變距供送螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)

周 為， 趙 靜， 張 金

變距供送螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)

周 為1， 趙 靜1， 張 金2

（1.蚌埠學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.徐州徐工鐵路裝備有限公司，江蘇 徐州 221000）

運(yùn)用UG軟件二次開發(fā)工具并結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，建立了可視化界面，運(yùn)用輸送容器"切割"圓柱供送螺桿的布爾減理論，以輸送容器類型、輸送運(yùn)動形式和輸送動作三方面為參數(shù)，系統(tǒng)自動模擬加工生成供送輸送容器的三段式變距供送螺桿.

變距供送螺桿；參數(shù)化設(shè)計(jì)；模擬加工

當(dāng)今機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，始終滲透著參數(shù)化的思想.隨著包裝生產(chǎn)線供送要求的多樣化，供送螺桿的形式也更加復(fù)雜多樣，按傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，當(dāng)輸送容器發(fā)生變化時(shí)，需重新推導(dǎo)螺旋線公式、多次繪制螺旋槽面，導(dǎo)致工作效率低和設(shè)計(jì)精度低.通過變距供送螺桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)，用戶只需簡單改變輸送容器參數(shù)，系統(tǒng)即可自動模擬加工生成相應(yīng)的變距供送螺桿，設(shè)計(jì)具有良好的通用性、高效性及精確性.

供送螺桿的主要功能是為工作主機(jī)按規(guī)律供送瓶罐或其他離散剛性器件（主要是包裝容器、硬質(zhì)軟料盒等），使輸送線上的瓶罐沿既定的路線、按一定的間距和排列，以所需的狀態(tài)和速度成隊(duì)列進(jìn)入主機(jī)作業(yè)區(qū)[1].本文針對最廣泛使用的三段組合式變距分件供送螺桿如圖1所示進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)輸送容器由無序到有序排列的輸送，同時(shí)可完成直立前進(jìn)——側(cè)向轉(zhuǎn)身——縱向躺倒的復(fù)雜動作，也可通過所編程序的刪減或調(diào)整實(shí)現(xiàn)單一、簡單、切削精度不同的運(yùn)動，滿足供送的不同需求.

圖1 三段式變距螺桿

1 供送螺桿曲面形成原理

運(yùn)用布爾減理論，在UG中應(yīng)用模擬“切割”的方法，以輸送容器為工具，用輸送容器“切割”圓柱供送螺桿：螺桿旋轉(zhuǎn)一定角度（考慮螺桿的平滑度和輸送精度，本文設(shè)角度為3o），容器平移一定距離，當(dāng)容器移至螺桿末端，與輸送容器相配合的供送螺桿螺旋曲面便形成，如圖2.

圖2 螺桿曲面形成原理

2 螺旋線運(yùn)動方程

經(jīng)推導(dǎo)三段螺旋線的運(yùn)動方程[2]如下：

勻速段運(yùn)動方程

變加速度段運(yùn)動方程

等加速度段運(yùn)動方程

式中：2b1為異型瓶主體部位長軸長度(mm),

δ為兩相鄰物件間的平均間隙，為避免供送件之間的干涉，本文取δ=10mm，為加速度段螺桿供送最大加速度(mm/s2)，

ti為在第i段螺旋線的時(shí)間

tim為輸送容器完全移過第i段螺旋線所用時(shí)間

3 供送螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)

(1)確定三段組合式變距螺桿的螺桿圈數(shù).為滿足本文輸送容器的供送要求，將輸送螺桿等速段、變加速度段和等加速度段的圈數(shù)依次定為:i1=1, i2=2,i3=3

(2)確定螺桿內(nèi)徑與螺桿半徑.若輸送容器為圓柱形，則需滿足條件：R≤r0+ρ，令R=2ρ，則r0=4ρ/3；若供送容器為其他形狀，則需滿足條件b2，令R=b2，則r0=2b2/3，式中：R為螺桿半徑，r0為螺桿內(nèi)徑，ρ為圓柱形容器主體部位半徑，b2為輸送容器短軸寬度.

