CT高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)設計及分析

【作 者】潘力，曹巨江， 劉敏，付威威

1 陜西科技大學機電工程學院，西安市，710021 2 中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所，蘇州市，215163

CT高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)設計及分析

【作 者】潘力1,2，曹巨江1， 劉敏2，付威威2

1 陜西科技大學機電工程學院，西安市，710021 2 中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所，蘇州市，215163

高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)用于固定端與旋轉端之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，是CT系統(tǒng)的核心部件之一。該文中涉及一種基于離軸自由空間光傳輸原理的CT高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)的結構設計及分析。根據(jù)實際工程應用中遇到的空間限制、光纖固定、光纖準直器裝調等問題，設計出固定環(huán)的結構。利用ANSYS Workbench的靜態(tài)分析功能，驗證固定環(huán)結構強度的合理性和安全性?；贏NSYS Workbench模態(tài)分析功能，評估固定環(huán)結構對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的影響，為該結構在實際應用中的可行性提供理論依據(jù)。

滑環(huán)；自由空間光通信；結構設計；強度分析；模態(tài)分析

0 引言

滑環(huán)是CT（計算機斷層掃描，Computed Tomography)系統(tǒng)的核心部件之一，用于CT旋轉端和固定端之間的電力、信號及數(shù)據(jù)傳輸。隨著CT設備數(shù)據(jù)采集量的不斷增加，滑環(huán)高速數(shù)據(jù)傳輸技術已成為CT系統(tǒng)研制的關鍵之一。目前，該項技術長期被國外公司所壟斷，國內在滑環(huán)電力/信號傳輸方面實力較強，但是在滑環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方面一直停留在低速傳輸技術層面，在高速滑環(huán)數(shù)據(jù)傳輸方面基本處于空白狀態(tài)。本項目所研究的高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)是為了解決目前國內在該技術領域的短板問題。在高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)中，旋轉端的滑環(huán)組件固定環(huán)是整個系統(tǒng)中最基礎、最核心的組件之一。其如何在CT內部受限的安裝空間中穩(wěn)固安裝，同時在高速旋轉過程中確保安全穩(wěn)定及可靠，是其中一個技術難點。本項目對高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)進行結構設計時，綜合考慮了其在CT整機上的安裝定位、光學元器件的可靠裝夾等問題。并對該結構在正常工作時的安全性和穩(wěn)定性進行了分析。

1 結構設計

本文所研究的高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)的固定環(huán)將固定于圖1所示的CT系統(tǒng)機架的轉盤上。根據(jù)整個CT系統(tǒng)設計中高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)預留的裝載空間，設計出固定環(huán)的整體尺寸：外徑、內徑、厚度尺寸分別為920 mm、800 mm、15 mm。

圖1 CT系統(tǒng)機架Fig.1 CT system frame

本文所研究的高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)是基于離軸空間光傳輸原理[1]進行信號傳輸?shù)模湓砣鐖D2所示，固定環(huán)上的所有光纖準直器發(fā)射出來的光斑首先匯聚于固定環(huán)的中心處，再在準直器和固定環(huán)中間插入平面鏡讓光反射到光信號接收模塊。根據(jù)該原理可知，系統(tǒng)對光斑的位置精度要求極高，故其對影響光斑位置的光纖的抖動和準直器的安裝定位有極高的要求。

圖2 空間光傳輸原理Fig.2 Space optical transmission principle

目前，國內外CT數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)中，通常采用的光纖固定方式只是簡單的捆扎約束。這種固定方式，在高速數(shù)據(jù)傳輸時，固定環(huán)快速運轉，光纖容易產生較大的抖動和損壞，難以保證信號傳輸?shù)臏蚀_性、穩(wěn)定性，且使用壽命較短。為解決此問題，根據(jù)現(xiàn)有CT機架尺寸及整體布局，設計出適配現(xiàn)有CT產品的數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)固定環(huán)結構：在固定環(huán)上開出V形槽，將光纖依次布置于V形槽中，再在槽的上端面壓上柔性蓋板[2-3]。這種方法可以有效地固定和保護光纖，提高整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性。如圖3所示為常用的和現(xiàn)在設計的光纖固定方法對比圖。

