CN103311659A - 复合螺旋天线精密制造方法与测量加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明复合螺旋天线精密制造方法与测量加工装置属于通信设备制造领域，特别涉及一种复合材料镀层的超宽频三维螺旋天线的精密制造方法与测量加工一体化装置。精密制造方法采用多种加工工艺相组合的方式，并结合激光测量定位技术，完成三维螺旋天线的精密制造。采用锥台形状的聚酰亚胺基底，对复合螺旋天线的聚酰亚胺基底的上平面和圆锥表面进行整体铜化，采用光刻工艺、激光粗加工和微细铣削精加工进行加工。利用高精度2D位移传感器进行天线特征提取，实现加工测量一体化。测量加工装置由测量加工组件与五轴精密数控位移平台组成。该制造方法和装置加工精度好、效率高、柔性好，可广泛应用到各类通讯设备加工中。

Description

复合螺旋天线精密制造方法与测量加工装置

技术领域

本发明属于通信设备制造领域，特别涉及一种复合材料镀层的超宽频三维螺旋天线的精密制造方法与测量加工一体化装置。

背景技术

天线是发射和接收信号的重要部件。复合螺旋天线通常采用宽频带特性的双臂平面螺旋天线与双臂圆锥螺旋天线的三维立体组合结构。复合式螺旋天线的结构复杂，相位方向图的一致性指标要求高，整体制造精度要求极为苛刻，国外相关复合螺旋天线的制造技术一直对我国严密封锁，国内至今尚无复合螺旋天线的专用精密制造设备。由于复合螺旋天线整体采用平面电路和立体锥面电路相结合的方式，制造加工精度要求很高，国内的研究主要以单一的激光光刻或者精密机械冷加工为主。

专利公告号为CN1202023名称为：一种曲面微带天线的制作方法的专利中，采用激光刻蚀法和激光成膜法分别以聚四氟乙烯、聚酰亚胺和环氧树脂为基底，制造了微带天线。中国电子科技集团公司第十研究所在天线CAD模型的基础上，基于光刻法制造了圆锥等角螺旋天线。华东电子工程研究所通过将CAD/CAM软件的实体造型与五轴数控高速切削工艺方法结合，完成了球面螺旋天线的切削；北京遥感设备研究所，小型化超宽频带螺旋天线工艺研究,制造技术研究，2010,4.(2),p37-38中采用“平面展成—光刻弯曲—粘接—焊接”的工艺研制超宽频带复合式螺旋天线，利用激光光刻配合手工粘接焊接。

采用上述工艺路线方法存在特定的局限性：光刻工艺无法解决三维结构天线的制造；激光效率高，但热影响区大；手工粘接焊接无法实现高精度的批量生产；普通数控铣削铣刀直径已大于零件的最小特征尺寸。国内尚无超宽频复合螺旋天线的精密制造方法与专用的精密加工设备，本发明提出的复合螺旋天线精密制造方法与精密加工装置满足了复合螺旋天线精密加工的需要。

发明内容

本发明的目的是针对小型化复合三维螺旋天线高效率、高精度制造的技术问题，克服原有加工工艺存在的不足，同时避免分段粘贴及焊接导致的对接误差，提出一种加工前对天线基底整体铜化，然后基于激光测量定位技术，将光刻、激光加工、微细铣削加工这三种单一制造工艺相结合，以实现对超宽频带复合三维螺旋天线的高效高精度制造；同时还发明一种复合螺旋天线测量加工一体化装置，该装置通过将绿光纳秒脉冲激光器、微细铣削加工组件同五轴精密数控位移平台相结合的方式实现对超宽频复合螺旋天线的精密加工，并以高精度2D位移传感器作为测量设备，实现超宽频复合螺旋天线的测量与定位。本发明用于复合螺旋天线的精密加工，解决复合螺旋天线精密加工的难题。

