CN105470654A - 静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达天线技术领域，具体提供了一种静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法，该方法首先制作一种利用真空负压吸附原理的高精度反射面的拼接模具，即薄膜反射面拼接系统MRAS，其由上抛物表面、下密封盖、内六角圆柱头螺钉组成；然后在此基础上制作出预成形具有一定焦径比的高精度薄膜反射面。本发明的原理可靠、操作简便，提供了从反射面模具设计到拼接制作等完整的制作大口径薄膜反射面的方法，通过该方法可制作出高精度的预成形抛物面，为原理样机的制备提供技术支撑。

Description

静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，涉及星载静电成形薄膜反射面可展开天线薄膜反射面制作、拼接模具设计以及粘接方法，具体是一种静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法，用于制作出具有一定焦径比的高精度薄膜反射面。

背景技术

随着航天科技活动的快速发展，对星载可展开天线也提出了越来越高的要求，具体表现在大口径和高精度两个方面。例如，NASA的下一代星载气象雷达要求口径达到35m，频率高达35GHz天线,在轨形面精度要求达到0.17mm。而未来通信、对地遥感探测等领域也对大口径、高精度的星载天线有着潜在的需求。然而目前发展较为成熟的星载反射面天线都难以同时满足大口径、高精度的要求。为此，出现了静电成形薄膜反射面、充气压电薄膜反射面以及形状记忆聚合物充气混合可展开天等多种新概念天线。静电成形薄膜反射面可展开天线，在面密度、展开性能以及在轨热环境下的面形维持等方面，具有突出的优势，因此受到了众多国际宇航研究机构的高度关注和广泛研究。

静电成形薄膜反射面天线是通过分布高压电极和接地镀金属薄膜之间形成静电场，由静电力控制薄膜反射面表面形状的一种主动反射面。自上世纪70年代末以来，国内外很多研究机构都已开展了对静电成形薄膜反射面天线的研究。2004年，美国SRS.technologys公司和NorthropGrumman公司首次进行了应用性研究，并制作了口径5m的原理样机，完成了对样机的测试，对静电成形理论进行了验证。静电成形薄膜反射面可展开天线，由astromesh结构、薄膜支撑环、铺设在astromesh结构前索网上的高压控制电极、接地薄膜和多通道供电系统组成。

由于现如今大面积回转曲面薄膜制作技术发展的不成熟的现状，限制了大口径薄膜反射面整体成形的发展，目前均是通过拼接来实现大口径薄膜反射面的制作的。为了满足薄膜反射面高的形面精度要求，就需要在初始放样曲面上制作出高精度的拼接模具，以及研究制作反射面方法。为此，提出了一种拼接模具设计、反射面制作的方法，对于工程样机的研制具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，基于薄膜反射面放样曲面，利用真空负压吸附薄膜的原理设计制作出高精度反射面的拼接模具，并在此基础上制作出预成形具有一定焦径比的高精度薄膜反射面。

为实现上述目的，本发明提供了一种静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法，其技术方案是：静电成形薄膜反射面拼接模具，该静电成形薄膜反射面拼接模具是由上抛物表面、下密封盖、连接螺钉、连接抽气管接头和真空泵组成的一整套称为薄膜反射面拼接系统的拼接模具。所述拼接模具中，其上抛物表面内部做成空腔型的，并在上抛物表面上打细光孔；在下密封盖上设接入真空泵的螺纹孔；

所述静电成形薄膜反射面拼接模具的制作步骤为：

步骤101：首先制作出焦径比为D/f的预成形薄膜反射面，即上抛物表面；其中：D为薄膜反射面口径，f为焦距；

步骤102：将所制作的上抛物表面实体做成空腔，其壁厚为20mm；其空腔用车床铣出，空腔轮廓曲线的方程采用插值方法得到，该方程形式为y＝a₀+a₁x+a₂x²；上抛物表面要和下密封盖配合，并且拼接模具口径可以扩大；