圖3 光纖固定方法對比Fig.3 Fiber fi xing method

對于光纖準直器的裝夾，目前，常用的光纖準直器裝夾方式是：將光纖準直器插入套管中，手動調節(jié)好位置后，旋緊壓緊螺絲進行固定。這種手動裝夾方式，在裝調時難以實現(xiàn)精確對準，且手動對準后，在調節(jié)旋緊螺絲時，容易使準直器再次傾斜，使其射出的光斑位置發(fā)生偏差?，F(xiàn)采用高精度機械加工工藝，在固定環(huán)上加工出V形槽口和后端擋板，利用機加工的端面進行光纖準直器的精確定位，再用壓緊支架壓緊光纖準直器[4-5]，這樣可以對光纖準直器進行精確的定位、安裝。如圖4所示為常用的和現(xiàn)在設計的光纖準直器固定方法對比圖。

圖4 光纖準直器固定方法對比Fig.4 Fiber collimator fi xed method

綜合加工工藝及設計的要求，確定高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)的機械結構為帶有環(huán)形光纖安裝槽和光纖準直器固定口的圓環(huán)結構，如圖5所示，為該結構的3D模型。

圖5 固定環(huán)3D模型Fig.5 Retaining ring 3D model

2 強度分析

2.1 固定環(huán)載荷分析

高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)通過四個緊定螺釘安裝在CT系統(tǒng)的轉盤上，轉盤由電機帶動旋轉。因此，固定環(huán)的主要受載，是在四個螺紋孔處，載荷是由電機的轉矩提供。所用電機的額定參數(shù)如表1所示：

表1 電機的額定參數(shù)Tab.1 The rated parameters of the machine

整個CT系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，電機的輸出功率為0.75 kW，電機直接帶動裝有固定環(huán)的轉盤轉動，此運行過程中的功率損耗可以忽略不計，故固定環(huán)的工作功率為0.75 kW。受系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，固定環(huán)的工作轉速為120 rpm。由計算公式（1），可

得固定環(huán)所受轉矩為59.7 N·m。

其中：T—固定環(huán)所受轉矩；

P—固定環(huán)的運行功率；

n—固定環(huán)的轉速。

實際工作中，轉矩是通過四個聯(lián)接螺釘傳輸?shù)焦潭ōh(huán)上，因此固定環(huán)的實際受力情況如圖6所示。A、B、C、D四點為四個螺紋孔的軸心位置，點O表示固定環(huán)的中心位置，點E、F為相應的垂足點。將固定環(huán)所受的轉矩分解到四個受載螺紋孔處的計算公式為式（2）～（5）。

圖6 固定環(huán)受載分布Fig.6 Retaining ring loading distribution

其中：lOA、lOB、lOC、lOD、lOE、lOF、lEA、lCF分別為O、A、B、C、D、E、F對應點之間的距離；Fa、Fb、Fc、Fd表示A、B、C、D四個螺紋孔處所受的實際載荷；z為螺栓數(shù)目；ri表示第i個螺紋孔的軸線到中心O的距離。由此可得，固定環(huán)所受載荷大小為：Fa=Fb=34.2 N，F(xiàn)c=Fd=33.9 N，方向如圖6中所示，垂直于相應的螺紋孔的軸線到中心O的連線。

2.2 強度分析

高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)結構強度的安全性、合理性是整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心考察指標之一，因此需對該結構的強度進行分析校核。通過ANSYS Workbench中的靜態(tài)分析功能，可以有效地驗證固定環(huán)強度的合理性和安全性[6-8]。

將UG中建立的固定環(huán)的三維模型，導入ANSYS Workbench中。為了減輕CT系統(tǒng)中轉盤的負載，固定環(huán)的材料選用鋁合金材料，在模型分析中，將固定環(huán)模型的材料定義為Aluminum Alloy。利用Workbench中的6面體網格劃分功能對固定環(huán)模型進行網格劃分。實際應用中，固定環(huán)固定在轉盤上以后，中心軸端面的6個自由度只有繞中心旋轉的自由度未受限制。故在ANSYS Workbench分析中，固定環(huán)的邊界約束條件為：x軸旋轉的自由度為free，其它5個自由度都為0。固定環(huán)所受載荷主要集中在四個螺紋孔處，將其所受載荷Fa、Fb、Fc、Fd正交分解后施加在模型的四個螺紋孔的軸側面。通過ANSYS Workbench分析，得出高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)運行時的彈性應變和應力情況，如圖7、8所示。

