基于ANSYS對(duì)噴碼品檢機(jī)噴墨頭擺臂旋轉(zhuǎn)軸分析

李槊 張陽(yáng)

摘要：噴墨頭擺臂是連接噴墨頭與旋轉(zhuǎn)軸的部件，為了減少當(dāng)定位裝置加速運(yùn)行時(shí)，由于加速度過(guò)大，在噴墨頭慣性力的作用下，噴墨頭擺臂的鍵槽處產(chǎn)生一定的形變，從而噴墨頭擺臂還會(huì)形成加倍的形變，防止型變量過(guò)大影響定位裝置的定位精度，利用SolidWorks建立噴碼品檢機(jī)的三維模型，導(dǎo)入ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，選擇三維實(shí)體分析單元進(jìn)行分析，在直驅(qū)電機(jī)扭力的作用下，噴墨頭擺臂的最大形變量在鍵槽處，最大的形變?yōu)?.0216mm。

關(guān)鍵詞：噴碼品檢機(jī)；噴墨頭擺臂；旋轉(zhuǎn)軸；靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TB48；TS8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 08-0047-04

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）

Optimization Analysis of Inkjet Head Swing Arm of Inkjet Quality Inspection Machine Based on ANSYS

LI Shuo， ZHANG Yang（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： The swing arm of the inkjet head is a component connecting the inkjet head and the rotating shaft. In order to reduce the deformation of the keyway of the swing arm of the inkjet head under the action of the inertial force of the inkjet head due to the excessive acceleration when the positioning device is accelerating， the swing arm of the inkjet head will form double deformation， so as to prevent the positioning accuracy of the positioning device from being affected by the large type variable， SolidWorks is used to establish the three-dimensional model of the inkjet quality inspection machine， and ANSYS software is imported for static analysis. The three-dimensional entity analysis unit is selected for analysis. Under the effect of the torque of the direct drive motor， the maximum deformation of the inkjet head swing arm is at the keyway， and the maximum deformation is 0.0216 mm.

Key words： inkjet inspection machine； inkjet head swing arm； axis of rotation； static analysis

不斷提高的生活品質(zhì)使人們?cè)絹?lái)越關(guān)注產(chǎn)品自身的質(zhì)量，生活中出現(xiàn)的商品琳瑯滿目，包裝也逐漸日新月異，但是有的商家為了更高的利潤(rùn)對(duì)高價(jià)值的商品進(jìn)行仿制。在物聯(lián)網(wǎng)和科技飛速發(fā)展的當(dāng)代社會(huì)，外包裝上的條形碼和二維碼技術(shù)在鑒別商品真?zhèn)畏矫婢惋@得尤為重要，可掃碼查詢商品的生產(chǎn)信息及生產(chǎn)地，實(shí)現(xiàn)一品一碼，商家在產(chǎn)品包裝的表面進(jìn)行模切、燙金、上光等印后加工工藝來(lái)提升產(chǎn)品的顏值和檔次，也增加了仿制難度。噴碼印刷機(jī)標(biāo)準(zhǔn)JB/T13206-2017規(guī)定，這個(gè)偏差不得超過(guò)0.3mm[1，2，3]。該標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)考慮了現(xiàn)有企業(yè)技術(shù)實(shí)際能夠達(dá)到的情況，但煙標(biāo)、酒標(biāo)、藥標(biāo)等產(chǎn)品要求碼和圖像之間的套印誤差必須小于0.1mm，導(dǎo)致現(xiàn)在需要一套精度更高的噴碼品檢機(jī)，不光可以解決市場(chǎng)上出現(xiàn)的問(wèn)題，還可以為其他行業(yè)提供研究思路[4，5，6]。

1 噴墨定位平臺(tái)

定位平臺(tái)種類很多，針對(duì)工作環(huán)境的不同，由不同功能的零件組成。目前常見(jiàn)的高精度定位平臺(tái)，按照驅(qū)動(dòng)類型分為絲杠驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)、陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)、同步帶驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)、齒輪齒條驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)。噴墨單元的定位過(guò)程主要是在印刷產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)精確定位，進(jìn)而提高機(jī)器的噴墨精度。噴墨定位系統(tǒng)是將噴墨頭精準(zhǔn)的在紙張上將坐標(biāo)系移動(dòng)到想要噴墨的位置。要實(shí)現(xiàn)噴墨頭的準(zhǔn)確工作，需要電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)系統(tǒng)、位置及速度傳感器、控制系統(tǒng)共同組成。定位平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)、適合多種硬件操作平臺(tái)、可以匹配各種伺服系統(tǒng)。

定位平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型比較多，在不同的工作條件下，一般由功能不一的零件構(gòu)成，雖然零件不同但是其結(jié)構(gòu)形式主要有H型式、封閉口型式和懸臂梁式[7]。

