变距供送螺杆参数化设计

周 为， 赵 静， 张 金

变距供送螺杆参数化设计

周 为1， 赵 静1， 张 金2

（1.蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030；2.徐州徐工铁路装备有限公司，江苏 徐州 221000）

运用UG软件二次开发工具并结合参数化设计方法，建立了可视化界面，运用输送容器"切割"圆柱供送螺杆的布尔减理论，以输送容器类型、输送运动形式和输送动作三方面为参数，系统自动模拟加工生成供送输送容器的三段式变距供送螺杆.

变距供送螺杆；参数化设计；模拟加工

当今机械产品设计中，始终渗透着参数化的思想.随着包装生产线供送要求的多样化，供送螺杆的形式也更加复杂多样，按传统的方法设计，当输送容器发生变化时，需重新推导螺旋线公式、多次绘制螺旋槽面，导致工作效率低和设计精度低.通过变距供送螺杆的参数化设计，用户只需简单改变输送容器参数，系统即可自动模拟加工生成相应的变距供送螺杆，设计具有良好的通用性、高效性及精确性.

供送螺杆的主要功能是为工作主机按规律供送瓶罐或其他离散刚性器件（主要是包装容器、硬质软料盒等），使输送线上的瓶罐沿既定的路线、按一定的间距和排列，以所需的状态和速度成队列进入主机作业区[1].本文针对最广泛使用的三段组合式变距分件供送螺杆如图1所示进行参数化设计，可以实现输送容器由无序到有序排列的输送，同时可完成直立前进——侧向转身——纵向躺倒的复杂动作，也可通过所编程序的删减或调整实现单一、简单、切削精度不同的运动，满足供送的不同需求.

图1 三段式变距螺杆

1 供送螺杆曲面形成原理

运用布尔减理论，在UG中应用模拟“切割”的方法，以输送容器为工具，用输送容器“切割”圆柱供送螺杆：螺杆旋转一定角度（考虑螺杆的平滑度和输送精度，本文设角度为3o），容器平移一定距离，当容器移至螺杆末端，与输送容器相配合的供送螺杆螺旋曲面便形成，如图2.

图2 螺杆曲面形成原理

2 螺旋线运动方程

经推导三段螺旋线的运动方程[2]如下：

匀速段运动方程

变加速度段运动方程

等加速度段运动方程

式中：2b1为异型瓶主体部位长轴长度(mm),

δ为两相邻物件间的平均间隙，为避免供送件之间的干涉，本文取δ=10mm，为加速度段螺杆供送最大加速度(mm/s2)，

ti为在第i段螺旋线的时间

tim为输送容器完全移过第i段螺旋线所用时间

3 供送螺杆参数化设计

(1)确定三段组合式变距螺杆的螺杆圈数.为满足本文输送容器的供送要求，将输送螺杆等速段、变加速度段和等加速度段的圈数依次定为:i1=1, i2=2,i3=3

(2)确定螺杆内径与螺杆半径.若输送容器为圆柱形，则需满足条件：R≤r0+ρ，令R=2ρ，则r0=4ρ/3；若供送容器为其他形状，则需满足条件b2，令R=b2，则r0=2b2/3，式中：R为螺杆半径，r0为螺杆内径，ρ为圆柱形容器主体部位半径，b2为输送容器短轴宽度.

(3)确定螺杆长度.令t2=t2m=1(s),t3=t3m=1.5(s), n=120rpm=2rps,代人到式(1)、(2)、(3)中，可得各段螺杆长度：

4 可视化模拟加工过程

按上述变距供送螺杆的螺旋线运动方程及参数化设计，在UG建模环境下，通过UG/Open Grip[3-7]编写源代码如图3所示，形成圆柱毛坯、刀具的参数化建模及人机交互界面，实现变距供送螺杆的参数化模拟加工及加工过程的可视化.

运行过程为：

（1）启动UG，进入人机交互界面；

（2）用户选择输送容器的类型，本设计供选择的输送容器类型如图4，输送容器选择界面如

所以，输送螺杆总长度图5；

图3 模拟程序

图4 输送容器类型

图5 输送容器选择界面

（3）输入输送容器的主要参数、供送的末速度，参数输入过程如图6.

图6 参数设置过程

（4）系统自行运行形成可视化的供送螺杆模拟加工过程，模拟加工程序框图如图7.

（5）螺杆模拟加工完成后，运用UG/Open Grip中的镜像功能，生成另一个对称反旋向的螺杆形成双变距螺杆，完成供送变距螺杆的仿真加工.

图7 程序图

5 模拟加工结果及精度

按照上述可视化模拟加工运行方法，本文仿真加工了供送圆柱形瓶、椭圆形柱瓶、六棱柱瓶和圆台形瓶这四种较常用容器的三段式变距供送螺杆，从模拟结果图8可看出螺杆的精度不太高，那么在设定螺杆精度时要综合考虑螺杆的供送精度要求和仿真加工时间这两个因素：供送精度越高，则螺杆转角增量越小(即容器“切割”圆柱螺杆时，螺杆每旋转一定度数，输送容器沿轴线移动的距离)，仿真加工时间越长；仿真加工时间越短，则螺杆转角增量越大，供送精度越低.可见，供送精度和仿真加工时间之间互相制约，它们又都与螺杆转角增量有着密切关系，因此要根据需求合理设定螺杆转角增量.

本文中三段组合式变距螺杆的螺杆每段圈数和输送容器经过每段螺杆所需时间已设定(见供送螺杆参数化设计中)，用户只需改变螺杆每次旋转的度数即可调整螺杆的供送精度和仿真加工时间，图8是设定螺杆每次旋转的度数为3°的仿真结果.

图8 仿真结果

6 结论

针对包装工程中广泛使用的三段式变距供送螺杆，运用布尔减理论，通过UG二次开发软件和汇编编程，开发了人机交互界面，实现了变距供送螺杆的参数化设计，使加工与设计一体化.本文提供了7种常用的容器类型以供选择，用户只需选择供送容器的类型并输入容器的主要参数、供送的末速度，系统即可自动模拟加工生产对应的供送螺杆，简化了设计过程，提高了设计效率，保证了设计精度，是对变距供送螺杆传统设计方法的一次改革.

〔1〕张永林.分件供送螺杆的构型研究[J].机械设计, 2003,20(2):17-18.

〔2〕张金.变距螺杆的设计与加工技术研究[D].燕山大学,2010.

〔3〕庄亚红,范元勋.一种基于UG的零件三维参数化设计技术[J].机械,2004,31(Z1):81-86.

〔4〕刘志海,田凯,鲁青.基于AutoCAD的齿轮参数化三维图形编程方法 [J].煤矿机械,2007,28(4): 116-119.

〔5〕周玮.UG在系列化产品参数化设计中的应用[J].机电产品开发与创新,2010,23(4):116-117.

〔6〕Chang D.G.,Yang Z.,Xin L.S.Application of UG/Open GR IP technology in 3D design of splicing chamber.Key Engineering Materials, 2010,426-427:683-686.

〔7〕张振金,薛兆鹏.利用UG/GR IP构建螺旋桨三维数学模型[J].现代制造工程,2009(2):52-55.

TH224

A

1673-260X（2014）10-0024-03

国家级大学生创新创业训练计划项目（201311305014）；蚌埠学院自然科学项目（2013ZR02zd）