基于ANSYS Workbench噴墨定位平臺(tái)有限元分析

王富豪 張陽(yáng) 蔡吉飛

摘要：為了提高噴墨定位平臺(tái)的精度，使噴墨定位平臺(tái)在工作過(guò)程中的變形量小于0.1mm，滿足工作的要求，需要對(duì)噴墨定位系統(tǒng)中的噴墨定位平臺(tái)進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而驗(yàn)證噴墨定位平臺(tái)的變形量。首先使用Solidworks建立三維模型，然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立有限元模型，得到應(yīng)變?cè)茍D。然后與理論變形值進(jìn)行對(duì)比分析，從而可以判斷定位平臺(tái)是否符合實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：噴墨定位平臺(tái)；ANSYS Workbench；應(yīng)變?cè)茍D

中圖分類(lèi)號(hào)：TS803；TS8；TB48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 08-0021-03

基金項(xiàng)目：北京市教委科研計(jì)劃一般項(xiàng)目（噴碼印刷動(dòng)態(tài)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究KM2019100150005）；北京市教委面上項(xiàng)目（高速印刷機(jī)凸輪系統(tǒng)沖擊問(wèn)題建模及參數(shù)識(shí)別方法研究KM201810015007）

Finite Element Analysis of Inkjet Positioning Platform Based on ANSYS Workbench

WANG Fu-hao， ZHANG-Yang， CAI Ji-fei（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： In order to improve the accuracy of the inkjet positioning platform， the deformation of the inkjet positioning platform in the working process is less than 0.1 mm， which meets the requirements of the work. Therefore， it is necessary to analyze the ink-jet positioning platform in the ink-jet positioning system by finite element method， and then verify the deformation of the ink-jet positioning platform. Firstly， SolidWorks is used to build a three-dimensional model， and then it is imported into ANSYS Workbench to build a finite element model and get the strain nephogram. Then， the results are compared with the theoretical deformation values to determine whether the positioning platform meets the actual requirements.

Key words： inkjet positioning platform； ANSYS Workbench； strain nephogram

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的生活水平也在逐步提高。人們對(duì)煙、酒、藥以及食品的需求量大幅增長(zhǎng)。隨著這些商品的需求量提高，其包裝問(wèn)題逐步成為熱門(mén)話題。許多商家為了追求利益，出售假冒偽劣商品。為了解決這一問(wèn)題，二維碼和條形碼被廣泛應(yīng)用到商品包裝中。在實(shí)際工作過(guò)程中，提高噴墨定位平臺(tái)的精度即可控制二維碼和條形碼的真實(shí)性[1]。因此，提高噴墨定位平臺(tái)的精度是十分具有現(xiàn)實(shí)意義的。

噴墨定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但是目前國(guó)內(nèi)高精度定位系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)方式和機(jī)構(gòu)形式比較相似。在設(shè)計(jì)定位機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)技術(shù)人員的要求比較高，必須達(dá)到設(shè)計(jì)合理有效，穩(wěn)定而又達(dá)到工作要求的機(jī)構(gòu)。目前常用的定位平臺(tái)機(jī)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)方式[4]。本文以噴墨定位系統(tǒng)中的噴墨定位平臺(tái)為研究對(duì)象進(jìn)行有限元分析，即使用ANSYS Workbench對(duì)定位平臺(tái)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析[2]。有限元靜力分析的主要過(guò)程即先把CAD模型轉(zhuǎn)化為CAE模型，主要操作步驟把CAD模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可識(shí)別模型。然后對(duì)噴墨定位平臺(tái)劃分合適的網(wǎng)格，即網(wǎng)格不宜過(guò)度精密，如果網(wǎng)格過(guò)細(xì)，會(huì)增加計(jì)算機(jī)的求解時(shí)間；如果網(wǎng)格太大，則求出的結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確。然后根據(jù)噴墨定位平臺(tái)實(shí)際工作的情況，用各種傳感器或者其他測(cè)試工具，測(cè)出其工作載荷，然后在ANSYS上添加工作載荷和約束，最后求解得到噴墨定位平臺(tái)的應(yīng)變?cè)茍D。在得到應(yīng)變圖后即可以求出噴墨定位平臺(tái)的最大變形量，得出最大形變量值以后即可分析其結(jié)果。

1 建立噴墨定位平臺(tái)的三維模型

在建立噴墨定位平臺(tái)的三維模型時(shí)，可選擇的三維軟件眾多，例如UG、CATIA等。但對(duì)建立噴墨定位平臺(tái)來(lái)說(shuō)，使用Solidworks是最合適的軟件，Soliworks功能強(qiáng)大，使用范圍比較廣。因此使用Solidworks建立噴墨定位平臺(tái)的三維模型，如圖1所示。由于噴墨定位平臺(tái)結(jié)構(gòu)非常多，選擇的方式多種多樣，其結(jié)構(gòu)形式有懸臂梁式、封閉口式等結(jié)構(gòu)形式。為了滿足項(xiàng)目需求，本文選擇懸臂梁式定位平臺(tái)進(jìn)行有限元分析。

2 噴墨定位平臺(tái)工作方式

噴墨定位平臺(tái)的工作方式按圖2噴墨定位平臺(tái)簡(jiǎn)化模型分析，噴墨單元懸掛且繞如圖所示的Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩電機(jī)固定在移動(dòng)板上，移動(dòng)板與滾珠絲杠連接，從而實(shí)現(xiàn)噴墨單元可以沿著Z軸方向運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將Z軸伺服電機(jī)安裝在型材上，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在導(dǎo)軌上，不僅解決噴墨單元的偏載問(wèn)題，還可以提高平臺(tái)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力。

