基于等速螺旋線的圓片形零件分選機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

潘 懿

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050）

分選機(jī)構(gòu)主要用于鋼珠、貼片電容、電阻以及電感等圓形、非圓形及不規(guī)則的產(chǎn)品分類，可以區(qū)分大小和形狀不同的物品。目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的分選機(jī)構(gòu)可分為振動(dòng)分選機(jī)、磁性分選機(jī)以及粒徑分選機(jī)等類型。振動(dòng)分選機(jī)主要由機(jī)座、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、振動(dòng)篩體、集塵罩、振動(dòng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)以及分料機(jī)構(gòu)等組成，用于分選PCB 和廢舊電纜等工業(yè)廢物破碎切片中具有不同密度的金屬與非金屬。磁性分選機(jī)主要用于鋼珠、貼片電容、電阻以及電感等產(chǎn)品的分類。它主要通過磁性的強(qiáng)弱來區(qū)分產(chǎn)品。

為了實(shí)現(xiàn)圓片形零件的篩選和計(jì)數(shù)功能，本文提出了一種等速螺旋線的4 層圓盤結(jié)構(gòu)篩選方法。該方法采用雙螺旋線的4 層圓盤結(jié)構(gòu)。4 層都采用等速螺旋線的結(jié)構(gòu)，能夠很大程度上提高圓片形零件的篩選效果。此外，圓盤與水平方向有30°的夾角，可以順利地將圓片形零件從滑道上滑出來流到計(jì)數(shù)裝置中。這種方法的結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積不大，噪聲小，加工方便，且篩選效率好。

1 等速螺旋線簡(jiǎn)介

1.1 等速螺旋線的定義

等速螺旋線是指一些圍著某些定點(diǎn)或軸旋轉(zhuǎn)且不斷收縮或擴(kuò)展的曲線，是一種二維螺線。在《論螺線》中給出了如下定義：當(dāng)一點(diǎn)P 沿動(dòng)射線OP 以等速率運(yùn)動(dòng)時(shí)，這條射線又以等角速度繞點(diǎn)O 旋轉(zhuǎn)，則點(diǎn)P 的軌跡稱為等速螺旋線。它的極坐標(biāo)方程為：

等速螺旋線的每條臂的距離永遠(yuǎn)等于2πa。

1.2 等速螺旋線的方程

在數(shù)學(xué)中，極坐標(biāo)系是一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)系統(tǒng)中的點(diǎn)由一個(gè)夾角和一段相對(duì)中心點(diǎn)——極點(diǎn)（相當(dāng)于直角坐標(biāo)系中的原點(diǎn)）的距離來表示。阿基米德螺旋線的標(biāo)準(zhǔn)極坐標(biāo)方程為：

式中，b 為等速螺旋線系數(shù)，單位為mm/°，表示每旋轉(zhuǎn)1°極徑的增加（或減小）量；θ 為極角，單位為°，表示螺旋線轉(zhuǎn)過的總度數(shù)；a 為當(dāng)θ=0°時(shí)的極徑，單位為mm。改變參數(shù)a 將改變螺旋線形狀，b 控制螺旋線間的距離，通常為常量。等速螺旋線有2 條螺旋線，一條θ ＞0°，另一條θ ＜0°。2 條螺旋線在極點(diǎn)處平滑得連接。把其中一條螺旋線翻轉(zhuǎn)90°或者270°得到的鏡像，就是另一條螺旋線[1]。

由式（1）和式（2），可得到用直角坐標(biāo)系中x 和y來表示極坐標(biāo)的方程式：

當(dāng)x=0 時(shí)，若y 為正數(shù)，則θ=90°（即π/2rad）；若y為負(fù)數(shù)，則θ=270°（即3π/2rad）。

1.3 等速螺旋線的特點(diǎn)及應(yīng)用

等速螺旋泵是基于等速螺旋線設(shè)計(jì)的，工作原理是當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)，另一方面沿襯套內(nèi)的表面滾動(dòng)，從而形成泵的密封腔室。螺桿每轉(zhuǎn)一周，密封腔內(nèi)的液體向前推進(jìn)一個(gè)螺距。隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，液體呈螺旋形從一個(gè)密封腔壓向另一個(gè)密封腔，最后擠出泵體。等速螺旋泵是一種新型的輸送液體的機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作安全可靠、使用維修方便、出液連續(xù)均勻以及壓力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

