第26卷　第4期　2005年　　7月航　空　学　报

ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAVol126No14July　2005

　　文章编号:100026893(2005)0420524204

复杂曲面FSS加工系统研究

吕明云,祝　明,王焕青,武　哲

(北京航空航天大学513教研室,北京　100083)

DigitalMachiningSystemofComplexCurved2SurfaceFSSLUMing2yun,ZHUMing,WANGHuan2qing,WUZhe

(Faculty513,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing　100083,China)

摘　要:为了解决大型复杂曲面FSS(FrequencySelectiveSurface)加工中的关键技术,研究并开发了5自由度机器人数字化加工系统。与传统的5轴联动加工方法相比,提出的分区加工和浮动电主轴模糊定位相结合的快速加工方法大大提高了系统的加工效率。利用建立的数字化加工系统加工了复杂曲面FSS雷达罩试件和平板FSS试件。对比测试了不同加工工艺条件下平板FSS的频率传输响应特性,验证了该加工系统的有效性。

关键词:复杂曲面;频率选择表面;数字化加工;传输响应特性中图分类号:V261;TH161　　　　　文献标识码:A

Abstract:TosolvethekeytechnologyoffabricationoflargecomplexcurvedFSS(SelectiveSur2face),a52DOFroboticdigitalmachiningsystemisstudiedanddeveloped.Surfaceandfuzzypositio2ningmethodimprovethemachiningefficiencyoflargeFSStraditionalma2chiningtechnology.Asampleoflargecurved2surfaceFSSandmachinedwiththedevel2opedsystem.ThemeasuredtransmissionFSSsarecomparedwiththatoftheprintedplanarFSSs,andthetheisproved.

Keywords:complexsurface;digitalmachining;transmissionperformance

　　频率选择SelectiveSur2

faces,简称FSS)结构是在金属薄膜上有规律地刻蚀孔径单元或粘贴金属贴片单元,形成“电振子结构”,从而对电磁波具有按频率呈现带通(开孔型)或带阻(贴片型)的特性。FSS技术和雷达罩复合可以形成FSS雷达罩,能够有效减缩空天飞行器的雷达散射截面,对空天飞行器的雷达隐身有重要意义。

在复杂空间曲面上如何定位并精确加工FSS振子是FSS技术工程化应用中非常重要的环节。目前国内外曲面FSS的制造工艺主要采用适用于平板的电镀蚀刻法和图形电镀反贴法。由于应用的复杂曲面一般是不可展的,电镀蚀刻法将平面FSS图形转移到曲面上时,须将底片分割成多个小单元手工粘贴在曲面上,这样处理不仅直接影响底片的平整度,导致不同程度的虚曝,还会产生底片位置偏差,不能满足曲面FSS图形高精度和一致性要求。

本文提出了一种5自由度刻铣机器人曲面加工法,利用机器人刀具直接在曲面衬底薄罩的金

收稿日期:2004206202;修订日期:2005204221

基金项目:国家自然科学基金重点项目(90305026)资助

属薄膜上数字化刻铣FSS缝隙阵列,数控操作,可完全满足FSS阵列几何参数在FSS薄罩上的设计精度要求,是一种新的曲面FSS加工工艺。1　机器人加工系统

要在曲面衬底薄罩的金属薄膜上高精度地刻铣FSS缝隙阵列,需实时控制刻铣刀具与所刻单元振子图形之间的位姿关系,因此加工系统必须具有实时调节刀具位置及雷达衬罩姿态的功能。开发的5轴数字化加工系统融合了机械、控制、监控和软件等多个领域的技术,系统构成包括机械系统、控制系统和软件系统3大模块。

机械系统由3自由度直角坐标机器人和两自由度变位机构组成,如图1所示。系统通过3自由度直角坐标机器人的运动调节刻铣刀具位置,而两自由度变位机可以实现曲面试件的圆周运动和横向摆动,从而调整曲面试件的姿态。变位机配合直角坐标机器人的运动,从而实现连续或定点5轴加工。

一般的5坐标数控加工机床,运动自由度的分配有多种形式,包括:3个直线运动自由度+2个旋转运动自由度,这种结构与开发的五轴数字

　第4期吕明云等:复杂曲面FSS加工系统研究　525

化加工系统类似,也是5轴数控加工机床最为常用的结构,适合加工形状复杂的工件,但是由于受到转台结构尺寸的限制,很难加工结构尺寸大于1m的工件,一些大型的加工中心具有加工大型工件的能力,但是系统价格昂贵;4自由度本体+1个旋转自由度平台,这种结构将2个旋转自由度分离,使得主轴具有调节单方向姿态的能力,适合于外形不太复杂的中小型曲面的加工;3自由度本体(1个直线运动自由度+2个旋转运动自由度)+2个直线运动自由度平台,这种结构使得主轴的位姿调整更加灵活,可以加工复杂的曲面内壁。

3mm的误差。进行曲面FSS加工时,通过光电

传感器检测分度盘壳体的边沿实现曲面定位,首先加工主轴刀具与被加工面相接触,使得叠簧受压,当叠簧压缩到一定程度,传感器发射的光线越过分度盘边沿,传感器触发,完成定位过程,在接近触发的过程中,主轴的步进距离为011mm,因此这种定位方法的精度为011mm。电主轴端部的分度盘可以控制刀具伸出的长度,从而可达到控制加工深度的目的。

图2　浮动主轴示意图

Fig12　Sketchoffloatingspindle

图1　机器人自由度示意图与效果图

Fig11　Sketchofroboticdigitalmachiningsystem

综上所述,5坐标数控机床虽然具有加工复杂

曲面的能力,但是这些曲面一般是中小型曲面,否则系统的成本会大大增加。雷达罩试件是大型对称或不对称回转薄壁曲面,轴向尺寸达到3m,结构刚度低,即使采用大型的5轴加工中心进行加工,必须设计专用的装卡工具,加工成本昂贵。开发的5轴数字化加工系统,在变位机的结构设计中,利用曲面衬底模胎,解决了工件的装卡问题。

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