基于等速螺旋線的圓片形零件分選機構的設計

潘 懿

（武漢船舶職業技術學院，武漢 430050）

分選機構主要用于鋼珠、貼片電容、電阻以及電感等圓形、非圓形及不規則的產品分類，可以區分大小和形狀不同的物品。目前，市場現有的分選機構可分為振動分選機、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、角度調節機構、振動篩體、集塵罩、振動電機、風機以及分料機構等組成，用于分選PCB 和廢舊電纜等工業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、電阻以及電感等產品的分類。它主要通過磁性的強弱來區分產品。

為了實現圓片形零件的篩選和計數功能，本文提出了一種等速螺旋線的4 層圓盤結構篩選方法。該方法采用雙螺旋線的4 層圓盤結構。4 層都采用等速螺旋線的結構，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裝置中。這種方法的結構比較緊湊，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，則點P 的軌跡稱為等速螺旋線。它的極坐標方程為：

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

在數學中，極坐標系是一個二維坐標系統。該坐標系統中的點由一個夾角和一段相對中心點——極點（相當于直角坐標系中的原點）的距離來表示。阿基米德螺旋線的標準極坐標方程為：

式中，b 為等速螺旋線系數，單位為mm/°，表示每旋轉1°極徑的增加（或減小）量；θ 為極角，單位為°，表示螺旋線轉過的總度數；a 為當θ=0°時的極徑，單位為mm。改變參數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），可得到用直角坐標系中x 和y來表示極坐標的方程式：

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

1.3 等速螺旋線的特點及應用

等速螺旋泵是基于等速螺旋線設計的，工作原理是當電動機帶動泵軸轉動時，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉，另一方面沿襯套內的表面滾動，從而形成泵的密封腔室。螺桿每轉一周，密封腔內的液體向前推進一個螺距。隨著螺桿的連續轉動，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，具有結構簡單、工作安全可靠、使用維修方便、出液連續均勻以及壓力穩定等優點[2-3]。

目前，市場主要采用的振動型分選機構的工作噪音大且分選效率較低，而磁性分選機受材料性質制約，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構篩選方法。等速螺旋線的應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，同時整體機構更平穩。針對零件種類的不同需求，可以增加篩選盤的數量來適配。

2 基于等速螺旋線的圓片形零件分選機構的設計

2.1 分選機構的總體設計

分選機構的總體設計為4 層篩選盤結構，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，每層篩選網網孔直徑的具體數據分布情況如圖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。在分離區內，隨著4層篩選盤結構的旋轉，圓片形零件在兩條螺旋線所夾的通道內流動，并通過第一層篩選盤實現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。零件2、零件3 和零件4 進入第二分離區，通過第二層篩選盤實現第二次分離（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，通過第三層篩選盤，實現第三次分離（分離出圓片形零件4）。圓片形零件4 進入第四分離區，第四層篩選盤不設置篩孔。至此，直徑不同的圓片形零件在各自的分離區內按照雙螺旋線的運動方式運動并落入各自層的流道內，實現圓片形零件的分選。4 種不同材料的圓片形零件基于等速螺旋線來設計篩選機構。4 種零件的參數和材料如表1 所示。

2.2 單層篩選盤的設計

圖1 分選機構的總體設計

表1 4 種零件的參數和材料

如圖2 所示，每一層圓片形零件進行篩選盤設計時，每層都采用雙螺旋線的結構。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的篩孔。4 層都采用這種等速螺旋線的結構，能夠很大程度上提高圓片形零件的篩選效果[5]。

2.3 計數裝置的設計

選用型號為ATK11-6H 的光電計數器。探測器的檢測距離在10 ～70cm 之間可以調節，能夠精準地計算各種零件的數量。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置傳感器探頭，在零件落入收納盒時檢測計數，并在數量計數器上顯示各個零件的個數。

圖2 單層篩選盤設計

3 系統測試

對4 種圓片形零件進行多次反復測試。測試分為圓片形零件分類和圓片形零件計數兩個模塊，測試結果如表2所示。

表2 測試結果

4 結語

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