3 噴墨定位平臺(tái)有限元靜力學(xué)分析

3.1 有限元軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是融合熱、電流、電磁、聲學(xué)于一體的大型有限元分析軟件，可廣泛的應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、汽車(chē)交通國(guó)防軍工、電氣、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在許多計(jì)算機(jī)以及操作系統(tǒng)中運(yùn)行[3]。并且能與多數(shù)的CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交流，例如AutoCAD、Pro等軟件。因此ANSYS是現(xiàn)在產(chǎn)品中的高級(jí)CAD工具之一。除此之外，使用ANSYS Workbench軟件可以模擬仿真，大大節(jié)約了材料和資源，因此，該軟件在工程應(yīng)用上具有十分重要的意義。

3.2 定位平臺(tái)材料的參數(shù)設(shè)置

噴墨定位平臺(tái)的組成材料主要有鋁合金和45號(hào)鋼，通過(guò)查閱有關(guān)資料可以得到鋁合金和45的彈性模量、泊松比和密度。噴墨定位平臺(tái)的材料參數(shù)具體數(shù)值如表1所示。

3.3 建立噴墨定位平臺(tái)有限元模型

首先把Solidworks2020建立的三維模型轉(zhuǎn)化為Parasolid格式，且保存。然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中，可得到有限元模型如圖3所示。

3.4 網(wǎng)格劃分及添加載荷約束

在對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，可以選擇四面體和六面體網(wǎng)格。根據(jù)四面體和六面體網(wǎng)格的特點(diǎn)，四面體的精度稍微偏低，但是四面體執(zhí)行效率更高，六面體的精度雖然高一些，但是六面體執(zhí)行起來(lái)更浪費(fèi)時(shí)間，且劃分網(wǎng)格不如正四面體均勻，綜合考慮選擇使用正四面體網(wǎng)格。使用此網(wǎng)格得出的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)可以達(dá)到有限元分析的要求[5]。在劃分網(wǎng)格后，需要添加載荷和約束，在考慮實(shí)際工作情況下，由于噴墨定位平臺(tái)的底座固定不動(dòng)，所以對(duì)平臺(tái)基座添加固定約束，在有限元軟件中選擇Fixed support。除此之外，平臺(tái)自身的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較大，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)需要考慮到平臺(tái)的重力，并且做出合理的簡(jiǎn)化。定位平臺(tái)的外力和力矩由實(shí)際工作情況可以通過(guò)儀器測(cè)量得到，其外力及力矩如下：在Z軸方向施加載荷力為91.62N，電機(jī)組的重力為129.5N，電機(jī)的力矩為1.65N/m。

3.5 求解結(jié)果并分析

在完成網(wǎng)格劃分和添加載荷和約束后，則可以進(jìn)行有限元靜力學(xué)求解分析，通過(guò)軟件求解分析以后再插入噴墨定位平臺(tái)的合變形，即可以得到噴墨定位平臺(tái)的應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

得到應(yīng)變?cè)茍D后，通過(guò)查看應(yīng)變?cè)茍D，在添加載荷及約束的情況下，噴墨定位平臺(tái)中間最大變形為 0.059mm，而定位平臺(tái)的要求變形量小于0.1mm，因此，該噴墨定位平臺(tái)在工作的過(guò)程中變形量達(dá)到要求，即形變量在設(shè)計(jì)指標(biāo)之內(nèi)。所以噴墨定位平臺(tái)在工作過(guò)程中最大形變量達(dá)到實(shí)際的工作要求[6]。

4 總結(jié)

1）使用噴墨定位平臺(tái)可以很好的鑒別二維碼和條形碼的真假，但是必須提高噴墨定位平臺(tái)的精度方可達(dá)到理想效果。因此，提高噴墨定位平臺(tái)的精度十分具有實(shí)際的工程意義。除此之外，通過(guò)此有限元結(jié)果分析，如果提高該噴墨定位平臺(tái)的精度，最重要的就是加固定位板，使定位板的最大變形減小即可達(dá)到最終目的。

2）通過(guò)使用有限元分析軟件，可以很好的驗(yàn)證噴墨定位平臺(tái)在工作過(guò)程中的最大形變量。找到此最大形變量后，與工作要求的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比并分析，可以很好的避免最大形變量處發(fā)生破壞，且驗(yàn)證噴墨定位平臺(tái)的剛度是否達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡吉飛，王剛，房瑞明等.品檢原理與工藝[M].北京：北京藝術(shù)與科學(xué)電子出版社，2017.

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[3] 方波，楊麗華，屈盛官，李小強(qiáng).基于ANSYS Workbench 的外嚙合齒輪泵泵體有限元分析及優(yōu)化[J].液壓與氣動(dòng)，2021，01-25.

[4] 賈曉輝，張大衛(wèi).三自由度精密定位工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43（5）：457-463.

[5] 浦廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例講解[M].北京：中國(guó) 水力水電出版社，2016-06-23.

[6] 吳炳勝，胡明偉，陳秋平.基于ANSYS Workbench的圓管帶式輸送機(jī)桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析起重運(yùn)輸機(jī)械，2021-02-04.