進(jìn)出瓶螺旋桿的螺旋線簡化設(shè)計及加工

彭志榮

摘 要：該文主要介紹包裝機(jī)械自動化生產(chǎn)線關(guān)鍵零件進(jìn)、出瓶螺旋桿的概念及應(yīng)用，該文作為此系列之一，主要探討：（1）螺旋線的設(shè)計；（2）淺析其結(jié)構(gòu)、材料要求，螺旋桿設(shè)計要求；（3）利用多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行該零件數(shù)控加工的方法以及數(shù)控程序的編寫。

關(guān)鍵詞：螺旋桿 數(shù)控加工 灌裝機(jī)械

中圖分類號：TB486.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0066-02

之前討論了“進(jìn)出瓶螺旋桿的結(jié)構(gòu)、材料及設(shè)計要求”，從螺旋桿的結(jié)構(gòu)、材料及螺旋線的運(yùn)動規(guī)律等方面做了一定的闡述。使人們了解到：為使生產(chǎn)線上灌裝瓶子達(dá)到一定的運(yùn)動規(guī)律，達(dá)到灌裝要求，螺旋桿的螺旋線應(yīng)該同樣滿足該運(yùn)動規(guī)律。

此前的文章提到過可以將螺桿分成三段式組合螺桿：進(jìn)口端的等速段、中間過渡段的變速段、出口端與星型撥輪銜接的等加速段。許多讀者會有一定的理解誤區(qū)，認(rèn)為該螺桿就是一個變螺距的螺桿，通常會認(rèn)為采用變螺距的指令進(jìn)行車削。這個觀點(diǎn)是錯誤的，螺旋桿的設(shè)計是將瓶子的運(yùn)動規(guī)律反映到螺旋桿的螺旋線設(shè)計上。也就是將螺桿螺旋線按照一定運(yùn)動規(guī)律設(shè)計就能滿足瓶子的運(yùn)動規(guī)律。下面將對螺旋桿的螺旋線的設(shè)計做一些介紹。

首先，其基礎(chǔ)速度、位移公式為：

V=V0+at

S=V0t+1/2at2

其中，V0為瓶子初始速度（單位：毫米/轉(zhuǎn)）；a為瓶子移動加速度（單位：毫米/轉(zhuǎn)2）；t為螺桿轉(zhuǎn)動圈數(shù)（單位：轉(zhuǎn)）。

其次，了解認(rèn)識三段螺旋線參數(shù)設(shè)計。

1 螺桿的進(jìn)口端

即該螺桿的等速段，為使瓶子平穩(wěn)地導(dǎo)入螺旋槽，螺桿必須每轉(zhuǎn)移動量至少大于等于容器的外徑，才能使瓶子順序平穩(wěn)地被送入。

則公式：V1=2R+△（mm/r） （△為兩相鄰容器的平均間隙2～5 mm計算，通常加工時忽略取值為零）

設(shè)等速段螺旋線的最大圈數(shù)為t1（常取0.5～2圈），則等速段的軸向位移：

S1=V1t1

2 螺桿的中間過渡段

即該螺桿的變加速段，研究人員通常采用以余弦、正弦、多項式加速度曲線的參數(shù)設(shè)計，最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。以余弦加速度為例，設(shè)此段螺桿的供送加速度a2由零值依余弦函數(shù)變化規(guī)律增加到最大值；按坐標(biāo)系可寫出從動件常用運(yùn)動規(guī)律——三角函數(shù)余弦運(yùn)動規(guī)律：

運(yùn)動規(guī)律的起始與終點(diǎn)處加速度變?yōu)橛邢拗?，因而會產(chǎn)生柔性沖擊。適用于中、低速輕載傳動。

3 螺桿的出口端

即該螺桿的加速段，供送的容器要與星形撥輪順利銜接，則必須保證等加速段末速V3m等于星形撥輪的節(jié)距P，即：

4 實(shí)例

由上面基本設(shè)計原理，人們可以了解到三段螺旋的設(shè)計要求，尤其是中間過渡段的變加速運(yùn)動段，對于此段的螺旋線，不管是正弦、余弦，還是多項式等加速度曲線設(shè)計，難度都比較大。通常在實(shí)際加工使用中采用X、Y、Z聯(lián)動并帶A軸的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控四軸銑床加工，也能達(dá)到實(shí)際使用的要求，即通過A軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)來確定螺旋線在X軸線方向的位移，并且大大降低了加工的難度以及測繪、檢驗的難度。因此在實(shí)際的設(shè)計及加工中大都對此螺旋曲線（主要是中、低速螺旋桿）采用簡化處理來完成此段的螺旋線設(shè)計。

