CT高速数据传输滑环系统固定环设计及分析

【作 者】潘力，曹巨江， 刘敏，付威威

1 陕西科技大学机电工程学院，西安市，710021 2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州市，215163

CT高速数据传输滑环系统固定环设计及分析

【作 者】潘力1,2，曹巨江1， 刘敏2，付威威2

1 陕西科技大学机电工程学院，西安市，710021 2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州市，215163

高速数据传输滑环系统用于固定端与旋转端之间的高速数据传输，是CT系统的核心部件之一。该文中涉及一种基于离轴自由空间光传输原理的CT高速数据传输滑环系统固定环的结构设计及分析。根据实际工程应用中遇到的空间限制、光纤固定、光纤准直器装调等问题，设计出固定环的结构。利用ANSYS Workbench的静态分析功能，验证固定环结构强度的合理性和安全性。基于ANSYS Workbench模态分析功能，评估固定环结构对系统数据传输稳定性的影响，为该结构在实际应用中的可行性提供理论依据。

滑环；自由空间光通信；结构设计；强度分析；模态分析

0 引言

滑环是CT（计算机断层扫描，Computed Tomography)系统的核心部件之一，用于CT旋转端和固定端之间的电力、信号及数据传输。随着CT设备数据采集量的不断增加，滑环高速数据传输技术已成为CT系统研制的关键之一。目前，该项技术长期被国外公司所垄断，国内在滑环电力/信号传输方面实力较强，但是在滑环数据传输方面一直停留在低速传输技术层面，在高速滑环数据传输方面基本处于空白状态。本项目所研究的高速数据传输滑环系统是为了解决目前国内在该技术领域的短板问题。在高速数据传输滑环系统中，旋转端的滑环组件固定环是整个系统中最基础、最核心的组件之一。其如何在CT内部受限的安装空间中稳固安装，同时在高速旋转过程中确保安全稳定及可靠，是其中一个技术难点。本项目对高速数据传输滑环系统固定环进行结构设计时，综合考虑了其在CT整机上的安装定位、光学元器件的可靠装夹等问题。并对该结构在正常工作时的安全性和稳定性进行了分析。

1 结构设计

本文所研究的高速数据传输滑环系统的固定环将固定于图1所示的CT系统机架的转盘上。根据整个CT系统设计中高速数据传输滑环系统预留的装载空间，设计出固定环的整体尺寸：外径、内径、厚度尺寸分别为920 mm、800 mm、15 mm。

图1 CT系统机架Fig.1 CT system frame

本文所研究的高速数据传输滑环系统是基于离轴空间光传输原理[1]进行信号传输的，其原理如图2所示，固定环上的所有光纤准直器发射出来的光斑首先汇聚于固定环的中心处，再在准直器和固定环中间插入平面镜让光反射到光信号接收模块。根据该原理可知，系统对光斑的位置精度要求极高，故其对影响光斑位置的光纤的抖动和准直器的安装定位有极高的要求。

图2 空间光传输原理Fig.2 Space optical transmission principle

目前，国内外CT数据传输滑环系统中，通常采用的光纤固定方式只是简单的捆扎约束。这种固定方式，在高速数据传输时，固定环快速运转，光纤容易产生较大的抖动和损坏，难以保证信号传输的准确性、稳定性，且使用寿命较短。为解决此问题，根据现有CT机架尺寸及整体布局，设计出适配现有CT产品的数据传输滑环固定环结构：在固定环上开出V形槽，将光纤依次布置于V形槽中，再在槽的上端面压上柔性盖板[2-3]。这种方法可以有效地固定和保护光纤，提高整个系统运行的稳定性、可靠性。如图3所示为常用的和现在设计的光纤固定方法对比图。

