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摘要：为了保证喷码检品机直线电机的定子与动子之间需要的0.7mm的缝隙，提高喷码定位装置的喷墨精确性，保证喷码位置误差在0.1mm以内，利用SolidWorks建立喷码检品机的三维模型后导入ANSYS软件对喷码检品机设备的定子固定板进行机械结构的静力学仿真，因为定子固定板变形量较大，拟定了三种不同的加强筋板布置方式来增大该板的强度，通过有限元分析的数据发现采用横向和纵向相结合的加强筋布置方式可以使定子固定板的形变量达到最低，形变量为0.089mm。
关键词：喷码检品机；定子固定板；静力学仿真
中图分类号：TS8 文献标识码：A 文章編号：1400 （2021） 07-0039-05
Optimization Analysis of Code Spraying Positioning Device of Code Spraying Inspection Machine Based on Finite Element Method
YANG Cheng-xin， ZHANG Yang， CAI Ji-fei
（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）
Abstract： In order to ensure the required 0.7mm gap between the stator and the Mover of the linear motor of the code-spraying inspection machine， improve the inkjet accuracy of the code-spraying positioning device and ensure that the error of the code-spraying position is within 0.1mm， a three-dimensional model of the code-spraying inspection machine is established by SolidWorks， and the static simulation of the mechanical structure of the stator fixing plate of the code-spraying inspection machine is carried out by ANSYS software， because the deformation of the stator fixing plate is large. Three different reinforcement plate arrangements are proposed to increase the strength of the plate. Through the data of finite element analysis， it is found that the transverse and longitudinal reinforcement arrangement can minimize the deformation of the stator fixed plate， which is 0.089 mm.
Key words： code spraying inspection machine； stator fixing plate； static simulation
我国经济迅速发展，生活中商品也逐渐多样化，产品的包装也各式各样，一些不良商家为了盲目的追求利益最大化，对价格较高的商品进行仿制，这就导致市场上存在大量假冒伪劣商品的现象，尤其是在生活用品方面居多。为了避免假冒伪劣商品的出现损坏公司的声誉、侵害消费者的权益，烟酒包装等厂家对二维码喷码精度提出了更高的要求，要求喷码位置误差在0.1mm以内，然而由于振动、定位精度、喷码装置受力变形等因素的影响，现在的喷码装置精度只能达到0.3mm左右，达不到厂家要求的高精度[1-4]。市场上迫切需要一套高精度的喷码定位装置，此外喷码装置的高精度研究不仅可以提高喷码、上光等印刷设备的喷印精度，也会给其他行业高精度定位的研究提供思路[5-7]。
1 喷墨定位装置和定子固定板三维模型的建立
如图1所示，喷码品检机装置，包括X轴向底板、位于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。直线电机说明书上内容指出，直线电机的动子与定子之间有磁吸引力、磁吸引力的大小为2414N，在磁吸引力的作用下，用于固定定子的定子固定板会发生变形，该变形会影响定子与动子间的距离，也会影响喷码精度，变形根据直线电机说明书，在直线电机的定子与动子间的间隙为0.7mm时，直线电机能够达到最佳的驱动效果。为了保证喷码检品机直线电机的定子与动子之间需要的0.7mm的缝隙，提高喷码定位装置的喷墨精确性，保证喷码位置误差在0.1mm以内，要对直线电机的定子固定板的刚度进行有限元静力学分析，若在磁吸引力的作用下，直线电机的定子固定板变形过大，使动子与定子之间的间隙过小，则必须对定子固定板进行优化加固，使其达到一定刚度。
利用三维建模软件Solidworks建立喷墨定位装置和定子固定板三维模型，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。
2 有限元静力学分析
2.1 模型的导入与材料参数设置
将保存好的Parasolid格式定子固定板文件导入到有限元分析软件Ansys Workbench，如图4所示，新建定子固定板材料为铝合金，密度设置为2810Kg/ m3，弹性模量为7.17*1010Pa，泊松比设置为0.33，如图5所示。
2.2 施加约束与划分网格
建立有限元力学模型之后，对直线电机定子固定板添加约束，为保证直线电机定子固定板安装后的垂直度，在该板的下部铣有子口，其安装位置在底板下方的子口处，因此在该处添加固定约束，如图6所示。在计算机计算能力允许条件下，尽可能划分精细的网格以保证计算结果的准确度，如图7。经多次实验后将网格精度确定为2mm，划分后节点数255442，单元数147105。