其中，a₀、a₁、a₂为插值函数系数，x表示从抛物面顶点沿径向距离，y为抛物面距顶点高度；

步骤103：上抛物表面与下密封盖连接并密封，在上抛物表面外缘四周均布设置螺纹孔；

步骤104：在模具上打细光孔，不要在膜片拼接处打孔；

步骤105：制作下密封盖，并在台阶处做倒角处理；

步骤106：通过下密封盖上的螺纹孔连接真空泵，该螺纹孔设于下密封盖的中心位置；

步骤107：在下密封盖四周与上抛物表面外缘四周的螺纹孔对应处打台阶光孔。

上述静电成形薄膜反射面拼接模具的装配包括以下步骤：

步骤201：将下密封盖放置在事先安置好的试验台上；

步骤202：将上抛物面小心放置在下密封盖上方，并将上抛物表面四周螺纹孔和下密封盖四周台阶光孔对齐；

步骤203：用连接螺钉将两者连接牢固，并在两者相接触的地方涂抹密封胶进行密封；

步骤204：通过下密封盖上的螺纹孔安装上接头和真空泵；

步骤205：完成静电成形薄膜反射面拼接模具组装。

一种静电成形薄膜反射面拼接方法，基于所述拼接模具，拼接制作出表面均方根值误差在几十微米级的预成形静电成形薄膜反射面，具体包括如下步骤：

步骤301：按照裁剪片的展平边界加工制造用于裁剪的三角扇形模板，其中模板用于和薄膜接触的一面要求加工光滑，以便于和薄膜接触；模板的另一面设置把手,使模板方便易拿；

步骤302：将薄膜放置在工作台面上，确保薄膜片与台面贴合；

步骤303：将裁剪模板光滑的一面放到薄膜上，然后裁剪出三角扇形膜片；

步骤304：将裁剪下来的膜片依次铺设在拼接模具上抛物表面；

步骤305：打开真空泵开关，用软毛刷轻轻擦拭三角扇形膜片表面，使膜片和拼接模板能够完好的贴合；

步骤306：用聚酰亚胺胶带将各三角扇形膜片进行粘接；

步骤307：增加薄膜边界裙边、索套、环向索和径向索；

步骤308：完成整个薄膜反射面的制作。

本发明的有益效果：本发明包括步骤：1)由薄膜应力释放分析得到无应力状态的放样曲面，设计一种利用真空负压吸附的薄膜反射面拼接模具；2)依据现有的薄膜裁剪、展平方法加工制作出薄膜裁剪模具，用该模具裁剪出薄膜片并在拼接模具上进行粘接，制作完整的薄膜反射面天线。本发明的优点在于：

1、充分考虑到了柔性薄膜反射面拼接制作的特点，设计出拼接模具和合理的制作方法。

2、由于薄膜的应力测量比较困难，利用曲面展平和应力释放原理，从平面无应力状态下裁剪薄膜，可有效控制薄膜的制作裁剪精度。再在拼接模具上进行粘接，有效的保证了初始设计抛物面精度。

3、本发明的原理可靠、操作简便，提供了从反射面模具设计到拼接制作等完整的制作大口径薄膜反射面的方法，通过该方法可制作出高精度的预成形抛物面，为原理样机的制备提供技术支撑。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1静电成形薄膜反射面拼接模具总体流程图；

图2静电成形薄膜反射面制作方法总体流程图；

图3上抛物表面半剖视图；

图4是图3的局部放大图；

图5下密封盖半剖视图；

图6是图5的局部放大图；

图7薄膜反射面拼接模具装配图；

图8薄膜反射面拼接模具装配局部放大图；

图9上抛物表面打孔示意图；

图10薄膜反射面拼接制作示意图；

图11薄膜反射面拼接制作整体示意图。

附图标记说明：1、空腔；2、空腔轮廓曲线；3、螺纹孔；4、配合公差；5、英制螺纹孔；6、台阶光孔；7、倒角；8、内六角圆柱头螺钉；9、接触处；10、裙边；11、索套；12、索；13、环向索；14、径向索；15、拼接模具；16、聚酰亚胺胶带；17、气管；18、真空泵。

具体实施方式

静电成形薄膜反射面可展开天线要达到较高的形面精度，只通过调整是无法做到的，只能通过制作预成形具有较高精度的抛物面来实现。制作出高精度的拼接模具和合理地制作方法是制作高精度薄膜反射面的前提。薄膜拼接模具设计方案见下述内容：下面均以2m薄膜反射面天线原理样机的制作为例来说明。

