基于ANSYS的噴碼檢品機噴墨定位平臺有限元分析

王康 張陽 楊承鑫

摘要：噴墨定位系統(tǒng)是一種以印品圖像位置為基準，通過機器設備調(diào)節(jié)噴墨頭組成的噴墨單元位置來提高噴墨上光和噴碼等印刷設備噴墨點定位準確度的裝置平臺，為加強噴墨定位系統(tǒng)的精準度，以噴墨定位平臺為研究對象，使用SolidWorks對噴碼檢品機的噴墨定位平臺繪制三維模型，并以parasolid格式導入到ANSYS Workbench中進行有限元靜力學分析，得出噴墨定位平臺的最大形變量為0.082mm，遠小于其要求的定位精度0.1mm，定位平臺的承載和剛度也能夠滿足要求。再對噴墨定位平臺進行模態(tài)分析和諧響應分析，通過分析得出噴墨定位平臺的固有頻率、振型以及振幅與頻率的關(guān)系，再對比模態(tài)分析與諧響應分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在220.45Hz， 315.4Hz， 317.08Hz， 518.54Hz附近，噴墨定位平臺最容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，應盡可能避免這些頻率附近的外部激勵。

關(guān)鍵字：噴墨定位平臺；靜力學分析；模態(tài)分析；諧響應分析

中圖分類號：TB48；TS8 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 09-0052-05

Finite Element Analysis of Inkjet Positioning Platform of Inkjet Code Inspection Machine Based On ANSYS

WANG Kang， ZHANG Yang， YANG Cheng-xin

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

Abstract： Inkjet positioning system is a kind of device platform which takes the position of printing image as the reference and improves the positioning accuracy of inkjet points of printing equipment such as inkjet polishing and inkjet coding by adjusting the position of inkjet unit composed of inkjet head by machine and equipment. In order to strengthen the accuracy of inkjet positioning system， the inkjet positioning platform is taken as the research object. SolidWorks was used to draw a 3D model of the inkjet positioning platform of the inkjet inspection machine and imported it into ANSYS Workbench in Parasolid format for finite element static analysis. It was concluded that the maximum shape variable of the inkjet positioning platform was 0.082mm， far less than its required positioning accuracy of 0.1mm. The load bearing and stiffness of the positioning platform can also meet the requirements. Then， the inkjet positioning platform was analyzed by modal analysis and harmonious response analysis. Through the analysis， the natural frequency， mode shape and the relationship between amplitude and frequency of the ink-jet positioning platform were obtained. Then， by comparing the results of modal analysis and harmonic response analysis， it was found that near 220.45Hz， 315.4Hz， 317.08Hz and 518.54Hz， Ink-jet positioning platforms are most prone to resonance， and external excitation near these frequencies should be avoided as much as possible.

Key words： inkjet positioning platform； static analysis； modal analysis； harmonic response analysis

噴碼技術(shù)的應用對象主要分為兩類，一是產(chǎn)品的包裝，如酒水飲料、食品醫(yī)療等方面；二是產(chǎn)品自身也需要注明日期，型號等信息，在通信、電線電纜、建筑材料、電子產(chǎn)品等方面應用廣泛?，F(xiàn)如今人們對產(chǎn)品的品質(zhì)要求愈來愈高，對產(chǎn)品信息的標注和要求也愈來愈高，政府和相關(guān)部門出臺了對應的政策，這大大刺激了噴碼技術(shù)的發(fā)展。

噴墨定位系統(tǒng)是將噴墨頭精確地定位到某個指定坐標系下的參考點，是一種精密定位平臺。其中噴墨定位平臺是噴墨定位系統(tǒng)的核心部分，起著固定和支持其他部件的作用，噴墨定位系統(tǒng)在工作過程中受到與其聯(lián)接的設備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的復雜性載荷和振動，如果引起的振動頻率達到了與噴墨定位平臺本身的固有頻率相近或者一致時，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，影響噴碼的質(zhì)量和精度，甚者破壞噴墨定位平臺的穩(wěn)定性，使整個噴碼檢品機出現(xiàn)安全問題甚至損壞。

1 建立噴墨定位平臺有限元模型

以噴墨定位平臺為研究對象，利用SolidWorks三維建模軟件對噴墨定位平臺進行建模如圖1所示，噴墨定位平臺包括將三維模型保存為parasolid格式導入到ANSYS Workbench中進行有限元分析。