2.3 施加载荷
当直线电机的动子运动到直线电机定子固定板的中间时，在磁吸引力的作用下，其变形应该是最大的，因此，在直线电机定子固定板的中间施加2414N的载荷，如图8所示。
2.4 求解分析
经过Ansys分析之后得到定子固定板总变形云图（图9）与Z方向变形云图（图10）。
分析结果显示，在直线电机定子与动子吸引力的作用下，该定子固定板的最大变形出现在直线电机的定子与动子的吸引力处，和变形最大值0.68857mm，Z方向最大变形值0.68803mm，这个变形量虽然不超过直线电机的定子与动子之间的间隙，但是最大变形量几乎已经接近要求的至少0.7mm的间隙，加上厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内，即现在的定子固定板刚度不能满足结构的要求，因此需要对此板进行加强处理。
3 结构优化分析
考虑定子固定板变形量较大，若对整板进行加固的话，成本较高，而且效果未必明显，因此采用加强筋的形式对该板关键位置进行局部加固，使用加强筋的目的是使定子固定板的Z方向变形足够小，因此加强筋的布置方案有可以有以下三种：第一种是沿着定子固定板的横向布置，第二种是沿着定子固定板的纵向布置，第三种是横向和纵向相结合的方式，加固后的直线电机定子固定板三维模型图如图11所示。
将三种筋板布置方案再次导入Ansys Workbench进行分析，得到三种方案下的定子固定板最大和变形与Z方向的最大变形量，如图12所示。
根据分析结果绘制成表格1，通过三种方案的比较，可以看出，在该定子固定板上以任何一种方式增添加强筋，都能使该板变形量减小，达到提高定子固定板的强度和刚度的目的。但是方案一和方案二的和变形都在0.1mm以上，超过了厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内的需求，方案三不仅保证了定子与动子之间0.7mm间隙，其和变形量0.089mm也在厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内。
4 结论
本文对喷码检品机喷码装置进行三维建模，将因变形而影响喷码精度的定子固定板导入有限元软件进行分析，在未优化条件下，定子固定板形变量较大，达到0.688mm，在很大程度上影响了喷码的精度。然后拟定了横向布置筋板，纵向布置筋板，横向和纵向相结合布置筋板三种方案来提高定子固定板的强度，将三种方案模型分别导入Ansys再次进行静力学分析，得到三种方案下的定子固定板变形量，从得到的数据可以看出方案三即横向和纵向相结合布置筋板在提高该板强度，降低该板变形量，提高喷码装置喷码精度效果上最为显著，使定子固定板形变量降低了87%，故采用横向和纵向相结合布置筋板的方式为最佳方案，予以采用。
参考文献：
[1] 位士博.喷码品检机喷码系统精度的分析与研究[D].北京印刷学院，2017-12-01.
[2] 佚名.国内喷码机发展现状[J].中国包装工业，2003，05-20.21
[3] 范昌富.大字符喷码机控制系统研究[D].广西师范大学，2016-05-01.
[4] 赖昌华.高精度喷墨定位系统关键技术研究[D].北京印刷学院，2020-05-01.
[5] 袁先珍.食品包装日期喷码检测系统设计[J].包裝工程，2020，03-10.
[6] 李豫南，周晓丽.浅析喷码机现状及发展趋势[J].中国井矿盐，2016，11-25.5
[7] 樊留强，惠延波.喷码机的研究与应用[J].电脑知识与技术，2016，10-17.
关键词：喷码检品机；定子固定板；静力学仿真
中图分类号：TS8 文献标识码：A 文章編号：1400 （2021） 07-0039-05
Optimization Analysis of Code Spraying Positioning Device of Code Spraying Inspection Machine Based on Finite Element Method
YANG Cheng-xin， ZHANG Yang， CAI Ji-fei
（Beijing Institute of Graphic Communication， Beijing 102600， China）
Abstract： In order to ensure the required 0.7mm gap between the stator and the Mover of the linear motor of the code-spraying inspection machine， improve the inkjet accuracy of the code-spraying positioning device and ensure that the error of the code-spraying position is within 0.1mm， a three-dimensional model of the code-spraying inspection machine is established by SolidWorks， and the static simulation of the mechanical structure of the stator fixing plate of the code-spraying inspection machine is carried out by ANSYS software， because the deformation of the stator fixing plate is large. Three different reinforcement plate arrangements are proposed to increase the strength of the plate. Through the data of finite element analysis， it is found that the transverse and longitudinal reinforcement arrangement can minimize the deformation of the stator fixed plate， which is 0.089 mm.
