食品機械設備網(wǎng)
技術文章
進瓶螺桿的設計與數(shù)控加工技術
閱讀：1727 發(fā)布時間：2014-3-14 在飲料灌裝過程中，需要將包裝容器（瓶子）定時定距平穩(wěn)地輸送到包裝工位，完成這一要求的裝置稱為定距分隔定時供給裝置。它由進瓶螺桿及側(cè)面導板組成，安裝在容器供給裝置系統(tǒng)靠近包裝機的一端，與轉(zhuǎn)送容器的星形輪相銜接。
進瓶螺桿由傳動系統(tǒng)驅(qū)動作等速轉(zhuǎn)動，將輸送裝置送來的容器導入螺旋槽中，容器在螺旋槽的推動下前進，同時被螺旋槽分隔開，到達出口端即傳送給星形輪與*導板組成的轉(zhuǎn)送裝置，這樣就可實現(xiàn)依次定距供送容器的目的。進瓶螺桿每回轉(zhuǎn)一周，從進瓶螺桿入口導入一個容器，螺旋槽中的容器前進一個螺距，螺桿出口端排出一個容器。螺桿的轉(zhuǎn)速與包裝機裝填裝置的執(zhí)行構件之間保持一定的傳動比，從而間接實現(xiàn)定時供給容器的要求。
從以上的運動描述中，我們不難發(fā)現(xiàn)起主要作用的是此裝置中的進瓶螺桿，要達到定距分隔定時供給的工藝要求，這條螺桿必須滿足以下幾個條件：
(1)把容器順暢導入螺旋槽；
(2)容器沿進瓶螺旋桿前進時應平穩(wěn)；
(3)容器與星形撥輪能夠順利銜接。
根據(jù)以上三個條件，我們可以把進瓶螺桿設計成三段式組合螺桿：等速段即等螺距(進口端)+變加速段(中間過渡)+等加速段(出口即與星形輪的銜接)。 當然如果有特別的要求，還可以根據(jù)工藝目的進行其他螺旋線的組合。在供送過程中，進口端采取等螺距有利于容器的平穩(wěn)進入，減輕“陡振”現(xiàn)象。為了加工及容器進入的方便，我們還常把進口端設計為錐形(其夾角近10º錐形長度為總長的15%)。要滿足中間段的功能要求，則要設計成為按某種曲線規(guī)律變化的變加速度段，這樣螺旋線上的各個銜接點均有對應相等的螺旋角、速度和加速度，沖擊減弱，從而保證平穩(wěn)連接。而出口端鑒于星形輪的節(jié)距一般都大于兩器件接觸時的中心距，所以要設計為變螺距，并以等加速規(guī)律逐漸增大其間距，直到螺距增大到與撥輪節(jié)距相等，保證順利銜接。
1.進瓶螺旋桿設計的基礎公式即運動方程
速度：V=∫adt=at+C1 （式中a為加速度、t為時間、C1為待定系數(shù)）
位移：S=∫vdt=∫（at+c1）dt= c1t+1/2at2 + c2（C2為待定系數(shù)）
根據(jù)邊界條件可知：C1=V0（初速度） C2=0得：
V=V0+at
S=V0t+1/2at2
2.各段螺旋線參數(shù)
在下文所提到速度、加速度與運動方程的單位有所不同，速度V為螺桿每轉(zhuǎn)容器的位移量，單位是mm/t（毫米/轉(zhuǎn)）；加速度則是螺桿每轉(zhuǎn)容器速度的變化量，單位是mm/t2（毫米/轉(zhuǎn)2）
①、等速段的參數(shù)選取
根據(jù)速度與位移的關系我們可以知道，要想供送容器平穩(wěn)導入螺旋槽，則要保證螺桿每轉(zhuǎn)的位移量V1 與容器的外徑幾乎相等。設容器的半徑為R則：
V1 =2R+△ (△為兩相鄰容器的平均間隙2~5mm 計算、加工時可以忽略)
設等速段螺旋線的zui大圈數(shù)為t1 (常取0.5~2圈)，則等速段的軸向位移：S1=V1t1
②、變加速段的參數(shù)選取
根據(jù)傳送速度的不同要求，其螺旋線也可有不同的設計。
正弦加速度曲線：行程始、末加速度等于零，故起動平穩(wěn)，適用于中、高速供送。
余弦加速度曲線：zui大的加速度及扭矩小，起動較平穩(wěn)，行程始末是柔性沖擊，適用中、低速供送。
還有設計者提出多項式方程法，該方法對速度過高過低都有可能發(fā)生干涉，僅適用“L”形星形撥輪或用于輸送不易碎的容器。
下面以余弦曲線為例，設此段螺桿的供送加速度a2由零值依余弦函數(shù)變化規(guī)律增加到zui大值ã，按坐標系可寫出：a2=-C3cos。則相應的供送速度及軸向位移：
V2=-∫a2dt2=－C3 sin ＋C4
S2=∫v2dt2=C3 cos ＋C4ｔ2＋C5
式中的t2、t2m分別表示被供送物件移過行程S2及zui大值S2m所需的轉(zhuǎn)數(shù)（通常約為1~2.5圈）。由邊界條件可知，當t2=0時，S2=0，V2=V3 0 ；a2 =-ã。當t2=t2m時，a2 =0。V2=V1，其中V3 0為等加速段的入口速度。V1為等速段的速度。則各待定系數(shù)可確定為：C3=ã，C4 = V3 0 = V1，C5 =-ã將系數(shù)代入S2=∫v2dt2=C3 cos ＋C4ｔ2＋C5式得：S2=-ã（cos1）+ V3 0t2