圖7 應變分析結果Fig.7 Strain analysis results

圖8 應力分析結果Fig.8 Stress analysis results

由分析結果可得：固定環(huán)在運行時其所受最大的彈性應變?yōu)?.291 7×10-5mm/mm，所受的最大應力為1.839 3 MPa。鋁合金材料所允許的最大應變?yōu)?.45 mm/m，極限應力值為240 MPa[9-10]，可得該高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)的安全系數(shù)S值為13。由此可知，該固定環(huán)的強度設計安全、合理。

3 模態(tài)分析

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性標準分析

CT高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，要求所有光纖準直器的光斑匯聚于固定環(huán)的軸線上的一點。在CT系統(tǒng)正常工作時，安裝在固定環(huán)上的光纖準直器上下和左右的振動幅值應小于光纖準直器在固定環(huán)軸線處的光斑直徑的1/2，此系統(tǒng)中所選用的光纖準直器在固定環(huán)軸線處的有效光斑直徑為3 mm，故光纖準直器在這兩個方向的振動幅值須小于1.5 mm。

該套CT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是基于等光程原理進行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，即要求各光路中光傳輸?shù)木嚯x相等。通過數(shù)據(jù)傳輸公式（6）、（7），可得在項目要求的10 Gbps高速數(shù)據(jù)傳輸過程中，要保證各路信號的一致性，總光程誤差需小于3 mm。目前，光纖準直器與光纖的熔接長度制作精度為2 mm，即通過固定環(huán)結構固定的光纖準直器前后方向的振動幅值小于1 mm時，才能滿足系統(tǒng)信號的穩(wěn)定傳輸。

其中：T—一個數(shù)字脈沖信號重復的周期；

N—一個碼元所取的有效離散值個數(shù)；

R—數(shù)據(jù)傳輸速率 ；

c —光在空氣中傳播的速率；

△—所允許的最大光程差。

3.2 模態(tài)分析

現(xiàn)將準直器按照上述方式裝夾在固定環(huán)上，再將其整體安裝在CT系統(tǒng)樣機的機架上，得到整機模型，如圖9所示。

圖9 整機模型Fig.9 Machine model

通過ANSYS Workbench中的模態(tài)分析功能[8]，得出CT樣機整體的前6階振動頻率，如表2所示。光纖準直器產生最大振動位移時，整機的固有頻率可能是這6個頻率值其中之一。

表2 整機模態(tài)表Tab.1 The mode table of the tools

在此基礎上，對整機系統(tǒng)進行諧響應分析[13-15]，分析時的頻率范圍需大于前6階固有頻率范圍，故頻率范圍取0～120 Hz，步長取10 Hz；取光纖準直器的前端面上的點作為振動分析點，得出光纖準直器在系統(tǒng)正常運行情況下的振動情況，如圖10、11、12所示。

圖10 上下方向振動位移Fig.10 Up and down direction vibration displacement

圖11 左右方向振動位移Fig.11 Left and right direction vibration displacement

圖12 前后方向振動位移Fig.12 Before and after direction vibration displacement

由上面結果可得，在CT整機系統(tǒng)正常運轉時，整機頻率為2.284 7 Hz時，光纖準直器各方向的位移均達到最大值，此時，上下方向振動的位移量為1.9×10-5mm，左右方向振動的位移量為0.221 mm，前后方向振動位移量為1.86×10-4mm。對比整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性標準，可知，此固定環(huán)的設計滿足整個CT系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求。

4 結論

（1）介紹了高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)中固定環(huán)的結構設計，有效解決了大口徑中空滑環(huán)系統(tǒng)光纖固定和光纖準直器安裝定位的難題。

（2）根據(jù)固定環(huán)的實際工況，進行分析、計算得出其實際所受載荷情況。基于此載荷分布，對高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)固定環(huán)進行靜態(tài)分析，得出其強度設計合理、安全。

（3）通過對整機系統(tǒng)的模態(tài)分析，可知固定環(huán)結構，滿足CT高速數(shù)據(jù)傳輸滑環(huán)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性要求，可以應用于實際工程中。

[1] 付威威, 劉敏, 楊磊. 一種在相對旋轉的兩端傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)傳輸方法: 中國, CN102611500A[P]. 2012-2-9.

