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doc]异形瓶分件供送变螺距螺杆的三维实体建模
异形瓶分件供送变螺距螺杆的三维实体建
模
136
机械
与制造
MachineryDesign&Manufacture
第8期
2010年8月
文章编号:1001—3997(2010)08一Ol36一O3
异形瓶分件供送变螺距螺杆的三维实体建模
李军霞1,2史荣姚云峰高静娜
(河北科技大学材料科学与工程学院,石家庄050018)(z燕山大学机
械工程学院,秦皇岛066004)
Modelofthevariablepitchscrewoffeedspecialcontainer
LIJun-xia1,2SHIRong.,YAOYun-feng,GAOJing-na
(SchoolofMaterialScienceandEngineering,HebeiUniversityofscienceand
technology,Shijiazhuang050018,
China)(SchoolofMechanicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangd
ao066004,China)
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;【摘要】提出了一种绘制异形瓶变螺距螺杆螺旋槽的解析作图法,
并对传统的设计方法进行;
?了修改.利用PRO/E的扫描混合功能,构造了变螺距螺杆的三维实
体模型,并通过ADAMS进行了运?
动仿真分析,证明了按本方法设计的变螺距螺杆与供送件不会发生
干涉,运行平稳,仿真结果与理论:
:曲线相吻合,验证了模型建立的正确性.解决了复杂形体供送件螺杆
的参数化设计,完善了其设计理i
;论与设计方法.;
:关键词:变螺距螺杆;扫描混合;Pr0/E;三维实体建模:
;【Abstract】
Analyticmethodofdrawingvariablepitchscrewspiralscrolloffeedspecialcontainerisi
;puttedforward,andtraditionaldesignmethodismodified.3-Dimensionalmodelisestablishedbyscan;::
mixedfunctionofPRO/E,andmotionsimulationbyADAMSshowthatthevariablepitchscrewwith
;delivering凡’tinte咖
Fenceandmovingstably,simulationresultsuppOFtwiththetheoreticdatawell,and
:modeliscertified.Parametricdesignofscrewtofeedcomplexcontainerissol
ved,anddesigntheoryandi::
;designmethodareper厂ected.;
;!
?Keywords:Variablepitchscrew;Scanmixed;Pro/E;3-Dimensionalmodel?
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中图分类号:TH16,TB486文献标识码:A
1引言
供送螺杆是现代食品包装机械的一种用于传输瓶,灌,盒等
包装容器的常用供送装置,可将规则或不规则排列的成批包装容
器,按照包装
要求的条件逐个地供送到包装位,还可以根
据工艺要求完成增距,减距,分流,升降和翻身等动作,以满足规
定的工艺要求.因此分件供送螺杆被称为整个设备或生产线的
“咽喉”,其构造的合理与否直接影响产品质量,工效,总体布局及
自动化水平.随着自动灌装机,包装生产线的日益高速化和容器
的多样化,供送螺杆的设计与加工要求越来越复杂,传统构形设
计已不能满足实际生产的要求.鉴此,本
对异形瓶变螺距螺
杆的三维实体建模进行了探讨,以供参考.
目前,对变螺距螺杆的研究主要集中在变螺距螺旋线的理
论,设计卅和螺杆加工方法方面M,文献,分别提出了螺杆的j
维建模方法,但以上都是对输送圆形瓶螺杆的研究,而目前对输
送异形瓶变螺距螺杆三维实体建模的研究甚少,有关理论还需进
一
步完善.本文通过分析分件供送变螺距螺杆的结构特点和工作
原理,对异形瓶变螺距螺杆螺旋槽的绘制方法进行了进一步研
究,利用PRO/E的扫描混合功能建立了三维实体模型,并通过
ADAMS进行了运动仿真分析,证明了按本方法设计的异形瓶变
螺距螺杆与供送件不会发生干涉,运行平稳,且完全满足供送件
运动的工艺要求,验证了模型建立的正确性.
