CN114649684B - 一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，包括装配组件、两自由度恒压组件、加热组件和激光无损切割组件。步骤包括对叠片按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合；对叠片组合分别施加径向与轴向的恒定压力；将受压后的叠片组合进行真空加热，以进行金‑金键合，得到键合为一体的叠片组合；对键合为一体的叠片组合进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭。本发明使基于精密制造技术的堆叠制造成为可能，解决了具有微小结构的叠片的装配与加压的问题，且一次性成型与收集多个馈源喇叭。与传统技术相比具有位姿灵活可调，可提供恒定压力的优点，能够保证热压键合的品质，适合批量生产的特点。

Description

一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置

技术领域

本发明涉及波纹馈源喇叭的制造技术领域，具体为一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置。

背景技术

随着通信领域的高速发展，性能好的天馈系统成为人们的需要。波纹圆锥馈源喇叭是小型高效率反射面的天馈系统中的重要组成部分。在喇叭天线内壁开槽的波纹喇叭，辐射方向可以做到圆对称，且工作频带宽。在天线中使用波纹馈源喇叭可以使其效率提高到75％～80％。

当前，波纹馈源喇叭的制造方式主要分为精密电铸法、复合材料拼接法、金属三维打印、高频感应钎焊法、分体热装配法。

精密电铸法(CN 104152948 A)操作时间长，需求作业面积大，电铸结束后的制品还要进行衬底加工与研磨等。不能提高波纹馈源喇叭的制备效率；复合材料拼接法(CN103457032 B)，主要是利用环氧树脂与玻璃纤维等材料对加工的分体零件进行粘合，成品的外形与内表面形状难以控制；金属三维打印(CN 109167173 A)因为其本身特征会对材料与设备精度要求较高，应用领域较小；高频感应钎焊法(CN 107042347A)残余物较大，不能制备尺寸较小的馈源喇叭；分体热装配法(CN 110911843A)，是将馈源喇叭各部分分体制作，在高温下装配，然后进行机加工得到齿和槽，受刀具限制不能进行小尺寸馈源喇叭的制备。以上各种波纹馈源喇叭的制备方式都存在效率较低，适用面较窄的问题。

波纹馈源喇叭的电性能与机械结构对整个天线的性能有着十分重要的影响。波纹馈源喇叭具有良好的辐射特性，被广泛应用于改形卡赛格伦天线中。但其设计、加工复杂。波纹馈源喇叭随着频率升高，其几何特征更小、精度要求更高，最小的能达到50μm，大的能达到1500mm。机加工方式并不能完成小尺寸的波纹馈源喇叭内腔结构的加工。对此，使用离散叠层技术成为小尺寸波纹馈源喇叭制作的新思路。而在此过程中，需要特定的叠装技术与其配合。该叠装技术的使用将提高波纹馈源喇叭的生产效率与品质，实现灵活的批生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，以解决基于离散叠层技术制作小型波纹馈源喇叭内腔微细结构的叠片如何进行叠装与成型的问题。

本发明的第二目的在于提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，以解决叠片叠装过程中的如何调整空间姿态的问题。

本发明的第三目的在于提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，以解决叠片键合过程中如何施加恒定压力的问题。

本发明的第四目的在于提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，以解决叠片成型过程中如何进行切割与收集的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，包括以下步骤：A1：对叠片按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合。A2：对叠片组合分别施加径向与轴向的恒定压力。A3：将受压后的叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的叠片组合。A4：对键合为一体的叠片组合进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭。其中，在步骤A1中，通过超声波振动使叠片在定位件上实现按序堆叠。

一种波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，包括装配组件、两自由度恒压组件、加热组件和激光无损切割组件。装配组件用于对叠片按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合。两自由度恒压组件用于对叠片组合分别施加径向与轴向的恒定压力。加热组件用于将受压后的叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的叠片组合。激光无损切割组件用于对键合为一体的叠片组合进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭。

其中，装配组件包括叠片装配部和四自由度空间姿态调节部。四自由度空间姿态调节部用于调节待堆叠的叠片的方位，实现X、Y、Z、R方向上微调整。叠片装配部用于从四自由度空间姿态调节部接收叠片，以形成叠片组合。

具体地，叠片装配部包括自下而上依次设置的超声波发生件、精密叠装底座和柔顺导向定位销。超声波发生件用于向四自由度空间姿态调节部发出超声波振动。精密叠装底座设置于超声波发生件的上端面，用于放置叠片组合。柔顺导向定位销设置于精密叠装底座的上端面，用于配合四自由度空间姿态调节部实现待堆叠叠片的精度定位。

