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摘要：喷墨头摆臂是连接喷墨头与旋转轴的部件，为了减少当定位装置加速运行时，由于加速度过大，在喷墨头惯性力的作用下，喷墨头摆臂的键槽处产生一定的形变，从而喷墨头摆臂还会形成加倍的形变，防止型变量过大影响定位装置的定位精度，利用SolidWorks建立喷码品检机的三维模型，导入ANSYS软件对其进行静力学分析，选择三维实体分析单元进行分析，在直驱电机扭力的作用下，喷墨头摆臂的最大形变量在键槽处，最大的形变为0.0216mm。
关键词：喷码品检机；喷墨头摆臂；旋转轴；静力学分析
中图分类号：TB48；TS8 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0047-04
基金项目：北京市教委科研计划一般项目（喷码印刷动态定位关键技术的研究KM2019100150005）；北京市教委面上项目（高速印刷机凸轮系统冲击问题建模及参数识别方法研究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
不断提高的生活品质使人们越来越关注产品自身的质量，生活中出现的商品琳琅满目，包装也逐渐日新月异，但是有的商家为了更高的利润对高价值的商品进行仿制。在物联网和科技飞速发展的当代社会，外包装上的条形码和二维码技术在鉴别商品真伪方面就显得尤为重要，可扫码查询商品的生产信息及生产地，实现一品一码，商家在产品包装的表面进行模切、烫金、上光等印后加工工艺来提升产品的颜值和档次，也增加了仿制难度。喷码印刷机标准JB/T13206-2017规定，这个偏差不得超过0.3mm[1，2，3]。该标准在制定时考虑了现有企业技术实际能够达到的情况，但烟标、酒标、药标等产品要求码和图像之间的套印误差必须小于0.1mm，导致现在需要一套精度更高的喷码品检机，不光可以解决市场上出现的问题，还可以为其他行业提供研究思路[4，5，6]。
1 喷墨定位平台
定位平台种类很多，针对工作环境的不同，由不同功能的零件组成。目前常见的高精度定位平台，按照驱动类型分为丝杠驱动定位平台、直线电机驱动定位平台、陶瓷电机驱动定位平台、同步带驱动定位平台、齿轮齿条驱动定位平台。喷墨单元的定位过程主要是在印刷产品上实现精确定位，进而提高机器的喷墨精度。喷墨定位系统是将喷墨头精准的在纸张上将坐标系移动到想要喷墨的位置。要实现喷墨头的准确工作，需要电机、机械结构、视觉系统、位置及速度传感器、控制系统共同组成。定位平台要实现三轴联动、适合多种硬件操作平台、可以匹配各种伺服系统。
定位平台的机械结构类型比较多，在不同的工作条件下，一般由功能不一的零件构成，虽然零件不同但是其结构形式主要有H型式、封闭口型式和悬臂梁式[7]。
如圖1所示，考虑到H型式结构对安装精度过高，所以选择悬臂梁式结构，包括X轴向底板，设于X轴向底板上的直线导轨，包括定子和动子的直线电机、动子固定板和定子固定板，动子固定板通过滑块可滑动地连接于直线导轨；动子固定于动子固定板上，定子固定于定子固定板上，定子固定板垂直固定于X轴向底板；Z轴向旋转轴可旋转地直立连接于动子固定板，其一端连接于力矩电机的输出轴；连接板固定套接于Z轴向旋转轴，且其一端固定连接于喷头固定板；X轴向底板的一侧设置有沿着X轴向延伸的磁栅尺，动子固定板的一侧设有磁栅尺读数头。喷墨单元固定在力矩电机上，悬挂出来，绕Y轴转动，将Z轴的伺服电机安装在型材上，绕Y轴旋转的力矩电机安装在底座导轨上。Z轴向旋转轴可旋转地直立连接于所述动子固定板，其一端连接于力矩电机的输出轴；连接板固定套接于所述Z轴向旋转轴，且其一端固定连接于喷头固定板；所述喷头固定板用于安装喷头。喷码品检机的喷墨头与旋转轴是通过摆臂连接的，当喷码机加速工作时，加速度变大，喷墨头的键槽处在喷墨头的惯性力作用下就会受到一定的形变，而摆臂也会随着键槽受力加倍形变，摆臂形变过大就会影响喷墨精度，所以应该用有限元分析软件进行分析其形变量的大小来检查其型变量是否符合要求。旋转轴是喷码机的核心装置，是喷墨头工作的基本轴，喷墨头摆臂安装在旋转轴上，直线电机也安装在旋转轴上，当直线电机加速运作时，喷墨头在直线电机的带动下围绕旋转轴旋转，所以旋转轴会受到电机和喷墨头共同带来的作用力发生形变，那么应该对旋转轴进行有限元分析来确保其不会影响喷墨精度。 2 喷墨头定位装置摆臂及旋转轴三维模型的建立
利用三维建模软件Solidworks建立喷墨摆臂和旋转轴三维模型，并建立配合关系，如图2，3所示。为了后续方便与有限元分析软件ANSYS对接，将文件保存为parasolid格式。
3 有限元静力学分析
3.1 模型的导入与材料参数设置
