試論整體葉盤機器人自動化拋光技術

【摘 要】整體葉盤技術是一種在航天航空領域應用較為廣泛的技術，其技術的核心在于結構與技術的綜合。整體夜盤技術的應用能夠極大的提高機械的性能，并對機械的內部結構進行簡化，減少了機械能耗以及故障發(fā)生率，使得整體的性能有了極大的提升。本文從整體葉盤的結構特點技術入手，分析了這一技術在應用型機器人拋光過程中的應用，并對具體工藝的控制提出了一些建議。

【關鍵詞】整體葉盤；機器人；自動化拋光

整體葉盤技術在20世紀80年代第一次出現，當時的整體葉盤技術主要是用于將發(fā)動機的葉片進行整合，對于一些結構復雜、操作性差的機器具有良好的應用效果。當前我國對整體葉盤的加工主要有數字加工和手工加工兩種模式。這兩種方式在加工效率和質量上都難以有良好的保障，尤其是手工加工的方式下，加工人員需要長期在惡劣的工作環(huán)境中進行工作，并且故障的發(fā)生率極高，不光給企業(yè)造成了經濟損失，甚至會威脅到加工人員的生命安全。機器人的自動拋光技術較好的解決了這些問題。

1.整體葉盤的結構特性

與傳統(tǒng)的葉盤結構相比，整體葉盤在結構的整體性上有了明顯的提高。在整體葉盤結構中省去了榫頭、榫槽等部件，較少了氣流在榫頭上的損失，同時還減輕了整體葉盤的重量。此外，在整體葉盤的結構上采用的是窄流道的布局方式，能夠有效的提高氣體的流動性，但這也給整體葉盤的拋光帶來了一定的難度，主要體現在以下幾個方面。

首先，在整體葉盤中盤體的結構通常是錐型的，從而導致重量分布不均勻，通道較窄，可使用的模具類型十分有限，在加工的過程中還容易對葉盤產生損害。

第二，整體葉盤的葉片較薄，延展性大，但強度差，一旦受到外力作用容易發(fā)生形變甚至斷裂的現象，并且拋光的程度難以控制，在拋光的過程中容易產生拋光過度的現象。

第三，由于整體葉盤的葉盤結構較為復雜，在數據計算的過程中容易產生誤差，另外，拋光設備的使用、夾具的使用、機床的操作過程等都容易使數據發(fā)生偏差，從而導致最終的成品不符合加工要求。

第四，整體葉盤的排氣口在兩邊，并且在橫截面積上較小，在形狀輪廓上也有較高的要求，在外力的作用下容易產生磨損或故障。

第五，在整體葉盤的拋光過程中主要采用的是球頭刀，容易對葉片產生不均勻的拋光效果，在表面的平整光滑度上難以達到要求。

2.機床設計要求

為了保證整體葉盤的功能實現及加工質量，在拋光工藝上要做到良好的把控，并在保證加工質量的前提下，盡量提高加工的經濟性。具體的設計要求有以下幾點：

2.1多軸聯(lián)動

整體葉盤結構中多曲面，在加工過程中采用多軸聯(lián)動的方式可以提高加工效率。在數控技術的不斷發(fā)展下，多軸聯(lián)動的加工方式已經基本實現，對于部分部件的加工甚至能夠達到五軸以上的聯(lián)動。多軸聯(lián)動的加工方式不僅能夠提高材料的利用效率，還能減少刀具對材料的影響。

2.2高精度

整體葉盤的拋光對于精度的要求較高，為此首先應當保證數據計算的精確性，其次在加工設備的選擇上也應盡量選擇穩(wěn)定性高、加工效率高的加工設備。當前我國的整體葉盤加工對于精度的要求已經達到了納米級別，并通過機床的有效調控得以實現。要保證加工表面具有良好的表面一致性，形成均勻的拋光紋路，必須使切觸點數量與加工表面外形很好地結合起來。

2.3自動化程度高

提高整體葉盤加工的自動化程度可以有效減少外部因素對加工效果的影響，此外還能有效提高加工的效率，降低加工成本，確保企業(yè)經濟效益。

3.關鍵零部件設計

3.1直線導軌

直線導軌是整體葉盤中重要的部件，在一定程度上直線導軌的質量將直接決定數控機床的功能。當前，我國在整體葉盤加工中使用的直線導軌主要是滾柱式的直線導軌。這種直線導軌強度大、穩(wěn)定性強、摩擦系數小、使用年限長，對于提高加工的精度和效率具有良好的效果。

