四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的设计.docx
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四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的设计
第一章设计概述2...
1.1设计的目的2
1.2四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述3
第二章四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置的参数确定4.
2.1星形拨轮的设计4
2.2螺杆螺旋线的组合特征5
2.3螺杆螺旋线的基本参数6
2.4组合螺旋线的设计7
2.4.1输入等速段7
2.4.2螺杆变加速段螺旋线8
2.4.3螺杆等加速度段螺旋线10
2.4.4螺杆输出等速段螺旋线12
2.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计14
2.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形16
2.6.1Matlab软件的运用16
2.6.2Pro.e画图工具的运用18
第三章总结2..0.
设计心得20
参考文献2..1..
第一章设计概述
1.1设计的目的
这个课程设计是一个重要的实践性教学环节，也是提高我们这些工科学生工程设计能力的一个重要途径。
是让我们这些包装机械专业方向的学生学好专业知识课程和充分利用所学资源进行设计分析的重要方法，对我们以后的学习工作具有非常重大的意义。
1.1.1设计的主要技术参数
供送物品为圆柱体：
尺寸：
直径为50mm、高为100mm
1.1.2设计任务
1、根据有关参数进行计算或编写有关设计计算程序；
2、利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形；
3、画出装配图及其主要零件图；
4、完成设计计算说明书。
1.2四段式分件供送螺杆与星形拨轮装置概述
目前，在包装工业领域，已广泛应用多种类型的分件供送螺杆装置。
这种装
置可按某种工艺要求将规则或不规则排列的容器、物料以确定的速度、方向和间
距分批或逐个地供送到给定的工位。
特别是为了适应包装容器日新月异的变化和提设备生产能力的实际需要，分件供送螺杆装置正朝着多样化、通用化和高速化方向发展，并不断扩大它在灌装、充填、封口、贴标、计量、检测以及自动包装线上的应用，如分流、合流、升起、起伏、转向和翻身等。
如图1.1为分件单列送正圆柱形及某些异形瓶罐的典型组合装置，从实用角度出发比较系统地阐述了变螺距分件供送螺杆与星形拨轮的理论、设计等关键问题。
卜迹映薦扳沪对特生携■杆3-皿81酬槪显廣
4■送宙様5肛启星麻播鮭d平动富应曲
图1.1典型变螺距螺杆与星形拨轮组合装置图
分件供送装置结性能的好坏直接影响到产品的质量、工作效率、总体布局
和自动化水平。
所以，设计应在满足被供送瓶罐形体尺寸、星形拨轮节距及生产能力等条件下，合理确定螺杆直径及长度、螺旋线旋向及组合形式、螺旋槽轴向剖面几何形状和星形拨轮齿廓曲线，进而校核罐受螺杆、导向板、输送带等综合作用后能达到给定的速度和间距，减轻冲击、震动、卡滞现象，实现平稳可靠运动。
第二章四段式分件供送螺杆与星形拨轮
装置的参数确定
2.1星形拨轮的设计
图2.1所示为星形拨轮的结构简图
为了满足课程设计任务要求，假定设星形拨轮齿数为Zb8；拨轮的转
速为nb=10r/min;拨轮同时传送两个被供送体时入手所需距离为70mm；因
被供送体的直径直径为2=50mm，高h100mm,则取拨轮的节距为
Cb=120mm,设拨轮节圆半径为Rb，因为容器以等间距定时供送，贝U
2?
Rb5?
Zb
Rb5?
