潘 懿

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050）

分選機構(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，市場現(xiàn)有的分選機構(gòu)可分為振動分選機、磁性分選機以及粒徑分選機等類型。振動分選機主要由機座、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、振動篩體、集塵罩、振動電機、風(fēng)機以及分料機構(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弱來區(qū)分產(chǎn)品。

為了實現(xiàn)圓片形零件的篩選和計數(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或軸旋轉(zhuǎn)且不斷收縮或擴展的曲線，是一種二維螺線。在《論螺線》中給出了如下定義：當(dāng)一點P 沿動射線OP 以等速率運動時，這條射線又以等角速度繞點O 旋轉(zhuǎn)，則點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)系是一個二維坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)系統(tǒng)中的點由一個夾角和一段相對中心點——極點（相當(dāng)于直角坐標(biāo)系中的原點）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?。┝?；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，若y 為正數(shù)，則θ=90°（即π/2rad）；若y為負數(shù)，則θ=270°（即3π/2rad）。

1.3 等速螺旋線的特點及應(yīng)用

等速螺旋泵是基于等速螺旋線設(shè)計的，工作原理是當(dāng)電動機帶動泵軸轉(zhuǎn)動時，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，從而形成泵的密封腔室。螺桿每轉(zhuǎn)一周，密封腔內(nèi)的液體向前推進一個螺距。隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動，液體呈螺旋形從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。等速螺旋泵是一種新型的輸送液體的機械，具有結(jié)構(gòu)簡單、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[2-3]。

目前，市場主要采用的振動型分選機構(gòu)的工作噪音大且分選效率較低，而磁性分選機受材料性質(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動速度變化更小，篩選效率更高，同時整體機構(gòu)更平穩(wěn)。針對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構(gòu)的設(shè)計

2.1 分選機構(gòu)的總體設(shè)計

分選機構(gòu)的總體設(shè)計為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 層篩選盤將整個圓片形零件分選模塊分成4 個圓片形零件分離區(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，并通過第一層篩選盤實現(xiàn)圓片形零件的第一次分離（分離出圓片形零件1）。同時，分離出的圓片形零件1 逐漸向外圓方向流動并最終從雙螺旋線的兩個出口離開篩選盤落入流道內(nèi)。零件2、零件3 和零件4 進入第二分離區(qū)，通過第二層篩選盤實現(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 進入第三分離區(qū)，通過第三層篩選盤，實現(xiàn)第三次分離（分離出圓片形零件4）。圓片形零件4 進入第四分離區(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)按照雙螺旋線的運動方式運動并落入各自層的流道內(nèi)，實現(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)計篩選機構(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

圖1 分選機構(gòu)的總體設(shè)計

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行篩選盤設(shè)計時，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 計數(shù)裝置的設(shè)計

選用型號為ATK11-6H 的光電計數(shù)器。探測器的檢測距離在10 ～70cm 之間可以調(diào)節(jié)，能夠精準(zhǔn)地計算各種零件的數(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檢測計數(shù)，并在數(shù)量計數(shù)器上顯示各個零件的個數(shù)。

圖2 單層篩選盤設(shè)計

3 系統(tǒng)測試

對4 種圓片形零件進行多次反復(fù)測試。測試分為圓片形零件分類和圓片形零件計數(shù)兩個模塊，測試結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文采用等速雙螺旋線的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了一種圓片形零件分選機構(gòu)，大大提高了圓片形零件的篩選效率。該機構(gòu)不同于市面上常用的振動篩盤式結(jié)構(gòu)，大大減小了運作噪音和振動，且可實現(xiàn)不間斷式的篩選、分類和清點計數(shù)。同時，該機構(gòu)運行實現(xiàn)了不同材料零件的篩選，較市場現(xiàn)有的磁性分選機構(gòu)有了實質(zhì)性的提升。實驗結(jié)果表明，基于等速螺旋線的圓片形零件分選機構(gòu)實現(xiàn)了圓片形零件的分類清點功能，且準(zhǔn)確率達到了100%，具有較高的推廣應(yīng)用價值。