CN106735867B - 基于多自由度激光机器人的fss雷达罩加工方法及加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法及加工装置，首先采用三维建模技术进行FSS雷达罩的模型设计，采用旋压成型工艺获得待加工的共形雷达罩金属罩体，然后通过激光机器人的轨迹控制结合双自由度移动平台实现所有FSS单元结构的加工。采用CCD图像传感器实现激光非接触式对焦。本发明的有益效果在于：采用激光非接触式加工方式，加工过程对雷达罩罩体不会产生应力作用，通用性强，而且可以在一个加工周期内完成所有FSS单元结构的加工，工作效率高。

Description

基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法及加工装置
技术领域
本发明涉及机器人激光加工技术以及微波波段雷达罩技术领域，尤其涉及一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法及加工装置。
背景技术
频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）是指周期性排列的金属谐振贴片或金属表面谐振缝隙结构，其本质是一种空间滤波器，其结构能够实现优良的选频特性，根据其结构的不同能够实现对电磁波的带通、带阻、高通、低通等特性。其原理在于当某一频率的电磁波入射到FSS时，如果与FSS发生谐振，该入射电磁波将被全反射（贴片型表现为带阻）或全透射（缝隙结构表现为带通）。
随着现代高科技的发展，雷达大量应用于飞机、导弹、航海等领域，雷达罩的运用也日趋广泛。雷达罩是电磁波的窗口，其作用是保护天线，防止环境对雷达天线工作状态的影响和干扰，从而减少驱动天线运转的功率，提高其工作可靠性，保证雷达天线全天候工作。雷达罩的存在，延长了天线的使用寿命，简化了天线的结构，减轻了结构的重量。雷达罩作为雷达系统的重要组成部分，其性能好坏直接影响到雷达系统的功能。可以说，雷达罩与天线同等重要。要求雷达罩对天线的电磁辐射特性的影响最小，并且满足战术技术指标的要求。常规的雷达罩一般只应用于保护天线结构，对电磁波透明，这导致飞行器前端制导雷达舱成为其雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）的主要贡献来源之一，大大影响了飞行器的隐身性能。将频率选择表面技术应用于雷达罩可以实现只透过特定频率，通过与飞行器共形使带外雷达波反射到远离雷达探测方向的效果，大大缩减RCS，进而改善飞行器的带外隐身性能。
雷达罩的结构一般位于飞行器前端，配合飞行器气动布局进行共形设计，外形一般为圆锥型、球形或锥形加球形组合的形式，更多情况下为双曲率不可展曲面。对于可展曲面，可以采用柔性屏展开加工然后进行贴附的形式完成，常用的工艺方法有印刷电路工艺、镀膜加光刻、数控加工等方式。对于不可展曲面，前述方法都不能直接应用，需要进行小曲面剖分近似的形式，用可展曲面分片贴附进行组合，这种方式严重破坏了金属层导电连续性，会产生严重的边界截断效应，其滤波性能受到严重影响。并且，飞行器高速飞行过程中由于与大气的摩擦导致温度升高，贴附的形式容易脱落，严重影响正常通信能力。传统数控加工方式为刀具接触式加工，但是由于雷达罩表面金属层几何厚度与刀具尺寸相比差距较大，采用接触式加工方法时雷达罩受刀具切削力，容易导致结构变形。
采用激光机器人加工的形式实现了非接触式加工，机器人在其工作空间内，其末端坐标可以任意姿态到达其工作空间的任意位置，具有高度柔性，可以适应复杂曲面，直接在曲面结构上面进行单元的刻蚀，直接加工出FSS结构。根据三维软件建立的模型数据获取需要的加工信息。这种方式可以适应曲面的复杂性，具有通用性强、加工速度快的特点。现有技术中，还没有用激光机器人进行曲面FSS雷达罩加工的应用。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法及加工装置，加工过程对雷达罩罩体不会产生应力作用，通用性强，工作效率高。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待加工雷达罩的滤波特性要求设计得到FSS单元结构，通过三维建模技术建立按特定规律布设有N个FSS单元结构的FSS雷达罩三维模型，其中N为大于1的正整数；