Zb/
（2）
则拨轮的节圆半径为Rb竺卫1528mm
2
拨轮高度依据被供送体的高度为hb=60mm.。
拨轮转速与螺杆转速的关系应满足：
nb—，则螺杆的转速可确定。
Zb
n10880r/min
2.2螺杆螺旋线的组合特征
在工件传送过程中，有的能顺利导入螺旋槽，有的却被螺杆端面阻挡甚至同输送过来的其他瓶罐产生冲撞，另外还可能使输出过程出现：
“局部断流”现象面对这些错综复杂的工作状况，为了更好地实现缓冲和“定时整流”的目的，对分件供送来说，就不宜采用螺距全是Cb的等螺距螺杆，而应在螺杆的进中附近配备可调式减速装置，使瓶罐自动减速相互靠近，以便逐个依次顺利地导入螺旋槽内，接着再增速达到预定间距，借助拨轮有节奏地引导到包装工们。
因此，当螺杆应用于高速度分件定时供送时，其螺旋线最标准的组合模式最好是四段式：
1输入等速段，螺距小于Cb，有助于稳定的导入口
2变加速度段，加速度由零增至某最大值，以消除冲击。
3等加速段，与输送带拖动瓶罐的摩擦作用力相适应，采用等加速运动规律使之增大间距，以保证在整个供送过程中与螺旋槽有可靠的接触摸点而不易晃动和倾倒。
4输出等速段，使螺距等于Cb，以改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态，这对供送导形瓶罐尤为重要。
2.3螺杆螺旋线的基本参数
参阅图2.2,所示为四段式变螺距螺杆。
通常螺杆的前端多呈圆锥台形，而后
端则有同瓶罐主体半径相适应的过渡角，以利改善导入效果，缓和输入输出两
端的陡振和磨损，延长使用寿命。
设螺杆的内外直径各为do2ro，D2R,为使
螺旋槽对瓶罐产生适宜的侧向力，一般取R=（0.7〜1.0）（ro）
KU
图2.2变螺距螺杆
对供送正圆柱形容器，其圆弧半径为=25mm，螺杆的内外半径分别为r°、
R,则可取
Rro（2-1）
至于ro的值，一般情况下主要根据螺杆芯部及其支轴的结构尺寸等因素加以确定。
实际中也可从满足某种工艺要求的角度来考虑这个问题，例如供送安瓿，为防止倾倒挤碎，应选用较大的螺杆内径和较小的螺旋角。
因为设计要求供送主
体瓶灌的尺寸为：
直径为2=50mm，高h100mm。
为满足设计任务要求，我们先暂取供送螺杆的内径为r040mm，根据式（2-1）取螺杆的外径R50mm
2.4组合螺旋线的设计
2.4.1输入等速段
螺杆等速段的螺距应取为
Soi2（2-2）
式中——两相邻容器间的平均间隙（一般为几毫米，主要与容器加工精
度有关）暂取10mm，贝U螺杆等速段的螺距为So1501060mm
设等速段螺旋线的最大圈数为ilm（通常取为1〜1.5）,中间任意0ililm，我们在这取
1m1，对应螺旋角
式中D为螺杆的直径，D=2R=100mm.
（2-4）
则螺旋角tan01辽0.1910
100
对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度
L1Di1，L1mDi1m314mm（2-5）
轴向长度比S01i1，H1mS01i1m60mm（2-6）
供送速度0S01nDntan0160mm80r/min80mm/s（2-7）
对于图1.1所示的变螺距螺杆与星形拨轮组合供送装置，包装容器的供入速度r另有控制要求：
当r0时，依靠送带对包装容器的摩擦拖动作用加速，以接近于螺杆的初始供送速度。
当r0时，借助于可调式波形尼龙板或刷板等缓冲装置使其减速。
据
此可求得供入段的输送长度
Lr
式中d——容器与输送带的滑动摩擦因数
螺杆等速段包装容器与输送带的最大速差
工作表面磨损，引起容器强烈的振动
2.4.2螺杆变加速段螺旋线
针对满足包装容器供送平稳的要求，
零值依正弦函数变化规律增加到某一最大
选取该段螺杆的供送加速度*2，使*2由
a,则
t2
t2m
相应的供送速度及轴向位移为:
式中t2、
t2m分别表示被供送容器移过行程H2及其最大值H2m所需的时间。
各值代入式（2-12），得
可以证明，该段螺旋线的展开图形是由一条斜直线和一条按摆线投影规律变化的曲线叠加而成的曲线。
入式（2-14），得
（2-15）
H2Mg帘血
视L2为自变量，对上式求导，可求出该段外螺旋线的螺旋角
+dH2
tan2
dL2
tan01-
ai2m
22nR
i2
（1cos—）
2i2m
（2-16）
其最大值为
tan2m
tan01-
ai2m
（2-17）
22.
