在0.03Mpa左右达到36小时以后，形成了三层铝板两层蜂窝的赋形凸面夹层结构反射板；

步骤（七）

成形完成后，用铝粉导电胶填充赋形凸面工作面的开缝，以利于赋形凸面反射面板的电气性能。

2.根据权利要求1所述的赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的成形方法，所述的赋形凸面的高精度蜂窝夹层结构反射面板的工作板厚度为1.5毫米、中接板厚度为1毫米、背板厚度为1.5毫米以及蜂窝芯的厚度为48毫米。

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