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摘要：本文介绍一种全新的、更为直观的分瓶螺旋杆设计及四轴数控加工方法。
关键词：分瓶螺旋杆设计；三维建模；多轴数控加工
1.问题的提出
在饮料灌装过程中，需要将包装容器（瓶子）定时定距平稳地输送到包装工位，完成这一要求的装置称为定距分隔定时供给装置。分瓶螺杆在螺旋输送机械设备机械中，通常都是与星形拨轮配合使用的。在实际的生产工艺设计中，当瓶子直径比较大时，初段应采用与瓶子直径相等的等螺距螺旋线；当瓶子直径比较小时，瓶高或瓶子直径大于等于2.5倍时，瓶子受输送链条、护栏以及设备本身的震动等影响，特别是高速灌装线上的瓶子会发生一些抖、颤、震动的现象。分瓶螺杆每回转一周，从分瓶螺杆入口导入一个容器，螺旋槽中的容器前进一个螺距，螺杆出口端排出一个容器。螺杆的转速与包装机装填装置的执行构件之间保持一定的传动比，从而间接实现定时供给容器的要求。要达到定距分隔定时供给的工艺要求，这条螺杆必须满足以下几个条件：
1.1、把容器顺畅导入螺旋槽；
1.2、容器沿分瓶螺杆前进时应平稳；
1.3、容器与星形拨轮能够顺利衔接。
2.分瓶螺杆的设计
根据以上三个条件，我们可以把螺杆设计成组合螺杆：初段应采用与瓶子直径略大一点的等螺距螺旋线，更利于瓶子的顺利过渡，小瓶子的强度虽小，与输瓶链条摩擦力也很小，不会对分瓶螺杆的寿命造成较大影响。当设计分瓶螺杆的中间断螺旋线时，可以参照设计圆柱凸轮的曲线模式。螺旋输送机械设备分瓶螺杆与圆柱凸轮具有结构等效性，滚子在圆柱凸轮内的运动，可视为玻璃瓶子在分瓶螺杆内的运动，圆柱凸轮等效于分瓶螺杆。所不同的是圆柱凸轮的螺旋线多数是闭合的，而分瓶螺杆的螺旋线则全部都是非闭合型的。但两者之间并不矛盾，只是闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是相反的，滚子沿凸轮轴线运动既有向前的时候，也有相反运动的时候，最终从动体还会回到出发点，整条曲线是闭合的。非闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是一致的，所以我们可以将凸轮的设计方法应用到分瓶螺杆的设计中去。螺旋输送机机械分瓶螺杆的寿命延长很多，因为成排的瓶子在平顶输送链上瓶子的运动速度要比分瓶螺杆进口的螺旋线旋转速度要快，受到分瓶螺杆的限制瓶子与平顶输送链产生摩擦。由摩擦获得的较大向前推力，会通过螺杆初段的与瓶子直径相等的等螺距，将力量分散在分瓶螺杆初段的螺旋输送机上，接瓶顺利较小的减轻了冲击。
分瓶螺杆设计的基础公式即运动方程
速度：V=∫adt=at+C1 （式中a为加速度、t为时间、C1为待定系数）
位移：S=∫vdt=∫（at+c1）dt= c1t+1/2at2 + c2（C2为待定系数）
2.1.等速段的参数选取
根据速度与位移的关系我们可以知道，要想供送容器平稳导入螺旋槽，则要保证螺
杆每转的位移量V1 与容器的外径几乎相等。设容器的半径为R则：
V1 =2R+△ （△为两相邻容器的平均间隙2～5mm 计算、加工时可以忽略）
设等速段螺旋线的最大圈数为t1 （常取0.5～2圈），则等速段的轴向位移：
S1=V1t1
2.2.变加速段的参数选取
根据传送速度的不同要求，其螺旋线也可有不同的设计。
正弦加速度曲线：行程始、末加速度等于零，故起动平稳，适用于中、高速供送。
余弦加速度曲线：最大的加速度及扭矩小，起动较平稳，行程始末是柔性冲击，适用中、低速供送。
还有设计者提出多项式方程法，该方法对速度过高过低都有可能发生干涉，仅适用“L”形星形拨轮或用于输送不易碎的容器。
2.3.等加速度段参数选取
令分瓶螺杆等加速的供送加速度：
a3=ã；
则相应的供送速度及轴位移：
V3 =∫ã；dt3=ã；t3+C6
S3=∫v3dt3 =t32+C6t3+C7
式中t3表示被供送物件移过行程所需的转数（一般为2～5圈）。
3.分瓶螺杆的三维建模和数控加工
有了以上的基本设计原理，我们可以根据工艺要求设计出我们所需的分瓶螺杆，但在加工中，曲线越复杂，其加工难度也越大，普通机床及经济型数控机床不具备加工分瓶螺杆的功能，一般的数控机床也只有加工等变螺距的指令。现在以直径为φ66的瓶子为例介绍分瓶螺杆的设计与加工。
3.1.分瓶螺杆的三维建模
我们利用solidworks完成三维建模如下图所示：
3.2.数控加工
此次加工选用数控四轴加工中心一次装夹完成螺杆曲面的加工，用的软件是以色列的cimatrone9.0，所用刀路为三轴粗加工两面，然后利用航空平行铣削完成曲面的精加工。
4.结论