nR
根据式（2-14），
可求出该段限定区间（
1i2
i2m）内的任意螺距值
S2
4ai2m1
S01n22
（2i2
4i2m
1）.
sin—
4i2m
（2-18）
再将Ci和C2值分别代入式（2-10）和（2-11）,导出该段的加速度及速度的计算
式：
a2asin
2
i2
—（2-19）
l2m
2ai2m
20
n
i2
1cos-（2-20）
2ai2m
2m0
m
2i2m
Dntan2m（2-21）
由于可知，当其他条件一定时，变加速段的外螺旋螺旋角、螺距和供速度均
随螺旋圈数的增大而增大。
若取i20,则201，20，a00,符合螺杆的
前两段的位移、速度及加速度曲线的衔要求。
2.4.3螺杆等加速度段螺旋线
设螺杆等加速度段的供送加速度a3a，则相应的供送速度及轴向位移为
adt3at3c4
3dt3
2t2
（2-22）
（2-23）
式中t3――被供送容器移过行程H3所需要的时间
由边界条件可知：
当t30时，出=0,32m，故可确定各特定各系数:
C42m，C50。
将C4和C5值代入（2-23），得
2mt3
（2-24）
设等加速度段螺旋线的最大圈数为i3m通常取（3〜5）,我们取i3m4，中间
任意值0i3i3m，由于t3=^，且令当量螺距
n
2ai
S03上Dtan2mS01T（2-25）
nn
由式（2-23），解出等加速段的位移为
H3S01是如i3i3（2-26）
2n
可见，等加速段螺旋线的展开图形是一条斜直线和一条抛物线规律变化的曲线叠加机而成的曲线。
将此段外螺旋线展开长度：
L3Di3,L3mDi3m1256mm代入上式，可求
得轴向位移
别为:
这表明，等加速段的供送加速度与螺杆转速度的平方成正比；当星形拨轮节距和等速度段螺距保持定值时，适当地增加后两段螺旋线的总圏数，有助于降低螺杆的供送加速度，或提高螺杆转速。
根据式（2-26），可求得等加速段限定区间（1i3i3m）内的任意螺距值
S3S01
（Cb
c、4i2m（1巫）
（2-31）
S01）
2（2i2mi3m）
其最大值
cC（Cb
S01）
Cb
（2-32）
SC
°3mCb
2（2i2m
i3m）
再将C4值代入式（2-22）得
n（CbS01）.2i2mi）
30（i3）
2i2mi3m
（2-33）
其最大值
3mDntan3m
（2-34）
以上表明，当其他条件一定时，螺杆等加速度段的外螺旋线螺旋角、螺距和供送速度同样随螺旋圈数的增大而增大。
若取i30,则a3a2m，32m，
a3a，符合螺杆后两段的位移、速度及加速度曲线的衔接要求。
244螺杆输出等速段螺旋线
对输出等速段，为改善星形拨轮齿槽的结构形式及其啮入状态，使该段螺距
S4Cb=120mm，设等速段螺旋线的最大圈数为i4m（通常取为1〜1.5）,中间任意0i4i4m，我们在这取i4m1，对应螺旋角
根据边界条件可得供送速度43m
式中D为螺杆的直径，D=2R=100mm.