大口径的薄膜反射面是通过平面膜片在模具上拼接制作而成的，膜片与模具完好的贴合是制作高精度薄膜反射面的关键，据此本发明利用真空负压吸附薄膜的原理提供了静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法。本发明原则上可以用于制作任意口径天线，但考虑到加工机床有尺寸等限制，因此可是在此基础上向外扩宽、组装成大口径拼接模具，这就有装配要求。

本发明提供的这种静电成形薄膜反射面拼接模具及静电成形薄膜反射面拼接方法，其静电成形薄膜反射面拼接模具是由上抛物表面、下密封盖、连接螺钉、连接抽气管接头和真空泵组成的一整套称为薄膜反射面拼接系统的拼接模具；基于该拼接模具，拼接制作出表面均方根值误差在几十微米级的预成形静电成形薄膜反射面。

本发明具体内容及实现步骤如下：

1、首先介绍拼接模具的设计

一种利用真空负压吸附薄膜反射面的拼接模具，由上抛物表面、下密封盖、连接螺钉、连接抽气管接头和真空泵组成，这样一整套装置称为薄膜反射面拼接系统(MRAS)。

MRAS中，为了实现真空吸附，上抛物表面做成空腔型的，并在表面上按一定规律打竖直细光孔。为了和下密封盖配合，并且模具口径可以扩大，就要考虑留出配合公差4的问题，详细内容见附图4。为了接入真空泵，在下密封盖下方要留有英制螺纹孔5，详细内容见图5。

参见图1，薄膜反射面拼接模具设计步骤为：

步骤101：如图3所示，首先制作出焦径比为D/f的预成形薄膜反射面，即上抛物表面；其中：D为薄膜反射面口径，f为焦距。

步骤102：为了达到真空负压吸附的目的，就要将所设计的上抛物表面实体做成空腔1，如图3所示。考虑到在施加压力时保持不变形，满足高度要求，就要将上表面保留一定壁厚，一般在20mm左右为宜。车床要铣出空腔来，空腔轮廓曲线2的方程采用插值方法得到，该方程形式为y＝a₀+a₁x+a₂x²；

其中，a₀、a₁、a₂为插值函数系数，x表示从抛物面顶点沿径向距离，y为抛物面距顶点高度。

步骤103：上抛物表面内部要与下密封盖配合，边缘处为了尺寸扩大也要配合。为了和下密封盖能够牢固的连接和密封，需要在上抛物表面四周合理的布置螺纹孔3，如图4所示；

具体配合方式，本案例采用基孔制过渡配合。

步骤104：在模具上按规律打通孔，如图9所示。由于要负压吸附薄膜，该孔尺寸不能过大，并在膜片拼接处不做处理。孔尺寸为Φ0.8mm，孔之间间距5mm。由于孔尺寸较小，不能用普通转头直接打孔，需要在空腔内部在孔位置处转出一个较孔径大的凹坑，然后换转头，进行打孔。沿模具径向线，要留出薄膜拼接线不做处理；

步骤105：如图5所示，在MRAS中，根据尺寸要求设计出下密封盖，便于加工要做倒角7处理，如图6所示；

步骤106：下密封盖和真空泵相连接，要在下密封盖中心打一个英制螺纹孔5，如图5所示；

步骤107：在下密封盖上与上抛物表面外缘四周的螺纹孔对应处打台阶光孔6，如图6所示。

图7薄膜反射面拼接模具装配图，薄膜反射面拼接模具具体的组装步骤为：

步骤201：将下密封盖放置在事先安置好的试验台上；

步骤202：将上抛物面小心放置在下密封盖上方，并将上抛物表面四周螺纹孔3和下密封盖四周台阶光孔6对齐；

步骤203：图8所示，用内六角圆柱头螺钉8，将两者连接牢固，并在两者相接的接触处9涂抹密封胶进行密封；

步骤204：在下密封盖下方英制螺纹孔5上安装上接头、气管17和真空泵18；

步骤205：完成MRAS的组装。

2、步骤二，薄膜反射面的裁剪、拼接加工制作

薄膜反射面是由单面镀铝的聚酰亚胺薄膜材料制成的，由于膜材较薄，操作过程中很容易出现褶皱，并且是不可恢复的。所以在进行裁剪拼接时就需要特别小心。

参见图2，薄膜反射面的裁剪、拼接加工制作步骤为：

步骤301：按照裁剪片的展平边界加工制造用于裁剪的模板，其中模板一面较光滑。因为裁剪片模板最终要放置到聚酰亚胺薄膜上去剪裁,所以为了移动方便，拿起和放下不至于刮坏膜片，在模板粗糙一面要留有把手,使模板方便易拿；