步骤S2：利用旋压成型工艺获得待加工雷达罩的罩体；
步骤S3：固定待加工雷达罩的罩体，采用多自由度激光机器人对罩体进行定位，建立FSS雷达罩加工坐标系；
步骤S4：以一个FSS单元结构为加工单位，通过CCD成像系统辅助获取多自由度激光机器人的激光焦点位置，使其位于罩体表面上其中一个待加工FSS单元结构加工起始点处，保证激光束方向与该起始点切平面法线方向平行；
步骤S5：通过步骤S1的FSS雷达罩的三维模型获取待加工FSS单元结构的加工轨迹，控制多自由度激光机器人使激光焦点位置沿加工轨迹运动进行加工；
步骤S6：调整激光焦点使其位于下一个待加工FSS单元结构的加工起始点处；
步骤S7：转至步骤S5进行加工，直至位于该罩体上的所有FSS单元结构全部加工完成。
进一步的，在步骤S3中，将待加工雷达罩的罩体固定于双自由度移动平台上，通过双自由度移动平台调整待加工的雷达罩罩体的加工位置，使其与多自由度激光机器人配合实现加工定位。
进一步的，在步骤S2中，所述雷达罩的罩体为金属罩体，并且对于薄屏FSS雷达罩采用以共形雷达罩介质基底进行金属镀膜的形式获取，对于厚屏FSS雷达罩采用旋压成型工艺直接获取共形雷达罩金属罩体。
进一步的，在步骤S4-S6中，通过CCD成像系统辅助多自由度激光机器人实现激光非接触式对焦。
进一步的，所述CCD成像系统由一个以上的CCD图像传感器组成。
进一步的，在步骤S7中，所有FSS单元结构的加工在一个加工周期内完成。
本发明还提供一种如上述所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法的加工装置，包括多自由度激光机器人本体及其配套控制系统、双自由度移动平台和CCD成像系统；
所述多自由度激光机器人本体及其配套控制系统，用于读取待加工的FSS雷达罩三维模型的加工数据，进而控制激光焦点位置的运动轨迹实现FSS单元结构的加工；
所述双自由度移动平台用于控制待加工雷达罩的罩体进行旋转以及调整加工位置；
所述CCD成像系统包括一个以上的CCD图像传感器组成，通过CCD图像传感器获取激光焦点位置信息用于调整多自由度激光机器人加工坐标系原点与待加工雷达罩的罩体的相对位置；
所述双自由度移动平台和CCD成像系统均与多自由度激光机器人配套控制系统电连。
进一步的，所述待加工雷达罩的罩体固定于所述双自由度移动平台上。
进一步的，所述FSS单元结构为十字单元结构。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
（1）充分利用多自由度激光机器人本体的高柔性特点，结合数字化设计，既可加工可展曲面FSS也可加工不可展曲面FSS。对于薄屏和厚屏FSS都能实现加工。加工一次完成，避免了贴片形式的导电连续性破坏而产生的边界截断效应。极大保证了FSS雷达罩的设计性能，保证了其降低RCS的性能。
（2）通用性好，能够满足FSS单元结构的复杂性，直接一体化加工成型，不对加工对象产生加工应力，其工序简单。对于在雷达罩罩体表面任意排布FSS单元，只要知道其单元的偏置信息即可完成单元加工；
（3）采用旋压成型工艺的方法获取共形雷达罩罩体进而进行单元一体化加工的方式可以实现不改变原有飞行器设计，采用原有的气动布局方案，直接将FSS雷达罩套入雷达前端罩体即可达到不改变内部天线工作方式，降低飞行器RCS的效果。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工流程图；
图2为本发明实施例的FSS单元结构的示意图；
图3为本发明实施例的FSS雷达罩加工效果图；
图4为本发明实施例的采用旋压成型工艺得到的共形雷达罩罩体的模型图；