将保存好的Parasolid格式的喷墨头摆臂和旋转轴的文件导入有限元分析软件Ansys Workbench，新建的摆臂和旋转轴的材料为45钢，密度设置为7850 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.06E+11，如图4所示。
3.2 施加约束及划分网格
建立有限元静力学仿真模型后，对喷墨头摆臂和旋转轴施加约束，摆臂固定在喷墨头的连接板上，所以约束在此处，连接轴在下方固定板上被螺丝固定，所以约束在此。
在计算机计算能力允许能力下，尽可能的划分更多的网格來保证结果的准确性，经多次实验后将网格精度确定为2mm，如图5，6所示。
3.3 施加载荷
直驱电机的持续力矩为12.6N·m，换算为作用在两个键槽上的力共为1260N，平均每个键槽上的力约为630N，因此，在喷墨头摆臂的键槽处施加630N的力，旋转轴的载荷施加在上方与直驱电机的键槽处，如图7，8所示。
3.4 求解分析
经过Ansys软件分析之后得到喷墨头摆臂和旋转轴的应力云图（图9，10）和应变云图（图11，12）。
分析结果显示，在直驱电机扭力的作用下，喷墨头摆臂的最大形变量在其键槽处，最大形变量为0.0216mm，旋转轴的最大形变量在其与直驱电机接触端轴头的键槽处，最大形变量为0.03mm，均符合设计要求。
4 结论
本文对喷码品检机喷码装置进行三维建模，将因装置加速运动在惯性力下产生形变量而影响喷码精度的喷墨头摆臂与旋转轴导入Ansys有限元软件进行分析，导入三维模型来设置材料参数，然后施加约束及划分网格来保证准确性，在键槽处施加约束和载荷，分析得出摆臂和旋转轴的应变和应力云图。分析结果显示，摆臂和旋转轴的最大形变均符合要求，研究结果为喷码品检机的优化设计提供了理论依据。
参考文献：
[1] 蔡吉飞，王刚，房瑞明等.品检原理与工艺[M].北京：北京艺术与科学电子出版社，2017：1-3.
[2] 佚名.国内喷码机发展现状[J].中国包装工程，2003，（5）：13.
[3] 节德刚.宏/微驱动高速高精度定位系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.
[4] 日本京瓷推出世界最快打印速度的喷墨头[J].中国包装工业，2012，（12）：14.
[5] 姜文锐.大行程高精度微进给系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[6] 王力超.大行程高精度定位系统控制技术研究[D].安徽大学，2012.
[7] 谢素玲.基于球栅传感器的高精度位移测量技术研究[D].杭州电子科技大学，2012.
关键词：喷码品检机；喷墨头摆臂；旋转轴；静力学分析
中图分类号：TB48；TS8 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0047-04
基金项目：北京市教委科研计划一般项目（喷码印刷动态定位关键技术的研究KM2019100150005）；北京市教委面上项目（高速印刷机凸轮系统冲击问题建模及参数识别方法研究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
不断提高的生活品质使人们越来越关注产品自身的质量，生活中出现的商品琳琅满目，包装也逐渐日新月异，但是有的商家为了更高的利润对高价值的商品进行仿制。在物联网和科技飞速发展的当代社会，外包装上的条形码和二维码技术在鉴别商品真伪方面就显得尤为重要，可扫码查询商品的生产信息及生产地，实现一品一码，商家在产品包装的表面进行模切、烫金、上光等印后加工工艺来提升产品的颜值和档次，也增加了仿制难度。喷码印刷机标准JB/T13206-2017规定，这个偏差不得超过0.3mm[1，2，3]。该标准在制定时考虑了现有企业技术实际能够达到的情况，但烟标、酒标、药标等产品要求码和图像之间的套印误差必须小于0.1mm，导致现在需要一套精度更高的喷码品检机，不光可以解决市场上出现的问题，还可以为其他行业提供研究思路[4，5，6]。
1 喷墨定位平台
定位平台种类很多，针对工作环境的不同，由不同功能的零件组成。目前常见的高精度定位平台，按照驱动类型分为丝杠驱动定位平台、直线电机驱动定位平台、陶瓷电机驱动定位平台、同步带驱动定位平台、齿轮齿条驱动定位平台。喷墨单元的定位过程主要是在印刷产品上实现精确定位，进而提高机器的喷墨精度。喷墨定位系统是将喷墨头精准的在纸张上将坐标系移动到想要喷墨的位置。要实现喷墨头的准确工作，需要电机、机械结构、视觉系统、位置及速度传感器、控制系统共同组成。定位平台要实现三轴联动、适合多种硬件操作平台、可以匹配各种伺服系统。