(3)確定螺桿長度.令t2=t2m=1(s),t3=t3m=1.5(s), n=120rpm=2rps,代人到式(1)、(2)、(3)中，可得各段螺桿長度：

4 可視化模擬加工過程

按上述變距供送螺桿的螺旋線運(yùn)動方程及參數(shù)化設(shè)計(jì)，在UG建模環(huán)境下，通過UG/Open Grip[3-7]編寫源代碼如圖3所示，形成圓柱毛坯、刀具的參數(shù)化建模及人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)變距供送螺桿的參數(shù)化模擬加工及加工過程的可視化.

運(yùn)行過程為：

（1）啟動UG，進(jìn)入人機(jī)交互界面；

（2）用戶選擇輸送容器的類型，本設(shè)計(jì)供選擇的輸送容器類型如圖4，輸送容器選擇界面如

所以，輸送螺桿總長度圖5；

圖3 模擬程序

圖4 輸送容器類型

圖5 輸送容器選擇界面

（3）輸入輸送容器的主要參數(shù)、供送的末速度，參數(shù)輸入過程如圖6.

圖6 參數(shù)設(shè)置過程

（4）系統(tǒng)自行運(yùn)行形成可視化的供送螺桿模擬加工過程，模擬加工程序框圖如圖7.

（5）螺桿模擬加工完成后，運(yùn)用UG/Open Grip中的鏡像功能，生成另一個(gè)對稱反旋向的螺桿形成雙變距螺桿，完成供送變距螺桿的仿真加工.

圖7 程序圖

5 模擬加工結(jié)果及精度

按照上述可視化模擬加工運(yùn)行方法，本文仿真加工了供送圓柱形瓶、橢圓形柱瓶、六棱柱瓶和圓臺形瓶這四種較常用容器的三段式變距供送螺桿，從模擬結(jié)果圖8可看出螺桿的精度不太高，那么在設(shè)定螺桿精度時(shí)要綜合考慮螺桿的供送精度要求和仿真加工時(shí)間這兩個(gè)因素：供送精度越高，則螺桿轉(zhuǎn)角增量越小(即容器“切割”圓柱螺桿時(shí)，螺桿每旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)，輸送容器沿軸線移動的距離)，仿真加工時(shí)間越長；仿真加工時(shí)間越短，則螺桿轉(zhuǎn)角增量越大，供送精度越低.可見，供送精度和仿真加工時(shí)間之間互相制約，它們又都與螺桿轉(zhuǎn)角增量有著密切關(guān)系，因此要根據(jù)需求合理設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)角增量.

本文中三段組合式變距螺桿的螺桿每段圈數(shù)和輸送容器經(jīng)過每段螺桿所需時(shí)間已設(shè)定(見供送螺桿參數(shù)化設(shè)計(jì)中)，用戶只需改變螺桿每次旋轉(zhuǎn)的度數(shù)即可調(diào)整螺桿的供送精度和仿真加工時(shí)間，圖8是設(shè)定螺桿每次旋轉(zhuǎn)的度數(shù)為3°的仿真結(jié)果.

圖8 仿真結(jié)果

6 結(jié)論

針對包裝工程中廣泛使用的三段式變距供送螺桿，運(yùn)用布爾減理論，通過UG二次開發(fā)軟件和匯編編程，開發(fā)了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了變距供送螺桿的參數(shù)化設(shè)計(jì)，使加工與設(shè)計(jì)一體化.本文提供了7種常用的容器類型以供選擇，用戶只需選擇供送容器的類型并輸入容器的主要參數(shù)、供送的末速度，系統(tǒng)即可自動模擬加工生產(chǎn)對應(yīng)的供送螺桿，簡化了設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)效率，保證了設(shè)計(jì)精度，是對變距供送螺桿傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一次改革.

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