图5为本发明实施例的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～4所示，本实施例的一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据待加工雷达罩的滤波特性要求设计得到FSS单元结构，通过三维建模技术建立按特定规律布设有N个FSS单元结构的FSS雷达罩三维模型，其中N为大于1的正整数；
步骤S2：利用旋压成型工艺获得待加工雷达罩的罩体；
步骤S3：固定待加工雷达罩的罩体，采用多自由度激光机器人对罩体进行定位，建立FSS雷达罩加工坐标系；
步骤S4：以一个FSS单元结构为加工单位，通过CCD成像系统辅助获取多自由度激光机器人的激光焦点位置，使其位于罩体表面上其中一个待加工FSS单元结构加工起始点处，保证激光束方向与该起始点切平面法线方向平行；
步骤S5：通过步骤S1的FSS雷达罩的三维模型获取待加工FSS单元结构的加工轨迹，控制多自由度激光机器人使激光焦点位置沿加工轨迹运动进行加工；
步骤S6：调整激光焦点使其位于下一个待加工FSS单元结构的加工起始点处；
步骤S7：转至步骤S5进行加工，直至位于该罩体上的所有FSS单元结构全部加工完成。
从上述可知，本发明的有益效果在于：首先采用三维建模技术进行FSS雷达罩的模型设计，采用旋压成型工艺获得待加工的共形雷达罩金属罩体，然后通过多自由度激光机器人的轨迹控制结合双自由度移动平台实现所有FSS单元结构的加工，采用CCD图像传感器实现激光非接触式对焦，实现将激光焦点对准FSS单元起始加工位置，以一个FSS单元为加工单位，完成一个FSS单元加工之后自动调整到下一个FSS单元的加工起始位置，依次完成每一个FSS单元的加工直至所有FSS单元加工完成。采用激光非接触式加工方式，加工过程对雷达罩罩体不会产生应力作用，通用性强，而且可以在一个加工周期内完成所有FSS单元结构的加工，工作效率高。在步骤S1中，根据雷达罩滤波特性进行FSS单元结构的设计，滤波特性参数包括谐振中心频率、带宽、极化和角度性，同时考虑加工难易程度进行综合考虑分析，并规定FSS单元结构在雷达罩表面的排列方式。如图2所示为FSS单元结构的十字单元结构的示意图。
在本实施例中，在步骤S3中，将待加工雷达罩的罩体固定于双自由度移动平台上，通过双自由度移动平台调整待加工的雷达罩罩体的加工位置，使其与多自由度激光机器人配合实现加工定位。
在本实施例中，在步骤S2中，所述雷达罩的罩体为金属罩体，并且对于薄屏FSS雷达罩采用以共形雷达罩介质基底进行金属镀膜的形式获取，对于厚屏FSS雷达罩采用旋压成型工艺直接获取共形雷达罩金属罩体。
在本实施例中，在步骤S4-S6中，通过CCD成像系统辅助多自由度激光机器人实现激光非接触式对焦。
在本实施例中，所述CCD成像系统由一个以上的CCD图像传感器组成。
在本实施例中，在步骤S7中，所有FSS单元结构的加工在一个加工周期内完成。
如图5所示，本发明还提供一种如上述所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法的加工装置，包括多自由度激光机器人本体及其配套控制系统、双自由度移动平台和CCD成像系统；
所述多自由度激光机器人本体及其配套控制系统，用于读取待加工的FSS雷达罩三维模型的加工数据，进而控制激光焦点位置的运动轨迹实现FSS单元结构的加工；
所述双自由度移动平台用于控制待加工雷达罩的罩体进行旋转以及调整加工位置；
所述CCD成像系统包括一个以上的CCD图像传感器组成，通过CCD图像传感器获取激光焦点位置信息用于调整多自由度激光机器人加工坐标系原点与待加工雷达罩的罩体的相对位置；
所述双自由度移动平台和CCD成像系统均与多自由度激光机器人配套控制系统电连。
如图5所示，多自由度激光机器人本体及其配套控制系统包括机器人本体、机器人控制主机、机器人控制柜、光纤激光器，双自由度移动平台用于固定待加工的雷达罩罩体，CCD图像传感器设置于机器人机械臂前端，用于辅助实现激光焦点定位。其中光纤激光器、机器人本体、机器人控制柜、CCD图像传感器以及双自由度移动平台与机器人控制主机电连。
在本实施例中，所述待加工雷达罩的罩体固定于所述双自由度移动平台上。
