基于ANSYS 的自动试管贴标机驱动辊力学性能分析

莫喜玄，张 娟，高兴宇，蒋文彦，梁小欢，龚 平

（1. 桂林星汉科技股份有限公司，广西 桂林 541000；2.桂林医学院附属医院健康体检中心，广西 桂林 541000；3.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

0 引言

目前，随着医院检验标本数量及检验参数的不断增多，传统手工标志试管医疗信息标签的工作模式已逐渐暴露出其缺点和问题，即效率不够高，贴标不规范。虽然市场上存在着了一些自动贴标机，但仅是实现自动化贴标，并不能做到全程自动化[1-3]。现设计了一款新型全自动试管贴标机，能够实现料仓、试管移取、打印贴标全程自动化，有效地解决了人工效率低，贴标不规范的问题。文中针对这种全自动试管贴标机进行有限元分析，对贴标机关键部件进行静载、平稳运行工况下的力学特性分析，旨在对比分析探讨关键部件的静力学性能、抗变形能力，验证了该装置的理论研究和结构优化可行性。

1 工作原理

结合常用的条码打印机的基本结构，研究了一种全自动贴标机，用于解决现有技术取样试管贴标效率不高、贴标规范性和一致性差的问题。全自动贴标机的总体结构如图1，包括料仓机构、试管移取机构和打印贴标机构。试管与驱料仓机构通过多个竖向排列且倾斜的试管滑槽组装，试管滑槽的宽度大于试管管身的尺寸但小于试管管帽部分尺寸，竖向试管在自身重力作用下从试管滑槽高端滑动至底端且顺序排列；试管移取机构则是通过夹取单元将试管滑槽上的试管夹取自动至打印贴标机构上；打印贴标机构包括带动试管旋转的贴标驱动单元和在试管上打印标记的打印单元，试管与驱动辊、副辊之间的运动关系见图2。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

三维有限元分析已广泛用于定量评估结构临界区的应力[4，5]。因此，在这项研究中，选择有限元分析方法来检验驱动辊在静态、动态载荷下的力学性能。驱动辊的芯轴材料是45#钢，外层为聚氨酯材料。45#钢材料密度7.89 × 103kg/m3，杨氏模量为2.09 MPa，泊松比为0.269，抗拉强度600 MPa、屈服强度355 MPa。采用ANSYS Workbench 中的六面体域网格划分方法对驱动辊进行网格划分，其有限元模型如图3。网格单边尺寸为0.5 mm，节点数为301216、单元数为67626。

图3 驱动辊有限元模型

2.2 接触模型的建立

在进行模型仿真计算之前，需明确各组件间的相对运动条件和接触关系。对驱动辊两端施加Displacement 约束，释放其绕轴向旋转的自由度；外层材料与芯轴之间施加Frictional 接触，摩擦系数设置为0.3。

3 静态动力学仿真结果分析

用ANSYS Workbench 的静力学分析模块进行仿真分析，分析结果如图4 和5 所示。由图3 可知，驱动辊的最大应力位置发生在外层与芯轴的过渡处区域，最大等效Von-Mises 应力值为119.09 MPa，该值小于材料的屈服极限355 MPa。通过等效应变分布云图可知，驱动辊的变形量为0.00067 mm，不会影响试管的正常贴标工作。所以，驱动辊不会发生静载破坏。

图4 等效应力分布云图

图5 等效应变分布云图

4 瞬态动力学仿真结果分析

采用ANSYS Workbench 的瞬态分析模块（Transient Structural）对驱动辊系统正常贴标运行状态下的动力学特性进行分析。通过分析得到了不同时刻下的驱动辊等效应力分布。由图6 可知，驱动辊的最大等效应力位置发生在芯轴与外层过渡区域，结合实际经验，芯轴与外层过渡区域易发生疲劳破坏。

图6 0.02s 时刻驱动辊等效应力分布云图

5 结语

针对目前传统手工标志试管医疗信息标签的工作模式已逐渐暴露出的缺点和问题，即效率不够高，贴标不规范。对一种新型自动试管贴标机进行有限元分析，研究了不同工况下驱动辊的最大等效应力和最大等效应变，确定了应力集中位置。通过两种工况下驱动辊力学性能探讨分析，验证了该装置的理论研究和结构优化可行性。