雙C型臂X射線機結(jié)構(gòu)設計與結(jié)構(gòu)分析

任曉路

摘要：隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代機械設計工藝研發(fā)也取得巨大的成就。在現(xiàn)代機械領域中越來越多的高精密、大型的設備層出不窮，既改變了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，還提升了機械應用水平。雙C型臂X射線機正是用以展開精密機械生產(chǎn)的設備。因此，下文主要從雙C型臂X射線機的結(jié)構(gòu)設計原則和思路入手，旨在通過對雙C型臂X射線機展開框架搭建以及應用。從而為雙C型臂X射線機的普及應用和性能優(yōu)化打下堅定的基礎。

關鍵詞：雙C型臂X射線機;結(jié)構(gòu)設計;結(jié)構(gòu)分析

0 ?引言

隨著機械技術水平的提升，C型臂X射線機已然廣泛地應用于實踐活動中?，F(xiàn)有的C型臂X射線機主要是單C型臂結(jié)構(gòu)，使用時需要頻繁調(diào)整C型臂來獲取數(shù)字圖像信息。而在使用過程中，若是頻繁地調(diào)整C型臂容易出現(xiàn)成影像滯后，甚至是失去重要部位的影像，重新恢復成像需要花費大量的時間，重復調(diào)整和重新定位C型臂的角度和位置，此過程費時且呈現(xiàn)出來的成像容易出現(xiàn)不穩(wěn)定問題，如此嚴重制約著C型臂X射線機在實踐生產(chǎn)活動中的應用效率和應用質(zhì)量。因此，下文基于單C型臂X射線機的使用不足，給出一種新型的C型臂X射線機的設計思路——雙C型臂的結(jié)構(gòu)類型，通過大、小C型臂回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)等，保證在使用過程中能夠同時獲得不同方位的影像信息，由此減少因為C型臂X射線機設備頻繁調(diào)整所帶來的成像延時等干擾問題，大大縮短操作時間。

1 ?雙C型臂X射線機設計原則與思路

1.1 雙C型臂X射線機設計原則

第一，安全可靠。作為一種新型器械，其整機結(jié)構(gòu)設計需要充分考慮到安全系數(shù)問題。只有如此才能夠避免在使用器械過程中發(fā)生意外。如，雙C型臂X射線機的機電控制系統(tǒng)必須要設計有安全鎖止程序，保證使用機器時的安全可靠性。

第二，低噪音。雙C型臂X射線機所應用的場所條件比較苛刻，需要營造靜謐的環(huán)境。因此要求整機在使用過程中，升降機、C型臂調(diào)整定位不會發(fā)出噪音。

第三，整體運動靈活符合人體工程學。雙C型臂X射線機本質(zhì)上是人工智能機器人設備，其主要是獲取影像資料，為相關決策或者規(guī)劃制定提供依據(jù)。因此，雙C型臂X射線機的整體結(jié)構(gòu)要具有柔性化特點，確保整機運動靈活輕便。

1.2 雙C型臂X射線機設計思路

基于當前市面上所流行的C型臂X射線機的應用現(xiàn)狀可知，其雖然可以實現(xiàn)正位透視和側(cè)位透視，但是需要經(jīng)過人工角度調(diào)整，之后中心旋轉(zhuǎn)才能夠得到。這樣的X射線機下取得的圖像信息存在延時性，嚴重的話會影響治療效率。因此展開雙C型臂X射線機的設計概念。

第一，在材料選擇中。根據(jù)C型臂的移動要求，選擇高強度、高耐腐蝕性以及高耐磨性的6系列鋁合金設備。借助該金屬材料所具有優(yōu)良的加工性能，打造出雙C型臂X射線機。

第二，在理論應用中。本文所提出的雙C型臂X射線機的設計依靠的是TRIZ理論，該理論探討如何利用創(chuàng)新方法和創(chuàng)新理論實現(xiàn)對現(xiàn)有的技術手段的深入研究。借助TRIZ理論體系能夠掌握C型臂X射線機的現(xiàn)有技術形態(tài)，為雙C型臂X射線機的發(fā)展提供一個方向和設計思路。

