尚洪，黃堅(jiān)，任超

1 上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海市，201318

2 上海西門子研究院，上海市，200082

0 引言

CT床是計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)中重要組成部分，是將病人送入Gantry進(jìn)行掃描檢測(cè)的載體，其性能直接影響掃描測(cè)試結(jié)果的精度，合理的CT床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅自身直接降低成本，還為測(cè)試及數(shù)據(jù)處理提供了便利[1]。CT床的床身通常采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，其受力的復(fù)雜性及運(yùn)動(dòng)位置的多變性為零部件的選型帶來困難。以往CT床設(shè)計(jì)時(shí)所采用的“設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-再設(shè)計(jì)”方法不僅難以精確分析零部件受力，還提高了CT床的研發(fā)成本并延長了新產(chǎn)品的上市時(shí)間。

多剛體動(dòng)力學(xué)仿真分析主要應(yīng)用于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力分析計(jì)算，具有高效、精確、系統(tǒng)等特點(diǎn)，尤其適用于系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段[2]。本文借助COSMOS Motion軟件，對(duì)CT床的各種工況進(jìn)行了仿真分析，并優(yōu)化了鉸鏈的位置，為鉸鏈軸承和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型提供依據(jù)，定量的驗(yàn)證了病床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，有效提高了CT床設(shè)計(jì)質(zhì)量并降低了研發(fā)成本。

1 CT床工作原理

圖1 CT床結(jié)構(gòu)模型Fig.1 CT table structure model

CT床結(jié)構(gòu)可分為床身、驅(qū)動(dòng)件、升降支撐組件和床板四大部分組成，如圖1所示。床體平行四邊形機(jī)構(gòu)由前擺桿、后擺桿、底座和床架構(gòu)成，床身的升降運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)直線制動(dòng)器和氣彈簧實(shí)現(xiàn)，由于直線制動(dòng)器體積較大，直線制動(dòng)器的作用點(diǎn)關(guān)于床板Z方向不對(duì)稱，因此模型不能做對(duì)稱性簡(jiǎn)化。載荷由床板和支撐板構(gòu)成，其水平運(yùn)動(dòng)由直流電機(jī)-同步帶實(shí)現(xiàn)。床體工作時(shí)，直線制動(dòng)器以一定的速度將床體從38o起升角的位置提升到80o位置后，水平直流電機(jī)再以一定的速度將拖車同病人一同傳送到Gantry內(nèi)，最大行程為1600 mm。掃描測(cè)試結(jié)束后，以相反運(yùn)動(dòng)方式回到起始位置。

2 CT床仿真模型的建立

2.1 定義配合副

COSMOS Motion 與Solidworks 實(shí)現(xiàn)了無縫集合，Solidworks模型中的約束可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為COSMOS Motion中相應(yīng)的配合副，并對(duì)冗余約束進(jìn)行套筒技術(shù)處理[3]。參照?qǐng)D1所示零件號(hào)，表1給出了CT床所有組件的裝配約束關(guān)系。

表1 CAD裝配體中的約束Tab.1 CAD assembly constraints

2.2 定義材料屬性

CT床中床板由泡沫填充物和增強(qiáng)碳纖維構(gòu)成，因增強(qiáng)相質(zhì)量較低且不考慮其剛度，因此定義床板密度為580 kg/m3，其余部件均為鐵基材料，密度定義為7800 kg/m3，CT床主要部件材料及質(zhì)量如表2所示。此外，由于病人幾何形狀及重量分布難以確定，分析時(shí)將其簡(jiǎn)化視為集中載荷處理。

表2 CT床主要部件材料及質(zhì)量Tab.2 CT table main components’ material and quantity

2.3 邊界條件與載荷的建立

病人的體型身高和平躺位置會(huì)影響CT床受力計(jì)算，本文假設(shè)病人重心位于床板端部距離L2處，病人重量為210 kg。在正常運(yùn)行時(shí)CT床邊界及載荷條件應(yīng)包含公式(1)～(6)，但長期運(yùn)行后，空氣彈簧可能出現(xiàn)磨損失效，此時(shí)模型邊界及載荷條件設(shè)置為公式(1)～(5)，仿真分析模型如圖2所示，坐標(biāo)原點(diǎn)為底座端點(diǎn)。

圖2 CT床仿真分析模型Fig.2 CT table simulation analysis model

2.4 床架鉸鏈位置優(yōu)化模型

床架鉸鏈位置的變化直接影響床體各鉸鏈上的受力，選取最優(yōu)的鉸鏈位置可以有效降低鉸鏈上的載荷。前面板為CT床的主要承載部件，因此以前面床板所有鉸鏈平均值最小為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)剛體動(dòng)力分析的結(jié)果建立優(yōu)化分析模型，并以當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)L10=795 mm為變量初值。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 正常工況下各鉸鏈及馬達(dá)受力