（2-36）
（2-37）
120则螺旋角tan04——0.382
100
对其单头外螺旋线，因其展开图形为一条斜直线，故相应的周向展开长度
L4Di4，L4mDi4m314mm
轴向长度
H4S04i4，H4mS04i4m120mm（2-38）
最后，为便于设计计算和机械加工，将式（2-30）的a值分别代入式（2-14）和式（2-26）（以此类推），经整理得：
2
H2S01i24i2n（CbS01）上sin丄（2-39）
（2i2mi3m）兀2i?
m
H2mS01如NGI"）i2m（2-40）
（2i2mbm）
H3S01（CbS。
1）（如i3）i3（2-41）
2（2i2mi3m）
（CbS01）（4i2m
H3mS012（2i__）i3m（2-42）
2（2i2mi3m）
综上所述，螺杆等速段的最大轴向长度日询仅与螺距S01和圈数i1m有关，变
加速段和等加速段的最大轴向长度H2m、H3m与拨轮节距Cb、螺距S°1及圈数i2m、
i3m有关。
则通过上式（2-40）可得变加速段的长度为
H2m
6022212060
224
2130.5mm
通过式（2-42）可得等加速段的长度为
即螺杆螺旋线轴向和周向长度各为
H1460130.5388.97120=699.5mm
L14314.15628.31256.6314.15=2513mm
2.5螺旋槽轴向剖面的几何形状设计
通常，采用作图法和解析法来确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参数。
大小及预选的螺杆内外直这些，对实现稳定可靠的另处，还为合理确定螺杆
设计螺旋槽的宗旨是要按照供送物件主体部位的形状、径和螺距，来确定螺旋槽轴向剖面几何图形及其宽度。
供送运动以及检测螺杆的设计制造质量有重要的意义。
的外半径提供了依据。
对于此课程设计，我采用解析法确定螺旋槽轴向剖面的几何形状和基本参
数。
正圆柱形包装容器与螺杆的相贯运动。
如图2.3所为正圆柱形瓶罐与螺杆作
相贯运动的分析图。
2.3正圆柱形瓶罐与螺杆作相贯运动的分析图
过正圆柱形容器与螺杆的轴心线引直角坐标系OjXyz，且使坐标面yoz与
螺杆外螺旋线交于点i。
令该螺距计算值为S（可在其左右两侧各量取半个螺距来确定），为简化计算，将此段变螺距螺旋线近似看成等螺距螺旋线。
其次，在容器表面上任到一母线，与坐标面xoy相交于点mk,l。
令该母线沿
以k为半径的相应等螺距内螺旋线由初始位转置mn移过距离x—l
，又滚过角度，而至一新位置m'n'。
此时它同i点轴向剖面相截的迹点为j（x,y），则四图示几何关系得
yksec（2-45）
式中
2（x1）（2-46）
kr。
..2l2（2-47）
上式表明不同的l值0I对应着不同的迹点曲线，即函数yfx。
因
此，I是曲线族方程的参数，将上式改写为
Fx,y,lyr0■；Isecs—°（2-48）
关于曲线族包络线参数方程的一般求法，可导出偏导数Fi（x,y,l）0,使它与
Fx,y,l0联立，解得xfi（l）及yf?