本发明采用的技术方案是：采用多种加工工艺相组合的方式，并结合激光测量定位技术，完成三维螺旋天线的精密制造；采用锥台形状的聚酰亚胺基底1，首先对复合螺旋天线的聚酰亚胺基底1的上平面和圆锥表面进行整体铜化，然后对复合螺旋天线上平面中心区域采用光刻工艺进行加工，再对复合螺旋天线的聚酰亚胺基底1的圆锥表面和圆锥表面与上平面的过渡部分进行激光粗加工和微细铣削精加工，得到高质量的天线带线；再利用高精度2D位移传感器19，进行天线特征提取，实现测量和定位一体化。高精度的复合螺旋天线具体的制造方法如下：

(1) 复合螺旋天线聚酰亚胺基底表面整体铜化

首先采用特定脱脂剂将聚酰亚胺基底1进行脱脂，使聚酰亚胺基底1表面粗化及表面活化，利用特定的铜化合物、络合剂、还原剂和pH调整剂的溶剂配方在聚酰亚胺基底表面形成电镀用的1μm厚的导电性化学镀铜层2；然后，在镀铜层2上继续电镀至指定要求的厚度，完成聚酰亚胺基底的整体铜化；

(2) 对复合螺旋天线上平面中心区域采用光刻工艺处理

首先在铜化后的聚酰亚胺基底1上均匀涂覆上一层光刻胶膜3，将预制的带有需要去除的微小区域图形的掩模板4对准放置在整个聚酰亚胺基底1上，在紫外线光下进行曝光处理；然后在显影溶液中将未感光部分的光刻胶膜3去除；再经过后烘坚膜处理后，用腐蚀液将无光刻胶覆盖的金属腐蚀掉；最后使用化学试剂使光刻胶膜3碳化脱落，并用离子水冲净，最终在聚酰亚胺基底1表面上留下呈螺旋形状的镀铜层2，螺旋形状的镀铜层2就是上平面中心区域的平面螺旋天线；

(3) 复合螺旋天线上平面光刻加工后，将半成品天线装夹到测量加工一体化装置的五轴精密数控位移平台Ⅱ的工作台上，采用高精度2D位移传感器测量经光刻后得到的中心区域的平面螺旋天线，进行平面螺旋天线边缘特征点的提取，从而辨识出后续加工的起始点；

(4) 对已装夹在五轴精密数控位移平台Ⅱ的工作台上复合螺旋天线半成品天线的复合螺旋天线圆锥表面和圆锥表面与上平面的过渡部分进行激光粗加工；先由辨识出的后续加工的起始点开始，完成激光器水平方向上对刀，然后进行激光粗加工；采用激光器13加工除上平面中心区域外的其它镀铜层2，激光粗加工完成后得到超宽频复合螺旋天线的圆锥螺旋部分以及平面螺旋与圆锥螺旋的过渡部分；

(5) 将激光粗加工完成后的超宽频复合螺旋天线的圆锥螺旋部分以及平面螺旋与圆锥螺旋的过渡部分的镀铜层2用微细铣削电主轴16进行微细铣削精加工，最后得到的镀铜层2成为高质量的天线带线；

(6) 最后采用高精度2D位移传感器精确测量最后得到的天线带线轮廓截面，实现对天线轮廓的在机测量，对加工不合格的地方利用微细铣削进行修补，达到高精度的加工要求。

本方法采用的测量加工装置由测量加工组件Ⅰ与五轴精密数控位移平台Ⅱ组成。所述测量加工组件Ⅰ主体是一个能在竖直方向上运动的Z轴箱体11，在立柱上移动的箱体滑块12安装在Z轴箱体11的后平面上；激光器13安装在激光器夹具14上，激光器夹具14通过激光器夹具螺栓15安装在Z轴箱体11前端面正中间；微细铣削电主轴16安装在电主轴夹具17中，电主轴夹具17通过电主轴夹具螺栓18安装在Z轴箱体11前端面左侧；高精度2D位移传感器19安装在传感器夹具20中，传感器夹具20通过传感器夹具螺栓21安装在Z轴箱体11的前端面右侧；五轴精密数控位移平台Ⅱ的工作台上装夹有复合螺旋天线半成品天线，由五轴精密数控位移平台Ⅱ实现加工过程中的精密进给。