[2] Cheng W H, Sheen M T, Wang G L. Fiber alignment shift formation mechanisms of fi ber-solder-ferrul joints in laser module packaging[J]. J Lightwave Technol, 2001, 19(8):1177-1184.

[3] 張威, 王春青. 半導體激光器組件封裝中光纖的固定方法[J].半導體光電, 2004, 25(2): 27-90.

[4] Gong X J，Zhong P. Novel packaging method for optical fiber collimator based on image processing[J]. Lightwave Technol，2007, 15(9): 1322-1327.

[5] Jackson T M, Hodges R T. Method of making optical fiber termination: US, US4113346[P]. 1978-9-12.

[6] 張總. 基于ANSYS鋁合金輪轂的有限元分析[J]. 工具技術, 2012,46(12): 42-44.

[7] 趙宇. 基于ANSYS Workbench的汽車鋁合金車輪強度分析[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[8] 楊春梅, 朱建楠, 馬巖. 微纖絲制取實驗臺動磨盤固定座的有限元分析[J]. 西部林業(yè)科技, 2016, 45(1): 42-47.

[9] He M, Li F G, WANG Z G. Forming limit stress diagram prediction of aluminum alloy 5052 based on GTN model parameters determined by in situ tensile test[J]. Chin J Aeronaut, 2011, 24:378-386.

[10] Tang X, Vikas P, John L. Dynamic tensile deformation of aluminum alloy 6061-T6 and 6061-OA[J]. J Experiment Mech, 2007 22: 305-312.

[11] Song F F, Ni Y H, Tan Z Q. Optimization design, modeling and dynamic analysis for composite wind turbine blade[J]. Procedia Eng, 2011 16: 369-375.

[12] Bai B, Zhang L X, Guo T. Analysis of dynamic characteristics of the main shaft system in a hydro-turbine based on ANSYS[J].Procedia Eng, 2012, 31: 654-658.

[13] Kang Y , Chang Y P, Tasia J W, et al. An investigation in stiffness effects on dynamics of rotor-bearing-foundation systens[J]. J Sound Vibrat, 2000, 231(2): 343-374.

[14] 周斌, 曾億山. 垂直鉆井并聯(lián)調整裝備的設計與分析[J]. 機械傳動, 2015, 39(2): 55-58.

[15] Zhou Z X. Vibration response analysis of a lathe spindle by using the ANSYS finite element method[J]. Hydromechatronics Eng,2015, 43(18): 57-69.

Design and Analysis of CT High-speed Data Transmission Rotating Connector Ring System Retaining Ring

【 Writers 】PAN Li1,2, CAO Jujiang1, LIU Min2, FU Weiwei2
1 College of Mechanical amp; Electrical Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi’an, 710021 2 Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences, Suzhou, 215163

High speed data transmission rotating connector system for signal high-speed transmission used in the fi xed end and rotating end, it is one of the core component in the CT system. This paper involves structure design and analysis of the retaining ring in the CT high speed data transmission rotating connector system based on the principle of off-axis free space optical transmission. According to the problem of the actual engineering application of space limitations, optical fi ber fi xed and collimator installation location, we designed the structure of the retaining ring. Using the static analysis function of ANSYS Workbench, it veri fi es rationality and safety of the strength of retaining ring structure. And based on modal analysis function of ANSYS Workbench, it evaluates the effect of the retaining ring on the stability of the system date transmission, and provides theoretical basis for the feasibility of the structure in practical application.

slip ring, FSO, structure design, strength analysis, modal analysis

TH69

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.002

1671-7104(2017)06-0395-04

2017-04-11

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0104500)； 蘇州市醫(yī)療器械與新醫(yī)藥專項（ZXY201414)

潘力，E-mail: 18066528681@163.com

；付威威，E-mail: fuww@sibet.ac.cn