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(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院健康體檢中心，廣西 桂林 541000；3.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

0 引言

目前，隨著醫(yī)院檢驗(yàn)標(biāo)本數(shù)量及檢驗(yàn)參數(shù)的不斷增多，傳統(tǒng)手工標(biāo)志試管醫(yī)療信息標(biāo)簽的工作模式已逐漸暴露出其缺點(diǎn)和問題，即效率不夠高，貼標(biāo)不規(guī)范。雖然市場(chǎng)上存在著了一些自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)，但僅是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化貼標(biāo)，并不能做到全程自動(dòng)化[1-3]?，F(xiàn)設(shè)計(jì)了一款新型全自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)料倉(cāng)、試管移取、打印貼標(biāo)全程自動(dòng)化，有效地解決了人工效率低，貼標(biāo)不規(guī)范的問題。文中針對(duì)這種全自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行有限元分析，對(duì)貼標(biāo)機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行靜載、平穩(wěn)運(yùn)行工況下的力學(xué)特性分析，旨在對(duì)比分析探討關(guān)鍵部件的靜力學(xué)性能、抗變形能力，驗(yàn)證了該裝置的理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性。

1 工作原理

結(jié)合常用的條碼打印機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，研究了一種全自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)取樣試管貼標(biāo)效率不高、貼標(biāo)規(guī)范性和一致性差的問題。全自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1，包括料倉(cāng)機(jī)構(gòu)、試管移取機(jī)構(gòu)和打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)。試管與驅(qū)料倉(cāng)機(jī)構(gòu)通過多個(gè)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(dòng)至底端且順序排列；試管移取機(jī)構(gòu)則是通過夾取單元將試管滑槽上的試管夾取自動(dòng)至打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)上；打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)包括帶動(dòng)試管旋轉(zhuǎn)的貼標(biāo)驅(qū)動(dòng)單元和在試管上打印標(biāo)記的打印單元，試管與驅(qū)動(dòng)輥、副輥之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)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(píng)估結(jié)構(gòu)臨界區(qū)的應(yīng)力[4，5]。因此，在這項(xiàng)研究中，選擇有限元分析方法來檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)輥在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)載荷下的力學(xué)性能。驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度600 MPa、屈服強(qiáng)度355 MPa。采用ANSYS Workbench 中的六面體域網(wǎng)格劃分方法對(duì)驅(qū)動(dòng)輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖3。網(wǎng)格單邊尺寸為0.5 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為301216、單元數(shù)為67626。

圖3 驅(qū)動(dòng)輥有限元模型

2.2 接觸模型的建立

在進(jìn)行模型仿真計(jì)算之前，需明確各組件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件和接觸關(guān)系。對(duì)驅(qū)動(dòng)輥兩端施加Displacement 約束，釋放其繞軸向旋轉(zhuǎn)的自由度；外層材料與芯軸之間施加Frictional 接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3。

3 靜態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

用ANSYS Workbench 的靜力學(xué)分析模塊進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖4 和5 所示。由圖3 可知，驅(qū)動(dòng)輥的最大應(yīng)力位置發(fā)生在外層與芯軸的過渡處區(qū)域，最大等效Von-Mises 應(yīng)力值為119.09 MPa，該值小于材料的屈服極限355 MPa。通過等效應(yīng)變分布云圖可知，驅(qū)動(dòng)輥的變形量為0.00067 mm，不會(huì)影響試管的正常貼標(biāo)工作。所以，驅(qū)動(dòng)輥不會(huì)發(fā)生靜載破壞。

圖4 等效應(yīng)力分布云圖

圖5 等效應(yīng)變分布云圖

4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析

采用ANSYS Workbench 的瞬態(tài)分析模塊（Transient Structural）對(duì)驅(qū)動(dòng)輥系統(tǒng)正常貼標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。通過分析得到了不同時(shí)刻下的驅(qū)動(dòng)輥等效應(yīng)力分布。由圖6 可知，驅(qū)動(dòng)輥的最大等效應(yīng)力位置發(fā)生在芯軸與外層過渡區(qū)域，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，芯軸與外層過渡區(qū)域易發(fā)生疲勞破壞。

圖6 0.02s 時(shí)刻驅(qū)動(dòng)輥等效應(yīng)力分布云圖

5 結(jié)語

針對(duì)目前傳統(tǒng)手工標(biāo)志試管醫(yī)療信息標(biāo)簽的工作模式已逐漸暴露出的缺點(diǎn)和問題，即效率不夠高，貼標(biāo)不規(guī)范。對(duì)一種新型自動(dòng)試管貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行有限元分析，研究了不同工況下驅(qū)動(dòng)輥的最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變，確定了應(yīng)力集中位置。通過兩種工況下驅(qū)動(dòng)輥力學(xué)性能探討分析，驗(yàn)證了該裝置的理論研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行性。