基于SolidWorks API的異向雙螺桿的參數化設計

陳 龍，董力群，張亞軍，范一強

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

0 前言

雙螺桿擠出機是聚合物加工的主要設備之一，按照2根螺桿的旋轉方向分類，可分為同向旋轉雙螺桿擠出機和異向旋轉雙螺桿擠出機。按照一根螺桿相對于另一根螺桿的位置，可分為嚙合型雙螺桿擠出機和非嚙合型雙螺桿擠出機。嚙合異向雙螺桿擠出機廣泛用于塑料的擠出成型和造粒。嚙合異向雙螺桿一根螺桿的螺棱插入另一根螺桿的螺槽中，使連續的螺槽被分為相互隔離的C形小室，縱橫向封閉性好，正位移輸送能力強，物料無法滯留在螺桿表面，因而具有優異的自潔性能。學者對嚙合異向雙螺桿的設計和研究都需要進行三維實體造型，完成這一過程需要對異向雙螺桿幾何學具有比較深入的了解，并且三維實體造型需要花費很多時間成本，尤其是對異向雙螺桿進行有限元模擬來確定合理的螺桿參數時，需要進行大量的三維實體造型，工作繁瑣，效率低下。從國內的現階段的情況看，對異向雙螺桿的參數化設計鮮有研究。

SolidWorks提供了應用程序編程接口API(Application Programming Interface)，允許用戶使用支持OLE或COM的編程語言(C++、Visual Basic、Delphi 等)，通過API調用SolidWorks界面中所有操作等效于使用用戶接口進行的操作，來實現自動化設計工作，創建運行在SolidWorks程序進程內或進程外的工程應用程序，實現二次開發，使重復性工作簡單化自動化，極大地提高了效率[1]。

Visual Basic(VB)是運行在Windows環境下的一種可視化編程語言，使用面向對象的編程方法(OOP)，它所具有的圖形設計工具、結構化的事件驅動編程模式和開放的環境，可以使用戶即快又方便地編寫出Windows下的應用程序。在SolidWorks中通過宏錄制可以記錄SolidWorks用戶的整個產品設計過程，把用戶的界面菜單操作所用到的SolidWorks對象、方法都一一記錄下來，其語法完全符合Visual Basic[2-3]。

1 異向雙螺桿端面曲線形成及修正

1.1 全嚙合異向雙螺桿運動原理及端面曲線

異向雙螺桿和同向雙螺桿的運動原理是不同的，同向雙螺桿假設一根螺桿固定不動，另一根螺桿繞不動螺桿作圓平動，而異向雙螺桿假設一根螺桿固定不動，另一根螺桿繞不動螺桿的圓作相對純滾動，螺桿B繞螺桿A順時針旋轉的同時，也繞著自己的中心順時針旋轉[4-5]。圖1(a)所示為同向雙螺桿相對運動原理，圖1(b)所示為異向雙螺桿相對運動原理。

根據相對運動原理可以推導出全嚙合雙頭異向雙螺桿的理論端面曲線，得到的理論端面曲線如圖2所示。

推導出的全嚙合雙頭異向雙螺桿的理論端面曲線的8段圓弧方程[6]，分別是：

(a)同向雙螺桿 (b)異向雙螺桿圖1 同向和異向雙螺桿運動原理圖Fig.1 Relative motion of co-rotating twin-screws and counter-rotating twin-screws

圖2 全嚙合異向旋轉雙頭雙螺桿理論端面曲線Fig.2 Theoretical end curve of intermeshing counter-rotating twin-screws

1、5段：

(1)

3、7段：

(2)

2段：

(3)

4段：

(4)

6段：

(5)

8段：

(6)

式中Rb——螺桿根圓半徑,mm

Rs——螺桿頂圓半徑,mm

CL——全嚙合時兩螺桿的中心距, mm,CL=Rb+Rs

ω——螺桿旋轉的角速度，rad/s

t——螺桿旋轉的時間,s

1.2 端面曲線的修正

通過三維軟件螺旋掃描端面曲線即可得到全嚙合異向雙螺桿三維實體。在實際應用中，如果依照理論曲線加工，螺桿之間完全沒有間隙，但是在實際螺桿加工實現無間隙不僅對于加工刀具和工藝要求非常高，而且由于熱脹冷縮兩螺桿很容易干涉，存在很大的安全隱患，同時在螺桿的根部很容易形成積料和死角。因此實際應用中通常對理論曲線進行修正，使兩螺桿螺棱側面之間有一定側間隙。