在本实施例中，所述FSS单元结构为十字单元结构。
综上所述，本发明提供的一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法及加工装置，加工过程对雷达罩罩体不会产生应力作用，通用性强，工作效率高。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据待加工雷达罩的滤波特性要求设计得到FSS单元结构，通过三维建模技术建立按特定规律布设有N个FSS单元结构的FSS雷达罩三维模型，其中N为大于1的正整数；
步骤S2：利用旋压成型工艺获得待加工雷达罩的罩体；
步骤S3：固定待加工雷达罩的罩体，采用多自由度激光机器人对罩体进行定位，建立FSS雷达罩加工坐标系；
步骤S4：以一个FSS单元结构为加工单位，通过CCD成像系统辅助获取多自由度激光机器人的激光焦点位置，使其位于罩体表面上其中一个待加工FSS单元结构加工起始点处，保证激光束方向与该起始点切平面法线方向平行；
步骤S5：通过步骤S1的FSS雷达罩的三维模型获取待加工FSS单元结构的加工轨迹，控制多自由度激光机器人使激光焦点位置沿加工轨迹运动进行加工；
步骤S6：调整激光焦点使其位于下一个待加工FSS单元结构的加工起始点处；
步骤S7：转至步骤S5进行加工，直至位于该罩体上的所有FSS单元结构全部加工完成。
2.根据权利要求1所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，在步骤S3中，将待加工雷达罩的罩体固定于双自由度移动平台上，通过双自由度移动平台调整待加工的雷达罩罩体的加工位置，使其与多自由度激光机器人配合实现加工定位。
3.根据权利要求1所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，在步骤S2中，所述雷达罩的罩体为金属罩体，并且对于薄屏FSS雷达罩采用以共形雷达罩介质基底进行金属镀膜的形式获取，对于厚屏FSS雷达罩采用旋压成型工艺直接获取共形雷达罩金属罩体。
4.根据权利要求1所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，在步骤S4-S6中，通过CCD成像系统辅助多自由度激光机器人实现激光非接触式对焦。
5.根据权利要求4所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，所述CCD成像系统由一个以上的CCD图像传感器组成。
6.根据权利要求1所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法，其特征在于，在步骤S7中，所有FSS单元结构的加工在一个加工周期内完成。
7.一种根据权利要求1所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法的加工装置，其特征在于，包括多自由度激光机器人本体及其配套控制系统、双自由度移动平台和CCD成像系统；
所述多自由度激光机器人本体及其配套控制系统，用于读取待加工的FSS雷达罩三维模型的加工数据，进而控制激光焦点位置的运动轨迹实现FSS单元结构的加工；
所述双自由度移动平台用于控制待加工雷达罩的罩体进行旋转以及调整加工位置；
所述CCD成像系统包括一个以上的CCD图像传感器组成，通过CCD图像传感器获取激光焦点位置信息用于调整多自由度激光机器人加工坐标系原点与待加工雷达罩的罩体的相对位置；
所述双自由度移动平台和CCD成像系统均与多自由度激光机器人配套控制系统电连。
8.根据权利要求7所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法的加工装置，其特征在于：所述待加工雷达罩的罩体固定于所述双自由度移动平台上。
9.根据权利要求7所述的基于多自由度激光机器人的FSS雷达罩加工方法的加工装置，其特征在于：所述FSS单元结构为十字单元结构。
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