第三，雙C型臂臂端影像增強器的運動方案。采用大、小C臂，需要提高雙C型臂的運動靈活性和協(xié)調(diào)性，在本設計中采用絲杠機構(gòu)來實現(xiàn)。這要是因為絲杠機構(gòu)較為成熟，安全系數(shù)較高，能夠協(xié)調(diào)大、小C臂的規(guī)格大小。

第四，雙C型臂X射線機的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)方案。該設備在使用時，需要根據(jù)不同的方位進行旋轉(zhuǎn)，所以，必須達到柔性化效果，能夠平穩(wěn)無噪聲無污染的轉(zhuǎn)動。對此本設計旋轉(zhuǎn)運動的傳動方案旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿方案，并且以步進電機作為驅(qū)動機構(gòu)。

第五，雙C型臂X射線機十字臂水平運動方案。水平運動主要是指雙C型臂X射線機在應用過程中，需要根據(jù)不同部位的實際情況進行微調(diào)，使其能夠初步達到制定的標準位置上。十字臂水平運動是該機械的根本運動方式，本設計主要是通過導軌、滑塊、絲杠以及步進電機來實現(xiàn)。

2 ?雙C型臂X射線機結(jié)構(gòu)及設計

2.1 雙C型臂結(jié)構(gòu)設計

當前，基于triz創(chuàng)新理論對雙C型臂X射線機的整體結(jié)構(gòu)展開設計，導入大、小C型臂兩套單獨成像的機構(gòu)。大、小C型臂的成像機構(gòu)是通過固聯(lián)球管和發(fā)射器組成的。通過軸承軌道固定在機械整體的支撐回轉(zhuǎn)托架上，將另一端固定在開口同步帶兩端，利用伺服電機驅(qū)動控制設備實現(xiàn)大、小C型臂做圓周旋轉(zhuǎn)運動（如圖1）。整體上來說，雙C型臂X射線機的結(jié)構(gòu)設計同單C型臂X射線機差距在于前者多設置一個直徑較小的輔助小C型臂，同時采用的固定方式也更加靈活便利。

2.2 C臂回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)起到支撐C臂垂直方向穩(wěn)定性的作用。雙C型臂X射線機在工作中，技術人員會根據(jù)不同方位調(diào)整雙C型臂X射線機的工作角度，當C型臂垂直于工作臺的時候，C臂就需要同回轉(zhuǎn)托架鏈接固定，由此才不會發(fā)生攢動，在雙C型臂X射線機的C型臂的回轉(zhuǎn)托架結(jié)構(gòu)設計中，通過增加浮動軸承組以及可調(diào)徑向軸承的方式，使的C型臂腔側(cè)面始終能夠同浮動軸承組接觸，保證穩(wěn)定地位移到指定角度位置。這種結(jié)構(gòu)的設計簡化了雙C型臂X射線機的零部件的同時，還確保雙C型臂X射線機有較高的穩(wěn)定性，保證在使用過程中能夠獲得最精準的立體圖像。

2.3 驅(qū)動機構(gòu)設計

驅(qū)動機構(gòu)是雙C型臂X射線機的動力機構(gòu)，主要由伺服電機、同步帶驅(qū)動輪、同步帶壓輪組成。伺服電機同回轉(zhuǎn)托架上的同步帶輪固定在一起，通過后者驅(qū)動固定同步帶上的C臂繞著圓弧展開旋轉(zhuǎn)活動。另外還可以通過控制伺服電機驅(qū)動力輸入速度的操作，確保大、小C型臂旋轉(zhuǎn)速度以及旋轉(zhuǎn)的方位信息是符合使用要求的，由此大大提高成像的精確性。驅(qū)動結(jié)構(gòu)設計圖如圖2所示。

