基于有限元的噴碼檢品機(jī)噴碼定位裝置優(yōu)化分析

楊承鑫 張陽 蔡吉飛

摘要：為了保證噴碼檢品機(jī)直線電機(jī)的定子與動(dòng)子之間需要的0.7mm的縫隙，提高噴碼定位裝置的噴墨精確性，保證噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)，利用SolidWorks建立噴碼檢品機(jī)的三維模型后導(dǎo)入ANSYS軟件對(duì)噴碼檢品機(jī)設(shè)備的定子固定板進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)仿真，因?yàn)槎ㄗ庸潭ò遄冃瘟枯^大，擬定了三種不同的加強(qiáng)筋板布置方式來增大該板的強(qiáng)度，通過有限元分析的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)采用橫向和縱向相結(jié)合的加強(qiáng)筋布置方式可以使定子固定板的形變量達(dá)到最低，形變量為0.089mm。

關(guān)鍵詞：噴碼檢品機(jī)；定子固定板；靜力學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：TS8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 07-0039-05

Optimization Analysis of Code Spraying Positioning Device of Code Spraying Inspection Machine Based on Finite Element Method

YANG Cheng-xin， ZHANG Yang， CAI Ji-fei

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： In order to ensure the required 0.7mm gap between the stator and the Mover of the linear motor of the code-spraying inspection machine， improve the inkjet accuracy of the code-spraying positioning device and ensure that the error of the code-spraying position is within 0.1mm， a three-dimensional model of the code-spraying inspection machine is established by SolidWorks， and the static simulation of the mechanical structure of the stator fixing plate of the code-spraying inspection machine is carried out by ANSYS software， because the deformation of the stator fixing plate is large. Three different reinforcement plate arrangements are proposed to increase the strength of the plate. Through the data of finite element analysis， it is found that the transverse and longitudinal reinforcement arrangement can minimize the deformation of the stator fixed plate， which is 0.089 mm.

Key words： code spraying inspection machine； stator fixing plate； static simulation

我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，生活中商品也逐漸多樣化，產(chǎn)品的包裝也各式各樣，一些不良商家為了盲目的追求利益最大化，對(duì)價(jià)格較高的商品進(jìn)行仿制，這就導(dǎo)致市場上存在大量假冒偽劣商品的現(xiàn)象，尤其是在生活用品方面居多。為了避免假冒偽劣商品的出現(xiàn)損壞公司的聲譽(yù)、侵害消費(fèi)者的權(quán)益，煙酒包裝等廠家對(duì)二維碼噴碼精度提出了更高的要求，要求噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)，然而由于振動(dòng)、定位精度、噴碼裝置受力變形等因素的影響，現(xiàn)在的噴碼裝置精度只能達(dá)到0.3mm左右，達(dá)不到廠家要求的高精度[1-4]。市場上迫切需要一套高精度的噴碼定位裝置，此外噴碼裝置的高精度研究不僅可以提高噴碼、上光等印刷設(shè)備的噴印精度，也會(huì)給其他行業(yè)高精度定位的研究提供思路[5-7]。

1 噴墨定位裝置和定子固定板三維模型的建立

如圖1所示，噴碼品檢機(jī)裝置，包括X軸向底板、位于X軸向底板上的直線導(dǎo)軌，包括定子和動(dòng)子的直線電機(jī)、動(dòng)子固定板和定子固定板，動(dòng)子固定板通過滑塊可滑動(dòng)地連接于直線導(dǎo)軌；動(dòng)子固定于動(dòng)子固定板上，定子固定于定子固定板上，定子固定板垂直固定于X軸向底板。直線電機(jī)說明書上內(nèi)容指出，直線電機(jī)的動(dòng)子與定子之間有磁吸引力、磁吸引力的大小為2414N，在磁吸引力的作用下，用于固定定子的定子固定板會(huì)發(fā)生變形，該變形會(huì)影響定子與動(dòng)子間的距離，也會(huì)影響噴碼精度，變形根據(jù)直線電機(jī)說明書，在直線電機(jī)的定子與動(dòng)子間的間隙為0.7mm時(shí)，直線電機(jī)能夠達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)效果。為了保證噴碼檢品機(jī)直線電機(jī)的定子與動(dòng)子之間需要的0.7mm的縫隙，提高噴碼定位裝置的噴墨精確性，保證噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)，要對(duì)直線電機(jī)的定子固定板的剛度進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，若在磁吸引力的作用下，直線電機(jī)的定子固定板變形過大，使動(dòng)子與定子之間的間隙過小，則必須對(duì)定子固定板進(jìn)行優(yōu)化加固，使其達(dá)到一定剛度。

