楊禮鵬 周衛(wèi)兵 潘紅杰

（1、長(zhǎng)沙天盾重工有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410000 2、益陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 益陽(yáng)413000 3、藍(lán)思智能機(jī)器人（長(zhǎng)沙）有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000）

1 概述

移印機(jī)的工作原理是將油墨刮在有蝕刻圖案的鋼板上，利用可凹移印膠頭（下文簡(jiǎn)稱印頭）將蝕刻圖案內(nèi)的油墨轉(zhuǎn)印到被印物體上。移印工藝是20 世紀(jì)80 年代剛剛傳到中國(guó)的特種印刷技術(shù)，移印工藝可以在較小的面積或者凹凸不平面的3D 產(chǎn)品上表面印刷，因此在電子、塑膠、禮品、玩具等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，隨著移印技術(shù)從勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，對(duì)移印機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化程度和移印精度要求越來(lái)越高[1-2]。

印頭機(jī)架是高精密自動(dòng)移印機(jī)的重要支承部件，印頭的Y向和Z 向運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)，傳動(dòng)軸，印頭等都裝配在機(jī)架上。印頭機(jī)架的強(qiáng)度和剛度對(duì)移印設(shè)備的傳動(dòng)精度和移印穩(wěn)定性有重要影響。因此如何保證印頭機(jī)架的高精度設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)移印機(jī)高精密度的重要基礎(chǔ)。本文針對(duì)以上問題，利用Solidworks 軟件對(duì)印頭機(jī)架進(jìn)行實(shí)體建模設(shè)計(jì)，利用SolidWorks 的插件simulation 模塊進(jìn)行有限元分析，并提出了改進(jìn)方案。

2 移印機(jī)印刷部分工藝簡(jiǎn)述

圖1 為一款高精密自動(dòng)移印機(jī)的印刷部分簡(jiǎn)圖。主要由印頭機(jī)架，Y 向伺服電機(jī)，Z 向伺服電機(jī)，滾珠絲桿，印頭等組成。印刷過程工藝流程如圖2 所示。取墨位的上墨裝置將蝕刻鋼板上的圖案注滿油墨，刮墨裝置將執(zhí)行鋼板上剩余的油墨刮開，留下所需圖案上的油墨，印頭從取墨位上方往下壓，當(dāng)印頭壓在蝕刻的圖案上的時(shí)候，所需圖案的油墨被轉(zhuǎn)移到了印頭上，完成取墨過程；印頭沿Y 向移動(dòng)到印刷位的上方，然后下壓，印頭壓到被印物體上時(shí)，將圖案印刷在被印物體上，完成印刷過程；由于印頭上的油墨不能完全轉(zhuǎn)印到被印物體上，殘余油墨需要清潔。完成印刷過程后，印頭沿Y 向，移動(dòng)到清潔位上方，然后下壓到清潔膠膜上，將印頭上的殘留油墨清理，完成清潔過程[3]。因此，印頭需要在取墨位，印刷位，清潔位間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)每個(gè)工位印頭都有Z 向運(yùn)動(dòng)。因此機(jī)架的強(qiáng)度和剛度會(huì)直接影響印頭走位的重復(fù)精度，機(jī)架在印頭下壓印刷時(shí)的變形量，將直接影響印頭下壓印刷時(shí)的印頭圖案位置，從而影響移印精度。

3 靜力學(xué)分析

3.1 實(shí)體建模

印頭機(jī)架由四根60×60×5 的方通作為立柱，每根立柱下方為機(jī)架固定板，其作用是利用螺栓連接副將機(jī)架固定在設(shè)備的基座上，立柱上方有四根60×60×5 的方通作為結(jié)構(gòu)橫梁，在橫梁上方是上機(jī)座板，其作用是用來(lái)安裝驅(qū)動(dòng)印頭的伺服電機(jī)，滾珠絲桿，直線導(dǎo)軌等零部件。在SolidWorks 中建立印頭機(jī)架的實(shí)體模型如圖3 所示。