本发明的显著效果和益处是采用了多种加工工艺相组合的方式，并结合激光测量定位技术，从而弥补了原来单一工艺无法加工三维螺旋天线及手工拼接存在的成品率低等问题，高精度、高质量、高效率和低成本地完成了小型化复合三维螺旋天线的精密制造；采用激光烧蚀与微细铣削进行组合加工，并采用高精度2D位移传感器用于测量和定位，使得本装置具有加工精度高、自动化程度高、加工柔性好等特点，适用于不同类型复合螺旋天线的精密加工，可提高复合螺旋天线加工的精度和效率，加工出的天线机械及电气性能均满足特种工况的使用要求。

附图说明

图1是复合螺旋天线加工流程图。

图2是利用光刻工艺对天线上平面中心区域加工的流程图。其中，(a)-涂胶、前烘，(b)-曝光，(c)-显影、坚模，(d)-腐蚀，(e)-去胶，1-聚酰亚胺基底，2-镀铜层，3-光刻胶膜，4-掩膜板。

图3是利用激光测量定位效果图。图4是采用激光对螺旋天线进行粗加工效果图。图5是采用数控微细铣削对螺旋天线进行精加工效果图。

图6是复合螺旋天线测量加工一体化装置轴测图，图7为微细铣削激光组合加工测量装置主视图。其中：Ⅰ-测量加工组件，Ⅱ-五轴精密数控位移平台，11-Z轴箱体，12-箱体滑块，13-激光器、14-激光器夹具，15-激光器夹具螺栓，16-微细铣削电主轴，17-电主轴夹具，18-电主轴夹具螺栓，19-高精度2D位移传感器，20-传感器夹具，21-传感器夹具螺栓。

图8为复合螺旋天线立体效果图。其中：1-聚酰亚胺基底，2-复合螺旋天线带线。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，如附图1所示，首先将复合螺旋天线聚酰亚胺基底1表面整体铜化；然后，在平面螺旋天线中心区域进行光刻加工；接着，在除中心区域外的其余位置进行激光粗加工；最后，在中心区域外的其余位置进行数控微细铣削精加工。在加工工序的衔接处，还需要通过高精度2D位移传感器进行定位和补偿。以下详细说明高精度的复合螺旋天线具体的加工流程：

⑴复合螺旋天线聚酰亚胺基底表面整体铜化

聚酰亚胺基底1表面整体铜化技术主要包括：首先采用特定脱脂剂将聚酰亚胺材料进行脱脂，通过等离子处理的方法，使聚酰亚胺基底1表面粗化及表面活化，从而保证聚酰亚胺基底1表面的亲水性、粗糙度和活性。利用特定的铜化合物、络合剂、还原剂和pH调整剂溶剂配方在聚酰亚胺基底1表面形成电镀用的1μm厚的导电性化学镀铜层。然后，在镀铜层2上继续电镀至指定要求的厚度，完成聚酰亚胺基底1的整体铜化。

⑵复合螺旋天线上平面中心区域的光刻加工

本发明对平面螺旋天线微小中心区域部分采用光刻技术进行制造，具体分步制造过程如图2所示。如图2(a)，首先在铜化的聚酰亚胺基底1上均匀涂覆上一层光刻胶膜3；然后如图2(b)所示，将预先制作好的带有需要去除的微小区域图形的掩模板4对准放置在整个基底上，在紫外线光下进行曝光处理；如图2(c)，接着在显影溶液中将未感光部分的光刻胶膜3去除，获得腐蚀时所需的、有抗蚀剂保护的图形；经过后烘坚膜处理后，用腐蚀液将无光刻胶覆盖的金属蒸发层腐蚀掉，有光刻胶覆盖的区域保存下来，如图2(d)所示。最后使用化学试剂使胶膜碳化脱落，去除覆盖在铜层表面的保护胶膜，并用离子水冲净，这样在聚酰亚胺基底1上平面上就留下了一层覆盖了铜的平面螺旋天线，如图2(e)所示。