图3 光纤固定方法对比Fig.3 Fiber fi xing method

对于光纤准直器的装夹，目前，常用的光纤准直器装夹方式是：将光纤准直器插入套管中，手动调节好位置后，旋紧压紧螺丝进行固定。这种手动装夹方式，在装调时难以实现精确对准，且手动对准后，在调节旋紧螺丝时，容易使准直器再次倾斜，使其射出的光斑位置发生偏差。现采用高精度机械加工工艺，在固定环上加工出V形槽口和后端挡板，利用机加工的端面进行光纤准直器的精确定位，再用压紧支架压紧光纤准直器[4-5]，这样可以对光纤准直器进行精确的定位、安装。如图4所示为常用的和现在设计的光纤准直器固定方法对比图。

图4 光纤准直器固定方法对比Fig.4 Fiber collimator fi xed method

综合加工工艺及设计的要求，确定高速数据传输滑环系统固定环的机械结构为带有环形光纤安装槽和光纤准直器固定口的圆环结构，如图5所示，为该结构的3D模型。

图5 固定环3D模型Fig.5 Retaining ring 3D model

2 强度分析

2.1 固定环载荷分析

高速数据传输滑环系统固定环通过四个紧定螺钉安装在CT系统的转盘上，转盘由电机带动旋转。因此，固定环的主要受载，是在四个螺纹孔处，载荷是由电机的转矩提供。所用电机的额定参数如表1所示：

表1 电机的额定参数Tab.1 The rated parameters of the machine

整个CT系统在正常运行状态下，电机的输出功率为0.75 kW，电机直接带动装有固定环的转盘转动，此运行过程中的功率损耗可以忽略不计，故固定环的工作功率为0.75 kW。受系统数据传输的要求，固定环的工作转速为120 rpm。由计算公式（1），可

得固定环所受转矩为59.7 N·m。

其中：T—固定环所受转矩；

P—固定环的运行功率；

n—固定环的转速。

实际工作中，转矩是通过四个联接螺钉传输到固定环上，因此固定环的实际受力情况如图6所示。A、B、C、D四点为四个螺纹孔的轴心位置，点O表示固定环的中心位置，点E、F为相应的垂足点。将固定环所受的转矩分解到四个受载螺纹孔处的计算公式为式（2）～（5）。

图6 固定环受载分布Fig.6 Retaining ring loading distribution

其中：lOA、lOB、lOC、lOD、lOE、lOF、lEA、lCF分别为O、A、B、C、D、E、F对应点之间的距离；Fa、Fb、Fc、Fd表示A、B、C、D四个螺纹孔处所受的实际载荷；z为螺栓数目；ri表示第i个螺纹孔的轴线到中心O的距离。由此可得，固定环所受载荷大小为：Fa=Fb=34.2 N，Fc=Fd=33.9 N，方向如图6中所示，垂直于相应的螺纹孔的轴线到中心O的连线。

2.2 强度分析

高速数据传输滑环系统固定环结构强度的安全性、合理性是整个数据传输系统的核心考察指标之一，因此需对该结构的强度进行分析校核。通过ANSYS Workbench中的静态分析功能，可以有效地验证固定环强度的合理性和安全性[6-8]。

将UG中建立的固定环的三维模型，导入ANSYS Workbench中。为了减轻CT系统中转盘的负载，固定环的材料选用铝合金材料，在模型分析中，将固定环模型的材料定义为Aluminum Alloy。利用Workbench中的6面体网格划分功能对固定环模型进行网格划分。实际应用中，固定环固定在转盘上以后，中心轴端面的6个自由度只有绕中心旋转的自由度未受限制。故在ANSYS Workbench分析中，固定环的边界约束条件为：x轴旋转的自由度为free，其它5个自由度都为0。固定环所受载荷主要集中在四个螺纹孔处，将其所受载荷Fa、Fb、Fc、Fd正交分解后施加在模型的四个螺纹孔的轴侧面。通过ANSYS Workbench分析，得出高速数据传输滑环系统固定环运行时的弹性应变和应力情况，如图7、8所示。