利用三維建模軟件Solidworks建立噴墨定位裝置和定子固定板三維模型，并建立配合關(guān)系，如圖2，3所示。為了后續(xù)方便與有限元分析軟件Ansys對(duì)接，將文件保存為parasolid格式。

2 有限元靜力學(xué)分析

2.1 模型的導(dǎo)入與材料參數(shù)設(shè)置

將保存好的Parasolid格式定子固定板文件導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys Workbench，如圖4所示，新建定子固定板材料為鋁合金，密度設(shè)置為2810Kg/ m3，彈性模量為7.17*1010Pa，泊松比設(shè)置為0.33，如圖5所示。

2.2 施加約束與劃分網(wǎng)格

建立有限元力學(xué)模型之后，對(duì)直線電機(jī)定子固定板添加約束，為保證直線電機(jī)定子固定板安裝后的垂直度，在該板的下部銑有子口，其安裝位置在底板下方的子口處，因此在該處添加固定約束，如圖6所示。在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力允許條件下，盡可能劃分精細(xì)的網(wǎng)格以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，如圖7。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后將網(wǎng)格精度確定為2mm，劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)255442，單元數(shù)147105。

2.3 施加載荷

當(dāng)直線電機(jī)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到直線電機(jī)定子固定板的中間時(shí)，在磁吸引力的作用下，其變形應(yīng)該是最大的，因此，在直線電機(jī)定子固定板的中間施加2414N的載荷，如圖8所示。

2.4 求解分析

經(jīng)過Ansys分析之后得到定子固定板總變形云圖（圖9）與Z方向變形云圖（圖10）。

分析結(jié)果顯示，在直線電機(jī)定子與動(dòng)子吸引力的作用下，該定子固定板的最大變形出現(xiàn)在直線電機(jī)的定子與動(dòng)子的吸引力處，和變形最大值0.68857mm，Z方向最大變形值0.68803mm，這個(gè)變形量雖然不超過直線電機(jī)的定子與動(dòng)子之間的間隙，但是最大變形量幾乎已經(jīng)接近要求的至少0.7mm的間隙，加上廠家要求噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)，即現(xiàn)在的定子固定板剛度不能滿足結(jié)構(gòu)的要求，因此需要對(duì)此板進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

考慮定子固定板變形量較大，若對(duì)整板進(jìn)行加固的話，成本較高，而且效果未必明顯，因此采用加強(qiáng)筋的形式對(duì)該板關(guān)鍵位置進(jìn)行局部加固，使用加強(qiáng)筋的目的是使定子固定板的Z方向變形足夠小，因此加強(qiáng)筋的布置方案有可以有以下三種：第一種是沿著定子固定板的橫向布置，第二種是沿著定子固定板的縱向布置，第三種是橫向和縱向相結(jié)合的方式，加固后的直線電機(jī)定子固定板三維模型圖如圖11所示。

將三種筋板布置方案再次導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行分析，得到三種方案下的定子固定板最大和變形與Z方向的最大變形量，如圖12所示。

根據(jù)分析結(jié)果繪制成表格1，通過三種方案的比較，可以看出，在該定子固定板上以任何一種方式增添加強(qiáng)筋，都能使該板變形量減小，達(dá)到提高定子固定板的強(qiáng)度和剛度的目的。但是方案一和方案二的和變形都在0.1mm以上，超過了廠家要求噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)的需求，方案三不僅保證了定子與動(dòng)子之間0.7mm間隙，其和變形量0.089mm也在廠家要求噴碼位置誤差在0.1mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文對(duì)噴碼檢品機(jī)噴碼裝置進(jìn)行三維建模，將因變形而影響噴碼精度的定子固定板導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行分析，在未優(yōu)化條件下，定子固定板形變量較大，達(dá)到0.688mm，在很大程度上影響了噴碼的精度。然后擬定了橫向布置筋板，縱向布置筋板，橫向和縱向相結(jié)合布置筋板三種方案來提高定子固定板的強(qiáng)度，將三種方案模型分別導(dǎo)入Ansys再次進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到三種方案下的定子固定板變形量，從得到的數(shù)據(jù)可以看出方案三即橫向和縱向相結(jié)合布置筋板在提高該板強(qiáng)度，降低該板變形量，提高噴碼裝置噴碼精度效果上最為顯著，使定子固定板形變量降低了87%，故采用橫向和縱向相結(jié)合布置筋板的方式為最佳方案，予以采用。

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