基于絲傳動技術(shù)的乳腺X射線診斷設(shè)備的C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉保華，鞠鵬，謝艷霞，姚建義

1.中國疾病預(yù)防控制中心 a.設(shè)備條件處；b.應(yīng)急中心，北京 102206；2.邦盛醫(yī)療裝備（天津）股份有限公司，天津301726

基于絲傳動技術(shù)的乳腺X射線診斷設(shè)備的C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉保華1a，鞠鵬2，謝艷霞2，姚建義1b

1.中國疾病預(yù)防控制中心 a.設(shè)備條件處；b.應(yīng)急中心，北京 102206；2.邦盛醫(yī)療裝備（天津）股份有限公司，天津301726

0 前言

乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤之一。目前乳腺癌發(fā)病率已躍居女性惡性腫瘤首位，且發(fā)病年齡趨于年輕化。乳腺癌對人類健康的嚴(yán)重危害引起了世界衛(wèi)生組織和醫(yī)療界人士的高度重視，乳腺癌早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期治療是降低乳腺癌死亡率的關(guān)鍵[1-2]。

乳腺癌的診斷方法很多，乳腺癌病變在發(fā)生浸潤前，其X射線圖像就會有比較明顯的特征，故乳腺癌X射線診斷被醫(yī)院廣泛采用，是乳腺癌診斷的常用方法[3-5]。用于乳腺癌X射線診斷的醫(yī)療器械主要為高頻乳腺X射線機(jī)，該類產(chǎn)品主要由C形臂和立柱兩大部分組成，由轉(zhuǎn)軸將兩部分連接在一起。目前大部分高頻乳腺X射線機(jī)的C形臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大概有兩種：一種通過“電機(jī)-蝸桿蝸輪傳動-同步帶輪傳動”帶動C形臂及X射線源組件[6]；另一種通過“蝸桿減速電機(jī)-同步帶輪傳動”帶動C形臂及X射線源組件[7]。前者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、支臂寬度小、簡潔美觀，但蝸桿蝸輪傳動對加工和裝配的要求較高，因此總的制造成本反而比購買專業(yè)廠家大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格減速器的成本高；后者使用標(biāo)準(zhǔn)蝸桿減速器，對加工和裝配的要求較低,總的制造成本也較低，但由于減速器的寬度尺寸比單獨(dú)的蝸輪寬度尺寸大，因此傳動機(jī)構(gòu)總的橫向尺寸也大，會造成支臂寬度尺寸大或者支臂的一側(cè)因裝減速器而鼓出一大塊，使得支臂與整機(jī)的組合不協(xié)調(diào)、不簡潔、不美觀。

近幾年，一種新興的傳動技術(shù)——絲傳動技術(shù)迅速發(fā)展起來[8]。絲傳動技術(shù)相對于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：適用于遠(yuǎn)距離傳遞動力，能夠?qū)恿υ床贾迷谶h(yuǎn)離執(zhí)行部件的地方，從而簡化運(yùn)動結(jié)構(gòu)；在長距離傳動中易于改變傳動方向；傳動結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，適用于在小空間內(nèi)多自由度布置；對結(jié)構(gòu)加工精度誤差不敏感；張緊的情況下無回差；可以緩沖減震，使末端工具的運(yùn)動更平穩(wěn)等。

本文提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊易于安裝調(diào)節(jié)的，用于一種乳腺機(jī)C形臂回轉(zhuǎn)的絲傳動機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)絲傳動系統(tǒng)中的鋼絲繩始終在所需預(yù)緊力狀態(tài)下運(yùn)行；并且可采用粗調(diào)和微調(diào)兩種調(diào)節(jié)方式對鋼絲繩進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高調(diào)節(jié)精度。

1 乳腺機(jī)結(jié)構(gòu)

乳腺機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。其內(nèi)部龍骨架主要由方鋼焊接而成，用以支撐整個機(jī)器的結(jié)構(gòu)；平面導(dǎo)軌用以輔助C形臂垂直運(yùn)動；筋板部分為C形臂上X射線儀器支撐骨架；檢查臺即成像托盤是病人檢查接觸部分；配重塊用以保證機(jī)器整體的支撐平衡；鏈輪、平帶、張緊輪等組成C形臂整體垂直運(yùn)動系統(tǒng)；絲傳動配合電磁制動器用以控制C形臂回轉(zhuǎn)動作。