實際異向雙螺桿通常把理論端面曲線第2、4、6、8段改用直線，最簡單的方法是直接相連，如圖3(b)所示。這樣螺桿之間依舊沒有間隙且會發生干涉[7]。為了使兩嚙合螺桿間存在側間隙，將直線向內偏移一個β角，如圖3(c)所示，使螺棱寬度小于螺槽寬度，從而得到既有側間隙又不會干涉的異向雙螺桿端面曲線。如圖4所示為修正后的異向雙螺桿端面曲線。圖中Rb為螺桿根圓半徑；Rs為螺桿頂圓半徑，槽深H等于頂圓半徑減去根圓半徑；α為螺槽角，其和導程T決定螺槽的寬度w；θ為螺棱角，其和導程T決定螺棱的寬度e，e應小于w，所以θ應小于α；β為擺動角，決定螺棱螺槽的斷面形狀和螺桿螺棱側面之間的側間隙δs。當β1=β2=0時，斷面形狀為矩形，如圖5(a)所示；當β1≠0β2≠0時，斷面形狀為梯形，如圖5(b)所示；當β1=0β2≠0或β1≠0β2=0時，斷面形狀為鋸齒形，如圖5(c)所示。各參數之間具體關系如式(7)～(8)所示。

(7)

(a)理論端面曲線 (b)初步修正端面曲線 (c)最終修正端面曲線圖3 異向雙螺桿端面曲線的修正Fig.3 Correction of the end curve of counter-rotating twin-screws

圖4 修正后的異向雙螺桿端面曲線Fig.4 The end curve of counter-rotating twin-screws after correction

(a)矩形 (b)梯形 (c)鋸齒形圖5 螺棱、螺槽斷面形狀Fig.5 The section shape of screw flight and groove

(8)

2 異向雙螺桿的參數化設計

2.1 參數化設計流程

(1)錄制宏，通過用戶接口手動建立異向雙頭螺桿的三維模型。SolidWorks宏可以記錄SolidWorks用戶接口執行的各種操作，并且可以重放這一過程。宏錄制前需要規劃好異向雙螺桿三維實體造型的步驟，錄制時盡量減少視圖變換次數和其他不必要的操作，錄制后需要對其進行測試，看是否可以重放三維實體造型這一過程。

(2)錄制完宏后，需要編輯宏代碼，這個過程主要是理解和整理代碼。找出宏代碼中與異向雙螺桿三維模型生成的關鍵函數，理解函數中各參數的意義。同時需要對宏代碼進行整理，刪除不需要的調用和代碼，對代碼進行注釋來說明各參數的實際意義和各代碼的功能。

(3)編輯完宏代碼后，需要向宏中添加用戶窗體。向窗體中添加標簽、文字框、命令按鈕等控件，并合理設計布置其位置。模塊中只需要添加顯示用戶窗體的代碼。將代碼從模塊轉移到按鈕事件，并根據不同功能的按鈕修改代碼，定義變量來替換代碼函數中需要自定義的參數，這樣就完成了螺桿的參數化設計。

(4)最后調試程序代碼。一步步運行代碼，檢查程序是否正確運行，使用各種實例來驗證程序。

2.2 程序操作流程和實例

基于Visual Basic 的可視化編程創建了異向雙螺桿三維造型的程序界面，如圖6所示。在操作界面中展示了帶參數化尺寸的異向雙螺桿端面曲線，方便用戶快速理解和準確輸入各個尺寸。程序具體的操作流程為：

(1)在程序對應的參數欄中輸入需要的尺寸；

(2)分別點擊左旋和右旋按鈕，激活SolidWorks自動建立用戶自定義尺寸的三維異向雙螺桿左旋和右旋模型；

(3)點擊退出按鈕，退出程序，完成模型的建立和保存。

圖6 程序界面Fig.6 Program interface

利用該程序可以建立不同直徑、導程、長度和螺棱、螺槽斷面形狀的異向雙頭雙螺桿的三維模型。如圖7所示，是利用該程序建立的不同螺棱、螺槽斷面形狀的螺桿三維模型。圖7(a)斷面形狀為梯形，所用參數：根圓半徑16 mm，頂圓半徑25 mm，螺棱角68 °，螺槽角90 °，導程50 mm，圈數2。圖7(b)斷面形狀為矩形，所用參數：根圓半徑16 mm，頂圓半徑25 mm，螺棱角80 °，螺槽角100 °，導程50 mm，圈數2。如圖8所示，是生產實踐中常用的異向螺桿構型。利用該程序建立的五段螺桿組合而成的整段螺桿構型，從右到左分別為加料段、壓縮段、密封段、排氣段和計量段，這5段雙螺桿因功能的不同而具有不同導程和長度，但是都可以很方便地用程序建立出來。

(a)梯形 (b)矩形圖7 梯形和矩形斷面形狀螺桿三維模型Fig.7 3D model of trapezoidal and rectangular cross-section shape screws

圖8 異向雙螺桿三維模型Fig.8 3D model of counter-rotating twin-screws

3 結論

(1)研究了異向雙頭雙螺桿端面曲線的形成原理及其修正方法，闡明了端面曲線螺棱螺槽角和三維模型螺棱螺槽寬度以及側間隙之間的關系;

(2)以三維建模軟件SolidWorks為軟件平臺，以SolidWorks API函數接口為基礎，編寫了異向雙頭雙螺桿三維參數化程序算法，設計了異向雙頭雙螺桿參數化程序界面,能滿足不同直徑、導程、長度和螺棱、螺槽斷面形狀的異向雙頭雙螺桿三維模型自動生成,極大提高了異向雙頭雙螺桿的設計效率和設計精度，為進一步的有限元分析和計算機模擬奠定了基礎。

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