高精密自動移印機印頭機架有限元分析及結構改進

楊禮鵬 周衛兵 潘紅杰

（1、長沙天盾重工有限責任公司，湖南 長沙410000 2、益陽職業技術學院，湖南 益陽413000 3、藍思智能機器人（長沙）有限公司，湖南 長沙410000）

1 概述

移印機的工作原理是將油墨刮在有蝕刻圖案的鋼板上，利用可凹移印膠頭（下文簡稱印頭）將蝕刻圖案內的油墨轉印到被印物體上。移印工藝是20 世紀80 年代剛剛傳到中國的特種印刷技術，移印工藝可以在較小的面積或者凹凸不平面的3D 產品上表面印刷，因此在電子、塑膠、禮品、玩具等領域應用廣泛。近年來，隨著移印技術從勞動密集型產業向技術密集型產業轉化，對移印機設備的自動化程度和移印精度要求越來越高[1-2]。

印頭機架是高精密自動移印機的重要支承部件，印頭的Y向和Z 向運動的伺服電機，傳動軸，印頭等都裝配在機架上。印頭機架的強度和剛度對移印設備的傳動精度和移印穩定性有重要影響。因此如何保證印頭機架的高精度設計要求是實現高精度自動移印機高精密度的重要基礎。本文針對以上問題，利用Solidworks 軟件對印頭機架進行實體建模設計，利用SolidWorks 的插件simulation 模塊進行有限元分析，并提出了改進方案。

2 移印機印刷部分工藝簡述

圖1 為一款高精密自動移印機的印刷部分簡圖。主要由印頭機架，Y 向伺服電機，Z 向伺服電機，滾珠絲桿，印頭等組成。印刷過程工藝流程如圖2 所示。取墨位的上墨裝置將蝕刻鋼板上的圖案注滿油墨，刮墨裝置將執行鋼板上剩余的油墨刮開，留下所需圖案上的油墨，印頭從取墨位上方往下壓，當印頭壓在蝕刻的圖案上的時候，所需圖案的油墨被轉移到了印頭上，完成取墨過程；印頭沿Y 向移動到印刷位的上方，然后下壓，印頭壓到被印物體上時，將圖案印刷在被印物體上，完成印刷過程；由于印頭上的油墨不能完全轉印到被印物體上，殘余油墨需要清潔。完成印刷過程后，印頭沿Y 向，移動到清潔位上方，然后下壓到清潔膠膜上，將印頭上的殘留油墨清理，完成清潔過程[3]。因此，印頭需要在取墨位，印刷位，清潔位間往復運動，同時每個工位印頭都有Z 向運動。因此機架的強度和剛度會直接影響印頭走位的重復精度，機架在印頭下壓印刷時的變形量，將直接影響印頭下壓印刷時的印頭圖案位置，從而影響移印精度。

3 靜力學分析

3.1 實體建模

印頭機架由四根60×60×5 的方通作為立柱，每根立柱下方為機架固定板，其作用是利用螺栓連接副將機架固定在設備的基座上，立柱上方有四根60×60×5 的方通作為結構橫梁，在橫梁上方是上機座板，其作用是用來安裝驅動印頭的伺服電機，滾珠絲桿，直線導軌等零部件。在SolidWorks 中建立印頭機架的實體模型如圖3 所示。

機架的材料選用碳素鋼Q235A，其屈服強度σ 為235MPa,密度ρ 為7850kg·m-3,彈性模量E 為2.1×1011Pa，泊松比μ 為0.3[4]。在Solidworks 中將上述材料參數填到模型材料屬性中，為下一步分析作準備。

圖3 印頭機架實體模型

3.2 網格劃分

Solidworks 的simulation 模塊對實體進行網格劃分時提供一階四面體單元和二階四面體單元兩種類型[5]。為更準確反映印頭機架的實際受載情況，本文采用二階四面體單元對印頭機架進行網格劃分，每個二階四面體單元有十個節點，并且每個節點有3 個自由度，并采用“自動過度”特征，對模型局部細節進行網格細化處理，模型節點數為87101，劃分網格單元數為47120，網格劃分模型如圖4 所示。

圖4 印頭機架網格劃分

3.3 載荷及邊界條件

根據移印工藝，印頭機架的載荷應施加在印刷工位上方。在機架對應的印刷工位處，在Solidworks 中用分割線劃出受力面，以便在該受力面施加載荷。根據移印時的使用工況，用壓力傳感器實際測量得到移印時印頭給機架的支反力為6500N。因此在圖5 中A 處施加6500N 的力。印頭機架的邊界約束為用螺栓連接副將機架固定板固定在設備的基座上，簡化為機架固定板施加固定約束，即機架固定板6 個自由度完全被約束，如圖5 中B 處所示。

圖5 印頭機架載荷及邊界條件施加

圖6 等效應力云圖

圖7 變形云圖

圖8 等效應力云圖

圖9 變形位移云圖

3.4 結果分析

印頭機架在移印時印頭反作用力的作用下有限元分析結果如下，圖6 為機架等效應力云圖，從圖中可以看出，機架的最大應力為38.85MPa，小于材料屈服應力，說明印頭機架不會發生塑性變形。圖7 為機架變形位移云圖，從圖中可以看出，機架最大變形量為0.147mm。對于精度要求一般的普通移印工藝來說，該變形量不會影響移印效果。但是對于高精密移印機來說，要求機架變形量盡可能小，因此有必要對該機架進行進一步優化改進。

4 印頭機架改進

為實現高精密移印工藝要求，本文對印頭機架的改進目標設為減小印頭機架在印刷過程中的變形量。將機架的4 根立柱和4 根橫梁加大為80×80×5 的方通，然后重復以上有限元分析步驟，等到等效應力云圖和變形位移云圖如圖8，圖9 所示。

從表1 可以看出，改進后的印頭機架最大應力和最大變形量都有明顯的改善，更加適應目前高精密自動移印機的工藝要求。

表1 改進前，后結果對比

5 結論

通過對印頭機架三維模型進行網格劃分，然后結合實際使用工況，施加載荷和邊界條件，有限元分析運行計算得到印頭機架的應力云圖和變形位移云圖。發現機架最大應力值遠小于其材料屈服強度，說明機架不會發生塑性變形；而初始方案的印頭機架的變形量不能滿足高精密自動移印機工藝要求。本文提出了印頭機架改進方案，并進行有限元分析。結果分析顯示，改進后機架變形量明顯減小，更適應于高精密自動移印機工藝要求。