⑶基于激光测量的精确定位

复合螺旋天线上平面光刻加工后，将半成品天线装夹到测量加工一体化装置的五轴精密数控位移平台Ⅱ的工作台上，采用高精度2D位移传感器19测量经光刻后得到的中心区域的平面螺旋天线。图3是高精度2D位移传感器19进行平面螺旋天线边缘提取的效果图，传感器测头根据已知方程从平面螺旋中央开始沿带线边缘运动，在此过程中对采集到的图像进行分析，直至确认光刻端点进入视场后获取相应坐标并停止运动，完成定位。该坐标即为后续激光粗加工与微细铣削精加工的起点。

⑷激光粗加工

对于复合螺旋天线的圆锥螺旋部分以及平面螺旋与圆锥螺旋的过渡部分采用激光进行加工，由于激光具有优良的光束特性，适用于螺旋天线的粗加工。加工的单螺旋线效果如图4所示，所用激光波长532nm，脉冲宽度为纳秒级，重复频率40KHz。激光器烧蚀效率高，但存在热影响区，加工螺旋线边缘整齐度较低，加工的形状误差小于±10μm。

⑸微细铣削精加工

数控微细铣削加工是一种利用高速微细电主轴配合微小尺寸刀具对零件进行超精密加工的方法，虽然由于刀具及主轴的成本较高，加工效率略低，但与激光加工存在热影响区等问题相比，该方法的加工质量极高，因而适合激光加工后天线带线的精加工。图5为采用微细立式铣刀直径0.2mm精加工的宽螺旋线加工效果图。由于激光已完成了螺旋天线的粗加工，因而其效率显著提高，且铜层边缘清晰，加工误差小于±5μm。通过适量的过切对于去除边缘毛刺有一定效果。

⑹精加工后的测量与补偿

采用高精度2D位移传感器测量经微细铣削精加工后的天线带线，它可以以2D形式高速精确地截取表面轮廓，实现对天线零件位置及轮廓的在机测量，对加工不合格的地方利用微细铣削进行修补，最终达到高精度的加工要求。

以下结合附图6、附图7与技术方案详细说明其相应测量加工一体化装置的具体实施方式：该装置由测量加工组件Ⅰ与五轴精密数控位移平台Ⅱ组成；所述测量加工组件Ⅰ主体是一个Z轴箱体11，其背部装有箱体滑块12，使其能在竖直方向上运动；Z轴箱体11前端面上装有激光器13、激光器夹具14、激光器夹具螺栓15、微细铣削电主轴16、电主轴夹具17、电主轴夹具螺栓18、高精度2D位移传感器19、传感器夹具20与传感器夹具螺栓21。激光器13用于对天线的激光烧蚀加工；微细铣削电主轴16用于对天线零件刻线进行修边精加工；高精度2D位移传感器19用于对超宽频复合螺旋天线的测量与定位。该装置可以实现天线测量加工一体化，且通过一次装夹完成激光/微细铣削加工任务。

完成平面螺旋天线中心区域光刻加工后，即可将半成品天线移至测量加工一体化装置的五轴精密数控位移平台Ⅱ的工作台上。加工时，首先采用高精度2D位移传感器19对工件进行特征点识别和精密定位；然后用五轴精密数控位移平台Ⅱ进给并配合激光器13对工件进行粗加工；接着用五轴精密数控位移平台Ⅱ进给并配合微细铣削电主轴16对工件进行精加工；最后，利用高精度2D位移传感器定位装置19对已加工零件进行在机测量，找到加工不合格的位置，再利用加工质量高的微细铣削进行修补，最终得到合格的复合螺旋天线，如图8所示。

本发明的方法精度高、质量高，可高效率和低成本地完成小型化复合三维螺旋天线的精密制造。本发明的装置具有加工精度高、自动化程度高、加工柔性好等特点，适用于不同类型复合螺旋天线的精密加工，可提高复合螺旋天线加工的精度和效率。

Claims (2)

1.一种复合螺旋天线的精密制造方法，其特征在于，采用多种加工工艺相组合的方式，并结合激光测量定位技术，完成三维螺旋天线的精密制造；采用锥台形状的聚酰亚胺基底（1），首先对复合螺旋天线的聚酰亚胺基底（1）的上平面和圆锥表面进行整体铜化，然后对复合螺旋天线上平面中心区域采用光刻工艺进行加工，再对复合螺旋天线的聚酰亚胺基底（1）的圆锥表面和圆锥表面与上平面的过渡部分进行激光粗加工和微细铣削精加工，得到高质量的天线带线；再利用高精度2D位移传感器（19）进行天线特征提取，实现测量、定位和加工一体化；高精度的复合螺旋天线具体的制造方法如下：

