基于等速螺旋线的圆片形零件分选机构的设计

潘 懿

（武汉船舶职业技术学院，武汉 430050）

分选机构主要用于钢珠、贴片电容、电阻以及电感等圆形、非圆形及不规则的产品分类，可以区分大小和形状不同的物品。目前，市场现有的分选机构可分为振动分选机、磁性分选机以及粒径分选机等类型。振动分选机主要由机座、角度调节机构、振动筛体、集尘罩、振动电机、风机以及分料机构等组成，用于分选PCB 和废旧电缆等工业废物破碎切片中具有不同密度的金属与非金属。磁性分选机主要用于钢珠、贴片电容、电阻以及电感等产品的分类。它主要通过磁性的强弱来区分产品。

为了实现圆片形零件的筛选和计数功能，本文提出了一种等速螺旋线的4 层圆盘结构筛选方法。该方法采用双螺旋线的4 层圆盘结构。4 层都采用等速螺旋线的结构，能够很大程度上提高圆片形零件的筛选效果。此外，圆盘与水平方向有30°的夹角，可以顺利地将圆片形零件从滑道上滑出来流到计数装置中。这种方法的结构比较紧凑，体积不大，噪声小，加工方便，且筛选效率好。

1 等速螺旋线简介

1.1 等速螺旋线的定义

等速螺旋线是指一些围着某些定点或轴旋转且不断收缩或扩展的曲线，是一种二维螺线。在《论螺线》中给出了如下定义：当一点P 沿动射线OP 以等速率运动时，这条射线又以等角速度绕点O 旋转，则点P 的轨迹称为等速螺旋线。它的极坐标方程为：

等速螺旋线的每条臂的距离永远等于2πa。

1.2 等速螺旋线的方程

在数学中，极坐标系是一个二维坐标系统。该坐标系统中的点由一个夹角和一段相对中心点——极点（相当于直角坐标系中的原点）的距离来表示。阿基米德螺旋线的标准极坐标方程为：

式中，b 为等速螺旋线系数，单位为mm/°，表示每旋转1°极径的增加（或减小）量；θ 为极角，单位为°，表示螺旋线转过的总度数；a 为当θ=0°时的极径，单位为mm。改变参数a 将改变螺旋线形状，b 控制螺旋线间的距离，通常为常量。等速螺旋线有2 条螺旋线，一条θ ＞0°，另一条θ ＜0°。2 条螺旋线在极点处平滑得连接。把其中一条螺旋线翻转90°或者270°得到的镜像，就是另一条螺旋线[1]。

由式（1）和式（2），可得到用直角坐标系中x 和y来表示极坐标的方程式：

当x=0 时，若y 为正数，则θ=90°（即π/2rad）；若y为负数，则θ=270°（即3π/2rad）。

1.3 等速螺旋线的特点及应用

等速螺旋泵是基于等速螺旋线设计的，工作原理是当电动机带动泵轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面沿衬套内的表面滚动，从而形成泵的密封腔室。螺杆每转一周，密封腔内的液体向前推进一个螺距。随着螺杆的连续转动，液体呈螺旋形从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体。等速螺旋泵是一种新型的输送液体的机械，具有结构简单、工作安全可靠、使用维修方便、出液连续均匀以及压力稳定等优点[2-3]。

目前，市场主要采用的振动型分选机构的工作噪音大且分选效率较低，而磁性分选机受材料性质制约，无法满足大部分工程材料的筛选需求[4]。因此，为了实现圆片形零件的高效率和多材料筛选，提出了一种等速螺旋线的圆盘结构筛选方法。等速螺旋线的应用可以使得圆片形零件在筛选过程中运动速度变化更小，筛选效率更高，同时整体机构更平稳。针对零件种类的不同需求，可以增加筛选盘的数量来适配。

2 基于等速螺旋线的圆片形零件分选机构的设计

2.1 分选机构的总体设计

分选机构的总体设计为4 层筛选盘结构，如图1 所示。筛选盘与水平方向有30°的夹角，可以顺利地将圆片形零件从滑道上滑出来，流到各自层的滑道上。利用4 层筛选盘将整个圆片形零件分选模块分成4 个圆片形零件分离区，每层筛选网网孔直径的具体数据分布情况如图1 所示。将圆片形零件放入漏斗中，漏斗下方成“一字”形状开口，使圆片形零件呈水平状进入分离区。在分离区内，随着4层筛选盘结构的旋转，圆片形零件在两条螺旋线所夹的通道内流动，并通过第一层筛选盘实现圆片形零件的第一次分离（分离出圆片形零件1）。同时，分离出的圆片形零件1 逐渐向外圆方向流动并最终从双螺旋线的两个出口离开筛选盘落入流道内。零件2、零件3 和零件4 进入第二分离区，通过第二层筛选盘实现第二次分离（分离出圆片形零件3和零件4）。圆片形零件3 和零件4 进入第三分离区，通过第三层筛选盘，实现第三次分离（分离出圆片形零件4）。圆片形零件4 进入第四分离区，第四层筛选盘不设置筛孔。至此，直径不同的圆片形零件在各自的分离区内按照双螺旋线的运动方式运动并落入各自层的流道内，实现圆片形零件的分选。4 种不同材料的圆片形零件基于等速螺旋线来设计筛选机构。4 种零件的参数和材料如表1 所示。

2.2 单层筛选盘的设计

图1 分选机构的总体设计

表1 4 种零件的参数和材料

如图2 所示，每一层圆片形零件进行筛选盘设计时，每层都采用双螺旋线的结构。筛选盘采用铝板制作，板厚为6mm，直径为302mm，并在板材上利用CNC 加工出高度为3mm 和宽度为2mm 的等速双螺旋线。在两条螺旋线相邻的筛选盘上，按照4 种圆片形零件的大小分别加工出相应的筛孔。4 层都采用这种等速螺旋线的结构，能够很大程度上提高圆片形零件的筛选效果[5]。

2.3 计数装置的设计

选用型号为ATK11-6H 的光电计数器。探测器的检测距离在10 ～70cm 之间可以调节，能够精准地计算各种零件的数量。外圆盘和流道装配体与水平方向有30°的夹角，圆片形零件在进入各自流道后受重力作用将滑落跌入各自的零件收纳盒中。在零件收纳盒和流道口之间设置传感器探头，在零件落入收纳盒时检测计数，并在数量计数器上显示各个零件的个数。

图2 单层筛选盘设计

3 系统测试

对4 种圆片形零件进行多次反复测试。测试分为圆片形零件分类和圆片形零件计数两个模块，测试结果如表2所示。

表2 测试结果

4 结语

本文采用等速双螺旋线的结构设计，设计了一种圆片形零件分选机构，大大提高了圆片形零件的筛选效率。该机构不同于市面上常用的振动筛盘式结构，大大减小了运作噪音和振动，且可实现不间断式的筛选、分类和清点计数。同时，该机构运行实现了不同材料零件的筛选，较市场现有的磁性分选机构有了实质性的提升。实验结果表明，基于等速螺旋线的圆片形零件分选机构实现了圆片形零件的分类清点功能，且准确率达到了100%，具有较高的推广应用价值。