圖1 乳腺機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 C形臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

乳腺機(jī)C形臂一般可實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動和左右運(yùn)動，即從各個方向?qū)θ榉窟M(jìn)行掃描檢測，以便更詳細(xì)地檢測患者病灶所在[9]。為了使受檢者以舒適的身姿查體及全方位進(jìn)行檢測，C形臂除了保證傳統(tǒng)的上下運(yùn)動和左右運(yùn)動，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)傾斜體位攝像。故而乳腺機(jī)C形臂還需實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動和回轉(zhuǎn)動作，其中回轉(zhuǎn)動作為等軸回轉(zhuǎn)，即C形臂與成像托盤的整體回轉(zhuǎn)和C形臂獨(dú)立回轉(zhuǎn)。

對于C形臂垂直運(yùn)動，相比于帶傳動和齒輪傳動，鏈傳動具有能保持平均傳動比不變，傳動效率高；張緊小，作用于軸上的壓力較??；可用于中心距較大的場合，對制造精度要求較低，成本小等優(yōu)點(diǎn)。因而本文采用鏈傳動方式輔以平面導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)C形臂的垂直運(yùn)動。

傳動鏈有齒形鏈和滾子鏈兩種。齒形鏈?zhǔn)抢锰囟X形的鏈片和鏈輪相嚙合來實(shí)現(xiàn)傳動的。齒形鏈制造成本高、重量大。為降低成本，本文采用應(yīng)用最廣泛的套筒滾子鏈傳動，帶減速器的交流電機(jī)驅(qū)動，使C形臂傳動小車行駛在平面導(dǎo)軌之間，小車內(nèi)安裝絲傳動機(jī)構(gòu)。

傳統(tǒng)的C形臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動結(jié)構(gòu)不是制造成本較高，就是整體尺寸較大，難以達(dá)到理想效果。而絲傳動方式傳動結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安裝調(diào)節(jié)簡便，故本文采用鋼絲繩傳動方式以實(shí)現(xiàn)C形臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動。為提高鋼絲繩的承載力，防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，鋼絲繩以8字纏繞兩輪。同時，采用具有蝸輪蝸桿減速器的直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)成像托盤等軸回轉(zhuǎn)和二級防護(hù)。再通過電磁制動器的控制實(shí)現(xiàn)C形臂與成像托盤的整體回轉(zhuǎn)和C形臂獨(dú)立回轉(zhuǎn)兩種模式的切換。C形臂結(jié)構(gòu)方案以及整體示意圖，見圖2～3。

圖2 C形臂結(jié)構(gòu)方案圖

圖3 C形臂整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

3.1 絲傳動組件結(jié)構(gòu)

3.1.1 鋼絲繩摩擦傳動結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)由驅(qū)動輪（主動輪）和從動輪以及連接兩輪的鋼絲繩組成，兩輪上分別開有鋼絲繩導(dǎo)向凹槽[10]。8字纏繞方式具體是指鋼絲繩在主動輪上纏繞n周，然后交叉固定在從動輪上，使鋼絲繩與傳動軸的包角近似于4π×nrad。在纏繞時要順著有繩槽的方向，同時保證鋼絲繩在兩輪上的旋向是相反的。由于絲傳動承載的是C形臂檢測臺，C形臂的回轉(zhuǎn)扭矩能達(dá)到170 Nm，鋼絲繩傳動機(jī)構(gòu)從動輪直徑為160 mm，則作用于鋼絲繩上的力即2125 N[11]。因而鋼絲繩的最小直徑為：

鋼絲繩捻向?yàn)橛夷硐颍瑒t繩槽應(yīng)為左旋，由右手定則判定。

3.1.2 鋼絲繩固定及張緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

鋼絲繩固定方法較多，如編結(jié)法、繩卡固定法、壓套法、斜鐵固定法等。這些方法雖普遍使用，但是對于C形臂結(jié)構(gòu)來說，方法仍較為繁瑣，安裝尺寸也偏大，運(yùn)行安全可靠性無法得到較好保證。本結(jié)構(gòu)對鋼絲繩采用三級固定，以最大程度保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性。鋼絲繩固定及張緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖，見圖4。

