周 為， 趙 靜， 張 金

變距供送螺桿參數(shù)化設(shè)計

周 為1， 趙 靜1， 張 金2

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

運用UG軟件二次開發(fā)工具并結(jié)合參數(shù)化設(shè)計方法，建立了可視化界面，運用輸送容器"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；模擬加工

當(dāng)今機械產(chǎn)品設(shè)計中，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，當(dāng)輸送容器發(fā)生變化時，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)計精度低.通過變距供送螺桿的參數(shù)化設(shè)計，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)和速度成隊列進(jìn)入主機作業(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，可以實現(xiàn)輸送容器由無序到有序排列的輸送，同時可完成直立前進(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)整實現(xiàn)單一、簡單、切削精度不同的運動，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 螺旋線運動方程

經(jīng)推導(dǎo)三段螺旋線的運動方程[2]如下：

勻速段運動方程

變加速度段運動方程

等加速度段運動方程

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段螺旋線的時間

tim為輸送容器完全移過第i段螺旋線所用時間

3 供送螺桿參數(shù)化設(shè)計

(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動方程及參數(shù)化設(shè)計，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)化建模及人機交互界面，實現(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.

運行過程為：

（1）啟動UG，進(jìn)入人機交互界面；

（2）用戶選擇輸送容器的類型，本設(shè)計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，運用UG/Open Grip中的鏡像功能，生成另一個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)定螺桿精度時要綜合考慮螺桿的供送精度要求和仿真加工時間這兩個因素：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，螺桿每旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)，輸送容器沿軸線移動的距離)，仿真加工時間越長；仿真加工時間越短，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)過每段螺桿所需時間已設(shè)定(見供送螺桿參數(shù)化設(shè)計中)，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)了人機交互界面，實現(xiàn)了變距供送螺桿的參數(shù)化設(shè)計，使加工與設(shè)計一體化.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)計過程，提高了設(shè)計效率，保證了設(shè)計精度，是對變距供送螺桿傳統(tǒng)設(shè)計方法的一次改革.

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A

1673-260X（2014）10-0024-03

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201311305014）；蚌埠學(xué)院自然科學(xué)項目（2013ZR02zd）