基于ANSYS對噴碼品檢機噴墨頭擺臂旋轉軸分析

李槊 張陽

摘要：噴墨頭擺臂是連接噴墨頭與旋轉軸的部件，為了減少當定位裝置加速運行時，由于加速度過大，在噴墨頭慣性力的作用下，噴墨頭擺臂的鍵槽處產生一定的形變，從而噴墨頭擺臂還會形成加倍的形變，防止型變量過大影響定位裝置的定位精度，利用SolidWorks建立噴碼品檢機的三維模型，導入ANSYS軟件對其進行靜力學分析，選擇三維實體分析單元進行分析，在直驅電機扭力的作用下，噴墨頭擺臂的最大形變量在鍵槽處，最大的形變為0.0216mm。

關鍵詞：噴碼品檢機；噴墨頭擺臂；旋轉軸；靜力學分析

中圖分類號：TB48；TS8 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 08-0047-04

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）

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使人們越來越關注產品自身的質量，生活中出現的商品琳瑯滿目，包裝也逐漸日新月異，但是有的商家為了更高的利潤對高價值的商品進行仿制。在物聯網和科技飛速發展的當代社會，外包裝上的條形碼和二維碼技術在鑒別商品真偽方面就顯得尤為重要，可掃碼查詢商品的生產信息及生產地，實現一品一碼，商家在產品包裝的表面進行模切、燙金、上光等印后加工工藝來提升產品的顏值和檔次，也增加了仿制難度。噴碼印刷機標準JB/T13206-2017規定，這個偏差不得超過0.3mm[1，2，3]。該標準在制定時考慮了現有企業技術實際能夠達到的情況，但煙標、酒標、藥標等產品要求碼和圖像之間的套印誤差必須小于0.1mm，導致現在需要一套精度更高的噴碼品檢機，不光可以解決市場上出現的問題，還可以為其他行業提供研究思路[4，5，6]。

1 噴墨定位平臺

定位平臺種類很多，針對工作環境的不同，由不同功能的零件組成。目前常見的高精度定位平臺，按照驅動類型分為絲杠驅動定位平臺、直線電機驅動定位平臺、陶瓷電機驅動定位平臺、同步帶驅動定位平臺、齒輪齒條驅動定位平臺。噴墨單元的定位過程主要是在印刷產品上實現精確定位，進而提高機器的噴墨精度。噴墨定位系統是將噴墨頭精準的在紙張上將坐標系移動到想要噴墨的位置。要實現噴墨頭的準確工作，需要電機、機械結構、視覺系統、位置及速度傳感器、控制系統共同組成。定位平臺要實現三軸聯動、適合多種硬件操作平臺、可以匹配各種伺服系統。

定位平臺的機械結構類型比較多，在不同的工作條件下，一般由功能不一的零件構成，雖然零件不同但是其結構形式主要有H型式、封閉口型式和懸臂梁式[7]。

如圖1所示，考慮到H型式結構對安裝精度過高，所以選擇懸臂梁式結構，包括X軸向底板，設于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；Z軸向旋轉軸可旋轉地直立連接于動子固定板，其一端連接于力矩電機的輸出軸；連接板固定套接于Z軸向旋轉軸，且其一端固定連接于噴頭固定板；X軸向底板的一側設置有沿著X軸向延伸的磁柵尺，動子固定板的一側設有磁柵尺讀數頭。噴墨單元固定在力矩電機上，懸掛出來，繞Y軸轉動，將Z軸的伺服電機安裝在型材上，繞Y軸旋轉的力矩電機安裝在底座導軌上。Z軸向旋轉軸可旋轉地直立連接于所述動子固定板，其一端連接于力矩電機的輸出軸；連接板固定套接于所述Z軸向旋轉軸，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。噴碼品檢機的噴墨頭與旋轉軸是通過擺臂連接的，當噴碼機加速工作時，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受到一定的形變，而擺臂也會隨著鍵槽受力加倍形變，擺臂形變過大就會影響噴墨精度，所以應該用有限元分析軟件進行分析其形變量的大小來檢查其型變量是否符合要求。旋轉軸是噴碼機的核心裝置，是噴墨頭工作的基本軸，噴墨頭擺臂安裝在旋轉軸上，直線電機也安裝在旋轉軸上，當直線電機加速運作時，噴墨頭在直線電機的帶動下圍繞旋轉軸旋轉，所以旋轉軸會受到電機和噴墨頭共同帶來的作用力發生形變，那么應該對旋轉軸進行有限元分析來確保其不會影響噴墨精度。

2 噴墨頭定位裝置擺臂及旋轉軸三維模型的建立

利用三維建模軟件Solidworks建立噴墨擺臂和旋轉軸三維模型，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。

3 有限元靜力學分析

3.1 模型的導入與材料參數設置

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

3.2 施加約束及劃分網格

建立有限元靜力學仿真模型后，對噴墨頭擺臂和旋轉軸施加約束，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。

在計算機計算能力允許能力下，盡可能的劃分更多的網格來保證結果的準確性，經多次實驗后將網格精度確定為2mm，如圖5，6所示。

3.3 施加載荷

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

3.4 求解分析

經過Ansys軟件分析之后得到噴墨頭擺臂和旋轉軸的應力云圖（圖9，10）和應變云圖（圖11，12）。

分析結果顯示，在直驅電機扭力的作用下，噴墨頭擺臂的最大形變量在其鍵槽處，最大形變量為0.0216mm，旋轉軸的最大形變量在其與直驅電機接觸端軸頭的鍵槽處，最大形變量為0.03mm，均符合設計要求。

4 結論

本文對噴碼品檢機噴碼裝置進行三維建模，將因裝置加速運動在慣性力下產生形變量而影響噴碼精度的噴墨頭擺臂與旋轉軸導入Ansys有限元軟件進行分析，導入三維模型來設置材料參數，然后施加約束及劃分網格來保證準確性，在鍵槽處施加約束和載荷，分析得出擺臂和旋轉軸的應變和應力云圖。分析結果顯示，擺臂和旋轉軸的最大形變均符合要求，研究結果為噴碼品檢機的優化設計提供了理論依據。

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，2017：1-3.

[2] 佚名.國內噴碼機發展現狀[J].中國包裝工程，2003，（5）：13.

[3] 節德剛.宏/微驅動高速高精度定位系統的研究[D].哈爾濱工業大學，2006.

[4] 日本京瓷推出世界最快打印速度的噴墨頭[J].中國包裝工業，2012，（12）：14.

[5] 姜文銳.大行程高精度微進給系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[6] 王力超.大行程高精度定位系統控制技術研究[D].安徽大學，2012.

[7] 謝素玲.基于球柵傳感器的高精度位移測量技術研究[D].杭州電子科技大學，2012.