圖4 鋼絲繩固定及張緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

鋼絲繩固定銷采用螺紋連接，鎖緊固定在絲傳動從動輪上，鋼絲繩穿過鋼絲繩固定銷，通過螺栓對鋼絲繩進(jìn)行初步固定。經(jīng)過初步固定的鋼絲繩穿過鋼絲繩鎖緊塊端面處的L形通孔，打結(jié)鎖緊，進(jìn)行再次固定。最后鋼絲繩還可將末端打結(jié)固定于鋼絲繩鎖緊塊上，使鋼絲繩末端不至脫離從動輪，導(dǎo)致前端C形臂失控，發(fā)生危險。

絲傳動系統(tǒng)張緊力調(diào)節(jié)過程如下：鋼絲的起始端打結(jié)后壓于鋼絲繩壓板下，由螺栓鎖緊固定，將鋼絲繩反復(fù)纏繞在絲傳動從動輪與主動輪外壁的飼槽內(nèi)，鋼絲繩的末端穿過鋼絲繩固定銷的通孔，經(jīng)鋼絲繩鎖緊塊側(cè)壁的穿絲孔，由頂端面穿出，打結(jié)固定。鋼絲繩鎖緊塊側(cè)壁開有12個定位孔，通過不同孔位的設(shè)定，可對鋼絲繩進(jìn)行張緊力粗調(diào)節(jié)。然后將鋼絲繩固定好后，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)鋼絲繩鎖緊塊的位置，可對鋼絲繩的張緊力進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)好后由鋼絲繩鎖緊塊定位銷將其固定于絲傳動從動輪上。

3.1.3 螺旋形繩槽

設(shè)主輪螺旋槽螺距為p1，從輪螺旋槽螺距為p2，則主從輪的繩槽螺距關(guān)系為：p2=i×p1（其中i為減速比，本文取值為2）。因?yàn)榇筝嗈D(zhuǎn)動一圈，小輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)是i，這樣繩在小輪軸就向上前進(jìn)了i×p1的距離[12]。

若選擇的鋼絲繩的直徑為6 mm，將主輪螺距p1設(shè)置為6 mm，則從動輪的螺距p2為2×6=12 mm。主動輪接在減速器上，本文設(shè)置的主動輪轉(zhuǎn)速為35 rpm，則從動輪的轉(zhuǎn)速為35 rpm/2=17.5 rpm，具體轉(zhuǎn)速可通過調(diào)速器調(diào)節(jié)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。螺旋槽典型槽形示意圖，見圖5。

圖5 螺旋槽典型槽形示意圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋼絲繩繩槽夾角的最佳角度β為30°～45°，本文采用圖5(b)所示深槽的開槽方法。鋼絲繩與繩槽底部接觸可以有效防止脫槽，同時也不像圖5(a)那樣容易磨損鋼絲繩。

基于上述設(shè)計,螺旋升角為：

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:α≤1o30 '，對光面卷筒放寬到α≤2o。但在具體傳動機(jī)構(gòu)中，為了使機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊或因加工制造及工藝問題，有時不能嚴(yán)格保證α≤1o30 '，通常α的角度增大，其后果是鋼絲繩上的有害分力Fr增大，鋼絲繩的壽命降低。在鋼絲繩摩擦傳動中的設(shè)計中,要嚴(yán)格保證偏角α≤1o30’，必要時可以減小鋼絲繩的直徑。

3.2 絲傳動整體結(jié)構(gòu)