I;这两个式子即为曲线族的切点方程或包络方程，可近似画出所求作的螺旋槽轴向剖面几何形状。
由Fi（x,y,l）0,直接写出
理论上，090°，即sec>0,显然,
从而可导出曲线簇包络线的坐标
若、r0、R、S均已选定，可用多种方法求出lr值（其变化范围为0lr。
考虑到以上各式是将变螺距螺旋线按所选点及所限定区间近似看作等螺距螺旋
线推导出来的，所以，根据曲线族包络线确定的螺旋槽轴向剖面几何形状对『轴线必然成对称的。
因而求出螺旋槽宽度QlQ2为
W2Xr2lr4
由上式可见，变螺距螺杆螺旋槽的宽度必定随着螺距的增大而增大。
上述分析表明，供送正圆柱形容器，决定螺旋槽轴向剖面几何形状及其宽度的主要因素是、r。
、R、S。
严格讲，变螺距螺杆螺旋槽的各轴向剖面
几何形状，在宽度上互不相等，随着螺距的增大，此种差异也越明显
2.6利用程序设计的方法输出结果并自动生成图形
2.6.1Matlab软件的运用
因为Matlab具有强大的绘图功能，本节我对分件供送螺杆的设计采用程序设计的方法进行编程。
对被供送体的速度、加速度和位移的变化进行分析。
由前面的分析，我对位移、速度，加速度变化函数编程可得以下Matlab程序：
Cb=input（'请输入拨轮节距Cb='）;
n=input（'请输入螺杆的转速n='）;
s0仁input（'请输入等速段螺距长度s01='）;
a=（pi*nH*（Cb-sO1））/（2*2+4*pi）%匀加速时候的加速度
figure
i1m=1;
i2m=2;
i3m=4;
i4m=1;
i1=O:
O.OO1:
i1m;
H1=sO1*i1;%等速段轴向位移
H1m=sO1
i2=i1m:
O.OO1:
i1m+i2m;
H2=H1m+（s01*（i2-i1m）+（（4*（i2mF2*（Cb-s01））/（pi*（2*i2m+pi*i3m）））*（（（pi*（i2-i1
m））/（2*i2m））-（sin（pi/2））*（i2-i1m）/（i2m）））*1;
H2m=（s01+（2*i2m*（pi-2）*（Cb-s01））/（pi*（2*i2m+pi*i3m）））*i2m
i3=i1m+i2m:
0.001:
i1m+i2m+i3m;
H3=H1m+H2m+（s01+（（pi*（Cb-s01））/（2*（2*i2m+pi*i3m）））*（（4*i2m）/pi+（i3-3）））.*（i3
-3）;
H3m=（s01+（（Cb-s01）*（4*i2m+pi*i3m）/（2*（2*i2m+pi*i3m））））*i3m
i4=i1m+i2m+i3m:
0.001:
i1m+i2m+i3m+i4m;
H4=H1m+H2m+H3m+Cb*（i4-7）;
H4m=Cb*i4m
subplot（3,1,1）;
plot（i1,H1,i2,H2,i3,H3,i4,H4）
xlabel（'i'）;ylabel（'H'）;title（'位移图'）
v0=s01*n;
v2=v0+（（2*a*i2m）/（pi*n））*（1-cos（（pi*（i2-1））/（2*i2m）））;
v3=v0+（（（pi*n）*（Cb-s01））/（2*i2m+pi*i3m））*（2*i2m/pi+（i3-3））;
v4=120*n;
subplot（3,1,2）;
plot（i1,v0,i2,v2,i3,v3,i4,v4）
xlabel（'i'）;ylabel（'v'）;title（'速度图'）
a1=0;
a2=a*sin（（pi/2）*（（i2-1）/i2m））;
a3=a;
a4=0;
subplot（3,1,3）;
Plot（i1,a1,i2,a2,i3,a3,i4,a4）
xlabel（'i'）;ylabel（'a'）;title（'加速度图'）
H=H1m+H2m+H3m+H4m
将此程序在Matlab中运行得到以下结果：
请输入拨轮节距Cb=%由前面的分析知道，我设的拨轮节距为120mm.在此输
入120回车%