1）、对复合螺旋天线聚酰亚胺基底表面进行整体铜化

首先采用特定脱脂剂将聚酰亚胺基底（1）进行脱脂，使聚酰亚胺基底（1）表面粗化及表面活化，利用特定的铜化合物、络合剂、还原剂和pH调整剂的溶剂配方在聚酰亚胺基底表面形成电镀用的1μm厚的导电性化学镀铜层（2）；然后，在镀铜层（2）上继续电镀至指定要求的厚度，完成聚酰亚胺基底的整体铜化；

2）、对复合螺旋天线上平面中心区域采用光刻工艺处理

首先在铜化后的聚酰亚胺基底（1）上均匀涂覆上一层光刻胶膜（3），将预制的带有需要去除的微小区域图形的掩模板（4）对准放置在整个聚酰亚胺基底（1）上，在紫外线光下进行曝光处理；然后在显影溶液中将未感光部分的光刻胶膜（3）去除；再经过后烘坚膜处理后，用腐蚀液将无光刻胶覆盖的金属腐蚀掉；最后使用化学试剂使光刻胶膜（3）碳化脱落，并用离子水冲净，最终在聚酰亚胺基底（1）表面上留下呈螺旋形状的镀铜层（2），螺旋形状的镀铜层（2）就是上平面中心区域的平面螺旋天线；

3）、复合螺旋天线上平面光刻加工后，将半成品天线装夹到测量加工一体化装置的五轴精密数控位移平台（Ⅱ）的工作台上，采用高精度2D位移传感器测量经光刻后得到的中心区域的平面螺旋天线，进行平面螺旋天线边缘特征点的提取，从而辨识出后续加工的起始点；

4）、对已装夹在五轴精密数控位移平台（Ⅱ）的工作台上复合螺旋天线半成品天线的复合螺旋天线圆锥表面和圆锥表面与上平面的过渡部分进行激光粗加工；先由辨识出的后续加工的起始点开始，完成激光器水平方向上对刀，然后进行激光粗加工；采用激光器（13）加工除上平面中心区域外的其它镀铜层（2），激光粗加工完成后得到超宽频复合螺旋天线的圆锥螺旋部分以及平面螺旋与圆锥螺旋的过渡部分；

5）、将激光粗加工完成后的超宽频复合螺旋天线的圆锥螺旋部分以及平面螺旋与圆锥螺旋的过渡部分的镀铜层（2）用微细铣削电主轴（16）进行微细铣削精加工，最后得到的镀铜层（2）成为高质量的天线带线；

6）、最后，用高精度2D位移传感器精确测量最后得到的天线带线轮廓截面，实现对天线轮廓的在机测量，对加工不合格的地方利用微细铣削进行修补，达到高精度的加工要求。

2.根据权利要求1所述的一种复合螺旋天线的精密制造方法，其特征是，该方法采用的测量加工装置由测量加工组件（Ⅰ）与五轴精密数控位移平台（Ⅱ）组成；所述测量加工组件（Ⅰ）主体是一个能在竖直方向上运动的Z轴箱体（11），在立柱上移动的箱体滑块（12）安装在Z轴箱体（11）的后平面上；激光器（13）安装在激光器夹具（14）上，激光器夹具（14）通过激光器夹具螺栓（15）安装在Z轴箱体（11）前端面正中间；微细铣削电主轴（16）安装在电主轴夹具（17）中，电主轴夹具（17）通过电主轴夹具螺栓（18）安装在Z轴箱体（11）前端面左侧；高精度2D位移传感器（19）安装在传感器夹具（20）中，传感器夹具（20）通过传感器夹具螺栓（21）安装在Z轴箱体（11）的前端面右侧；五轴精密数控位移平台（Ⅱ）的工作台上装夹有复合螺旋天线半成品天线，由五轴精密数控位移平台（Ⅱ）实现加工过程中的精密进给。

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