Key words： code spraying inspection machine； stator fixing plate； static simulation
我国经济迅速发展，生活中商品也逐渐多样化，产品的包装也各式各样，一些不良商家为了盲目的追求利益最大化，对价格较高的商品进行仿制，这就导致市场上存在大量假冒伪劣商品的现象，尤其是在生活用品方面居多。为了避免假冒伪劣商品的出现损坏公司的声誉、侵害消费者的权益，烟酒包装等厂家对二维码喷码精度提出了更高的要求，要求喷码位置误差在0.1mm以内，然而由于振动、定位精度、喷码装置受力变形等因素的影响，现在的喷码装置精度只能达到0.3mm左右，达不到厂家要求的高精度[1-4]。市场上迫切需要一套高精度的喷码定位装置，此外喷码装置的高精度研究不仅可以提高喷码、上光等印刷设备的喷印精度，也会给其他行业高精度定位的研究提供思路[5-7]。
1 喷墨定位装置和定子固定板三维模型的建立
如图1所示，喷码品检机装置，包括X轴向底板、位于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。直线电机说明书上内容指出，直线电机的动子与定子之间有磁吸引力、磁吸引力的大小为2414N，在磁吸引力的作用下，用于固定定子的定子固定板会发生变形，该变形会影响定子与动子间的距离，也会影响喷码精度，变形根据直线电机说明书，在直线电机的定子与动子间的间隙为0.7mm时，直线电机能够达到最佳的驱动效果。为了保证喷码检品机直线电机的定子与动子之间需要的0.7mm的缝隙，提高喷码定位装置的喷墨精确性，保证喷码位置误差在0.1mm以内，要对直线电机的定子固定板的刚度进行有限元静力学分析，若在磁吸引力的作用下，直线电机的定子固定板变形过大，使动子与定子之间的间隙过小，则必须对定子固定板进行优化加固，使其达到一定刚度。
利用三维建模软件Solidworks建立喷墨定位装置和定子固定板三维模型，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。
2 有限元静力学分析
2.1 模型的导入与材料参数设置
将保存好的Parasolid格式定子固定板文件导入到有限元分析软件Ansys Workbench，如图4所示，新建定子固定板材料为铝合金，密度设置为2810Kg/ m3，弹性模量为7.17*1010Pa，泊松比设置为0.33，如图5所示。
2.2 施加约束与划分网格
建立有限元力学模型之后，对直线电机定子固定板添加约束，为保证直线电机定子固定板安装后的垂直度，在该板的下部铣有子口，其安装位置在底板下方的子口处，因此在该处添加固定约束，如图6所示。在计算机计算能力允许条件下，尽可能划分精细的网格以保证计算结果的准确度，如图7。经多次实验后将网格精度确定为2mm，划分后节点数255442，单元数147105。
2.3 施加载荷
当直线电机的动子运动到直线电机定子固定板的中间时，在磁吸引力的作用下，其变形应该是最大的，因此，在直线电机定子固定板的中间施加2414N的载荷，如图8所示。
2.4 求解分析
经过Ansys分析之后得到定子固定板总变形云图（图9）与Z方向变形云图（图10）。
分析结果显示，在直线电机定子与动子吸引力的作用下，该定子固定板的最大变形出现在直线电机的定子与动子的吸引力处，和变形最大值0.68857mm，Z方向最大变形值0.68803mm，这个变形量虽然不超过直线电机的定子与动子之间的间隙，但是最大变形量几乎已经接近要求的至少0.7mm的间隙，加上厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内，即现在的定子固定板刚度不能满足结构的要求，因此需要对此板进行加强处理。
3 结构优化分析
考虑定子固定板变形量较大，若对整板进行加固的话，成本较高，而且效果未必明显，因此采用加强筋的形式对该板关键位置进行局部加固，使用加强筋的目的是使定子固定板的Z方向变形足够小，因此加强筋的布置方案有可以有以下三种：第一种是沿着定子固定板的横向布置，第二种是沿着定子固定板的纵向布置，第三种是横向和纵向相结合的方式，加固后的直线电机定子固定板三维模型图如图11所示。
将三种筋板布置方案再次导入Ansys Workbench进行分析，得到三种方案下的定子固定板最大和变形与Z方向的最大变形量，如图12所示。
根据分析结果绘制成表格1，通过三种方案的比较，可以看出，在该定子固定板上以任何一种方式增添加强筋，都能使该板变形量减小，达到提高定子固定板的强度和刚度的目的。但是方案一和方案二的和变形都在0.1mm以上，超过了厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内的需求，方案三不仅保证了定子与动子之间0.7mm间隙，其和变形量0.089mm也在厂家要求喷码位置误差在0.1mm以内。
4 结论
本文对喷码检品机喷码装置进行三维建模，将因变形而影响喷码精度的定子固定板导入有限元软件进行分析，在未优化条件下，定子固定板形变量较大，达到0.688mm，在很大程度上影响了喷码的精度。然后拟定了横向布置筋板，纵向布置筋板，横向和纵向相结合布置筋板三种方案来提高定子固定板的强度，将三种方案模型分别导入Ansys再次进行静力学分析，得到三种方案下的定子固定板变形量，从得到的数据可以看出方案三即横向和纵向相结合布置筋板在提高该板强度，降低该板变形量，提高喷码装置喷码精度效果上最为显著，使定子固定板形变量降低了87%，故采用横向和纵向相结合布置筋板的方式为最佳方案，予以采用。
参考文献：
[1] 位士博.喷码品检机喷码系统精度的分析与研究[D].北京印刷学院，2017-12-01.
[2] 佚名.国内喷码机发展现状[J].中国包装工业，2003，05-20.21
[3] 范昌富.大字符喷码机控制系统研究[D].广西师范大学，2016-05-01.
[4] 赖昌华.高精度喷墨定位系统关键技术研究[D].北京印刷学院，2020-05-01.
[5] 袁先珍.食品包装日期喷码检测系统设计[J].包裝工程，2020，03-10.
[6] 李豫南，周晓丽.浅析喷码机现状及发展趋势[J].中国井矿盐，2016，11-25.5
[7] 樊留强，惠延波.喷码机的研究与应用[J].电脑知识与技术，2016，10-17.