?来稿日期:2009—10—05
2螺杆螺旋线的数学模型
本文设计的螺杆参数包括:螺杆外径D(mm),螺杆内径r
(illITI),供送件直径domm),螺杆转速n(rpm),初始螺距(mm)
和最大螺距St(Him).
在螺杆输送过程中,为了保证供送件运行的平稳性,合理确
定变螺距螺杆螺旋线的形式至关重要.本文采用四段组合式螺旋
线的形式,即等速段,正弦变加速段,等加速段和余弦减加速段.
使加速度曲线的始,末端均为零值,且加速度在全程无突变,不存
在刚性和柔性冲击,减少供送件与输送链带的摩擦力,可保证供
送件与输送链带平稳携接.四段组合式变螺距螺杆的结构,如图
1所示.
图1四段组合式螺杆结构图
变螺距螺旋线各段的运动规律分别为:
(1)等速段的运动方程为
fa1=0
{1=Soxn
l,=So
第8期李军霞等:异形瓶分件供送变螺距螺杆的三维实体建模137
(2)正弦加速段的运动方程为
I=sin(×)Jz2m
Js+[1--COS(“IT×)]InL‰J
soi2+[手×n(手×)]
(3)等加速段的运动方程为
f劬q一
{1)3=Son+c~(2izJ1r+i3),几
Ln3=ES0+n,(4/av+i3)12n
(4)余弦减加速段的运动方程为
(2)
(3)
a4=an~cos(×)
厶如
s+[(手×)++譬](4)
:
s+一f1-cos(~一×一i4)1+叮rnL4mJ
q4(2l+1r)/(竹凡)
式中:‰一螺杆的最大加速度i一螺杆各段曲线的圈数及最
大圈数;o4…VH一螺杆各段曲线的加速度,速度及位移.
若取n=6Orpm,S?200mm,i1~=1,2,i3m=3,i4m=2则四段组合
式变螺距螺旋线的加速度曲线,如图2所示.以上数学模型为设
计变螺距螺杆的理论基础,通过以上数学模型可以在PRO/E绘
制曲线的记事本中编辑螺旋线方程,进而绘制各段螺旋线.
18O
160
140
l2O
10O
80
60
40
20
0
i(圈数)
图2四段组合式变螺距螺旋线加速度曲线
3变螺距螺杆的三维实体建模
异形瓶i维实体模型及计算模型,如图3所示.
图3异形瓶的三维实体模型及计算模型
由图3可见,供送件的横截面由直线和圆弧组成,长度和宽
度分别为bl=40mm,b2=65mm,直线段b3=b4=l0ram,左右圆弧的圆
心分别为OlxO2,半径均为p=32.6ram,且O0l=002=7.4mm.
3.1螺杆螺旋槽的绘制方法
分件供送螺杆的螺旋槽对物件起着隔挡,增减速推移和稳定
供送的作用,理论与实践表明,合理设计螺旋槽几何参数对保证
被供送物体的平稳运行至关重要.本论文供送件运动状态示意图,
如图4所示.由图4分析可知,供送过程中要求供送件首先竖直进
入,逐渐旋转90.,然后再依次倾斜倒下,最后进入传送链带进行
包装.故供送件螺旋槽形状在每段不仅尺寸上不同,且形状也各
不相同.
图4供送件运动示意图
本文通过分析异形瓶容器与螺杆的相贯运动原理,建立了异
形瓶变距螺杆螺旋槽的数学模型.
(1)供送件与螺杆轴向旋转一定角度供送件与螺杆轴向平
行时相贯运动原理图,如图5所示.
Yt
图5供送件与螺杆相贯运动原理图
由图5分析可知,直线段ad与螺杆的相贯线仍为直线ad.
设圆弧6d段任意点m为(z,k)(6z6,0z0.5b),则该点的
相贯线轨迹(,)的坐标为:
+
砉a吨S(1-oo~)(5)
(嘉)一(6)
其中,k=ro+O.5b,一,/一(7)
若取螺杆外径D=IlOmm,螺杆转速n=6Orpm,初始螺距So=
95mm和最大螺距S=200mm.则当供送件与螺杆轴向平行时,螺
旋槽的形状,如图6所示.