如圖1所示，考慮到H型式結(jié)構(gòu)對(duì)安裝精度過(guò)高，所以選擇懸臂梁式結(jié)構(gòu)，包括X軸向底板，設(shè)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(guò)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；Z軸向旋轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)地直立連接于動(dòng)子固定板，其一端連接于力矩電機(jī)的輸出軸；連接板固定套接于Z軸向旋轉(zhuǎn)軸，且其一端固定連接于噴頭固定板；X軸向底板的一側(cè)設(shè)置有沿著X軸向延伸的磁柵尺，動(dòng)子固定板的一側(cè)設(shè)有磁柵尺讀數(shù)頭。噴墨單元固定在力矩電機(jī)上，懸掛出來(lái)，繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將Z軸的伺服電機(jī)安裝在型材上，繞Y軸旋轉(zhuǎn)的力矩電機(jī)安裝在底座導(dǎo)軌上。Z軸向旋轉(zhuǎn)軸可旋轉(zhuǎn)地直立連接于所述動(dòng)子固定板，其一端連接于力矩電機(jī)的輸出軸；連接板固定套接于所述Z軸向旋轉(zhuǎn)軸，且其一端固定連接于噴頭固定板；所述噴頭固定板用于安裝噴頭。噴碼品檢機(jī)的噴墨頭與旋轉(zhuǎn)軸是通過(guò)擺臂連接的，當(dāng)噴碼機(jī)加速工作時(shí)，加速度變大，噴墨頭的鍵槽處在噴墨頭的慣性力作用下就會(huì)受到一定的形變，而擺臂也會(huì)隨著鍵槽受力加倍形變，擺臂形變過(guò)大就會(huì)影響噴墨精度，所以應(yīng)該用有限元分析軟件進(jìn)行分析其形變量的大小來(lái)檢查其型變量是否符合要求。旋轉(zhuǎn)軸是噴碼機(jī)的核心裝置，是噴墨頭工作的基本軸，噴墨頭擺臂安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，直線電機(jī)也安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)直線電機(jī)加速運(yùn)作時(shí)，噴墨頭在直線電機(jī)的帶動(dòng)下圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所以旋轉(zhuǎn)軸會(huì)受到電機(jī)和噴墨頭共同帶來(lái)的作用力發(fā)生形變，那么應(yīng)該對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行有限元分析來(lái)確保其不會(huì)影響噴墨精度。

2 噴墨頭定位裝置擺臂及旋轉(zhuǎn)軸三維模型的建立

利用三維建模軟件Solidworks建立噴墨擺臂和旋轉(zhuǎn)軸三維模型，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。

3 有限元靜力學(xué)分析

3.1 模型的導(dǎo)入與材料參數(shù)設(shè)置

將保存好的Parasolid格式的噴墨頭擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的文件導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys Workbench，新建的擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的材料為45鋼，密度設(shè)置為7850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.06E+11，如圖4所示。

3.2 施加約束及劃分網(wǎng)格

建立有限元靜力學(xué)仿真模型后，對(duì)噴墨頭擺臂和旋轉(zhuǎn)軸施加約束，擺臂固定在噴墨頭的連接板上，所以約束在此處，連接軸在下方固定板上被螺絲固定，所以約束在此。

在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力允許能力下，盡可能的劃分更多的網(wǎng)格來(lái)保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后將網(wǎng)格精度確定為2mm，如圖5，6所示。

3.3 施加載荷

直驅(qū)電機(jī)的持續(xù)力矩為12.6N·m，換算為作用在兩個(gè)鍵槽上的力共為1260N，平均每個(gè)鍵槽上的力約為630N，因此，在噴墨頭擺臂的鍵槽處施加630N的力，旋轉(zhuǎn)軸的載荷施加在上方與直驅(qū)電機(jī)的鍵槽處，如圖7，8所示。

3.4 求解分析

經(jīng)過(guò)Ansys軟件分析之后得到噴墨頭擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力云圖（圖9，10）和應(yīng)變?cè)茍D（圖11，12）。

分析結(jié)果顯示，在直驅(qū)電機(jī)扭力的作用下，噴墨頭擺臂的最大形變量在其鍵槽處，最大形變量為0.0216mm，旋轉(zhuǎn)軸的最大形變量在其與直驅(qū)電機(jī)接觸端軸頭的鍵槽處，最大形變量為0.03mm，均符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)噴碼品檢機(jī)噴碼裝置進(jìn)行三維建模，將因裝置加速運(yùn)動(dòng)在慣性力下產(chǎn)生形變量而影響噴碼精度的噴墨頭擺臂與旋轉(zhuǎn)軸導(dǎo)入Ansys有限元軟件進(jìn)行分析，導(dǎo)入三維模型來(lái)設(shè)置材料參數(shù)，然后施加約束及劃分網(wǎng)格來(lái)保證準(zhǔn)確性，在鍵槽處施加約束和載荷，分析得出擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變和應(yīng)力云圖。分析結(jié)果顯示，擺臂和旋轉(zhuǎn)軸的最大形變均符合要求，研究結(jié)果為噴碼品檢機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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，2017：1-3.

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