具体地，四自由度空间姿态调节部包括上料拨叉和调节部。上料拨叉与调节部螺栓连接且位于叠片装配部的上方，上料拨叉用于放置待堆叠的叠片，配合叠片装配部实现待堆叠叠片的精度定位。调节部用于实现待堆叠叠片在X、Y、Z、R方向上的微调整。

其中，两自由度恒压组件包括轴向恒压件和径向恒压件。径向恒压件用于将叠片组合在径向方向上实现夹持固定。轴向恒压件用于将径向方向上固定后的叠片组合实现轴向方向上固定。

径向恒压件包括固定径向定位基座、浮动径向定位基座、恒压弹簧、轴向定位压块和导向恒压螺柱。恒压弹簧套设于导向恒压螺柱上，导向恒压螺柱穿射浮动径向定位基座与固定径向定位基座连接，使得固定径向定位基座与浮动径向定位基座相互夹持以固定叠片组合，轴向定位压块设置于固定径向定位基座和浮动径向定位基座上方用于配合轴向恒压件实现轴向方向上固定。

轴向恒压件包括轴向压紧螺栓、轴向压力头和槽体。槽体的侧边开设有槽口，槽口用于放入叠片组合。轴向压紧螺栓穿射于槽体的上端面，轴向压紧螺栓位于槽体内的一端与轴向压力头固定连接，轴向压力头用于配合槽体的下端面实现轴向方向上固定。

其中，加热组件为真空加热箱，用于将受压后的叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的叠片组合。

具体地，激光无损切割组件包括激光切割件、分立定位基座和分立落料底盘。激光切割件用于对键合为一体的叠片组合进行激光无损切割。分立定位基座用于固定待切割的叠片组合。分立落料底盘用于对切割得到的馈源喇叭进行收集。

通过采用上述技术方案，使其与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置，相对于传统的叠片堆叠技术，更容易保证产品的一致性与实现灵活的批量生产。利用本技术堆叠成型复杂型腔，从根本上解决了小型波纹馈源喇叭内腔制造困难，难以批量的技术难题。

(2)该发明通过使用柔顺装配系统中四自由度空间姿态调节装置实现了微小零件的拾取与位姿调整，使得定位准确，高效。

(3)该方法通过使用柔顺装配系统中超声波发生装置实现了微小零件的无接触滑入柔顺导向销中，保证了产品的一致性。

(4)该方法通过使用恒压装置保证了叠片组合在键合时的轴向与径向的恒定压力。

(5)该方法通过在恒压过程中使用精密叠装底座和柔顺导向定位销保证了叠片组合在加热键合时形位的准确性，从而保证了产品的一致性。

(6)该方法通过在切割过程中使用分立定位基座和分立落料底盘保证了键合叠片组合在激光切割时外形的准确性，也使得批生产更加的灵活，同时分立定位基座和分立的落料底盘更加易于制作与操作。

(7)该方法通过叠片堆叠与激光无损切割后。可以根据需要在堆叠阶段或者激光无损切割阶段一次性成型多种规格的馈源喇叭。也能适用于多种产品小批量生产的情况。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法及装置的流程示意图；