50
4o
吕
3o
20
,,r
,
\/
,,
\/
5040302UlOUlU2U304050
x(mm)
图6供送件与螺杆轴向平行的螺旋槽
供送件与螺杆轴向旋转一定角度时,螺旋槽的绘制方法与供
送件相对螺杆轴向平行时类似.
(2)供送件相对螺杆纵向倾斜一定角度供送件相对于螺杆纵
向倾斜时,可以降低供送件的重心,且使供送件逐渐倾斜倒下,可
保证与输送链带平稳衔接.当供送件沿着螺旋槽的方向倾斜时,
可保证供送件运行时与螺杆不发生干涉,倾斜角度实际就是螺杆
的螺旋升角.螺杆螺旋升角的解析式为式8,将式8展开得各段
螺旋升角的解析式为式9.
tg嘶:
?L,
(8)
138机械设计与制造
No.8
Aug.2010
tgoll=SJTrD
t2=t酗+薷(1一s)
t
藉’9’
ltgot4=tg.丽ar,~xt4sin)
螺杆所有点的螺旋升角,如图7所示.
供送件相对于螺杆的倾斜示意图,如图8所示.由图8分析
可知,供送件与螺杆在中心轴上的相交截面,即为该点螺旋槽的
形状.
32
30
28
26
24
22
2O
18
l6
14
图7螺杆的螺旋升角
图8供送件纵向倾斜的示意图
由图7可知,第六段末的倾斜角度为,其螺旋槽形状,如图9
所示.
5O
{0
3o
20
--
4U—jo-20-1Uo】U20jU40
X(mm)
图9供送件纵向倾斜时螺旋槽草图
供送件其它倾斜角度的螺旋槽草图在形状上是相似的,仅在
尺寸上有一定差别.
3.2螺杆的三维实体建模步骤
变螺距螺杆的三维实体建模步骤如下:
步骤1:创建实体旋转特征,如图10所示.
图1O实体旋转特征
步骤2:绘制螺旋线按式(1—4)和螺杆参数,在记事本中依次
编辑螺旋线方程,即可得到四段螺旋线,如图l1所示.
图11螺杆螺旋线
步骤3:绘制扫描混合特征由于螺旋槽的各个截面形状不
同,因此采用Pro/E的扫描混合特征可以方便的进行螺杆的维
实体建模.如图12所示,第一段螺旋线的扫描混合特征,截面1
和截面2分别为第一段螺旋线首,末螺旋槽的截面.其它螺旋线
的扫描混合采用相同的方法即可.
图12扫描混合特征
步骤4:相切修剪存实际加工中,螺旋线的两端都需要延长
才能切除螺旋线首,末端的残料,且必须相切延长才合理.经计
算该螺旋线展开线首,末两端的切线斜率分别为3.7895和1.8.
步骤5:倒角
最终生成的螺杆维实体模型,如图13所示.
图13变螺距螺杆的j维实体模型
4基于ADAMS的运动仿真分析
将变螺距螺杆的三维实体模型,导人ADAMS添加驱动与载
荷后,如图14所示.
图l4变螺距螺杆导入ADAMS的模型图
通过观察供送件的运行情况验证了按本方法设计的螺旋槽
j物件不会发生干涉,且具有很好的平稳性.
5结论
(1)根据分件供送变螺距螺杆的结构和运动特点,提出了一
种绘制变螺距螺杆螺旋槽的解析作图法,为今后异形瓶变螺距螺
杆的设计提供了理论依据.
(2)提出了一种全新的三维实体建模方法,采用Pro/E的扫
描混合功能建立了异形瓶变螺距螺杆的j维实体模型,并通过
ADAMS运动仿真分析,证明了按本方法设计的变螺距螺杆与物
件不会发生干涉,运行平稳,验证了本论文模型建立的正确性.
参考文献
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