基于ANSYS 的自動試管貼標機驅動輥力學性能分析

莫喜玄，張 娟，高興宇，蔣文彥，梁小歡，龔 平

（1. 桂林星漢科技股份有限公司，廣西 桂林 541000；2.桂林醫學院附屬醫院健康體檢中心，廣西 桂林 541000；3.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

0 引言

目前，隨著醫院檢驗標本數量及檢驗參數的不斷增多，傳統手工標志試管醫療信息標簽的工作模式已逐漸暴露出其缺點和問題，即效率不夠高，貼標不規范。雖然市場上存在著了一些自動貼標機，但僅是實現自動化貼標，并不能做到全程自動化[1-3]。現設計了一款新型全自動試管貼標機，能夠實現料倉、試管移取、打印貼標全程自動化，有效地解決了人工效率低，貼標不規范的問題。文中針對這種全自動試管貼標機進行有限元分析，對貼標機關鍵部件進行靜載、平穩運行工況下的力學特性分析，旨在對比分析探討關鍵部件的靜力學性能、抗變形能力，驗證了該裝置的理論研究和結構優化可行性。

1 工作原理

結合常用的條碼打印機的基本結構，研究了一種全自動貼標機，用于解決現有技術取樣試管貼標效率不高、貼標規范性和一致性差的問題。全自動貼標機的總體結構如圖1，包括料倉機構、試管移取機構和打印貼標機構。試管與驅料倉機構通過多個豎向排列且傾斜的試管滑槽組裝，試管滑槽的寬度大于試管管身的尺寸但小于試管管帽部分尺寸，豎向試管在自身重力作用下從試管滑槽高端滑動至底端且順序排列；試管移取機構則是通過夾取單元將試管滑槽上的試管夾取自動至打印貼標機構上；打印貼標機構包括帶動試管旋轉的貼標驅動單元和在試管上打印標記的打印單元，試管與驅動輥、副輥之間的運動關系見圖2。

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

三維有限元分析已廣泛用于定量評估結構臨界區的應力[4，5]。因此，在這項研究中，選擇有限元分析方法來檢驗驅動輥在靜態、動態載荷下的力學性能。驅動輥的芯軸材料是45#鋼，外層為聚氨酯材料。45#鋼材料密度7.89 × 103kg/m3，楊氏模量為2.09 MPa，泊松比為0.269，抗拉強度600 MPa、屈服強度355 MPa。采用ANSYS Workbench 中的六面體域網格劃分方法對驅動輥進行網格劃分，其有限元模型如圖3。網格單邊尺寸為0.5 mm，節點數為301216、單元數為67626。

圖3 驅動輥有限元模型

2.2 接觸模型的建立

在進行模型仿真計算之前，需明確各組件間的相對運動條件和接觸關系。對驅動輥兩端施加Displacement 約束，釋放其繞軸向旋轉的自由度；外層材料與芯軸之間施加Frictional 接觸，摩擦系數設置為0.3。

3 靜態動力學仿真結果分析

用ANSYS Workbench 的靜力學分析模塊進行仿真分析，分析結果如圖4 和5 所示。由圖3 可知，驅動輥的最大應力位置發生在外層與芯軸的過渡處區域，最大等效Von-Mises 應力值為119.09 MPa，該值小于材料的屈服極限355 MPa。通過等效應變分布云圖可知，驅動輥的變形量為0.00067 mm，不會影響試管的正常貼標工作。所以，驅動輥不會發生靜載破壞。

圖4 等效應力分布云圖

圖5 等效應變分布云圖

4 瞬態動力學仿真結果分析

采用ANSYS Workbench 的瞬態分析模塊（Transient Structural）對驅動輥系統正常貼標運行狀態下的動力學特性進行分析。通過分析得到了不同時刻下的驅動輥等效應力分布。由圖6 可知，驅動輥的最大等效應力位置發生在芯軸與外層過渡區域，結合實際經驗，芯軸與外層過渡區域易發生疲勞破壞。

圖6 0.02s 時刻驅動輥等效應力分布云圖

5 結語

針對目前傳統手工標志試管醫療信息標簽的工作模式已逐漸暴露出的缺點和問題，即效率不夠高，貼標不規范。對一種新型自動試管貼標機進行有限元分析，研究了不同工況下驅動輥的最大等效應力和最大等效應變，確定了應力集中位置。通過兩種工況下驅動輥力學性能探討分析，驗證了該裝置的理論研究和結構優化可行性。