试论整体叶盘机器人自动化抛光技术

【摘 要】整体叶盘技术是一种在航天航空领域应用较为广泛的技术，其技术的核心在于结构与技术的综合。整体夜盘技术的应用能够极大的提高机械的性能，并对机械的内部结构进行简化，减少了机械能耗以及故障发生率，使得整体的性能有了极大的提升。本文从整体叶盘的结构特点技术入手，分析了这一技术在应用型机器人抛光过程中的应用，并对具体工艺的控制提出了一些建议。

【关键词】整体叶盘；机器人；自动化抛光

整体叶盘技术在20世纪80年代第一次出现，当时的整体叶盘技术主要是用于将发动机的叶片进行整合，对于一些结构复杂、操作性差的机器具有良好的应用效果。当前我国对整体叶盘的加工主要有数字加工和手工加工两种模式。这两种方式在加工效率和质量上都难以有良好的保障，尤其是手工加工的方式下，加工人员需要长期在恶劣的工作环境中进行工作，并且故障的发生率极高，不光给企业造成了经济损失，甚至会威胁到加工人员的生命安全。机器人的自动抛光技术较好的解决了这些问题。

1.整体叶盘的结构特性

与传统的叶盘结构相比，整体叶盘在结构的整体性上有了明显的提高。在整体叶盘结构中省去了榫头、榫槽等部件，较少了气流在榫头上的损失，同时还减轻了整体叶盘的重量。此外，在整体叶盘的结构上采用的是窄流道的布局方式，能够有效的提高气体的流动性，但这也给整体叶盘的抛光带来了一定的难度，主要体现在以下几个方面。

首先，在整体叶盘中盘体的结构通常是锥型的，从而导致重量分布不均匀，通道较窄，可使用的模具类型十分有限，在加工的过程中还容易对叶盘产生损害。

第二，整体叶盘的叶片较薄，延展性大，但强度差，一旦受到外力作用容易发生形变甚至断裂的现象，并且抛光的程度难以控制，在抛光的过程中容易产生抛光过度的现象。

第三，由于整体叶盘的叶盘结构较为复杂，在数据计算的过程中容易产生误差，另外，抛光设备的使用、夹具的使用、机床的操作过程等都容易使数据发生偏差，从而导致最终的成品不符合加工要求。

第四，整体叶盘的排气口在两边，并且在横截面积上较小，在形状轮廓上也有较高的要求，在外力的作用下容易产生磨损或故障。

第五，在整体叶盘的抛光过程中主要采用的是球头刀，容易对叶片产生不均匀的抛光效果，在表面的平整光滑度上难以达到要求。

2.机床设计要求

为了保证整体叶盘的功能实现及加工质量，在抛光工艺上要做到良好的把控，并在保证加工质量的前提下，尽量提高加工的经济性。具体的设计要求有以下几点：

2.1多轴联动

整体叶盘结构中多曲面，在加工过程中采用多轴联动的方式可以提高加工效率。在数控技术的不断发展下，多轴联动的加工方式已经基本实现，对于部分部件的加工甚至能够达到五轴以上的联动。多轴联动的加工方式不仅能够提高材料的利用效率，还能减少刀具对材料的影响。

2.2高精度

整体叶盘的抛光对于精度的要求较高，为此首先应当保证数据计算的精确性，其次在加工设备的选择上也应尽量选择稳定性高、加工效率高的加工设备。当前我国的整体叶盘加工对于精度的要求已经达到了纳米级别，并通过机床的有效调控得以实现。要保证加工表面具有良好的表面一致性，形成均匀的抛光纹路，必须使切触点数量与加工表面外形很好地结合起来。

2.3自动化程度高

提高整体叶盘加工的自动化程度可以有效减少外部因素对加工效果的影响，此外还能有效提高加工的效率，降低加工成本，确保企业经济效益。

3.关键零部件设计

3.1直线导轨

直线导轨是整体叶盘中重要的部件，在一定程度上直线导轨的质量将直接决定数控机床的功能。当前，我国在整体叶盘加工中使用的直线导轨主要是滚柱式的直线导轨。这种直线导轨强度大、稳定性强、摩擦系数小、使用年限长，对于提高加工的精度和效率具有良好的效果。

3.2滚珠丝

滚珠丝的作用主要是将叶片的旋转运动转变为直线运动，因此滚珠丝是作为直线驱动设置在整体叶盘结构中的。滚珠丝可以提高数控机床的加工速率以及加工精度。选用传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长和同步性能好的内循环垫片预紧螺母式滚珠丝。

3.3柔性磨头

柔性磨头是实现叶盘表面抛光效果的关键环节。柔性磨头通常由四个气缸和四个传感器构成。通过柔性磨头的使用可以实现抛光磨具与工件间压力数据的采集、传送及调节。3个气缸通过气缸座安装于电主轴套上，用来调节径向的压力，轴向气缸安装于抛光机构的顶部，用来调节轴向的。

3.4刀位点数据生成

抛光轨迹主要是指刀具切触点的运行轨迹，要保证抛光纹路的均匀，就需要加工表面外形与使切触点数量吻合，避免出现欠切或过切现象，从而提高加工效率。刀位点数据主要是指刀心点的刀轴矢量及坐标。具体公式为：

rt=rP+Rn

式中rt表示刀心的点矢；rP表示加工表面点P的点矢；R表示刀具半径；n表示在P的处加工表面的法向矢量。

3.5切削行距的确定

在满足设定的残余高度下，合理的走刀行距应该是最大走刀行距，其与残余高度和刀具半径密切相关。由几何关系表示为：

式中：lh表示切削行距；k表示加工表面沿着切削方向的法曲率。

4.数控抛光机总体控制方案设计

整体叶盘与传统的叶盘相比薄度较大，能够承受的抛光力度较小，为控制叶盘的加工效果，必须制定良好的控制方案。整体叶盘机器人自动化抛光系统由关节型机器人、抛光刀具、机器人控制器、高精度伺服工作台、力传感器、工业PC机等组成。在整体叶盘的控制系统中应当包括中心的控制计算机、数控设备、数据传输设备等。通过这些设备的应用可以实现对柔性磨头的数字化控制，从而确保柔性磨头能够进行精确、规范的作业，此外这一控制系统的使用还实现了对加工效果的实时监控，操作人员能够根据加工的效果调整机器的运行和加工流程。

整体叶盘的外部造型也是控制的主要内容。在进行外部造成的加工前需要先通过计算机模拟叶片的截面曲线，在通过光顺处理和放样处理来确定加工的细节。内、外环实体的造型是先生成内、外环截面封闭曲线，再通过中心轴旋转扫描而成。

5.结语

实现抛光刀具轨迹的自动生成，构建整体叶盘自动化抛光系统，利用工业机器人进行整体叶盘的自动化抛光，可以克服手工打磨的不足，提高抛光效率，完善整体叶盘表面质量。抛光机器人的控制是一个复杂工程，现在处于摸索阶段，需要进一步完善，才能使本系统具有更强的控制能力。 [科]

【参考文献】