基于ADAMS的X光機俯仰機構(gòu)設(shè)計仿真

姜俊劍，楊麗紅

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093)

基于ADAMS的X光機俯仰機構(gòu)設(shè)計仿真

姜俊劍，楊麗紅

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093)

針對國內(nèi)某公司生產(chǎn)的X光機，當電機驅(qū)動X光機上的俯仰機構(gòu)運動時，需要的驅(qū)動力較大且運動的平穩(wěn)性較差問題，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是由其結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理所導(dǎo)致。為達到較小的驅(qū)動力和較好的平穩(wěn)性，文中對俯仰機構(gòu)采取ADAMS設(shè)計仿真研究。通過三維建立模型，然后導(dǎo)入ADAMS軟件中，進行仿真優(yōu)化，以期得到更加合理的結(jié)構(gòu)。經(jīng)ADAMS仿真優(yōu)化后，驅(qū)動力為141.975 比初始驅(qū)動力155.71 減少了8.82%，機構(gòu)運動平穩(wěn)。

X光機；胸片架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；ADAMS仿真

X光機具有智能化程度高，可實現(xiàn)全方位拍攝，方便快捷等優(yōu)點，是我國發(fā)展較早的醫(yī)療器械之一[1-2]。而俯仰機構(gòu)是X光機胸片架的重要部件，其中俯仰機構(gòu)中的推桿更是由于推力是曲線變化的，在一定載荷下推力的變化不僅影響到推桿本身，也對俯仰機構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生一定的影響[3-4]。由于X光機的俯仰機構(gòu)組件配置復(fù)雜、故障率高等缺點，使用傳統(tǒng)的方法研制，不僅費時費力，而且周期長，不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)；而采用ADAMS進行虛擬樣機仿真研究可大幅縮短研發(fā)周期。

1 ADAMS設(shè)計仿真

本文利用ADAMS軟件對X光機的俯仰機構(gòu)進行設(shè)計仿真，以期快速研發(fā)出更優(yōu)秀的X光機的俯仰機構(gòu)。ADAMS是利用計算機輔助分析技術(shù)進行機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)其它各構(gòu)件運動所需的作用力和反作用力[5-6]。對機械系統(tǒng)建立虛擬樣機后，在虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)的運動，得到系統(tǒng)的三維動態(tài)效果，完成無數(shù)次物理樣機無法進行的仿真試驗，并通過反復(fù)修改系統(tǒng)動力學(xué)模型，進行不同設(shè)計方案的仿真試驗，這種在不浪費制造和試驗物理樣機所需時間和經(jīng)費的前提下，就可獲得最優(yōu)的設(shè)計方案[7-10]。本文應(yīng)用ADAMS軟件對X光機的俯仰機構(gòu)進行虛擬樣機設(shè)計的過程，如圖1所示。

圖1 應(yīng)用ADAMS設(shè)計流程圖

1.1 創(chuàng)建模型

創(chuàng)建的俯仰機構(gòu)機械系統(tǒng)的模型包括：創(chuàng)建構(gòu)件或者零件、給構(gòu)件施加約束和定義作用于構(gòu)件上的力，構(gòu)件是具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的幾何形體，構(gòu)件通過約束來確定相互之間的連接關(guān)系和運動形式。

本文的俯仰機構(gòu)夠能實現(xiàn)-20°～90°的轉(zhuǎn)動，這樣不但降低了對病人的站姿要求，同時也方便醫(yī)生檢查。運用三維建模軟件Solidworks建立的俯仰機構(gòu)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。其中，1為機架，2為俯仰機構(gòu)，3為滑動副中的圓柱直線導(dǎo)軌，4為自鎖板，5為直線軸承、6為行程導(dǎo)軌，7為行程開關(guān)，8為電磁鐵，9為行程擋塊，10為電動推桿。

圖2 俯仰機構(gòu)模型

1.2 幾何模型導(dǎo)入

將SolidWorks軟件中簡化后的俯仰機構(gòu)的幾何模型，導(dǎo)入ADAMS中，然后在這些部件之間施加運動副約束、載荷、驅(qū)動等元素，建立俯仰機構(gòu)虛擬樣機模型[11]。

當導(dǎo)入模型時會產(chǎn)生在兩個軟件之間進行數(shù)據(jù)傳遞的問題，在文獻[12]中，利用在SolidWorks中建立的同一凸輪傳動機構(gòu)模型，分別采用IGES、Parasolid、STEP這3種文件標準與ADAMS進行數(shù)據(jù)交換，發(fā)現(xiàn)采用IGES格式和STEP格式生成仿真幾何模型不僅費時，且會在不同程度上出現(xiàn)一些錯誤信息，然而采用Parasolid格式進行數(shù)據(jù)交換時則沒有任何錯誤。此外還分析了Parasolid文件標準具有此種優(yōu)良性能的原因在于ADAMS和Solidworks均采用Parasolid作為實體建模的內(nèi)核。因此，采用Parasolid格式將Solidworks模型導(dǎo)入ADAMS。

1.3 施加運動約束

進行ADAMS模擬仿真之初，需要在模型中各獨立構(gòu)件之間給定約束，使它們聯(lián)系起來形成一個完整的系統(tǒng)。在ADAMS中，用固定在第1個構(gòu)件上的標記點I和固定在第2個構(gòu)件上的標記點J之間的代數(shù)關(guān)系方程來表示約束。例如，用Xi-Xj=0表示兩個標記點的X坐標值相同，用Zj×X是表示標記點I的Z軸總是與標記點J的X軸相互垂直，繞共同的Y軸無旋轉(zhuǎn)[13]。