图2是本发明波纹馈源喇叭内腔齿槽截面结构示意图；

图3是本发明叠片的俯视结构示意图；

图4是叠片材料剖视结构图；

图5是柔顺装配系统示意图；

图6是叠片通过叠装后形成叠片组合的轴侧图；

图7是叠片组合在真空热压时的恒压装置；

图8是恒压装置的轴向恒压装置的爆炸视图；

图9是恒压装置的径向恒压装置的爆炸视图；

图10是恒压装置的径向恒压装置的工作状态图解；

图11是恒压装置的径向恒压装置的加压方式图解；

图12是真空热压后所形成的键合叠片组合形成波纹馈源喇叭示意图；

图13是堆叠阶段一次成型多种规格馈源喇叭的示意图；

图14是激光无损切割阶段一次成型多种规格馈源喇叭的示意图。

标号说明：

1-超声波发生件，101-槽结构，102-齿结构，2-精密叠装底座，3-柔顺导向定位销，4-叠片，5-叠片组合，6-上料拨叉，7-螺钉，8-调节部，41-金层，42-铜层，43-金层，9-叠片交叠内表面，51-顶层齿叠片，51+n-底层齿叠片，511-齿叠片内表面，512-定位孔1，522-定位孔2，52-次顶层槽叠片，521-槽叠片内表面，10-键合叠片组合，11-激光切割轨迹，12-未分离的馈源喇叭，13-波纹馈源喇叭，14-轴向恒压件，15-径向恒压件，141-槽体，142-轴向压力头，143-轴向压紧螺栓，151-轴向定位压块，152-固定径向定位基座，153-浮动径向定位基座，154-恒压弹簧，155-导向恒压螺柱，16-真空加热箱，17-激光切割件，18-分立定位基座，19-分立落料底盘，20-馈源喇叭1,21-馈源喇叭2,22-馈源喇叭3，23-键合后交叠内表面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例所要制作的波纹馈源喇叭13内腔齿槽截面示意结构如图2所示，其内腔齿和槽交替出现，命名为齿结构102和槽结构101。本方法将二维叠片按照馈源喇叭内腔设计堆叠成型如图3，假设在某种波纹馈源喇叭13的制造过程中，包括顶层齿叠片51、齿叠片内表面511，次顶层槽叠片52和槽叠片内表面521，以及最下一层的-底层齿叠片51+n。而任一叠片4材料剖视结构图如图4，分为三层，自上而下分为金层41、铜层42和金层43。利用金层41和金层43，在后续工序中形成金金键合。最后经过激光无损切割组件，可一次成型多个馈源喇叭，并由分立的落料底盘19进行收集。图中描绘的仅为某一种馈源喇叭，本实例可根据需要一次性制备多个相同口径或不同口径的波纹馈源喇叭13。具体步骤如下

本发明提供一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，包括以下步骤：

首先在步骤A1中：对叠片4按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合5。请参阅图2、图3、图5。首先根据波纹喇叭的齿结构102和槽结构101，设计堆叠顺序，通过四自由度空间姿态调节部8对叠片4的空间姿态进行调整，包括X、Y、Z、R四个方向的微调，使其的定位孔512、定位孔522对准柔顺导向定位销3，且叠片4上的齿叠片内表面511与槽叠片内表面521的圆心也是重合的。

超声波发生件1发出声波使叠片44从上料拨叉6上掉落，穿入到柔顺导向定位销3中，重复上述动作直至各叠片4堆叠起来可以得到所要求的内腔结构图4和外形结构图6所示的叠片组合5。

接着在步骤A2中：对叠片组合5分别施加径向与轴向的恒定压力。请参阅图7、图8、图9、图10和图11。将获得的叠片组合5连同精密叠装底座2与其上的柔顺导向定位销3一起先放入到径向恒压件15中，在此装置中利用固定径向定位基座152与浮动径向定位基座153固定叠片组合5的外边缘，高度保持其形位的准确性。

再利用导向恒压螺柱155与恒压弹簧154配合对叠片组合5施加恒定的径向压力。导向恒压螺柱155利用其螺帽压紧恒压弹簧154使浮动径向定位基座153始终用恒定压力压向固定径向定位基座152，从而保证恒定压力与正确的压力点。完成径向加压后的径向恒压件15的内部截面如图10所示，压紧原理如图11所示。

再把压好叠片组合5的径向恒压件15放入到轴向恒压件14的槽体141中，利用定力矩扳手对轴向压紧螺栓143施加恒定压力，最后通过轴向压力头142压紧轴向定位块151施加在叠片组合5上。轴向压力头142保证了施加压力的均匀性，为真空加热键合的品质提供了保障。此步骤完成后得到如图7所示的恒压装置。

接着，在步骤A3中，将受压后的叠片组合5进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的叠片组合5。

最后在步骤A4中，对键合为一体的叠片组合5进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭13。激光无损切割步骤，请参阅图1和图12。通过真空热压键合得到键合叠片组合510，其上的小孔堆叠形成的内腔结构如图12所示，这也是最终所要获得的波纹馈源喇叭13的内腔结构。根据所要制备的馈源喇叭的外形大小形成激光切割轨迹11，然后利用激光切割件17与分立定位基座18进行激光无损切割，得到波纹馈源喇叭13。波纹馈源喇叭13会直接落入分立落料底盘19中。通过使用分立定位基座18与分立落料底盘19可以更灵活的控制生产，

