مدل سازي رياضي، تحليل حساسيت سوبل و بهينه سازي رفتار دما در فرآيند سوراخ كاري اتوماتيك استخوان

Investigation, sensitivity analysis and multi objective optimization of effective parameters on temperature in robotic drilling bone

سوراخ كاري استخوان از مهم ترين فرآيند هاي بيومكانيكي است كه در اعمال جراحي ارتوپدي كاربرد دارد. مهم ترين عارضه اي كه ممكن است در عمل جراحي براده برداري از استخوان ايجاد شود، بالا رفتن دما از محدوده مجاز و ايجاد نكروز حرارتي در بافت استخوان مي باشد. علي رغم پژوهش هاي فراوان، چگونگي تاثير پارامتر هاي سرعت دوراني و نرخ پيشروي مته بر رفتار دما ي فرآيند مورد اختلاف پژوهشگران اين حوزه است. در تحقيق حاضر، يك مدل سازي رياضي و طراحي آزمايش دقيق صورت گرفته و با بهره گيري از روش سطح پاسخ يك مدل رياضي به منظور تحليل و پيش بيني رفتار پاسخ ها از نتايج آزمايش ها استخراج شده است. اثر هر يك از فاكتور هاي ورودي و بر هم كنش آن ها بر روي پاسخ فرآيند بررسي شده، كه در محدوده اين تحقيق با افزايش سرعت دوراني دما افزايش مي-يابد اما رفتار نرخ پيشروي به علت زمان تماس مته و استخوان پيچيده است در نتيجه افزايش دما در نرخ هاي پيشروي پايين و افزايش دما به علت افزايش نيرو و اصطكاك در نرخ هاي پيشروي بالا اتفاق مي افتد و نيز با افزايش قطر مته دما ي فرآيند افزايش مي يابد. همچنين ميزان حساسيت اثر هر يك از پارامتر ها به روش آناليز حساسيت سوبل مورد بررسي قرار گرفته و با در نظر گرفتن تغييرات همزمان همه پارامتر ها در رفتار دما به ترتيب سرعت دوراني، نرخ پيشروي و قطر مته بيشتر ين اثر را داشته است. بهينه-سازي رفتار دماي فرآيند نيز ارائه گرديده، كه كمينه دما، 37 درجه سانتي گراد، با بهره گيري از قطر مته 2. 5 ميلي متر، سرعت دوراني 500 دور بر دقيقه و نرخ پيشروي 30 ميلي متر بر دقيقه، ايجاد مي شود.

In orthopedic surgeries, the bone drilling is one of the most important biomechanic processes that has used. ،This mechanical process is very important, sensitive and all-purpose in biomechanical engineering, because its complexity and special conditions. Bone drilling process has advanced by roboots and CNC machin entrance into the realm of orthopedic surgeries. The problematic issue during operation is the high increase in drilling process temprature which leads to the so-called thermal necrosis. It is not clear quality of enfluence of tool rotational speed and feed rate on the temprature and force responses and so it can be seen confilicts among different researcher results frequently. In this paper it is performed mathematical modeling and design of experiments on the input factors and output parameters of bone drilling. The effect of input factors and interaction of input factors have investigated. Increasing rotational speed the temperature increases where as the feed rate behavior is complex because contact duration between drill bit and bone so the increasing temperature take places because the low feed rate or increasing force and friction. In addition increasing the drill bit diameter increases the tempratures. Also the sobol sensitivity analysis method has used to investigate effect of each parameter in which rotational speed, feed rate and drill bit diameter have most effect respectiviely on temperature instantaneously. Also optimization process performed on temperature behavior, hence the minimum temprature is 37 0C when the diameter of drill bit 2. 5 mm, rotational speed 500 rpm and feed rate 30 mm/min.