那么，如何進(jìn)行簡化處理？研究人員可以根據(jù)已知參數(shù)：所供送容器的大小、星形撥輪的大小及螺旋桿的長短設(shè)計出替代品。

下面通過應(yīng)用實(shí)例示意圖進(jìn)一步闡述進(jìn)瓶螺旋桿的設(shè)計與加工。已知供送容器的瓶徑為73 mm，星形撥輪的節(jié)距為125 mm，螺旋桿總長700 mm，左旋螺線。根據(jù)已知條件設(shè)計加工進(jìn)出瓶螺旋桿。

通過圖1了解到此螺旋桿滿足3個基本條件：（1）進(jìn)口端有10°左右的錐端（且長度為總長的22%），能把容器順暢導(dǎo)入螺旋槽；（2）容器沿進(jìn)瓶螺旋桿前進(jìn)時能平穩(wěn)輸送；（3）末端螺旋節(jié)距等于星型撥輪節(jié)距125 mm，即容器與星形撥輪能夠順利銜接。則此螺旋線合理。

進(jìn)瓶螺旋桿各段參數(shù)的確定：

由以上理論及公式可得：

（1）（初始端）V1=73 mm/t 取t1=2圈，

則等速段 S1m=V1 t1=73×2=146mm

（2）（末端）Vm=125 mm/t 取t3=1圈，

則末等速段S3m=V3 t3=125×1=125 mm

（3）中間過渡段可以看成是勻變速段S2m=700-S1-S3=700-146-125=429 mm。

當(dāng)速度從73 mm/t增加到125 mm/t，其加速度為a；根據(jù)等加速度運(yùn)動規(guī)律，其平均速度為：

V平=（Vm+V1）/2=（125+73）/2=99 mm/t

則螺旋線旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為：

t2=S2m/V平=429/99≈4.33（圈）

加速度a2=（Vm-V1）/t2=（125-73）/4.33≈12.01 mm/t2

根據(jù)計算結(jié)果，三段的位移S和產(chǎn)生位移螺桿所旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)確定了，則可在實(shí)際加工中通過X軸及旋轉(zhuǎn)A軸的控制來完成加工了。

5 數(shù)控加工

此螺旋桿的數(shù)控加工可以選用數(shù)控銑加工中心（可以根據(jù)給定的數(shù)學(xué)表達(dá)式自動完成運(yùn)行軌跡），亦可選用改造后的X軸和A軸（繞X軸旋轉(zhuǎn)）的普通數(shù)銑。加工螺旋桿時，A軸按給定的角度帶動螺桿轉(zhuǎn)動，銑刀沿螺旋桿X軸方向按給定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動。即X軸與A軸聯(lián)動是對數(shù)控銑床基本的要求。各加工參數(shù)的處理，主要集中在A軸（旋轉(zhuǎn)的角度）及給定的軌跡（X方向的位移），螺旋桿的轉(zhuǎn)動角度按360°為一圈累計，而位移仍是按照運(yùn)動方程S=V0t+1/2αt2給出，t的單位是圈，在數(shù)控程序中是用[T]/360（變量）表示，與角度A的變量[T]保持一致。因加工的螺旋桿大都為高分子尼龍材料，銑刀可采用在刀桿一側(cè)安裝刀片，當(dāng)大小與瓶徑幾乎相等的銑刀，按編制程序進(jìn)行運(yùn)行時，即可完成進(jìn)瓶螺旋桿的加工。

6 結(jié)語

該文根據(jù)常用運(yùn)動規(guī)律及運(yùn)動方程，對進(jìn)出瓶螺旋桿的螺旋線構(gòu)造進(jìn)行了分析，同時為了解決經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工、測繪、檢驗難的問題，還對螺旋桿的螺旋線進(jìn)行簡化。筆者使用此法，以及了解到市場上一些加工企業(yè)為客戶測繪、設(shè)計及加工此種進(jìn)出瓶螺旋桿，大都使用此簡化加工方法，并均能滿足使用要求，從而證明此設(shè)計方法的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 許成林.包裝機(jī)械原理與設(shè)計[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.

[2] 劉莉昕，高迎憲.變螺距螺旋線的設(shè)計方法[J].包裝與食品機(jī)械，1998（6）：10-12.