请输入螺杆的转速n=%螺杆的转速为80r/min=4/3r/s,在此输入4/3%
请输入等速段螺距长度s01=%我设计的输入等速段的螺距长度为60mm%a=20.2279
H1m=60
H2m=130.5287
H3m=388.9744
H4m=120
H=699.5031
结果与前面计算的结果相吻合。
生成的位移、速度、加速度变化曲线图见（图2.4）
2.4变化曲线图
2.6.2Pro.e画图工具的运用
采用Pro.e的强大绘图功能，对变螺距螺杆的实物图进行绘制分析。
已知螺杆设计的参数：
螺杆外径D=100mm,螺杆的内径为do=80mm,供送件的直径为250mm、螺杆的转速n80r/min，变速圈数为i1m1,i2m2,
i3m4」4m1，初始螺距为S°=60mm,拨轮节距为q120mm。
螺杆的全长为825mm。
绘图步聚：
步骤1：
创建实体旋转特征。
选择“插入”“旋转”命令，进入草图球境后，绘制旋转特征的截面草图。
定义旋转角度为3600，完成特征的创建。
步骤2：
绘制四段螺旋线。
选择“插入”“模型基准”“曲线”命令，在弹出的菜单管理器的“曲线选项”中选择“从方程”然后根据提示选择方程坐标系，并选择笛卡儿坐标系类型，在弹出的记事本界面中，根据螺杆参数编辑螺杆螺旋线方程。
得到输入等速段螺旋线，重复以上步骤绘制正弦加速段、等加速段和输出段螺旋线。
各段螺旋线的方程：
第一段的方程
x=（80+50）*cos（360*t）
y=（80+50）*sin（360*t）
z=60*t
第二段的方程
x=（80+50）*cos（360*2*t）
y=（80+50）*sin（360*2*t）
z=120*t+16*60/pi/（4+4*pi）*（pi*t/2-sin（pi/2*t））
第三段的方程
x=（80+50）*cos（360*4*t）
Y=（80+50）*sin（360*4*t）z=（60+60*pi/（8+4*pi）*（8/pi+4*t））*4*t第四段的方程
x=（80+50）*cos（360*t）
y=（80+50）*sin（360*t）
z=160*t
步骤3：
绘制可变剖面扫描。
由于按方程绘制的基准曲线不能作为“扫描切口”命令的扫描轨迹，所以需要曲面相交的方式与三段螺旋线重合的扫描轨迹，两个相交曲面之一为由螺旋线生成的可变剖面扫描，另一个为圆柱面。
则需先绘制一条与轴线重合的直线作为扫描用原点轨迹，选择“插入”“可变剖面扫描”，在操控板中选中“曲面”图标，选择直线和等速段螺旋线作为原点轨迹和X轨迹。
在草绘环境中绘制过圆心的、长度为do的直线作为扫描剖面，得到对应于等速段的扫描面，重复双眼皮步骤绘制正弦加速段和等加速度段扫描面。
步骤4:
用“相交”命令生成最终的扫描轨迹。
选择“插入”“拉伸”命令，在操控板中选中“曲面”图标，创建一个直径为do的圆柱面。
选中步骤3所创建的任一扫描面后，选择“插入”“相交”
命令，根据提示继续选择圆柱面，两面组相交可得到它们的交线曲线链。
重复以上步骤可生成整段螺旋线的曲线链。
为方便后续造型工作，可将以前步骤生成的曲线和曲面隐藏，只显示曲线链和实体。
步骤5:
用“扫描切口”命令完成螺杆模型。
选择“插入”“扫描”“切口”命令，在菜单管线理器的“扫描轨迹”选项中选择“选取轨迹”，在“链”中选择“曲线链”，并根据提示选取步骤四生成的某段曲线链作为扫描轨迹，并确定截面定义方向和扫描截面的向上方向。
在草绘截面时绘制圆作为扫描剖面形状。
按被供送件直径参数确定圆直径。
最后选择要删除的区域，完成扫描切口特征。
最后生成的分件供送变速螺杆实物图见（图2.5）
第三章总结
设计心得
本次对分件供送螺杆与星形拨轮装置的设计，前后花了一个星期的时间，在这一个星期的时间里，是一次较全面的设计实践活动，也是一次对所学知识的综合应用。
在设计过程中，不仅学到了许多知识，而且还加强了我的工程素质,对
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