本方案解决了微型波纹馈源喇叭在叠层制造时的装配与加压问题，使用柔顺装配系统包括四自由度空间姿态调节装置与超声波发生装置实现来叠片4在空间中的姿态调整与按顺序装配，四自由度空间姿态调节装置可以在空间的X、Y、Z与R方向对叠片4的姿态进行细微调整，使其对准超声波发生装置上的柔顺导向定位销3，通过超声振动自然落入其中。采用了两自由度恒压系统实现了对装配完成的叠片组合5的轴向与径向上恒定压力的施加，保证了真空键合的品质，也保证叠片4在真空加热时形位的正确性，避免因受热膨胀造成的偏移。最后采用了激光无损切割装置实现了多个波纹馈源喇叭13的一次性分离与收集，由于采用分立定位基座18与分立落料盘，使得加工获得的馈源喇叭外形精准，便于收集。采用分立结构极大降低了定位基座的加工难度，使得应用更加灵活。

实施例2

一种波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，应用如实施例1的波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，其包括装配组件、两自由度恒压组件、加热组件和激光无损切割组件。具体地，装配组件用于对叠片4按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合5。

参看图1、图5，装配组件包括叠片4装配部和四自由度空间姿态调节部8。四自由度空间姿态调节部8用于调节待堆叠的叠片4的方位，实现X、Y、Z、R方向上微调整。叠片4装配部用于从四自由度空间姿态调节部8接收叠片4，以形成叠片组合5。

具体地，四自由度空间姿态调节部8包括上料拨叉6和调节部8。上料拨叉6与调节部8通过螺栓实现连接，具体通过螺钉7连接，且位于叠片装配部的上方，上料拨叉6用于放置待堆叠的叠片4，配合叠片装配部实现待堆叠叠片4的精度定位。调节部8可实现将上料拨叉6上的待堆叠叠片4在X、Y、Z、R方向上的微调整。

具体地，叠片装配部包括自下而上依次设置的超声波发生件1、精密叠装底座2和柔顺导向定位销3。超声波发生件1用于向上料拨叉6发出超声波振动，使上料拨叉6上的待堆叠叠片4受振动掉落。精密叠装底座2设置于超声波发生件1的上端面，用于接收掉落的叠片4，以此得到叠片组合5。柔顺导向定位销3设置于精密叠装底座2的上端面，柔顺导向定位销3能够穿透叠片4的定位孔，从而实现精度定位。

参看图7至图11，两自由度恒压组件用于对叠片组合5分别施加径向与轴向的恒定压力。具体地，两自由度恒压组件包括轴向恒压件14和径向恒压件15。径向恒压件15用于将叠片组合5在径向方向上实现夹持固定。轴向恒压件14用于将径向方向上固定后的叠片组合5实现轴向方向上固定。

首先参看图8至图11，径向恒压件15包括固定径向定位基座152、浮动径向定位基座153、恒压弹簧154、轴向定位压块151和导向恒压螺柱155。恒压弹簧154套设于导向恒压螺柱155上，在本实施例中，恒压弹簧154和导向恒压螺柱155设置数量为两个。浮动径向定位基座153开设有导通孔，套有恒压弹簧154的恒压螺柱穿射于浮动径向定位基座153与固定径向定位基座152连接，使得固定径向定位基座152与浮动径向定位基座153相互夹持形成夹持空间，夹持空间内用以固定叠片组合5，轴向定位压块151设置于固定径向定位基座152和浮动径向定位基座153上方且位于夹持空间的正上方，可配合轴向恒压件14实现轴向方向上固定。

参看图7和图8，轴向恒压件14包括轴向压紧螺栓143、轴向压力头142和槽体141。槽体141的侧边开设有槽口，槽口用于放入叠片组合5。轴向压紧螺栓143穿射于槽体141的上端面，轴向压紧螺栓143位于槽体141内的一端与轴向压力头142固定连接，轴向压力头142挤压轴向定位压块151配合槽体141的下端面实现轴向方向上固定。

参看图1，加热组件用于将受压后的叠片组合5进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的叠片组合5，具体采用真空加热箱16以实现。

参看图1和图14，激光无损切割组件用于对键合为一体的叠片组合5进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭13。

具体地，激光无损切割组件包括激光切割件17、分立定位基座18和分立落料底盘19。激光切割件17用于对键合为一体的叠片组合5进行激光无损切割。分立定位基座18用于固定待切割的叠片组合5。分立落料底盘19用于对切割得到的馈源喇叭进行收集。在本实施例中，激光切割件17可自主选择激光切割轨迹11，可一次性得到不同大小的馈源喇叭20、21和22。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，适配于波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，包括以下步骤：