定位平台的机械结构类型比较多，在不同的工作条件下，一般由功能不一的零件构成，虽然零件不同但是其结构形式主要有H型式、封闭口型式和悬臂梁式[7]。
如圖1所示，考虑到H型式结构对安装精度过高，所以选择悬臂梁式结构，包括X轴向底板，设于X轴向底板上的直线导轨，包括定子和动子的直线电机、动子固定板和定子固定板，动子固定板通过滑块可滑动地连接于直线导轨；动子固定于动子固定板上，定子固定于定子固定板上，定子固定板垂直固定于X轴向底板；Z轴向旋转轴可旋转地直立连接于动子固定板，其一端连接于力矩电机的输出轴；连接板固定套接于Z轴向旋转轴，且其一端固定连接于喷头固定板；X轴向底板的一侧设置有沿着X轴向延伸的磁栅尺，动子固定板的一侧设有磁栅尺读数头。喷墨单元固定在力矩电机上，悬挂出来，绕Y轴转动，将Z轴的伺服电机安装在型材上，绕Y轴旋转的力矩电机安装在底座导轨上。Z轴向旋转轴可旋转地直立连接于所述动子固定板，其一端连接于力矩电机的输出轴；连接板固定套接于所述Z轴向旋转轴，且其一端固定连接于喷头固定板；所述喷头固定板用于安装喷头。喷码品检机的喷墨头与旋转轴是通过摆臂连接的，当喷码机加速工作时，加速度变大，喷墨头的键槽处在喷墨头的惯性力作用下就会受到一定的形变，而摆臂也会随着键槽受力加倍形变，摆臂形变过大就会影响喷墨精度，所以应该用有限元分析软件进行分析其形变量的大小来检查其型变量是否符合要求。旋转轴是喷码机的核心装置，是喷墨头工作的基本轴，喷墨头摆臂安装在旋转轴上，直线电机也安装在旋转轴上，当直线电机加速运作时，喷墨头在直线电机的带动下围绕旋转轴旋转，所以旋转轴会受到电机和喷墨头共同带来的作用力发生形变，那么应该对旋转轴进行有限元分析来确保其不会影响喷墨精度。 2 喷墨头定位装置摆臂及旋转轴三维模型的建立
利用三维建模软件Solidworks建立喷墨摆臂和旋转轴三维模型，并建立配合关系，如图2，3所示。为了后续方便与有限元分析软件ANSYS对接，将文件保存为parasolid格式。
3 有限元静力学分析
3.1 模型的导入与材料参数设置
将保存好的Parasolid格式的喷墨头摆臂和旋转轴的文件导入有限元分析软件Ansys Workbench，新建的摆臂和旋转轴的材料为45钢，密度设置为7850 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.06E+11，如图4所示。
3.2 施加约束及划分网格
建立有限元静力学仿真模型后，对喷墨头摆臂和旋转轴施加约束，摆臂固定在喷墨头的连接板上，所以约束在此处，连接轴在下方固定板上被螺丝固定，所以约束在此。
在计算机计算能力允许能力下，尽可能的划分更多的网格來保证结果的准确性，经多次实验后将网格精度确定为2mm，如图5，6所示。
3.3 施加载荷
直驱电机的持续力矩为12.6N·m，换算为作用在两个键槽上的力共为1260N，平均每个键槽上的力约为630N，因此，在喷墨头摆臂的键槽处施加630N的力，旋转轴的载荷施加在上方与直驱电机的键槽处，如图7，8所示。
3.4 求解分析
经过Ansys软件分析之后得到喷墨头摆臂和旋转轴的应力云图（图9，10）和应变云图（图11，12）。
分析结果显示，在直驱电机扭力的作用下，喷墨头摆臂的最大形变量在其键槽处，最大形变量为0.0216mm，旋转轴的最大形变量在其与直驱电机接触端轴头的键槽处，最大形变量为0.03mm，均符合设计要求。
4 结论
本文对喷码品检机喷码装置进行三维建模，将因装置加速运动在惯性力下产生形变量而影响喷码精度的喷墨头摆臂与旋转轴导入Ansys有限元软件进行分析，导入三维模型来设置材料参数，然后施加约束及划分网格来保证准确性，在键槽处施加约束和载荷，分析得出摆臂和旋转轴的应变和应力云图。分析结果显示，摆臂和旋转轴的最大形变均符合要求，研究结果为喷码品检机的优化设计提供了理论依据。
参考文献：
[1] 蔡吉飞，王刚，房瑞明等.品检原理与工艺[M].北京：北京艺术与科学电子出版社，2017：1-3.
[2] 佚名.国内喷码机发展现状[J].中国包装工程，2003，（5）：13.
[3] 节德刚.宏/微驱动高速高精度定位系统的研究[D].哈尔滨工业大学，2006.
[4] 日本京瓷推出世界最快打印速度的喷墨头[J].中国包装工业，2012，（12）：14.
[5] 姜文锐.大行程高精度微进给系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[6] 王力超.大行程高精度定位系统控制技术研究[D].安徽大学，2012.
[7] 谢素玲.基于球栅传感器的高精度位移测量技术研究[D].杭州电子科技大学，2012.