2.4 鎖緊機構(gòu)設計

鎖緊機構(gòu)是確保雙C型臂X射線機固定在一個方位角度的重要機構(gòu)，通過鎖緊處理能夠確保雙C型臂X射線機的成像的穩(wěn)定性和固定性。在本設計中，將鎖緊機構(gòu)安裝在同步帶驅(qū)動輪軸上，運用偏心輪同圓形卡箍之間形成鎖緊的摩擦力。鎖緊機構(gòu)中的卡箍一端固定在設備主機上，另一端同偏心輪接觸，在偏心輪上設置自鎖裝置，確保偏心機構(gòu)所產(chǎn)生的正壓力始終作用在圓形卡箍上，同步帶驅(qū)動輪軸運動的時候帶動圓形卡箍同步運作，兩者之間會形成內(nèi)圓切線方向的抹茶里，該摩擦力就會反作用到同步帶驅(qū)動輪軸上，從而對偏心輪的形成起到調(diào)節(jié)作用。當偏心輪的形成越大所形成的摩擦力越大，鎖緊機構(gòu)發(fā)揮作用越明顯。

3 ?雙C型臂X射線機核心零部件設計與計算

確定好雙C型臂X射線機各個結(jié)構(gòu)之后，各種核心零部件設計需要嚴格按照設計原理，進行科學合理的計算，確保整機的結(jié)構(gòu)參數(shù)是最協(xié)調(diào)可靠的。

3.1 軸承計算

雙C型臂X射線機的軸承參數(shù)決定著大、小C型臂旋轉(zhuǎn)運動的速度和效率。根據(jù)雙C型臂X射線機的運行效率以及運動需求可知，該機械處于低速穩(wěn)定運行狀態(tài)下，因此軸承在C臂內(nèi)腔運動時至少有四只軸承是需要同C臂產(chǎn)生接觸運動的，此時大C臂的重量需要均勻地分配到這四只軸上，通過軸承的載荷情況以及表哥可知，e=0.26，求得X和Y的值分別為0.56，1.73。此時，計算Pr=XFr+YFa=0.56*500N+1.73*250=712.5N。再根據(jù)載荷的計算公式：C=（fh*fm*fd）/（fn*fr）*Pr。最后驗證可知，軸承可以選用深溝球軸承的內(nèi)徑為20mm，外徑為42mm，轉(zhuǎn)速為300r/min，荷載為500N的型號規(guī)格。

3.2 同步帶設計計算

同步帶的設計是基于現(xiàn)有的C型臂生產(chǎn)方案，采用H型同步帶。而大、小C型臂的同步帶的功率大小不同，因此需要分開進行參數(shù)設計。首先是小C型臂的同步帶功率設計。根據(jù)同步帶功率計算公式：

Pd=KA*P求得功率大小為1.1kW。其帶型大小根據(jù)功率大小而確定，可以采用節(jié)距為12.7mm的H帶型。其次是在大C型臂的同步帶的相關參數(shù)計算中，可以計算出大C臂的中心距為444.4mm，寬度大小為38.1mm。

3.3 C型臀接觸應力計算

在本設計中，雙C型臂X射線機的大、小C臂的直徑較大，如大C臂可以達到1.8m以上，且大C臂的圓周角旋轉(zhuǎn)角度可以高于180度。由于各種零部件參數(shù)都較大，在實際的運行工況中，軸承會對C型臂的內(nèi)腔提供壓力，兩種零部件在不斷的接觸作用下可能會出現(xiàn)接觸疲勞破壞。因此，在這種接觸應力下就會導致整個雙C型臂X射線機出現(xiàn)故障問題，影響使用壽命。展開對C型臂的接觸應力的計算分析，可以有效地展開設備材料的改性分析，從而減少鋁合金復合材料的使用變形量。目前可以采用綜合彈性模量E的計算模式，實現(xiàn)對軸承同C型臂內(nèi)腔的接觸模型計算。

4 ?結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)有的C型臂X射線機的使用現(xiàn)狀可知，其存在成像延時性等不足，對此基于器械設計原則以及柔性化機器人設計理論，提出一種雙C型臂X射線機的設計方案。在本設計方案下的雙C型臂X射線機結(jié)構(gòu)具有操作靈活性、成像準確性和全面性等優(yōu)勢，值得進一步推廣應用。

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