A1：对叠片按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合；

精密装配过程中，通过波纹馈源喇叭叠片堆叠装置的四自由度空间姿态调节部以调节待堆叠的叠片的方位，实现X、Y、Z、R方向上微调整；

通过波纹馈源喇叭叠片堆叠装置的叠片装配部，以从所述四自由度空间姿态调节部接收叠片，从而实现精度定位下的所述叠片组合；

A2：对所述叠片组合分别施加径向与轴向的恒定压力；

A3：将受压后的所述叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的所述叠片组合；

A4：对键合为一体的所述叠片组合进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭。

2.根据权利要求1所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，其特征在于，在所述步骤A1中，通过超声波振动使叠片在定位件上实现按序堆叠。

3.一种波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，应用如权利要求1和2任意一项所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠方法，其特征在于，包括装配组件、两自由度恒压组件、加热组件和激光无损切割组件；

所述装配组件用于对叠片按堆叠次序进行精密装配，形成叠片组合；

所述两自由度恒压组件用于对所述叠片组合分别施加径向与轴向的恒定压力；

所述加热组件用于将受压后的所述叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的所述叠片组合；

所述激光无损切割组件用于对键合为一体的所述叠片组合进行激光无损切割，获得多个波纹馈源喇叭；

所述装配组件包括叠片装配部和四自由度空间姿态调节部；

所述四自由度空间姿态调节部用于调节待堆叠的叠片的方位，实现X、Y、Z、R方向上微调整；

所述叠片装配部用于从所述四自由度空间姿态调节部接收叠片，以形成所述叠片组合。

4.根据权利要求3所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，所述叠片装配部包括自下而上依次设置的超声波发生件、精密叠装底座和柔顺导向定位销；

所述超声波发生件用于向所述四自由度空间姿态调节部发出超声波振动；

所述精密叠装底座设置于所述超声波发生件的上端面，用于放置所述叠片组合；

所述柔顺导向定位销设置于所述精密叠装底座的上端面，用于配合所述四自由度空间姿态调节部实现待堆叠叠片的精度定位。

5.根据权利要求4所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，所述四自由度空间姿态调节部包括上料拨叉和调节部；

所述上料拨叉与所述调节部螺栓连接且位于所述叠片装配部的上方，所述上料拨叉用于放置待堆叠的叠片，配合所述叠片装配部实现待堆叠叠片的精度定位；

所述调节部用于实现待堆叠叠片在X、Y、Z、R方向上的微调整。

6.根据权利要求3所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，所述两自由度恒压组件包括轴向恒压件和径向恒压件；

所述径向恒压件用于将所述叠片组合在径向方向上实现夹持固定；

所述轴向恒压件用于将径向方向上固定后的所述叠片组合实现轴向方向上固定，

所述径向恒压件包括固定径向定位基座、浮动径向定位基座、恒压弹簧、轴向定位压块和导向恒压螺柱；

所述恒压弹簧套设于所述导向恒压螺柱上，所述导向恒压螺柱穿射所述浮动径向定位基座与所述固定径向定位基座连接，使得所述固定径向定位基座与所述浮动径向定位基座相互夹持以固定所述叠片组合，所述轴向定位压块设置于所述固定径向定位基座和所述浮动径向定位基座上方用于配合所述轴向恒压件实现轴向方向上固定；

所述轴向恒压件包括轴向压紧螺栓、轴向压力头和槽体；

所述槽体的侧边开设有槽口，所述槽口用于放入所述叠片组合；

所述轴向压紧螺栓穿射于所述槽体的上端面，所述轴向压紧螺栓位于所述槽体内的一端与所述轴向压力头固定连接，所述轴向压力头用于配合所述槽体的下端面实现轴向方向上固定。

7.根据权利要求3所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，所述加热组件为真空加热箱，用于将受压后的所述叠片组合进行真空加热，以进行金-金键合，得到键合为一体的所述叠片组合。

8.根据权利要求3所述的波纹馈源喇叭叠片堆叠装置，其特征在于，所述激光无损切割组件包括激光切割件、分立定位基座和分立落料底盘；

所述激光切割件用于对键合为一体的所述叠片组合进行激光无损切割；

所述分立定位基座用于固定待切割的所述叠片组合；

所述分立落料底盘用于对切割得到的馈源喇叭进行收集。