本文根据运动方程，引伸出一种更为直观的分瓶螺杆设计方法，同时为了解决加工、测绘难的问题，还对分瓶螺杆的螺旋线进行简化。笔者及同事多次使用此法，为客户测绘设计分瓶螺杆，均能满足使用要求，从而证明此设计方法的可行性。
关键词：分瓶螺旋杆设计；三维建模；多轴数控加工
1.问题的提出
在饮料灌装过程中，需要将包装容器（瓶子）定时定距平稳地输送到包装工位，完成这一要求的装置称为定距分隔定时供给装置。分瓶螺杆在螺旋输送机械设备机械中，通常都是与星形拨轮配合使用的。在实际的生产工艺设计中，当瓶子直径比较大时，初段应采用与瓶子直径相等的等螺距螺旋线；当瓶子直径比较小时，瓶高或瓶子直径大于等于2.5倍时，瓶子受输送链条、护栏以及设备本身的震动等影响，特别是高速灌装线上的瓶子会发生一些抖、颤、震动的现象。分瓶螺杆每回转一周，从分瓶螺杆入口导入一个容器，螺旋槽中的容器前进一个螺距，螺杆出口端排出一个容器。螺杆的转速与包装机装填装置的执行构件之间保持一定的传动比，从而间接实现定时供给容器的要求。要达到定距分隔定时供给的工艺要求，这条螺杆必须满足以下几个条件：
1.1、把容器顺畅导入螺旋槽；
1.2、容器沿分瓶螺杆前进时应平稳；
1.3、容器与星形拨轮能够顺利衔接。
2.分瓶螺杆的设计
根据以上三个条件，我们可以把螺杆设计成组合螺杆：初段应采用与瓶子直径略大一点的等螺距螺旋线，更利于瓶子的顺利过渡，小瓶子的强度虽小，与输瓶链条摩擦力也很小，不会对分瓶螺杆的寿命造成较大影响。当设计分瓶螺杆的中间断螺旋线时，可以参照设计圆柱凸轮的曲线模式。螺旋输送机械设备分瓶螺杆与圆柱凸轮具有结构等效性，滚子在圆柱凸轮内的运动，可视为玻璃瓶子在分瓶螺杆内的运动，圆柱凸轮等效于分瓶螺杆。所不同的是圆柱凸轮的螺旋线多数是闭合的，而分瓶螺杆的螺旋线则全部都是非闭合型的。但两者之间并不矛盾，只是闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是相反的，滚子沿凸轮轴线运动既有向前的时候，也有相反运动的时候，最终从动体还会回到出发点，整条曲线是闭合的。非闭合型的圆柱凸轮的螺旋线在空间上的方向是一致的，所以我们可以将凸轮的设计方法应用到分瓶螺杆的设计中去。螺旋输送机机械分瓶螺杆的寿命延长很多，因为成排的瓶子在平顶输送链上瓶子的运动速度要比分瓶螺杆进口的螺旋线旋转速度要快，受到分瓶螺杆的限制瓶子与平顶输送链产生摩擦。由摩擦获得的较大向前推力，会通过螺杆初段的与瓶子直径相等的等螺距，将力量分散在分瓶螺杆初段的螺旋输送机上，接瓶顺利较小的减轻了冲击。
分瓶螺杆设计的基础公式即运动方程
速度：V=∫adt=at+C1 （式中a为加速度、t为时间、C1为待定系数）
位移：S=∫vdt=∫（at+c1）dt= c1t+1/2at2 + c2（C2为待定系数）
2.1.等速段的参数选取
根据速度与位移的关系我们可以知道，要想供送容器平稳导入螺旋槽，则要保证螺
杆每转的位移量V1 与容器的外径几乎相等。设容器的半径为R则：
V1 =2R+△ （△为两相邻容器的平均间隙2～5mm 计算、加工时可以忽略）
设等速段螺旋线的最大圈数为t1 （常取0.5～2圈），则等速段的轴向位移：
S1=V1t1
2.2.变加速段的参数选取
根据传送速度的不同要求，其螺旋线也可有不同的设计。
正弦加速度曲线：行程始、末加速度等于零，故起动平稳，适用于中、高速供送。
余弦加速度曲线：最大的加速度及扭矩小，起动较平稳，行程始末是柔性冲击，适用中、低速供送。
还有设计者提出多项式方程法，该方法对速度过高过低都有可能发生干涉，仅适用“L”形星形拨轮或用于输送不易碎的容器。
2.3.等加速度段参数选取
令分瓶螺杆等加速的供送加速度：
a3=ã；
则相应的供送速度及轴位移：
V3 =∫ã；dt3=ã；t3+C6
S3=∫v3dt3 =t32+C6t3+C7
式中t3表示被供送物件移过行程所需的转数（一般为2～5圈）。
3.分瓶螺杆的三维建模和数控加工
有了以上的基本设计原理，我们可以根据工艺要求设计出我们所需的分瓶螺杆，但在加工中，曲线越复杂，其加工难度也越大，普通机床及经济型数控机床不具备加工分瓶螺杆的功能，一般的数控机床也只有加工等变螺距的指令。现在以直径为φ66的瓶子为例介绍分瓶螺杆的设计与加工。
3.1.分瓶螺杆的三维建模
我们利用solidworks完成三维建模如下图所示：
3.2.数控加工
此次加工选用数控四轴加工中心一次装夹完成螺杆曲面的加工，用的软件是以色列的cimatrone9.0，所用刀路为三轴粗加工两面，然后利用航空平行铣削完成曲面的精加工。
4.结论
本文根据运动方程，引伸出一种更为直观的分瓶螺杆设计方法，同时为了解决加工、测绘难的问题，还对分瓶螺杆的螺旋线进行简化。笔者及同事多次使用此法，为客户测绘设计分瓶螺杆，均能满足使用要求，从而证明此设计方法的可行性。