图7 应变分析结果Fig.7 Strain analysis results

图8 应力分析结果Fig.8 Stress analysis results

由分析结果可得：固定环在运行时其所受最大的弹性应变为3.291 7×10-5mm/mm，所受的最大应力为1.839 3 MPa。铝合金材料所允许的最大应变为0.45 mm/m，极限应力值为240 MPa[9-10]，可得该高速数据传输滑环系统固定环的安全系数S值为13。由此可知，该固定环的强度设计安全、合理。

3 模态分析

3.1 系统稳定性标准分析

CT高速数据传输滑环系统在稳定工作时，要求所有光纤准直器的光斑汇聚于固定环的轴线上的一点。在CT系统正常工作时，安装在固定环上的光纤准直器上下和左右的振动幅值应小于光纤准直器在固定环轴线处的光斑直径的1/2，此系统中所选用的光纤准直器在固定环轴线处的有效光斑直径为3 mm，故光纤准直器在这两个方向的振动幅值须小于1.5 mm。

该套CT数据传输系统是基于等光程原理进行数据的传输和接收，即要求各光路中光传输的距离相等。通过数据传输公式（6）、（7），可得在项目要求的10 Gbps高速数据传输过程中，要保证各路信号的一致性，总光程误差需小于3 mm。目前，光纤准直器与光纤的熔接长度制作精度为2 mm，即通过固定环结构固定的光纤准直器前后方向的振动幅值小于1 mm时，才能满足系统信号的稳定传输。

其中：T—一个数字脉冲信号重复的周期；

N—一个码元所取的有效离散值个数；

R—数据传输速率 ；

c —光在空气中传播的速率；

△—所允许的最大光程差。

3.2 模态分析

现将准直器按照上述方式装夹在固定环上，再将其整体安装在CT系统样机的机架上，得到整机模型，如图9所示。

图9 整机模型Fig.9 Machine model

通过ANSYS Workbench中的模态分析功能[8]，得出CT样机整体的前6阶振动频率，如表2所示。光纤准直器产生最大振动位移时，整机的固有频率可能是这6个频率值其中之一。

表2 整机模态表Tab.1 The mode table of the tools

在此基础上，对整机系统进行谐响应分析[13-15]，分析时的频率范围需大于前6阶固有频率范围，故频率范围取0～120 Hz，步长取10 Hz；取光纤准直器的前端面上的点作为振动分析点，得出光纤准直器在系统正常运行情况下的振动情况，如图10、11、12所示。

图10 上下方向振动位移Fig.10 Up and down direction vibration displacement

图11 左右方向振动位移Fig.11 Left and right direction vibration displacement

图12 前后方向振动位移Fig.12 Before and after direction vibration displacement

由上面结果可得，在CT整机系统正常运转时，整机频率为2.284 7 Hz时，光纤准直器各方向的位移均达到最大值，此时，上下方向振动的位移量为1.9×10-5mm，左右方向振动的位移量为0.221 mm，前后方向振动位移量为1.86×10-4mm。对比整个系统的稳定性标准，可知，此固定环的设计满足整个CT系统高速数据传输的稳定性要求。

4 结论

（1）介绍了高速数据传输滑环系统中固定环的结构设计，有效解决了大口径中空滑环系统光纤固定和光纤准直器安装定位的难题。

（2）根据固定环的实际工况，进行分析、计算得出其实际所受载荷情况。基于此载荷分布，对高速数据传输滑环系统固定环进行静态分析，得出其强度设计合理、安全。

（3）通过对整机系统的模态分析，可知固定环结构，满足CT高速数据传输滑环系统的数据传输稳定性要求，可以应用于实际工程中。

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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

国家重点研发计划（2016YFC0104500)； 苏州市医疗器械与新医药专项（ZXY201414)

潘力，E-mail: 18066528681@163.com

；付威威，E-mail: fuww@sibet.ac.cn