复杂曲面fss加工系统研究

第26卷 第4期航 空 学 报
VoI.26No.4 2005年 7月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA uIy 2005
收稿日期：2004-06-02；修订日期：2005-04-21基金项目：国家自然科学基金重点项目（90305026）资助
文章编号：1000-6893（2005）04-0524-04
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）
Digital Machining System of Complex Curved-Surface FSS LU Ming-yun ，ZHU Ming ，WANG Huan-ging ，WU Zhe
（FacuIty 513，Beijing University of Aeronautics and Astronautics ，Beijing 100083，China ）
摘 要：为了解决大型复杂曲面FSS
（Freguency SeIective Surface ）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 ：To soIve the key technoIogy of fabrication of Iarge compIex curved FSS （Freguency SeIective Surface ），a 5-DOF robotic digitaI machining system is studied and deveIoped.Surface partition and fuzzy positioning method im-prove the machining efficiency of Iarge compIex FSS greatIy as compared to the traditionaI machining technoIogy.A sampIe of Iarge curved-surface FSS and severaI pIanar FSSs are machined with the deveIoped system.The measured transmission performances of the machined pIanar FSSs are compared with that of the printed pIanar FSSs ，and the va-Iidity of the machining system is proved.
Key words ：compIex curved-surface ；freguency seIective surface ；digitaI machining ；transmission performance
频率选择表面（Freguency SeIective Surfaces ，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
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
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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lm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+l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（l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。

图l 机器人自由度示意图与效果图
Fig.l Sketch of robotic digitaI machining system
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。

作为加工对象，雷达罩试件是成型曲面，而且受到加工工艺的限制，存在较大的加工误差，这种误差的存在使得使用五坐标数控系统进行加工更加困难，按照理想模型经过CAM软件和后处理得到的加工轨迹与实际曲面的偏差，很容易导致系统发生过切或欠切现象，因此要求加工系统必须具有曲面定位能力。

考虑到以上几点，结合曲面FSS加工切削力较小的特点，5轴数字化加工系统采用了浮动主轴结构，其结构示意图如图2所示。

借助于带传动的柔性，浮动主轴可以补偿工件加工深度方向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0.l mm，因此这种定位方法的精度为0.l mm。

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
Fig.2 Sketch of fIoating spindIe
控制系统采用基于以太网的分布式结构，将系统的运动主控部分与监控部分分离，构建局域网制造系统。

整个控制系统主要由3部分构成：以太网控制系统、主控计算机系统和监控计算机系统。

以太网控制系统用于协调主控计算机、监控计算机和工作站之间的通信。

工作站通过以太网向主控计算机申请操作权限，获取权限后，可通过主控计算机进行对加工系统的控制。

主控计算机和监控计算机通过以太网进行加工信息的交互，一旦系统进入加工状态，主控计算机将向监控计算机发出启动监控指令，监控计算机开始进行数据和图像采集。

主控计算机通过USB或RS232与多轴运动控制器PMAC进行通信，主控计算机作为上位机，具有构造数字化模型、生成加工序列、加工过程的离线仿真和加工过程的控制等功能。

PMAC 作为下位机，采用前馈PID算法进行闭环位置控制，通过交流伺服电机驱动机械系统运动，同时通过I/0隔离板采集电主轴定位等传感器信号。

为了保证加工系统的可靠性，设计了在线监测系统。

监控系统由加工振动检测系统和机器人视觉系统构成。

振动检测系统用于检测电主轴高速
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航空学报第26卷
铣削加工时引发的工件和加工平台的振动，将振动信号采集到监控计算机后，用于调节电主轴的转速和进给速度，保证加工质量。

机器人视觉系统通过图像识别，辨识加工过的曲面区域，通过图像处理进行比较，判断刀具是否损坏，如果刀具发生损坏，监控计算机向主控计算机发送报警信息。

软件系统采用面向对象的方法进行设计，针对特定的加工对象，建立或从模型数据库中读取所需的模型数据，通过坐标转换和曲面分区计算，获得完成工件加工所需的加工序列，然后根据需要加工的图案，编制用户程序；用户程序通过编译生成仿真数据，通过与仿真控件的接口，进行加工过程的模拟仿真，仿真出错，则无法生成目标程序，用户需要找到引发错误的原因并进行修正，直至仿真通过。

仿真通过后即生成目标程序，然后通过与运动控制板的接口下载运行。

同时系统切换到加工监控状态，将采集到的机器人和变位机的数据显示到图形控件中，由图形控件显示加工过程中各个分区的刀具轨迹。

2 数字化分区加工技术
5轴联动加工是一种高效的复杂曲面加工方法，对于大型的复杂空间曲面FSS结构，需要加工的单元数量众多，通常有数万甚至十几万个单元，受到浮动主轴的结构限制，要求加工时主轴的轴线与曲面的外法线接近一致，若采用5轴联动加工，每加工l个单元都需要定位，而且加工刀具的接触刚度较低，刀具的进给速度较慢，从而降低了系统的加工效率。