機(jī)架的材料選用碳素鋼Q235A，其屈服強(qiáng)度σ 為235MPa,密度ρ 為7850kg·m-3,彈性模量E 為2.1×1011Pa，泊松比μ 為0.3[4]。在Solidworks 中將上述材料參數(shù)填到模型材料屬性中，為下一步分析作準(zhǔn)備。

圖3 印頭機(jī)架實(shí)體模型

3.2 網(wǎng)格劃分

Solidworks 的simulation 模塊對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)提供一階四面體單元和二階四面體單元兩種類型[5]。為更準(zhǔn)確反映印頭機(jī)架的實(shí)際受載情況，本文采用二階四面體單元對(duì)印頭機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)二階四面體單元有十個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)自由度，并采用“自動(dòng)過度”特征，對(duì)模型局部細(xì)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為87101，劃分網(wǎng)格單元數(shù)為47120，網(wǎng)格劃分模型如圖4 所示。

圖4 印頭機(jī)架網(wǎng)格劃分

3.3 載荷及邊界條件

根據(jù)移印工藝，印頭機(jī)架的載荷應(yīng)施加在印刷工位上方。在機(jī)架對(duì)應(yīng)的印刷工位處，在Solidworks 中用分割線劃出受力面，以便在該受力面施加載荷。根據(jù)移印時(shí)的使用工況，用壓力傳感器實(shí)際測(cè)量得到移印時(shí)印頭給機(jī)架的支反力為6500N。因此在圖5 中A 處施加6500N 的力。印頭機(jī)架的邊界約束為用螺栓連接副將機(jī)架固定板固定在設(shè)備的基座上，簡(jiǎn)化為機(jī)架固定板施加固定約束，即機(jī)架固定板6 個(gè)自由度完全被約束，如圖5 中B 處所示。

圖5 印頭機(jī)架載荷及邊界條件施加

圖6 等效應(yīng)力云圖

圖7 變形云圖

圖8 等效應(yīng)力云圖

圖9 變形位移云圖

3.4 結(jié)果分析

印頭機(jī)架在移印時(shí)印頭反作用力的作用下有限元分析結(jié)果如下，圖6 為機(jī)架等效應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，機(jī)架的最大應(yīng)力為38.85MPa，小于材料屈服應(yīng)力，說明印頭機(jī)架不會(huì)發(fā)生塑性變形。圖7 為機(jī)架變形位移云圖，從圖中可以看出，機(jī)架最大變形量為0.147mm。對(duì)于精度要求一般的普通移印工藝來(lái)說，該變形量不會(huì)影響移印效果。但是對(duì)于高精密移印機(jī)來(lái)說，要求機(jī)架變形量盡可能小，因此有必要對(duì)該機(jī)架進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

4 印頭機(jī)架改進(jìn)

為實(shí)現(xiàn)高精密移印工藝要求，本文對(duì)印頭機(jī)架的改進(jìn)目標(biāo)設(shè)為減小印頭機(jī)架在印刷過程中的變形量。將機(jī)架的4 根立柱和4 根橫梁加大為80×80×5 的方通，然后重復(fù)以上有限元分析步驟，等到等效應(yīng)力云圖和變形位移云圖如圖8，圖9 所示。

從表1 可以看出，改進(jìn)后的印頭機(jī)架最大應(yīng)力和最大變形量都有明顯的改善，更加適應(yīng)目前高精密自動(dòng)移印機(jī)的工藝要求。

表1 改進(jìn)前，后結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

通過對(duì)印頭機(jī)架三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后結(jié)合實(shí)際使用工況，施加載荷和邊界條件，有限元分析運(yùn)行計(jì)算得到印頭機(jī)架的應(yīng)力云圖和變形位移云圖。發(fā)現(xiàn)機(jī)架最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其材料屈服強(qiáng)度，說明機(jī)架不會(huì)發(fā)生塑性變形；而初始方案的印頭機(jī)架的變形量不能滿足高精密自動(dòng)移印機(jī)工藝要求。本文提出了印頭機(jī)架改進(jìn)方案，并進(jìn)行有限元分析。結(jié)果分析顯示，改進(jìn)后機(jī)架變形量明顯減小，更適應(yīng)于高精密自動(dòng)移印機(jī)工藝要求。