ADAMS提供的常用運動副約束包括旋轉(zhuǎn)副、固定副、平移副、球鉸等。ADAMS為每個運動副約束列出和其限制的自由度個數(shù)相同的約束方程。例如，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)副由于限制了3個平移自由度和繞X、Y軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度，故其約束方程組如式(1)所示；沿X軸平移的平移副限制了3個旋轉(zhuǎn)自由度和沿Y、Z軸平移的平移自由度，故其約束方程組如式(2)所示。

(1)

(2)

本文研究的俯仰機構(gòu)的運動副約束主要包括推桿內(nèi)桿和外套之間的移動副約束及片盒和滑車支架、推桿內(nèi)桿和片盒、推桿外套和滑車支架之間銷軸鉸接處的旋轉(zhuǎn)副約束，運動副位置的定位方式采用捕捉相應(yīng)構(gòu)件標記點的方式進行。

1.4 施加載荷驅(qū)動

ADAMS中施加載荷，需要明確載荷作用的物體、物體上的具體作用位置以及載荷作用的方式。X光機俯仰機構(gòu)的載荷作用物體為上部整體，載荷定位方式采用捕捉質(zhì)心點的方式。作用方式為空間固定的方式，因為機俯仰機構(gòu)的載荷方向總是豎直向下，并不會隨床面板的方位的改變而改變。

俯仰機構(gòu)以電動推桿為驅(qū)動源，控制模式為恒速控制模式。俯仰機構(gòu)行程為-20°～90°，且時間控制在16 s內(nèi)。仿真時間設(shè)定為16 s，加減速時間均設(shè)為0.3 s，據(jù)此計算出推桿速度為15.6 mm/s，最大驅(qū)動力為155.71 N。升降過程中，推桿發(fā)生的位移為245.6 mm，驅(qū)動曲線如圖3所示。

圖3 驅(qū)動曲線

1.5 仿真結(jié)果及優(yōu)化

ADAMS會根據(jù)系統(tǒng)的自由度來自動確定分析類型。當自由度=0(包含驅(qū)動約束，下同)時進行運動學(xué)分析。如果設(shè)定了模型中零件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩，運動學(xué)仿真中會計算相應(yīng)的外力和反作用力，也會根據(jù)速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代出慣性力進行計算；當自由度<0(包含驅(qū)動)時無法分析；當自由度>0(包含驅(qū)動)時進行動力學(xué)分析。所以本文選擇默認類型，即運動學(xué)分析類型。

圖4為俯仰機構(gòu)質(zhì)心加速度曲線。除了開始和結(jié)束的0.3 內(nèi)，其余時間段內(nèi)加速度變化很小,因此俯仰機構(gòu)在運動過程中比較平穩(wěn)。

圖4 動態(tài)仿真加速度曲線

根據(jù)設(shè)計研究結(jié)果確定好優(yōu)化設(shè)計變量之后，下一步需要根據(jù)實際要求確定優(yōu)化變量之間的約束條件，之后再運行優(yōu)化工具，綜合考慮多個設(shè)計參數(shù)的變化對推桿最大推力的影響, 從中找出最佳組合。

由于仿真模型起始位置為機構(gòu)最高位置即俯仰機構(gòu)為水平時的位置，所有的優(yōu)化變量都是此時刻的坐標。當把機構(gòu)處于最低位置處的約束條件輸入ADAMS時，需要利用最高位置的數(shù)據(jù)表示出最低處的情形[14-16]。操作過程為：(1)最高位置時，利用DV_ux、DV_dx,DV_dy代替ux，dx，dy；(2)最低位置時,利用幾何關(guān)系表示出下安裝點的橫縱坐標ux′,uy′,dx′，dy′。

設(shè)計的研究對象和優(yōu)化的研究對象相同，都是確定當推桿運行過程中的推力最大值并確定最大推力時的具體位置。優(yōu)化前與優(yōu)化后驅(qū)動力變化曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前與優(yōu)化后后驅(qū)動力變化曲線

從以上優(yōu)化結(jié)果可知，優(yōu)化后的驅(qū)動力為141.975 N,比初始驅(qū)動力155.71 N減少了8.82%，使俯仰機構(gòu)運行更加平穩(wěn)，并且降低了能耗。

2 結(jié)束語

運用ADAMS軟件，將虛擬樣機仿真技術(shù)應(yīng)用在X光機俯仰機構(gòu)設(shè)計中，模擬了X光機俯仰機構(gòu)的工作過程，通過ADAMS軟件的仿真優(yōu)化，使俯仰機構(gòu)的驅(qū)動力減小，并且運行平穩(wěn)；通過與傳統(tǒng)的計算方法所得結(jié)果比對后發(fā)現(xiàn)，該方法同樣具有較高的計算精度，在保證精度的同時，使產(chǎn)品的研發(fā)效率大幅提高，為新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計提供了參考。

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Structural Design and Simulation of X-ray Machine on ADAMS

JIANG Junjian, YANG Lihong

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A domestic company’s X-ray machine, when the motor driven X-ray machine movement, need larger driving force and motion stability is poorer, the study found that the structure design is not reasonable. To achieve smaller driving force and good stability, is now to ADAMS simulation research on luffing mechanism. Through 3 d model, and then import the ADAMS software, the simulation optimization, in order to get a reasonable structure. After ADAMS simulation optimization, smoothly, the motion of the driving force is 141.975 was down more than 8.82% of the initial driving force 155.71 .

the X-ray systemchest radiographs frame;structure design;ADAMS simulation

2016- 05- 23

姜俊劍(1986-)，男，碩士研究生。研究方向：先進制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計。楊麗紅(1973-),女，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：先進制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.027

R812

A

1007-7820(2017)04-107-04