步骤302：为了使聚酰亚胺薄膜能平整不产生褶皱，要制作专门的工作台；

步骤303：把裁剪模板边缘上的金属毛刺打磨干净，把裁剪模板光滑的一面和工作台面用清洁液(如酒精等)擦拭干净。待干燥后把薄膜平摊在台面上，慢慢的将薄膜片与台面贴合；

步骤304：把裁剪模板有平面度要求的一面轻轻平放到膜片上，不能让其在裁剪过程中产生平动，防止膜产生褶皱，影响精度，然后用手术刀裁剪膜片。裁剪膜片裁剪好后，依次放上拼接模具上摆放整齐，避免出现折痕；

步骤305：将裁剪下来的膜片按标准线依次铺设在拼接模具15上抛物面，此时打开真空泵开关，调至合适的档位将拼接模具空腔中的空气进行抽离。在这个过程中要用软的毛刷轻轻的擦拭薄膜表面，做到使薄膜和拼接模板能够完好的贴合；

步骤306：用聚酰亚胺胶带16将各膜片进行粘接。聚酰亚胺胶带要用那种较薄质软的(厚度12.0μm)，粘接前要做的工作是将胶带裁剪成5.0cmX0.6cm的细长条，由于所做模型较大，以此要裁剪出几百条胶带条。由于胶带在撕下时会有一定程度的回缩，如果立即进行粘接会引起粘接膜面产生局部褶皱，严重影响精度，因此要将做好的胶带条在不受力情况下放置一段时间(一天)留着备用；

步骤307：粘接时要注意相邻两条胶带间适当的留些间距(1.0～2.0mm为宜)，要注意的是膜面中心位置的粘接，此处可以裁剪下一个半径5.0mm的圆胶带进行粘接。待整个膜面粘接完毕，关闭真空泵；

步骤308：增加裙边10、索套11、环向索13和径向索14。为了增加静电成形薄膜反射面的可调整范围，在反射面圆周增加可调整的索结构。索套是用同反射面相同的膜材来制作，尺寸为2.1cmX0.6cm，索12是用涤纶材料来制作；

步骤309：首先沿做好的薄膜反射面一周用刻度尺每隔3.75°画线，再由边界向面内1cm处画线(背面相同的操作，1.0cm处画线)，两条线相交处即为索套一边粘接处。

步骤310：图10所示，为了能将裙边10、索套11和薄膜反射面粘接牢固，这里采用聚酰胺树脂和环氧树脂按照比例1:1调和得到的胶体进行粘接的。用毛刷蘸取少许胶均匀涂抹在索套上，并用卡片将胶赶均匀，成薄薄的一层，然后将索套粘贴到事先画线标记处，将贴好的索套用重物压着，静放一天待胶完全干后开始做索；

步骤311：在涤纶索前段用细线绑紧一根针，然后将针小心穿过索套，因为索套与薄膜反射面用胶粘接，只能承受拉力，所以注意不要将索套拉扯下来，围绕膜面一周后打结，完成环向索13的制作；

步骤312：制作径向边界拉索14：在两索套间的环向索中心点点做标记，用于固定拉索。将涤纶索裁成20.0cm的索段，并在距索端1.0cm处做标记。将拉索和环向索做标记处重合，然后用细线缠绕将拉索绑紧，最终完成径向边界拉索的制作；

步骤313：完成整个薄膜反射面的制作。

图11是薄膜反射面拼接制作出的整体示意图。

通过实验验证，本发明所提技术方案具有较高的可操作性。通过高精度机床加工(精度<0.01mm)制造出静电成形薄膜反射面拼接模具，通过连接真空泵对裁剪的平面薄膜进行拼接，能制作出表面光洁、焦径比满足、精度较高的预成型静电成形薄膜反射面模型。

