COSMOS Motion在CT床優化設計中的應用

尚洪，黃堅，任超

1 上海西門子醫療器械有限公司，上海市，201318

2 上海西門子研究院，上海市，200082

0 引言

CT床是計算機斷層掃描系統中重要組成部分，是將病人送入Gantry進行掃描檢測的載體，其性能直接影響掃描測試結果的精度，合理的CT床結構設計不僅自身直接降低成本，還為測試及數據處理提供了便利[1]。CT床的床身通常采用平行四邊形機構，其受力的復雜性及運動位置的多變性為零部件的選型帶來困難。以往CT床設計時所采用的“設計-試驗-再設計”方法不僅難以精確分析零部件受力，還提高了CT床的研發成本并延長了新產品的上市時間。

多剛體動力學仿真分析主要應用于機構的運動和受力分析計算，具有高效、精確、系統等特點，尤其適用于系統概念設計階段[2]。本文借助COSMOS Motion軟件，對CT床的各種工況進行了仿真分析，并優化了鉸鏈的位置，為鉸鏈軸承和驅動電機的選型提供依據，定量的驗證了病床結構設計的合理性，有效提高了CT床設計質量并降低了研發成本。

1 CT床工作原理

圖1 CT床結構模型Fig.1 CT table structure model

CT床結構可分為床身、驅動件、升降支撐組件和床板四大部分組成，如圖1所示。床體平行四邊形機構由前擺桿、后擺桿、底座和床架構成，床身的升降運動由電動直線制動器和氣彈簧實現，由于直線制動器體積較大，直線制動器的作用點關于床板Z方向不對稱，因此模型不能做對稱性簡化。載荷由床板和支撐板構成，其水平運動由直流電機-同步帶實現。床體工作時，直線制動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，水平直流電機再以一定的速度將拖車同病人一同傳送到Gantry內，最大行程為1600 mm。掃描測試結束后，以相反運動方式回到起始位置。

2 CT床仿真模型的建立

2.1 定義配合副

COSMOS Motion 與Solidworks 實現了無縫集合，Solidworks模型中的約束可自動轉化為COSMOS Motion中相應的配合副，并對冗余約束進行套筒技術處理[3]。參照圖1所示零件號，表1給出了CT床所有組件的裝配約束關系。

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碳纖維構成，因增強相質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，分析時將其簡化視為集中載荷處理。

表2 CT床主要部件材料及質量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影響CT床受力計算，本文假設病人重心位于床板端部距離L2處，病人重量為210 kg。在正常運行時CT床邊界及載荷條件應包含公式(1)～(6)，但長期運行后，空氣彈簧可能出現磨損失效，此時模型邊界及載荷條件設置為公式(1)～(5)，仿真分析模型如圖2所示，坐標原點為底座端點。

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化目標，根據剛體動力分析的結果建立優化分析模型，并以當前設計參數L10=795 mm為變量初值。

3 仿真結果及分析

3.1 正常工況下各鉸鏈及馬達受力

圖3 正常工況下鉸鏈及馬達受力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隨床體位置變化的受力曲線。在整個運動過程中，最大鉸鏈載荷為6.2 kN，位于起始時刻的C’鉸鏈上，此時的馬達載荷也為最大值8.2 kN。在床體起升的過程中，各鉸鏈及馬達上的受力呈降低趨勢，且鉸鏈C’、C和馬達受力變化最為顯著，其余鉸鏈受力略有降低。當床體起升角為80o時，鉸鏈C’、C和馬達受力達到最小值且接近0。在床板伸出過程中，馬達受力保持不變且幾乎為0，各鉸鏈受力隨床板伸出長度呈線性增長且在床板伸出1600 mm都時達到最大值。此時，鉸鏈D上載荷為5.2 kN，高于其他鉸鏈受力。

3.2 空氣彈簧失效時各鉸鏈及馬達受力

當空氣彈簧同時失效時，所有驅動力由起升馬達提供，此時鉸鏈和馬達受力如圖4所示。圖3和圖4結果對比說明，空氣彈簧的失效對鉸鏈受力不產生影響，馬達驅動力顯著增大，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受力，同時馬達最大承載能力需大于11.6 kN。

3.3 鉸鏈位置優化對鉸鏈及馬達受力影響

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

圖5 鉸鏈位置對鉸鏈及馬達最大載荷影響Fig 5 Hinge location of the hinge and motor load

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

根據圖5結果所示，馬達載荷不受鉸鏈位置變動的影響，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，鉸鏈C’呈線性降低的趨勢，而鉸鏈C在L1=795 mm時有最小值。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，在L1=795 mm時有最小值21.2 kN，因此當前設計鉸鏈位置為最優位置。

4 設計參數的確定

4.1 軸承選型的確定

根據圖3結果說明，鉸鏈C’在CT床初始位置時承受載荷最大，負載為床體自重215 kg、病人重210 kg，當設計安全系數為4時：即床體自重215 kg、病人重840 kg，鉸鏈最大受力簡化計算為：

式中[F]為軸承許用載荷。

4.2 起升馬達功率確定

根據設計要求，在空氣彈簧全部失效時，馬達仍能獨立驅動床體升降，而過載工況中的床體載荷將由馬達螺桿自鎖來承受，因此根據圖4結果，馬達最低驅動力為11.6 kN，對應其功率為：

式中F為馬達驅動力，V為驅動速度，f1為機械效率，f2為馬達效率，n為安全系數

5 結論

本文借助COSMOS Motion 對CT床各種工況的全運動過程進行了仿真計算及鉸鏈位置優化，根據計算得出以下結論：

(1)床體起始位置為最危險工況，且前鉸鏈軸承選擇滿足4倍安全系數設計要求。

(2)雙空氣彈簧輔助支撐時可有效降低驅動桿的受力，在其同時失效時，馬達驅動載荷也足以支撐床體。

(3) 當前上床體鉸鏈處于最優位置，可以使前床板受力最低。

[1]尚洪,劉文志.CAE技術在CT產品研發中的應用[J].中國醫療器械雜志,2008,32(3):215-217.

[2]武超,高雪官,曹其新,等.帶輔助運動平臺的手術機器人設計與分析[J].醫療裝備,2012,25(02):1-5.

[3]張晉西,郭學琴.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計[M],北京:清華大學出版社, 2007.