基于gcode的機翼快速成型設(shè)備設(shè)計

徐顯超　張鼎宸　黃盼偉　盧翔

【摘 要】現(xiàn)有常規(guī)的機翼成型方式成型周期長，成型費用高。本設(shè)備輸入翼根以及翼尖數(shù)據(jù)，即可快速切割出需要的泡沫機翼。GCODE作為成熟的機床控制語言，其代碼結(jié)構(gòu)邏輯可以很好的適用于本設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】機翼；快速成型；GCODE

1 總體設(shè)計

本設(shè)備總體上分為執(zhí)行成型工作的機械、控制部分以及生成GCDDE代碼的代碼生成器部分。機械部分由兩部分組成，一部分控制翼根形狀，另一部分控制翼尖形狀，這兩部分結(jié)構(gòu)大致相同，都是使切割絲可以根據(jù)程序沿著平面運動。機械部分受控于控制器，控制器根據(jù)代碼來控制機械設(shè)備行進(jìn)的位置、速度以及起停。由于現(xiàn)有的翼型數(shù)據(jù)無法直接用于加工，所以需要設(shè)計一套專門的代碼生成器，將翼型數(shù)據(jù)根據(jù)實際需要轉(zhuǎn)化為可用來加工的GCODE代碼。

2 機械設(shè)計

3 滑車設(shè)計

由于現(xiàn)有的gcode代碼控制板可以控制四路步進(jìn)電機。因此，設(shè)計兩個可在平面移動的滑臺，其中xy軸用于翼根形狀控制，ze軸用于翼尖形狀控制。兩者結(jié)構(gòu)大體一致。一個可以前后移動的底層滑車，滑車上安裝一個可以上下移動的上層滑車，移動全部由步進(jìn)電機控制。上層滑車有一個金屬孔，用于穿過熱切割絲。

由于下層滑車需要拖動上面的上層滑車，為了保證穩(wěn)定，采用16m的滑軌。因此滑車整體重量較大。現(xiàn)有的控制板采用2.5a步進(jìn)電機控制器，42步進(jìn)電機，由于步進(jìn)電機驅(qū)動器電流較小，步進(jìn)電機尺寸不大，步進(jìn)電機扭矩是非常有限的，其參數(shù)如圖所示。由圖3.5可知，步進(jìn)電機直接驅(qū)動底層滑車是遠(yuǎn)不夠扭矩的。因此，底層滑車采用絲桿方式驅(qū)動。底層滑車負(fù)載較重，縱向橫向長度都較大，容易出現(xiàn)傾斜等問題，因此，底層滑車采用四個滑塊。上層滑車由于重量輕，阻力小，為了減小重量減小底層滑車的負(fù)擔(dān)起見，采用同步帶輪驅(qū)動。采用12mm滑軌，雙滑塊。

4 切割絲設(shè)計

由于切割絲在切割時長度時刻在變化，而且切割時必須以一個合適的力張緊。張緊力過小將使得切割絲在切割的過程中彎曲，影響切割值準(zhǔn)確性。張緊力過大容易使得切割絲在切割時斷裂。因此，盡量保持切割絲張緊力恒定不變。

基于以上要求，切割絲一端保持不變，另一端通過滑輪吊一重物進(jìn)行張緊，重物可根據(jù)實際需要調(diào)整重量。固定端連接電源正極，連接方式為固定，活動端跨過滑輪，滑輪為銅制，滑輪連接電源負(fù)極，通過滑輪給切割絲通電。

5 GCODE代碼變換程序邏輯設(shè)計

由于翼型數(shù)據(jù)為頂點為0長度為1，迎角為0的點陣坐標(biāo)。如圖3所示，其中第一列為橫軸坐標(biāo)，第二列為縱軸坐標(biāo)。而能夠用于加工的GCODE代碼如圖二所示，其中X后面的坐標(biāo)為翼根橫軸位置，Y后面的數(shù)值為翼根縱軸位置；Z后面的數(shù)組為翼尖橫軸位置；E后面的數(shù)值為翼尖縱軸位置。因此要根據(jù)實際需要，將翼型數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。其中變換分為以下幾個步驟：

（1）翼根翼尖原始數(shù)據(jù)縮放

根據(jù)需要的翼根，翼尖所需的弦長進(jìn)行數(shù)據(jù)縮放器計算公式如下：

其中x為翼根橫軸的實際坐標(biāo)，x0為翼根橫軸的原始坐標(biāo)，y為翼根縱軸的實際坐標(biāo)，y0為翼根縱軸的原始坐標(biāo)，z為翼尖橫軸的實際坐標(biāo)，z0為翼尖橫軸的原始坐標(biāo)，e為翼尖縱軸的實際坐標(biāo)，e0為翼根縱軸的原始坐標(biāo)，

a為翼根弦長，單位為毫米，b為翼尖弦長，單位為毫米。

（2）橫軸數(shù)據(jù)倒置。

由于翼型數(shù)據(jù)的首行橫軸坐標(biāo)為其最大值，但切割設(shè)備起始位置為0，因此，為了便于切割，需要將橫軸數(shù)據(jù)倒置。

其中x1為前后變換完成后翼根橫軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)，z1為前后變換后翼尖橫軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）翼根滑車數(shù)據(jù)縮放

如圖4所示：圖4為俯視示意圖，其中兩端細(xì)黑線為滑車所在的位置，黑色粗線框為需要的機翼的平面圖，a為翼根，b為翼尖，y為單邊機翼長度，切割時翼尖靠近切割機滑車，翼根和翼根端滑車的距離為x。由圖四可知，翼根端滑車需要移動的距離將d大于翼根弦長a。因此需要對翼根數(shù)據(jù)進(jìn)行變換

（4）翼根翼尖數(shù)據(jù)平面移動

由于機翼存在上反角以及后掠角。因此將對變換的數(shù)據(jù)進(jìn)行平移操作，通過控制翼根翼尖橫坐標(biāo)的差距來控制機翼的后掠角，通過控制翼根翼尖縱軸坐標(biāo)來控制機翼上反角。

（5）增加前綴后綴并且整合數(shù)據(jù)。

將變換完成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)增加X、Y、Z、E以及其他前綴后綴并組合，使其能夠被控制器識別。

6 總結(jié)

通過gcode可以快速實現(xiàn)機翼快速成型設(shè)備設(shè)計，并且取得良好的切割效果，單次切割以及準(zhǔn)備時間僅需10min，大大縮短了機翼成型時間。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]