综上，本发明的优点在于：

1、充分考虑到了柔性薄膜反射面拼接制作的特点，设计出拼接模具和合理的制作方法。

2、由于薄膜的应力测量比较困难，利用曲面展平和应力释放原理，从平面无应力状态下裁剪薄膜，可有效控制薄膜的制作裁剪精度。再在拼接模具上进行粘接，有效的保证了初始设计抛物面精度。

3、本发明的原理可靠、操作简便，提供了从反射面模具设计到拼接制作等完整的制作大口径薄膜反射面的方法，通过该方法可制作出高精度的预成形抛物面，为原理样机的制备提供技术支撑。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.静电成形薄膜反射面拼接模具，其特征是：该静电成形薄膜反射面拼接模具是由上抛物表面、下密封盖、连接螺钉、连接抽气管接头和真空泵组成的一整套称为薄膜反射面拼接系统的拼接模具；所述拼接模具中，其上抛物表面内部做成空腔型的，并在上抛物表面上打细光孔；在下密封盖上设接入真空泵的螺纹孔；

所述静电成形薄膜反射面拼接模具的制作步骤为：

步骤101：首先制作出焦径比为D/f的预成形薄膜反射面，即上抛物表面；其中：D为薄膜反射面口径，f为焦距；

步骤102：将所制作的上抛物表面实体做成空腔，其壁厚为20mm；其空腔用车床铣出，空腔轮廓曲线的方程采用插值方法得到，该方程形式为y＝a₀+a₁x+a₂x²；上抛物表面要和下密封盖配合，并且拼接模具口径可以扩大；

其中，a₀、a₁、a₂为插值函数系数，x表示从抛物面顶点沿径向距离，y为抛物面距顶点高度；

步骤103：上抛物表面与下密封盖连接并密封，在上抛物表面外缘四周均布设置螺纹孔；

步骤104：在模具上打细光孔，不要在膜片拼接处打孔；

步骤105：制作下密封盖，并在台阶处做倒角处理；

步骤106：通过下密封盖上的螺纹孔连接真空泵，该螺纹孔设于下密封盖的中心位置；

步骤107：在下密封盖四周与上抛物表面外缘四周的螺纹孔对应处打台阶光孔。

2.根据权利要求1所述的静电成形薄膜反射面拼接模具，其特征是：所述静电成形薄膜反射面拼接模具的装配包括以下步骤：

步骤201：将下密封盖放置在事先安置好的试验台上；

步骤202：将上抛物面小心放置在下密封盖上方，并将上抛物表面四周螺纹孔和下密封盖四周台阶光孔对齐；

步骤203：用连接螺钉将两者连接牢固，并在两者相接触的地方涂抹密封胶进行密封；

步骤204：通过下密封盖上的螺纹孔安装上接头和真空泵；

步骤205：完成静电成形薄膜反射面拼接模具组装。

3.一种基于权利要求1所述的静电成形薄膜反射面拼接模具的静电成形薄膜反射面拼接方法，其特征是：基于所述拼接模具，拼接制作出表面均方根值误差在几十微米级的预成形静电成形薄膜反射面，具体包括如下步骤：

步骤301：按照裁剪片的展平边界加工制造用于裁剪的三角扇形模板，其中模板用于和薄膜接触的一面要求加工光滑，以便于和薄膜接触；模板的另一面设置把手,使模板方便易拿；

步骤302：将薄膜放置在工作台面上，确保薄膜片与台面贴合；

步骤303：将裁剪模板光滑的一面放到薄膜上，然后裁剪出三角扇形膜片；

步骤304：将裁剪下来的膜片依次铺设在拼接模具上抛物表面；

步骤305：打开真空泵开关，用软毛刷轻轻擦拭三角扇形膜片表面，使膜片和拼接模板能够完好的贴合；

步骤306：用聚酰亚胺胶带将各三角扇形膜片进行粘接；

步骤307：增加薄膜边界裙边、索套、环向索和径向索；

步骤308：完成整个薄膜反射面的制作。