3.2滾珠絲

滾珠絲的作用主要是將葉片的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，因此滾珠絲是作為直線驅動設置在整體葉盤結構中的。滾珠絲可以提高數控機床的加工速率以及加工精度。選用傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長和同步性能好的內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲。

3.3柔性磨頭

柔性磨頭是實現葉盤表面拋光效果的關鍵環(huán)節(jié)。柔性磨頭通常由四個氣缸和四個傳感器構成。通過柔性磨頭的使用可以實現拋光磨具與工件間壓力數據的采集、傳送及調節(jié)。3個氣缸通過氣缸座安裝于電主軸套上，用來調節(jié)徑向的壓力，軸向氣缸安裝于拋光機構的頂部，用來調節(jié)軸向的。

3.4刀位點數據生成

拋光軌跡主要是指刀具切觸點的運行軌跡，要保證拋光紋路的均勻，就需要加工表面外形與使切觸點數量吻合，避免出現欠切或過切現象，從而提高加工效率。刀位點數據主要是指刀心點的刀軸矢量及坐標。具體公式為：

rt=rP+Rn

式中rt表示刀心的點矢；rP表示加工表面點P的點矢；R表示刀具半徑；n表示在P的處加工表面的法向矢量。

3.5切削行距的確定

在滿足設定的殘余高度下，合理的走刀行距應該是最大走刀行距，其與殘余高度和刀具半徑密切相關。由幾何關系表示為：

1=2

式中：lh表示切削行距；k表示加工表面沿著切削方向的法曲率。

4.數控拋光機總體控制方案設計

整體葉盤與傳統(tǒng)的葉盤相比薄度較大，能夠承受的拋光力度較小，為控制葉盤的加工效果，必須制定良好的控制方案。整體葉盤機器人自動化拋光系統(tǒng)由關節(jié)型機器人、拋光刀具、機器人控制器、高精度伺服工作臺、力傳感器、工業(yè)PC機等組成。在整體葉盤的控制系統(tǒng)中應當包括中心的控制計算機、數控設備、數據傳輸設備等。通過這些設備的應用可以實現對柔性磨頭的數字化控制，從而確保柔性磨頭能夠進行精確、規(guī)范的作業(yè)，此外這一控制系統(tǒng)的使用還實現了對加工效果的實時監(jiān)控，操作人員能夠根據加工的效果調整機器的運行和加工流程。

整體葉盤的外部造型也是控制的主要內容。在進行外部造成的加工前需要先通過計算機模擬葉片的截面曲線，在通過光順處理和放樣處理來確定加工的細節(jié)。內、外環(huán)實體的造型是先生成內、外環(huán)截面封閉曲線，再通過中心軸旋轉掃描而成。

5.結語

實現拋光刀具軌跡的自動生成，構建整體葉盤自動化拋光系統(tǒng)，利用工業(yè)機器人進行整體葉盤的自動化拋光，可以克服手工打磨的不足，提高拋光效率，完善整體葉盤表面質量。拋光機器人的控制是一個復雜工程，現在處于摸索階段，需要進一步完善，才能使本系統(tǒng)具有更強的控制能力。 [科]

【參考文獻】

[1]劉隨建，吳偉東.整體葉盤葉片光飾拋光試驗及發(fā)展應用探析[J].航空制造技術，2010（05）：84-86.

[2]任軍學，張定華，王增強等.整體葉盤數控加工技術研究[J].航空學報，2014（22）：205-208.

[3]王文理，王焱，王君等.航空發(fā)動機鈦合金焊接式整體葉盤數控銑削工藝及編程技術[J].航空制造技術，2011（25）：100-102.

[4]鄧朝暉，萬林林，張榮輝等.難加工材料高效精密磨削技術研究進展[J].中國機械工程，2010，（24）：318-323.

[5]修樹東，倪忠進，陳茂軍.化學機械拋光的研究進展[J]. 機械研究與應用，2010（12）：10-13.