基于ANSYS的喷码检品机喷墨定位平台有限元分析

王康 张阳 杨承鑫

摘要：喷墨定位系统是一种以印品图像位置为基准，通过机器设备调节喷墨头组成的喷墨单元位置来提高喷墨上光和喷码等印刷设备喷墨点定位准确度的装置平台，为加强喷墨定位系统的精准度，以喷墨定位平台为研究对象，使用SolidWorks对喷码检品机的喷墨定位平台绘制三维模型，并以parasolid格式导入到ANSYS Workbench中进行有限元静力学分析，得出喷墨定位平台的最大形变量为0.082mm，远小于其要求的定位精度0.1mm，定位平台的承载和刚度也能够满足要求。再对喷墨定位平台进行模态分析和谐响应分析，通过分析得出喷墨定位平台的固有频率、振型以及振幅与频率的关系，再对比模态分析与谐响应分析的结果，发现在220.45Hz， 315.4Hz， 317.08Hz， 518.54Hz附近，喷墨定位平台最容易出现共振现象，应尽可能避免这些频率附近的外部激励。

关键字：喷墨定位平台；静力学分析；模态分析；谐响应分析

中图分类号：TB48；TS8 文献标识码：A 文章编号：1400 （2021） 09-0052-05

Finite Element Analysis of Inkjet Positioning Platform of Inkjet Code Inspection Machine Based On ANSYS

WANG Kang， ZHANG Yang， YANG Cheng-xin

（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）

Abstract： Inkjet positioning system is a kind of device platform which takes the position of printing image as the reference and improves the positioning accuracy of inkjet points of printing equipment such as inkjet polishing and inkjet coding by adjusting the position of inkjet unit composed of inkjet head by machine and equipment. In order to strengthen the accuracy of inkjet positioning system， the inkjet positioning platform is taken as the research object. SolidWorks was used to draw a 3D model of the inkjet positioning platform of the inkjet inspection machine and imported it into ANSYS Workbench in Parasolid format for finite element static analysis. It was concluded that the maximum shape variable of the inkjet positioning platform was 0.082mm， far less than its required positioning accuracy of 0.1mm. The load bearing and stiffness of the positioning platform can also meet the requirements. Then， the inkjet positioning platform was analyzed by modal analysis and harmonious response analysis. Through the analysis， the natural frequency， mode shape and the relationship between amplitude and frequency of the ink-jet positioning platform were obtained. Then， by comparing the results of modal analysis and harmonic response analysis， it was found that near 220.45Hz， 315.4Hz， 317.08Hz and 518.54Hz， Ink-jet positioning platforms are most prone to resonance， and external excitation near these frequencies should be avoided as much as possible.

Key words： inkjet positioning platform； static analysis； modal analysis； harmonic response analysis

噴码技术的应用对象主要分为两类，一是产品的包装，如酒水饮料、食品医疗等方面；二是产品自身也需要注明日期，型号等信息，在通信、电线电缆、建筑材料、电子产品等方面应用广泛。现如今人们对产品的品质要求愈来愈高，对产品信息的标注和要求也愈来愈高，政府和相关部门出台了对应的政策，这大大刺激了喷码技术的发展。

喷墨定位系统是将喷墨头精确地定位到某个指定坐标系下的参考点，是一种精密定位平台。其中喷墨定位平台是喷墨定位系统的核心部分，起着固定和支持其他部件的作用，喷墨定位系统在工作过程中受到与其联接的设备运转所产生的复杂性载荷和振动，如果引起的振动频率达到了与喷墨定位平台本身的固有频率相近或者一致时，就会产生共振现象，影响喷码的质量和精度，甚者破坏喷墨定位平台的稳定性，使整个喷码检品机出现安全问题甚至损坏。

1 建立喷墨定位平台有限元模型

以喷墨定位平台为研究对象，利用SolidWorks三维建模软件对喷墨定位平台进行建模如图1所示，喷墨定位平台包括将三维模型保存为parasolid格式导入到ANSYS Workbench中进行有限元分析。

1.1 定义材料属性

喷墨定位平台的材料参数如表1所示：

1.2 对喷墨定位平台进行网格划分

作为ANSYS有限元分析模拟中重要的环节，网格划分要综合考虑计算量的大小和计算结果精度这两个因素，在权衡这两个方面后再确定网格的数量，在不影响计算结果精度的前提下，采取4.0mm的网格尺寸作为划分，图2是划分完后的有限元模型，单元数为213641个，节点数是361835个。

2 有限元静力学分析

对喷墨定位平台施加约束，并对喷墨定位平台添加自身重力及施加相应的作用力，喷码品检机喷墨定位平台在静态下系统的变形和应力分布情况如图3，4所示。

从图3和图4可以看出，在施加喷墨定位平台自身重力以及相应作用力条件下，喷墨定位平台底板向下变形，最大变形量为0.082mm，应力发生在底板中部，最大应力为8.9018MPa。最大形变量0.082mm远小于要求的定位精度0.1mm，且定位平台的承载和刚度也能够满足要求。

3 喷墨定位平台的模态分析

模态分析就是指通过计算和实验分析来获取机器设备所特有的振动特征的分析试验过程。经过模态分析就可以求得机器设备在哪个或者哪些频率域内容易受到干扰，得到这些数据就可以在设计或者实际生产中，尽量规避掉这些频率下的外部激励。

通过模态分析得出喷码检品机喷墨定位平台前6阶变形云图如图5所示，固有频率和振型如表2所示。

从图5可以看出，喷墨定位平台最小固有频率为220.45Hz，最大固有频率为588.53Hz，其中4阶模态当固有频率为393.78Hz时，喷墨定位平台变形达到最大值48.07mm，2阶模态当固有频率为315.4Hz时，喷墨定位平台变形值最小，变形值为10.21mm。结合表2可以看出当外部的激励频率与喷墨定位平台的固有频率接近或相同时，定位平台底板和定子固定板容易出现弯曲变形。

4 谐响应分析

前文对喷墨头联定位平台进行的模态分析，喷墨头定位平台在这6阶的固有频率附近都有可能发生共振，所以在200-600Hz之间进行一次扫频分析，取子步为50个。

在上述分析的基础上，对采喷墨定位平台整体进行谐响应分析，得到了在X轴、Y轴和Z轴3个方向上振幅与频率之间的关系曲线图如图6所示。

从图6的谐响应分析振幅与频率关系曲线图可以看出，在X轴方向上，频率在220.45Hz，315.4Hz，317.08Hz处幅值最大；X方向出现的振幅最大，定位平台容易发生共振。在Y轴方向上，频率在315.4Hz，317.08Hz和518.54Hz处幅值最大；Y方向出现的振幅最大，定位平台容易发生共振。在Z轴方向上，频率在220.45Hz和518.54Hz处幅值最大。Z方向出现的振幅最大，定位平台容易发生共振。为了降低喷墨定位平台振动对喷码精度的影响，要尽量避免这些频率附近的外部激励。

5 结论

通过建立喷墨定位平台有限元模型，先进行静力学分析，在自身重力以及相应作用力条件下，喷墨定位平台最大变形量为0.082mm，远远小于要求的定位精度0.1mm，变形量满足要求，最大应力为8.9018MPa，底板的承载能力和刚度也能够满足要求。再对其进行模态分析和谐响应分析，得到了喷墨定位平台的前6阶模态变形云图以及频率与振幅之间的关系曲线图，发现在220.45Hz，315.4Hz，317.08Hz，518.54Hz附近，喷墨定位平台最容易出现共振现象，应尽可能避免这些频率附近的外部激励。

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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）