1.1 定義材料屬性

噴墨定位平臺的材料參數(shù)如表1所示：

1.2 對噴墨定位平臺進行網(wǎng)格劃分

作為ANSYS有限元分析模擬中重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分要綜合考慮計算量的大小和計算結(jié)果精度這兩個因素，在權(quán)衡這兩個方面后再確定網(wǎng)格的數(shù)量，在不影響計算結(jié)果精度的前提下，采取4.0mm的網(wǎng)格尺寸作為劃分，圖2是劃分完后的有限元模型，單元數(shù)為213641個，節(jié)點數(shù)是361835個。

2 有限元靜力學分析

對噴墨定位平臺施加約束，并對噴墨定位平臺添加自身重力及施加相應的作用力，噴碼品檢機噴墨定位平臺在靜態(tài)下系統(tǒng)的變形和應力分布情況如圖3，4所示。

從圖3和圖4可以看出，在施加噴墨定位平臺自身重力以及相應作用力條件下，噴墨定位平臺底板向下變形，最大變形量為0.082mm，應力發(fā)生在底板中部，最大應力為8.9018MPa。最大形變量0.082mm遠小于要求的定位精度0.1mm，且定位平臺的承載和剛度也能夠滿足要求。

3 噴墨定位平臺的模態(tài)分析

模態(tài)分析就是指通過計算和實驗分析來獲取機器設備所特有的振動特征的分析試驗過程。經(jīng)過模態(tài)分析就可以求得機器設備在哪個或者哪些頻率域內(nèi)容易受到干擾，得到這些數(shù)據(jù)就可以在設計或者實際生產(chǎn)中，盡量規(guī)避掉這些頻率下的外部激勵。

通過模態(tài)分析得出噴碼檢品機噴墨定位平臺前6階變形云圖如圖5所示，固有頻率和振型如表2所示。

從圖5可以看出，噴墨定位平臺最小固有頻率為220.45Hz，最大固有頻率為588.53Hz，其中4階模態(tài)當固有頻率為393.78Hz時，噴墨定位平臺變形達到最大值48.07mm，2階模態(tài)當固有頻率為315.4Hz時，噴墨定位平臺變形值最小，變形值為10.21mm。結(jié)合表2可以看出當外部的激勵頻率與噴墨定位平臺的固有頻率接近或相同時，定位平臺底板和定子固定板容易出現(xiàn)彎曲變形。

4 諧響應分析

前文對噴墨頭聯(lián)定位平臺進行的模態(tài)分析，噴墨頭定位平臺在這6階的固有頻率附近都有可能發(fā)生共振，所以在200-600Hz之間進行一次掃頻分析，取子步為50個。

在上述分析的基礎(chǔ)上，對采噴墨定位平臺整體進行諧響應分析，得到了在X軸、Y軸和Z軸3個方向上振幅與頻率之間的關(guān)系曲線圖如圖6所示。

從圖6的諧響應分析振幅與頻率關(guān)系曲線圖可以看出，在X軸方向上，頻率在220.45Hz，315.4Hz，317.08Hz處幅值最大；X方向出現(xiàn)的振幅最大，定位平臺容易發(fā)生共振。在Y軸方向上，頻率在315.4Hz，317.08Hz和518.54Hz處幅值最大；Y方向出現(xiàn)的振幅最大，定位平臺容易發(fā)生共振。在Z軸方向上，頻率在220.45Hz和518.54Hz處幅值最大。Z方向出現(xiàn)的振幅最大，定位平臺容易發(fā)生共振。為了降低噴墨定位平臺振動對噴碼精度的影響，要盡量避免這些頻率附近的外部激勵。

5 結(jié)論

通過建立噴墨定位平臺有限元模型，先進行靜力學分析，在自身重力以及相應作用力條件下，噴墨定位平臺最大變形量為0.082mm，遠遠小于要求的定位精度0.1mm，變形量滿足要求，最大應力為8.9018MPa，底板的承載能力和剛度也能夠滿足要求。再對其進行模態(tài)分析和諧響應分析，得到了噴墨定位平臺的前6階模態(tài)變形云圖以及頻率與振幅之間的關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)在220.45Hz，315.4Hz，317.08Hz，518.54Hz附近，噴墨定位平臺最容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，應盡可能避免這些頻率附近的外部激勵。

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基金項目：北京市教委科研計劃一般項目（噴碼印刷動態(tài)定位關(guān)鍵技術(shù)的研究KM2019100150005）；北京市教委面上項目（高速印刷機凸輪系統(tǒng)沖擊問題建模及參數(shù)識別方法研究KM201810015007）