圖3 正常工況下鉸鏈及馬達(dá)受力Fig.3 Normal conditions hinges’ and motor’s force

圖3 給出了CT床正常工作過程中，床體鉸鏈及起升馬達(dá)隨床體位置變化的受力曲線。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，最大鉸鏈載荷為6.2 kN，位于起始時(shí)刻的C’鉸鏈上，此時(shí)的馬達(dá)載荷也為最大值8.2 kN。在床體起升的過程中，各鉸鏈及馬達(dá)上的受力呈降低趨勢(shì)，且鉸鏈C’、C和馬達(dá)受力變化最為顯著，其余鉸鏈?zhǔn)芰β杂薪档?。?dāng)床體起升角為80o時(shí)，鉸鏈C’、C和馬達(dá)受力達(dá)到最小值且接近0。在床板伸出過程中，馬達(dá)受力保持不變且?guī)缀鯙?，各鉸鏈?zhǔn)芰﹄S床板伸出長度呈線性增長且在床板伸出1600 mm都時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)，鉸鏈D上載荷為5.2 kN，高于其他鉸鏈?zhǔn)芰Α?/p>

3.2 空氣彈簧失效時(shí)各鉸鏈及馬達(dá)受力

當(dāng)空氣彈簧同時(shí)失效時(shí)，所有驅(qū)動(dòng)力由起升馬達(dá)提供，此時(shí)鉸鏈和馬達(dá)受力如圖4所示。圖3和圖4結(jié)果對(duì)比說明，空氣彈簧的失效對(duì)鉸鏈?zhǔn)芰Σ划a(chǎn)生影響，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力顯著增大，最大值由8.2 kN增大到11.6 kN，且床板伸出階段穩(wěn)定值由0 N增大到4 kN。因此，空氣彈簧的存在可以有效降低馬達(dá)受力，同時(shí)馬達(dá)最大承載能力需大于11.6 kN。

3.3 鉸鏈位置優(yōu)化對(duì)鉸鏈及馬達(dá)受力影響

圖4 空氣彈簧失效時(shí)鉸鏈及起升馬達(dá)受力Fig.4 Air spring failure hinges’ and lifting motor’s force

圖5 鉸鏈位置對(duì)鉸鏈及馬達(dá)最大載荷影響Fig 5 Hinge location of the hinge and motor load

圖6 鉸鏈位置對(duì)前面板整體受力的影響Fig.6 Hinge position on the front panel of the overall force

根據(jù)圖5結(jié)果所示，馬達(dá)載荷不受鉸鏈位置變動(dòng)的影響，鉸鏈A，A’，B，B’，D和D’上的最大載荷隨著鉸鏈位置L1的增大呈線性增長趨勢(shì)，鉸鏈C’呈線性降低的趨勢(shì)，而鉸鏈C在L1=795 mm時(shí)有最小值。圖6給出了前面板整體受力隨鉸鏈位置變化的曲線，結(jié)果表明隨著鉸鏈位置L1的增大，前面板整體受力呈拋物線變化趨勢(shì)，在L1=795 mm時(shí)有最小值21.2 kN，因此當(dāng)前設(shè)計(jì)鉸鏈位置為最優(yōu)位置。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

4.1 軸承選型的確定

根據(jù)圖3結(jié)果說明，鉸鏈C’在CT床初始位置時(shí)承受載荷最大，負(fù)載為床體自重215 kg、病人重210 kg，當(dāng)設(shè)計(jì)安全系數(shù)為4時(shí)：即床體自重215 kg、病人重840 kg，鉸鏈最大受力簡(jiǎn)化計(jì)算為：

式中[F]為軸承許用載荷。

4.2 起升馬達(dá)功率確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在空氣彈簧全部失效時(shí)，馬達(dá)仍能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)床體升降，而過載工況中的床體載荷將由馬達(dá)螺桿自鎖來承受，因此根據(jù)圖4結(jié)果，馬達(dá)最低驅(qū)動(dòng)力為11.6 kN，對(duì)應(yīng)其功率為：

式中F為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力，V為驅(qū)動(dòng)速度，f1為機(jī)械效率，f2為馬達(dá)效率，n為安全系數(shù)

5 結(jié)論

本文借助COSMOS Motion 對(duì)CT床各種工況的全運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了仿真計(jì)算及鉸鏈位置優(yōu)化，根據(jù)計(jì)算得出以下結(jié)論：

(1)床體起始位置為最危險(xiǎn)工況，且前鉸鏈軸承選擇滿足4倍安全系數(shù)設(shè)計(jì)要求。

(2)雙空氣彈簧輔助支撐時(shí)可有效降低驅(qū)動(dòng)桿的受力，在其同時(shí)失效時(shí)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)載荷也足以支撐床體。

(3) 當(dāng)前上床體鉸鏈處于最優(yōu)位置，可以使前床板受力最低。

[1]尚洪,劉文志.CAE技術(shù)在CT產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療器械雜志,2008,32(3):215-217.

[2]武超,高雪官,曹其新,等.帶輔助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析[J].醫(yī)療裝備,2012,25(02):1-5.

[3]張晉西,郭學(xué)琴.SolidWorks及COSMOSMotion機(jī)械仿真設(shè)計(jì)[M],北京:清華大學(xué)出版社, 2007.