基于有限元的噴碼檢品機噴碼定位裝置優化分析

楊承鑫 張陽 蔡吉飛

摘要：為了保證噴碼檢品機直線電機的定子與動子之間需要的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，利用SolidWorks建立噴碼檢品機的三維模型后導入ANSYS軟件對噴碼檢品機設備的定子固定板進行機械結構的靜力學仿真，因為定子固定板變形量較大，擬定了三種不同的加強筋板布置方式來增大該板的強度，通過有限元分析的數據發現采用橫向和縱向相結合的加強筋布置方式可以使定子固定板的形變量達到最低，形變量為0.089mm。

關鍵詞：噴碼檢品機；定子固定板；靜力學仿真

中圖分類號：TS8 文獻標識碼：A 文章編號：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

我國經濟迅速發展，生活中商品也逐漸多樣化，產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，對價格較高的商品進行仿制，這就導致市場上存在大量假冒偽劣商品的現象，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損壞公司的聲譽、侵害消費者的權益，煙酒包裝等廠家對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，然而由于振動、定位精度、噴碼裝置受力變形等因素的影響，現在的噴碼裝置精度只能達到0.3mm左右，達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、上光等印刷設備的噴印精度，也會給其他行業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，噴碼品檢機裝置，包括X軸向底板、位于X軸向底板上的直線導軌，包括定子和動子的直線電機、動子固定板和定子固定板，動子固定板通過滑塊可滑動地連接于直線導軌；動子固定于動子固定板上，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。直線電機說明書上內容指出，直線電機的動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發生變形，該變形會影響定子與動子間的距離，也會影響噴碼精度，變形根據直線電機說明書，在直線電機的定子與動子間的間隙為0.7mm時，直線電機能夠達到最佳的驅動效果。為了保證噴碼檢品機直線電機的定子與動子之間需要的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，要對直線電機的定子固定板的剛度進行有限元靜力學分析，若在磁吸引力的作用下，直線電機的定子固定板變形過大，使動子與定子之間的間隙過小，則必須對定子固定板進行優化加固，使其達到一定剛度。

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，并建立配合關系，如圖2，3所示。為了后續方便與有限元分析軟件Ansys對接，將文件保存為parasolid格式。

2 有限元靜力學分析

2.1 模型的導入與材料參數設置

將保存好的Parasolid格式定子固定板文件導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，密度設置為2810Kg/ m3，彈性模量為7.17*1010Pa，泊松比設置為0.33，如圖5所示。

2.2 施加約束與劃分網格

建立有限元力學模型之后，對直線電機定子固定板添加約束，為保證直線電機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。在計算機計算能力允許條件下，盡可能劃分精細的網格以保證計算結果的準確度，如圖7。經多次實驗后將網格精度確定為2mm，劃分后節點數255442，單元數147105。

2.3 施加載荷

當直線電機的動子運動到直線電機定子固定板的中間時，在磁吸引力的作用下，其變形應該是最大的，因此，在直線電機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）。

分析結果顯示，在直線電機定子與動子吸引力的作用下，該定子固定板的最大變形出現在直線電機的定子與動子的吸引力處，和變形最大值0.68857mm，Z方向最大變形值0.68803mm，這個變形量雖然不超過直線電機的定子與動子之間的間隙，但是最大變形量幾乎已經接近要求的至少0.7mm的間隙，加上廠家要求噴碼位置誤差在0.1mm以內，即現在的定子固定板剛度不能滿足結構的要求，因此需要對此板進行加強處理。

3 結構優化分析

考慮定子固定板變形量較大，若對整板進行加固的話，成本較高，而且效果未必明顯，因此采用加強筋的形式對該板關鍵位置進行局部加固，使用加強筋的目的是使定子固定板的Z方向變形足夠小，因此加強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合的方式，加固后的直線電機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入Ansys Workbench進行分析，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。

根據分析結果繪制成表格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筋，都能使該板變形量減小，達到提高定子固定板的強度和剛度的目的。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以內的需求，方案三不僅保證了定子與動子之間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。

4 結論

本文對噴碼檢品機噴碼裝置進行三維建模，將因變形而影響噴碼精度的定子固定板導入有限元軟件進行分析，在未優化條件下，定子固定板形變量較大，達到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，橫向和縱向相結合布置筋板三種方案來提高定子固定板的強度，將三種方案模型分別導入Ansys再次進行靜力學分析，得到三種方案下的定子固定板變形量，從得到的數據可以看出方案三即橫向和縱向相結合布置筋板在提高該板強度，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合布置筋板的方式為最佳方案，予以采用。

參考文獻：

[1] 位士博.噴碼品檢機噴碼系統精度的分析與研究[D].北京印刷學院，2017-12-01.

[2] 佚名.國內噴碼機發展現狀[J].中國包裝工業，2003，05-20.21

[3] 范昌富.大字符噴碼機控制系統研究[D].廣西師范大學，2016-05-01.

[4] 賴昌華.高精度噴墨定位系統關鍵技術研究[D].北京印刷學院，2020-05-01.

[5] 袁先珍.食品包裝日期噴碼檢測系統設計[J].包裝工程，2020，03-10.

[6] 李豫南，周曉麗.淺析噴碼機現狀及發展趨勢[J].中國井礦鹽，2016，11-25.5

[7] 樊留強，惠延波.噴碼機的研究與應用[J].電腦知識與技術，2016，10-17.