本文提出了使用分区加工和浮动主轴模糊定位相结合的快速加工方法。

分区加工方法是提高加工效率的一种有效方法，所谓分区加工方法是将被加工表面分解为小区域并以将小区域近似为平面进行加工规划的方法。

一个分区内可以包含数个相邻图形单元，加工每一个分区时对一次刀，使刀具与该区中心点法线方向保持一致，如图3所示，在每个分区内，
图3 分区内的节点法向高度分布
Fig.3 NormaI depth distribution in same area 按照单元序列依次加工一系列单元。

这种加工方式利用柔性电主轴补偿不同加工点在加工深度方向上的差异，大大减少了对刀次数和时间，提高了加工效率。

具体的分区原则为：
（l）同一分区内任意两点的法向夹角不大于规定值!
，其值由FSS电性能实验中图形单元变形对其频率选择特性的影响确定；
（2）区域内所有节点相对于曲面中心点的法向高度不超过柔性加工主轴所能补偿的最大距离。

分区准则用下式表述
!!!0
h=!·"!k
（l）
式中：!为同一分区内任意两点的法向夹角；!
为
设定的同一分区内任意两点的最大法向夹角常
量；"为分区参考点0的曲面法向单位矢量；!为
数字模型曲面网格中的任一节点A到分区参考
点0的向量；k为设定高度常量，其取值低于柔性
加工主轴的自动补偿量。

3 FSS试件传输性能测试
一般采用电路板腐蚀工艺加工的平板FSS单
元几何尺寸较精确，为校验机器人系统加工FSS
试件的有效性，比较了两种加工工艺条件下平板
FSS的频率传输响应特性。

采用电路板腐蚀法和机器人数字化加工法加
工的两块平板FSS试件材料参数、FSS单元尺寸
及排列方式均相同。

加工的平板为覆铜板，介质
板的介电常数"
r
=5.2，介质板厚度h= 0.928mm，单面铜箔厚度为38!m。

试件大小均为6l2mm X9l8mm，加工的FSS振子单元均为圆
环孔径，孔径内半径R
l
=3.325mm，缝隙宽度w =0.45mm，圆环孔径单元的排列方式为正方形排列，单元周期间距为d x=d y=l3mm，排列方式和单元参数如图4所示。

图5（a）所示为TE
图4 FSS排列方式和单元参数
Fig.4 Parameters of unit ceII for FSS
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波极化条件下电路板腐蚀工艺加工的平板圆环
孔径FSS传输响应特性测试曲线，图5（b）所示为
TE波极化条件下机器人数字化加工的平板圆环
孔径FSS传输响应测试曲线，图5（c）所示为0 入
射角时两种加工工艺平板圆环孔径FSS频率传输
响应特性比较。

从图5（a）和图5（b）可以看出，用两种方法
加工的平板圆环孔径FSS试件均有较好的频率传
输响应特性。

图5（c）表明用两种不同方法加工
的平板圆环孔径FSS的传输响应特性有差异，机
器人加工的平板圆环孔径FSS试件的中心谐振
（a）电路板腐蚀工艺
（b）机器人加工工艺
（c）两种加工工艺比较（0 入射角）
图5 平板圆环孔径FSS传输响应特性测试曲线（TE极化）
Fig.5Measured transmission performance of circuiar aper-
ture piane FSS（TE poiarization）
频率比电路板腐蚀法加工试件的中心谐振频率偏
高，该差异可能是机器人刻铣FSS单元加工毛刺
影响的结果，但该影响对FSS传输损耗等性能没
有影响。

!"结"论
研究开发的机器人数字化加工系统能够有效
地加工FSS试件，为复杂空间曲面FSS的工程化
应用提供了一种有效的加工手段。

而建立的浮动
电主轴技术和曲面分区方法则大大提高了加工效
率。

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Lu M Y.Machining system and technoiogy method of compiex
curved-surface FSS radome［D］.Beijing：Beijing University of
Aeronautics and Astronautics，2004.（in Chinese）
作者简介：
吕明云（1969-）男，湖北公安人，北京航
空航天大学讲师，博士，主要从事飞行器隐身
和频率选择表面方面的研究，联系方式：010-
82338508（O）。

E-maii：iv503@
祝明（1976-）男，山东邹城人，北京航
空航天大学博士生，主要从事机器人控制与
数字化加工方面的研究。

E-maii：zm_buaa@
王焕青（1973-）女，山东莘县人，北京航空航天大学博士生，主
要从事飞行器隐身方面的研究。

E-maii：hging_w@
武哲（1957-）男，山西太原人，北京航空航天大学教授，博士
生导师，主要从事飞行器隐身和飞行器总体设计方面的研究。

E-maii：wuzhe@
（责任编辑：蔡斐）
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复杂曲面FSS加工系统研究
作者：吕明云， 祝明， 王焕青， 武哲， LU Ming-yun， ZHU Ming， WANG Huan-qing， WU Zhe
作者单位：北京航空航天大学,513教研室,北京,100083
刊名：
航空学报
英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA
年，卷(期)：2005,26(4)
被引用次数：5次
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引用本文格式：吕明云.祝明.王焕青.武哲.LU Ming-yun.ZHU Ming.WANG Huan-qing.WU Zhe复杂曲面FSS加工
系统研究[期刊论文]-航空学报 2005(4)。