基于ANSYS Workbench喷墨定位平台有限元分析

王富豪 张阳 蔡吉飞

摘要：为了提高喷墨定位平台的精度，使喷墨定位平台在工作过程中的变形量小于0.1mm，满足工作的要求，需要对喷墨定位系统中的喷墨定位平台进行有限元分析，进而验证喷墨定位平台的变形量。首先使用Solidworks建立三维模型，然后导入ANSYS Workbench中，建立有限元模型，得到应变云图。然后与理论变形值进行对比分析，从而可以判断定位平台是否符合实际要求。

关键词：喷墨定位平台；ANSYS Workbench；应变云图

中图分类号：TS803；TS8；TB48 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 08-0021-03

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）

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

隨着我国经济快速发展，人们的生活水平也在逐步提高。人们对烟、酒、药以及食品的需求量大幅增长。随着这些商品的需求量提高，其包装问题逐步成为热门话题。许多商家为了追求利益，出售假冒伪劣商品。为了解决这一问题，二维码和条形码被广泛应用到商品包装中。在实际工作过程中，提高喷墨定位平台的精度即可控制二维码和条形码的真实性[1]。因此，提高喷墨定位平台的精度是十分具有现实意义的。

喷墨定位系统的结构十分复杂，但是目前国内高精度定位系统的主要驱动方式和机构形式比较相似。在设计定位机械结构时，对技术人员的要求比较高，必须达到设计合理有效，稳定而又达到工作要求的机构。目前常用的定位平台机构有串联、并联和混联方式[4]。本文以喷墨定位系统中的喷墨定位平台为研究对象进行有限元分析，即使用ANSYS Workbench对定位平台进行有限元静力学分析[2]。有限元静力分析的主要过程即先把CAD模型转化为CAE模型，主要操作步骤把CAD模型转化为ANSYS可识别模型。然后对喷墨定位平台划分合适的网格，即网格不宜过度精密，如果网格过细，会增加计算机的求解时间；如果网格太大，则求出的结果会不准确。然后根据喷墨定位平台实际工作的情况，用各种传感器或者其他测试工具，测出其工作载荷，然后在ANSYS上添加工作载荷和约束，最后求解得到喷墨定位平台的应变云图。在得到应变图后即可以求出喷墨定位平台的最大变形量，得出最大形变量值以后即可分析其结果。

1 建立喷墨定位平台的三维模型

在建立喷墨定位平台的三维模型时，可选择的三维软件众多，例如UG、CATIA等。但对建立喷墨定位平台来说，使用Solidworks是最合适的软件，Soliworks功能强大，使用范围比较广。因此使用Solidworks建立喷墨定位平台的三维模型，如图1所示。由于喷墨定位平台结构非常多，选择的方式多种多样，其结构形式有悬臂梁式、封闭口式等结构形式。为了满足项目需求，本文选择悬臂梁式定位平台进行有限元分析。

2 喷墨定位平台工作方式

喷墨定位平台的工作方式按图2喷墨定位平台简化模型分析，喷墨单元悬挂且绕如图所示的Y轴转动，力矩电机固定在移动板上，移动板与滚珠丝杠连接，从而实现喷墨单元可以沿着Z轴方向运动。在设计过程中，将Z轴伺服电机安装在型材上，绕Y轴旋转的电机安装在导轨上，不仅解决喷墨单元的偏载问题，还可以提高平台的稳定性和负载能力。

3 喷墨定位平台有限元静力学分析

3.1 有限元软件简介

ANSYS软件是融合热、电流、电磁、声学于一体的大型有限元分析软件，可广泛的应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、汽车交通国防军工、电气、电子、土木工程、造船、生物医学、机械制造等一般工业及科学研究。该软件可在许多计算机以及操作系统中运行[3]。并且能与多数的CAD软件结合使用，实现数据的交流，例如AutoCAD、Pro等软件。因此ANSYS是现在产品中的高级CAD工具之一。除此之外，使用ANSYS Workbench软件可以模拟仿真，大大节约了材料和资源，因此，该软件在工程应用上具有十分重要的意义。

3.2 定位平台材料的参数设置

喷墨定位平台的组成材料主要有铝合金和45号钢，通过查阅有关资料可以得到铝合金和45的弹性模量、泊松比和密度。喷墨定位平台的材料参数具体数值如表1所示。

3.3 建立喷墨定位平台有限元模型

首先把Solidworks2020建立的三维模型转化为Parasolid格式，且保存。然后导入ANSYS Workbench中，可得到有限元模型如图3所示。

3.4 網格划分及添加载荷约束

在对模型进行网格划分时，可以选择四面体和六面体网格。根据四面体和六面体网格的特点，四面体的精度稍微偏低，但是四面体执行效率更高，六面体的精度虽然高一些，但是六面体执行起来更浪费时间，且划分网格不如正四面体均匀，综合考虑选择使用正四面体网格。使用此网格得出的节点数和单元数可以达到有限元分析的要求[5]。在划分网格后，需要添加载荷和约束，在考虑实际工作情况下，由于喷墨定位平台的底座固定不动，所以对平台基座添加固定约束，在有限元软件中选择Fixed support。除此之外，平台自身的重力对实验结果影响比较大，因此在进行有限元分析时需要考虑到平台的重力，并且做出合理的简化。定位平台的外力和力矩由实际工作情况可以通过仪器测量得到，其外力及力矩如下：在Z轴方向施加载荷力为91.62N，电机组的重力为129.5N，电机的力矩为1.65N/m。

3.5 求解结果并分析

在完成网格划分和添加载荷和约束后，则可以进行有限元静力学求解分析，通过软件求解分析以后再插入喷墨定位平台的合变形，即可以得到喷墨定位平台的应变云图如图4所示。

得到应变云图后，通过查看应变云图，在添加载荷及约束的情况下，喷墨定位平台中间最大变形为 0.059mm，而定位平台的要求变形量小于0.1mm，因此，该喷墨定位平台在工作的过程中变形量达到要求，即形变量在设计指标之内。所以喷墨定位平台在工作过程中最大形变量达到实际的工作要求[6]。

4 总结

1）使用喷墨定位平台可以很好的鉴别二维码和条形码的真假，但是必须提高喷墨定位平台的精度方可达到理想效果。因此，提高喷墨定位平台的精度十分具有实际的工程意义。除此之外，通过此有限元结果分析，如果提高该喷墨定位平台的精度，最重要的就是加固定位板，使定位板的最大变形减小即可达到最终目的。

2）通过使用有限元分析软件，可以很好的验证喷墨定位平台在工作过程中的最大形变量。找到此最大形变量后，与工作要求的标准进行对比并分析，可以很好的避免最大形变量处发生破坏，且验证喷墨定位平台的刚度是否达到要求。

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.

[2] 刘伟，高维成，于广滨.ANSYS12.0宝典[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3] 方波，杨丽华，屈盛官，李小强.基于ANSYS Workbench 的外啮合齿轮泵泵体有限元分析及优化[J].液压与气动，2021，01-25.

[4] 贾晓辉，张大卫.三自由度精密定位工作台的设计与运动学分析[J].天津大学学报，2010，43（5）：457-463.

[5] 浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例讲解[M].北京：中国 水力水电出版社，2016-06-23.

[6] 吴炳胜，胡明伟，陈秋平.基于ANSYS Workbench的圆管带式输送机桁架结构的有限元分析起重运输机械，2021-02-04.