基于ANSYS Workbench噴墨定位平臺有限元分析

王富豪 張陽 蔡吉飛

摘要：為了提高噴墨定位平臺的精度，使噴墨定位平臺在工作過程中的變形量小于0.1mm，滿足工作的要求，需要對噴墨定位系統中的噴墨定位平臺進行有限元分析，進而驗證噴墨定位平臺的變形量。首先使用Solidworks建立三維模型，然后導入ANSYS Workbench中，建立有限元模型，得到應變云圖。然后與理論變形值進行對比分析，從而可以判斷定位平臺是否符合實際要求。

關鍵詞：噴墨定位平臺；ANSYS Workbench；應變云圖

中圖分類號：TS803；TS8；TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 08-0021-03

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

隨著我國經濟快速發展，人們的生活水平也在逐步提高。人們對煙、酒、藥以及食品的需求量大幅增長。隨著這些商品的需求量提高，其包裝問題逐步成為熱門話題。許多商家為了追求利益，出售假冒偽劣商品。為了解決這一問題，二維碼和條形碼被廣泛應用到商品包裝中。在實際工作過程中，提高噴墨定位平臺的精度即可控制二維碼和條形碼的真實性[1]。因此，提高噴墨定位平臺的精度是十分具有現實意義的。

噴墨定位系統的結構十分復雜，但是目前國內高精度定位系統的主要驅動方式和機構形式比較相似。在設計定位機械結構時，對技術人員的要求比較高，必須達到設計合理有效，穩定而又達到工作要求的機構。目前常用的定位平臺機構有串聯、并聯和混聯方式[4]。本文以噴墨定位系統中的噴墨定位平臺為研究對象進行有限元分析，即使用ANSYS Workbench對定位平臺進行有限元靜力學分析[2]。有限元靜力分析的主要過程即先把CAD模型轉化為CAE模型，主要操作步驟把CAD模型轉化為ANSYS可識別模型。然后對噴墨定位平臺劃分合適的網格，即網格不宜過度精密，如果網格過細，會增加計算機的求解時間；如果網格太大，則求出的結果會不準確。然后根據噴墨定位平臺實際工作的情況，用各種傳感器或者其他測試工具，測出其工作載荷，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的應變云圖。在得到應變圖后即可以求出噴墨定位平臺的最大變形量，得出最大形變量值以后即可分析其結果。

1 建立噴墨定位平臺的三維模型

在建立噴墨定位平臺的三維模型時，可選擇的三維軟件眾多，例如UG、CATIA等。但對建立噴墨定位平臺來說，使用Solidworks是最合適的軟件，Soliworks功能強大，使用范圍比較廣。因此使用Solidworks建立噴墨定位平臺的三維模型，如圖1所示。由于噴墨定位平臺結構非常多，選擇的方式多種多樣，其結構形式有懸臂梁式、封閉口式等結構形式。為了滿足項目需求，本文選擇懸臂梁式定位平臺進行有限元分析。

2 噴墨定位平臺工作方式

噴墨定位平臺的工作方式按圖2噴墨定位平臺簡化模型分析，噴墨單元懸掛且繞如圖所示的Y軸轉動，力矩電機固定在移動板上，移動板與滾珠絲杠連接，從而實現噴墨單元可以沿著Z軸方向運動。在設計過程中，將Z軸伺服電機安裝在型材上，繞Y軸旋轉的電機安裝在導軌上，不僅解決噴墨單元的偏載問題，還可以提高平臺的穩定性和負載能力。

3 噴墨定位平臺有限元靜力學分析

3.1 有限元軟件簡介

ANSYS軟件是融合熱、電流、電磁、聲學于一體的大型有限元分析軟件，可廣泛的應用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、汽車交通國防軍工、電氣、電子、土木工程、造船、生物醫學、機械制造等一般工業及科學研究。該軟件可在許多計算機以及操作系統中運行[3]。并且能與多數的CAD軟件結合使用，實現數據的交流，例如AutoCAD、Pro等軟件。因此ANSYS是現在產品中的高級CAD工具之一。除此之外，使用ANSYS Workbench軟件可以模擬仿真，大大節約了材料和資源，因此，該軟件在工程應用上具有十分重要的意義。

3.2 定位平臺材料的參數設置

噴墨定位平臺的組成材料主要有鋁合金和45號鋼，通過查閱有關資料可以得到鋁合金和45的彈性模量、泊松比和密度。噴墨定位平臺的材料參數具體數值如表1所示。

3.3 建立噴墨定位平臺有限元模型

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

3.4 網格劃分及添加載荷約束

在對模型進行網格劃分時，可以選擇四面體和六面體網格。根據四面體和六面體網格的特點，四面體的精度稍微偏低，但是四面體執行效率更高，六面體的精度雖然高一些，但是六面體執行起來更浪費時間，且劃分網格不如正四面體均勻，綜合考慮選擇使用正四面體網格。使用此網格得出的節點數和單元數可以達到有限元分析的要求[5]。在劃分網格后，需要添加載荷和約束，在考慮實際工作情況下，由于噴墨定位平臺的底座固定不動，所以對平臺基座添加固定約束，在有限元軟件中選擇Fixed support。除此之外，平臺自身的重力對實驗結果影響比較大，因此在進行有限元分析時需要考慮到平臺的重力，并且做出合理的簡化。定位平臺的外力和力矩由實際工作情況可以通過儀器測量得到，其外力及力矩如下：在Z軸方向施加載荷力為91.62N，電機組的重力為129.5N，電機的力矩為1.65N/m。

3.5 求解結果并分析

在完成網格劃分和添加載荷和約束后，則可以進行有限元靜力學求解分析，通過軟件求解分析以后再插入噴墨定位平臺的合變形，即可以得到噴墨定位平臺的應變云圖如圖4所示。

得到應變云圖后，通過查看應變云圖，在添加載荷及約束的情況下，噴墨定位平臺中間最大變形為 0.059mm，而定位平臺的要求變形量小于0.1mm，因此，該噴墨定位平臺在工作的過程中變形量達到要求，即形變量在設計指標之內。所以噴墨定位平臺在工作過程中最大形變量達到實際的工作要求[6]。

4 總結

1）使用噴墨定位平臺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的精度方可達到理想效果。因此，提高噴墨定位平臺的精度十分具有實際的工程意義。除此之外，通過此有限元結果分析，如果提高該噴墨定位平臺的精度，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到最終目的。

2）通過使用有限元分析軟件，可以很好的驗證噴墨定位平臺在工作過程中的最大形變量。找到此最大形變量后，與工作要求的標準進行對比并分析，可以很好的避免最大形變量處發生破壞，且驗證噴墨定位平臺的剛度是否達到要求。

參考文獻：

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

[2] 劉偉，高維成，于廣濱.ANSYS12.0寶典[M].北京：電子工業出版社，2010.

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

[4] 賈曉輝，張大衛.三自由度精密定位工作臺的設計與運動學分析[J].天津大學學報，2010，43（5）：457-463.

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

[6] 吳炳勝，胡明偉，陳秋平.基于ANSYS Workbench的圓管帶式輸送機桁架結構的有限元分析起重運輸機械，2021-02-04.