絲傳動整體結(jié)構(gòu)示意圖，見圖6。該結(jié)構(gòu)采用減速齒輪箱對步進(jìn)電機(jī)輸出的動力進(jìn)行減速，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出扭矩大和轉(zhuǎn)動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，絲傳動主動輪與減速器鎖緊固定并且在主動輪外側(cè)壁開有右旋，螺距8 mm，槽深3 mm，螺紋長度32 mm的螺旋圓弧絲槽，將鋼絲繩纏繞在絲槽內(nèi)，起到導(dǎo)向固絲的作用。鋼絲繩的另一端纏繞在開有同樣絲槽的絲傳動從動輪上，絲傳動從動輪與絲傳動從動回轉(zhuǎn)軸采用雙鍵連接，避免了輪與軸間間隙的產(chǎn)生，提高了輪與軸間的傳遞扭矩，即使在超過動載載荷的情況下，也不會對動載荷穩(wěn)定產(chǎn)生影響，延長了整機(jī)的使用壽命。絲傳動從動回轉(zhuǎn)軸安裝在帶方形座軸承內(nèi)，可以提高承載能力。絲傳動從動回轉(zhuǎn)軸與C形臂回轉(zhuǎn)軸通過電磁制動器連接在一起，正常工作狀態(tài)下，電磁制動器吸合，將動力傳遞到C形臂回轉(zhuǎn)軸，當(dāng)系統(tǒng)過載或急停按鈕按下時，電磁制動器失電，從而可最大限度地保證人身安全。

圖6 絲傳動整體結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于絲傳動技術(shù)的C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，并簡單闡述了可適用的乳腺機(jī)的整體構(gòu)架。該結(jié)構(gòu)采用絲傳動技術(shù)，配合電磁制動器，實(shí)現(xiàn)了C形臂與成像托盤的整體回轉(zhuǎn)和C形臂獨(dú)立回轉(zhuǎn)兩種模式的切換；采用粗細(xì)調(diào)結(jié)合的調(diào)節(jié)方式對鋼絲繩進(jìn)行調(diào)節(jié)中，并采用三級固定對鋼絲繩進(jìn)行固定，安全性能和調(diào)節(jié)精度較高，且結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝調(diào)節(jié)；相較于傳統(tǒng)乳腺機(jī)C形臂回轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)，簡化了傳動過程，提高了傳動效率，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)。

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Design of the C-arm Structure Based on the Wire Transmission for Mammography X-Ray Diagnostic Equipment

LIU Bao-hua1a, JU Peng2, XIE Yan-xia2, YAO Jian-yi1b
1.a.Department of Equipment; b.Emergency Center, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 102206, China; 2.Bangsheng Medical Equipment (Tianjin) Stock Limited Corporation, Tianjin 301726, China

本文針對乳腺X射線診斷設(shè)備提出了一種基于絲傳動技術(shù)的C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用具有蝸輪蝸桿減速器的直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)成像托盤等軸回轉(zhuǎn)，通過電磁制動器實(shí)現(xiàn)C形臂與成像托盤的整體回轉(zhuǎn)和C形臂獨(dú)立回轉(zhuǎn)兩種模式的切換。絲傳動系統(tǒng)中，鋼絲繩始終在所需預(yù)緊力狀態(tài)下運(yùn)行。在對鋼絲繩進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，該結(jié)構(gòu)采用三級固定及粗細(xì)調(diào)結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，可確保系統(tǒng)的安全性能，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，易于安裝調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的C臂回轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

乳腺X射線診斷設(shè)備；C形臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；絲傳動技術(shù)；等軸回轉(zhuǎn)

A C-arm-swinging structure is proposed in this paper for the mammography X-ray diagnostic equipment based on the wire transmission. The DC (Direct Current) motor with a worm gear speed reducer is deployed in this structure so as to realize shaft rotation of imaging trays. Moreover, the electromagnetic brake is used to make a switchover between the overall swinging of the C-arm and imaging trays and the independent swinging of the C-arm. The wire rope is always running at the state of desired preload in the wire drive system. Since combination of three-level fixation and rough and fine adjustment are applied in the structure, which ensures the safe performance and raises the adjustment accuracy of the system. As a consequence, this system has become tightly-structured and easy-to-adjust. The structure has demonstrated its advantages in the tightened structure, simple drive and high efficiency over conventional C-arms.

mammography X-ray diagnostic equipment; C-arm swinging structure; wire transmission; shaft rotation

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.005

1674-1633(2015)04-0018-04

2015-01-07

本文作者：劉保華，工程師。

姚建義，副研究員。

作者郵箱：liubh@chinacdc．cn