③、等加速度段參數(shù)選取
令進瓶螺旋桿等加速的供送加速度：
ａ3＝ã則相應的供送速度及軸位移：
V3?。?int;ãdｔ3＝ãｔ3＋C6
S3=∫v3dｔ3?。絫32＋C6ｔ3＋C7
式中ｔ3表示被供送物件移過行程所需的轉(zhuǎn)數(shù)（一般為2~5圈），由邊界條件得知：ｔ3＝0時，S3＝0，V3＝V2ｍ，故可確定各待定系數(shù)：C6＝V2m C7＝0,將C6和C7值代入S3=∫v3dｔ3＝t32＋C6ｔ3＋C7，解出S3= V2ｍｔ3+ｔ3 2
另根據(jù)供送的容器要與星形撥輪順利銜接，還必須保證等加速段末速V3m等于星形撥輪的節(jié)距Se即：V3m=Se ==
式中D為星形撥輪節(jié)圓直徑，Z為星形撥輪的齒數(shù)。
綜上所述，可以繪制出三段式進瓶螺旋桿的示意圖及速度與位移曲線圖。
有了以上的基本設計原理，我們可以根據(jù)工藝要求設計出我們所需的進瓶螺旋桿，但在加工中，曲線越復雜，其加工難度也越大，普通機床及經(jīng)濟型數(shù)控機床不具備加工進瓶螺旋桿的功能，一般的數(shù)控機床也只有加工等變螺距的指令。故我們在設計時可以對螺旋曲線（主要是中低速的螺桿）進行簡化：等速段即等螺距(進口端)+等加速段(中間過渡)+等速段(出口即容器與星形撥輪的銜接) ，把中間過渡段直接變?yōu)榈燃铀俣危サ魪碗s的過渡曲線，而出口的等速段只是末螺距的延長(0~1圈)，速度位移曲線圖見（圖四）。作這樣處理后，對容器的平穩(wěn)運送沒有造成很大的影響。而在加工難度上卻簡單了許多，特別是測繪時，由于其原件有磨損，要想準確測量其螺線，難度極大，但我們可以根據(jù)供送容器、星形撥輪的大小及螺桿的長短設計出替代品。下面我們應用實例進一步闡述進瓶螺旋桿的設計與加工。已知供送容器的瓶徑為65mm，星形撥輪的節(jié)距為126mm，螺桿總長700mm，左旋螺線。根據(jù)已知條件設計加工進瓶螺旋桿。
1.進瓶螺旋桿各段參數(shù)的確定
由以上理論及公式可得：
①、V1=65mm/t 取t1 =2圈，則等速段 S1m= V1 t1 =65x2=130mm
②、V末=126mm/t取t3=1圈，則末等速段V末=S3m= V3 t3=126x1=126mm
③、勻變速段S2m=700- S1 -S3 =444mm(亦可從S2m= V2ｍｔ3+ ｔ3 2 算出)
當速度從65mm/t增加到126mm/t 其加速度ã根據(jù)等加速度運動規(guī)律:
平均速度 V平=(V末+V1) /2=(126+65)/2=95.5mm/t ，取螺旋線旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)t3=S2m/ V平=444/95.5=4.65(圈)，加速度 ã=(V末-V1)/ t3=(126-65)/4.65=13.10mm/t2。根據(jù)計算結(jié)果，作出此根進瓶螺旋桿的速度位移曲線。
2.進瓶螺旋桿的數(shù)控加工
此次加工選用數(shù)控銑加工中心（亦可選用仿車、仿銑），型號為1250A，系統(tǒng)是SX850。1250A銑中心可以四軸(X、Y、Z、A)聯(lián)動，還可以根據(jù)給定的數(shù)學表達式自動完成運行軌跡。加工進瓶螺桿時，A軸(繞X旋轉(zhuǎn))按給定的角度帶動螺桿轉(zhuǎn)動，銑刀沿螺桿(X方向)按給定的軌跡運動。故各參數(shù)的處理，主要集中在A(旋轉(zhuǎn)的角度)及給定的軌跡(X方向的位移)，螺桿的轉(zhuǎn)動角度按360度為一圈累計，而位移仍是按照運動方程S= V0t + ｔ2給出，t的單位是圈，在數(shù)控程序中是用[T1]/360(變量)表示，與角度A的變量[T1]保持一致。當大小與瓶徑幾乎相等(相差±3)的銑刀，按程序進行運行，即可完成進瓶螺旋桿的加工。
結(jié)論：本文根據(jù)運動方程，引伸出一種更為直觀的進瓶螺桿設計方法，同時為了解決加工、測繪難的問題，還對進瓶螺桿的螺旋線進行簡化。上海昱音機械有限公司生產(chǎn)技術人員多次使用此法，為客戶測繪設計進瓶螺桿，均能滿足使用要求，從而證明此設計方法的可行性。如何把簡單的設計加工成產(chǎn)品，本文還例舉了數(shù)控加工的數(shù)學處理及程序，以便讀者借鑒。