目前，市場(chǎng)主要采用的振動(dòng)型分選機(jī)構(gòu)的工作噪音大且分選效率較低，而磁性分選機(jī)受材料性質(zhì)制約，無法滿足大部分工程材料的篩選需求[4]。因此，為了實(shí)現(xiàn)圓片形零件的高效率和多材料篩選，提出了一種等速螺旋線的圓盤結(jié)構(gòu)篩選方法。等速螺旋線的應(yīng)用可以使得圓片形零件在篩選過程中運(yùn)動(dòng)速度變化更小，篩選效率更高，同時(shí)整體機(jī)構(gòu)更平穩(wěn)。針對(duì)零件種類的不同需求，可以增加篩選盤的數(shù)量來適配。

2 基于等速螺旋線的圓片形零件分選機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 分選機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

分選機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)為4 層篩選盤結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。篩選盤與水平方向有30°的夾角，可以順利地將圓片形零件從滑道上滑出來，流到各自層的滑道上。利用4 層篩選盤將整個(gè)圓片形零件分選模塊分成4 個(gè)圓片形零件分離區(qū)，每層篩選網(wǎng)網(wǎng)孔直徑的具體數(shù)據(jù)分布情況如圖1 所示。將圓片形零件放入漏斗中，漏斗下方成“一字”形狀開口，使圓片形零件呈水平狀進(jìn)入分離區(qū)。在分離區(qū)內(nèi)，隨著4層篩選盤結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，圓片形零件在兩條螺旋線所夾的通道內(nèi)流動(dòng)，并通過第一層篩選盤實(shí)現(xiàn)圓片形零件的第一次分離（分離出圓片形零件1）。同時(shí)，分離出的圓片形零件1 逐漸向外圓方向流動(dòng)并最終從雙螺旋線的兩個(gè)出口離開篩選盤落入流道內(nèi)。零件2、零件3 和零件4 進(jìn)入第二分離區(qū)，通過第二層篩選盤實(shí)現(xiàn)第二次分離（分離出圓片形零件3和零件4）。圓片形零件3 和零件4 進(jìn)入第三分離區(qū)，通過第三層篩選盤，實(shí)現(xiàn)第三次分離（分離出圓片形零件4）。圓片形零件4 進(jìn)入第四分離區(qū)，第四層篩選盤不設(shè)置篩孔。至此，直徑不同的圓片形零件在各自的分離區(qū)內(nèi)按照雙螺旋線的運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)并落入各自層的流道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)圓片形零件的分選。4 種不同材料的圓片形零件基于等速螺旋線來設(shè)計(jì)篩選機(jī)構(gòu)。4 種零件的參數(shù)和材料如表1 所示。

2.2 單層篩選盤的設(shè)計(jì)

圖1 分選機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

表1 4 種零件的參數(shù)和材料

如圖2 所示，每一層圓片形零件進(jìn)行篩選盤設(shè)計(jì)時(shí)，每層都采用雙螺旋線的結(jié)構(gòu)。篩選盤采用鋁板制作，板厚為6mm，直徑為302mm，并在板材上利用CNC 加工出高度為3mm 和寬度為2mm 的等速雙螺旋線。在兩條螺旋線相鄰的篩選盤上，按照4 種圓片形零件的大小分別加工出相應(yīng)的篩孔。4 層都采用這種等速螺旋線的結(jié)構(gòu)，能夠很大程度上提高圓片形零件的篩選效果[5]。

2.3 計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)

選用型號(hào)為ATK11-6H 的光電計(jì)數(shù)器。探測(cè)器的檢測(cè)距離在10 ～70cm 之間可以調(diào)節(jié)，能夠精準(zhǔn)地計(jì)算各種零件的數(shù)量。外圓盤和流道裝配體與水平方向有30°的夾角，圓片形零件在進(jìn)入各自流道后受重力作用將滑落跌入各自的零件收納盒中。在零件收納盒和流道口之間設(shè)置傳感器探頭，在零件落入收納盒時(shí)檢測(cè)計(jì)數(shù)，并在數(shù)量計(jì)數(shù)器上顯示各個(gè)零件的個(gè)數(shù)。

圖2 單層篩選盤設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)4 種圓片形零件進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)試。測(cè)試分為圓片形零件分類和圓片形零件計(jì)數(shù)兩個(gè)模塊，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本文采用等速雙螺旋線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種圓片形零件分選機(jī)構(gòu)，大大提高了圓片形零件的篩選效率。該機(jī)構(gòu)不同于市面上常用的振動(dòng)篩盤式結(jié)構(gòu)，大大減小了運(yùn)作噪音和振動(dòng)，且可實(shí)現(xiàn)不間斷式的篩選、分類和清點(diǎn)計(jì)數(shù)。同時(shí)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了不同材料零件的篩選，較市場(chǎng)現(xiàn)有的磁性分選機(jī)構(gòu)有了實(shí)質(zhì)性的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于等速螺旋線的圓片形零件分選機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了圓片形零件的分類清點(diǎn)功能，且準(zhǔn)確率達(dá)到了100%，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。